長(zhǎng)江流域氮磷污染物的空間分布特征及關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別研究

王妍

(合肥城市學(xué)院，安徽 合肥 230000)

長(zhǎng)江流域面積在全亞洲的排名第一，在全世界的排名第三[1]。大城市的迅速發(fā)展導(dǎo)致氮磷污染加劇，該問(wèn)題亟需解決。通過(guò)分析氮磷污染物的空間分布特征以及識(shí)別關(guān)鍵源區(qū)，可針對(duì)分布特征制定相關(guān)政策解決氮磷污染排放問(wèn)題[2-3]。關(guān)鍵源區(qū)屬于重點(diǎn)控制區(qū)域，通過(guò)關(guān)鍵源區(qū)的識(shí)別，可獲知氮磷污染物排放量高的地區(qū)并進(jìn)行重點(diǎn)防控。王佳寧等[4]將長(zhǎng)江流域劃分成10個(gè)子流域，分析氮磷污染物的減排效果，研究水質(zhì)的響應(yīng)時(shí)空差異變化規(guī)律；湯云等[5]采用流域內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用多元統(tǒng)計(jì)方法，分析磷污染的時(shí)空特征；秦延文等[6]將磷污染問(wèn)題作為研究方向，對(duì)總磷來(lái)源進(jìn)行分析，給出總磷污染控制策略。上述研究均僅限于研究長(zhǎng)江流域污染物的空間分布特征，并不能識(shí)別關(guān)鍵源區(qū)以及無(wú)法判斷污染源的類(lèi)型，為此，本文研究長(zhǎng)江流域氮磷污染物的空間分布特征及關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別，獲取氮磷污染物的主要污染源以及空間分布特征，找出關(guān)鍵源區(qū)，為完善水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)管體系提供科學(xué)依據(jù)，有利于重點(diǎn)管控關(guān)鍵源區(qū)，及時(shí)改善流域水質(zhì)，提升污染源的管控效率。

1 研究區(qū)概況

中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院測(cè)量長(zhǎng)江總長(zhǎng)約6 300 km，總落差約5 400 m，流經(jīng)我國(guó)東中西部，干流流經(jīng)11個(gè)省(市)，支流流經(jīng)8個(gè)省(市)，總面積約1 800 km2，占國(guó)土面積的18.79%。

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

利用SWAT模型分析長(zhǎng)江流域氮磷污染物的空間分布特征與關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別，該模型的數(shù)據(jù)庫(kù)為空間與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)[7]，空間數(shù)據(jù)利用Albers等積圓錐投影，橢球體為北京Krasovsky,氮磷污染物面積單位為m2。對(duì)應(yīng)投影參數(shù)如表1所示，SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的具體信息如表2所示。

表1 研究區(qū)投影參數(shù)

表2 SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的具體信息

1.2 長(zhǎng)江流域中子流域分割

通過(guò)SWAT模型離散化流域，根據(jù)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱(chēng)DEM)獲取的河網(wǎng)分布與出水口地點(diǎn)，按照出水口形成的支流將長(zhǎng)江流域分割成13個(gè)子流域，這種分割方式可以確保子流域中的污染物來(lái)自兩個(gè)出水口地點(diǎn)之間，不會(huì)超出兩出水口以外的范圍，最小河道積水面積閾值的大小與水系詳細(xì)程度成正比[8-10]，按照各子流域中的土地利用與坡度等屬性累計(jì)分割獲取數(shù)個(gè)水文響應(yīng)單元[11]，令最小河道集水面積閾值為450 hm2，分割結(jié)果如圖1所示。

圖1 分割結(jié)果

1.3 SWAT模型

SWAT模型的驅(qū)動(dòng)力是水量平衡，水文循環(huán)內(nèi)容為陸地和河道[12-13]，令時(shí)間步長(zhǎng)為t，天數(shù)為i時(shí)的陸地演算過(guò)程的水量平衡公式為

Wseep-Pgw)

(1)

式中：SWt為土壤儲(chǔ)水量；SW0為初始土壤儲(chǔ)水量；Psurf為地表徑流；Wseep為土壤剖面地層的滲透量與側(cè)流量；Pgw為地下水儲(chǔ)量；Rday為降雨量；Ea為蒸發(fā)量。

土壤內(nèi)氮磷污染物經(jīng)由地表徑流與泥沙流進(jìn)河道，表達(dá)公式為

(2)

式中：N0為隨泥沙流進(jìn)地表徑流的氮磷污染物負(fù)荷量；地面處12 mm，土層內(nèi)氮磷濃度是C0；S是仿真以天為單位的泥沙產(chǎn)量；Ah為水文響應(yīng)單元面積；εN為氮磷富集系數(shù)。

SWAT模型通過(guò)分布式參數(shù)仿真方法仿真分析與求解氮磷污染物的空間分布特征與關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別，具體步驟如下：

步驟1：在每個(gè)HRU內(nèi)展開(kāi)仿真求解，得到空間異質(zhì)性問(wèn)題的答案[14]，完成氮磷污染物流失與遷移的空間分布特征仿真；

步驟2：集合各子流域的信息，仿真河道內(nèi)污染物負(fù)荷的分配與遷移，通過(guò)QUAL2E模型求解河道水質(zhì)模型；

步驟3：得到子流域與HRU尺度的氮磷污染物數(shù)據(jù)，完成SWAT仿真的整個(gè)過(guò)程。

1.4 模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證

以徑流和泥沙校準(zhǔn)與驗(yàn)證為前提，調(diào)整作物管理方式、化肥使用與土壤參數(shù)、化肥施用量與土壤內(nèi)氮磷存儲(chǔ)量[15]。校準(zhǔn)與驗(yàn)證的目的是通過(guò)調(diào)整參數(shù)，令仿真值和實(shí)際值大致相同，前期為校準(zhǔn)期，后期為驗(yàn)證期。

1.5 污染物排放計(jì)算方法

氮磷污染物的主要來(lái)源為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、化肥施用量與農(nóng)田種植，j表示污染源種類(lèi)，污染物排放量計(jì)算公式為

(3)

FI=F/L

式中：F為污染物排放量；FUj為j的統(tǒng)計(jì)數(shù)量；ρj為產(chǎn)污強(qiáng)度系數(shù)；ηj為資源利用率系數(shù)；Dj為流失系數(shù)；B為j的空間特征；FI為污染物排放強(qiáng)度；L為土地面積；ηj為污染物排放系數(shù)；FPj為污染產(chǎn)生量。

2 實(shí)證研究

2.1 氮磷污染物排放量

利用式(3)計(jì)算長(zhǎng)江流域2018年氮磷污染物排放量，如表3所示，該流域內(nèi)各省(市)氮磷污染物排放量如圖2所示。

表3 2018年氮磷污染物排放量 (×104 t·年-1)

圖2 污染物排放量

分析表3和圖2可知，流域中氮的排放，畜禽養(yǎng)殖與化肥施用量的貢獻(xiàn)最多，在氮的總排放量中占比分別為32.19%、30.32%；農(nóng)村生活與農(nóng)田種植的排放較少，在氮的總排放量中占比分別為15.65%、21.84%；在流域中磷排放量最高的是畜禽養(yǎng)殖，在磷的總排放量中占比為34.7%，其余3種污染源的占比分別為20.75%、23.88%、20.66%。磷污染物排放對(duì)水體環(huán)境影響最大的是畜禽養(yǎng)殖，對(duì)氮污染物排放影響較大的是畜禽養(yǎng)殖與化肥施用量，這說(shuō)明氮磷污染物管理的重點(diǎn)為畜禽養(yǎng)殖與化肥施用量。氮磷污染物排放量大多集中在四川、江西與西藏3個(gè)區(qū)域。

2.2 氮磷污染物空間分布特征

以2008—2018年長(zhǎng)江流域氣象資料為基礎(chǔ)，通過(guò)SWAT模型仿真分析該流域氮磷污染物的負(fù)荷數(shù)值變動(dòng)如圖3所示。每年月均負(fù)荷數(shù)值變動(dòng)如圖4所示。

(a)徑流量年變化趨勢(shì)

分析圖3、圖4可知，在校準(zhǔn)期與驗(yàn)證期徑流量、氮磷污染物負(fù)荷與降雨量的仿真值與實(shí)測(cè)差距較小，擬合曲線的趨勢(shì)大致相同。2008年至2018年長(zhǎng)江流域氮磷污染物空間分布特征為：

(a)徑流量月變化趨勢(shì)

1)氮磷污染物的年負(fù)荷與月負(fù)荷變化趨勢(shì)均和地表徑流量變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明氮磷污染物將徑流當(dāng)成載體，依據(jù)徑流量的改變而改變。

2)徑流量以及氮磷污染物負(fù)荷與降雨量密切相關(guān)，三者走勢(shì)相同， 8、9月為降雨高峰期，因此，徑流量以及氮磷污染物負(fù)荷在8月與9月時(shí)達(dá)到峰值水平。

3)長(zhǎng)江流域的汛期為6月至10月，這段時(shí)期的徑流以及氮磷污染物負(fù)荷的占比較高，說(shuō)明水土流失、氮磷污染物輸出的關(guān)鍵因素為汛期降雨，代表氮磷污染物提升的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力為強(qiáng)降雨。

氮磷污染物負(fù)荷具有溶解與吸附兩種狀態(tài)，前者通過(guò)徑流流進(jìn)河道，后者通過(guò)泥沙流進(jìn)河道，通過(guò)分析產(chǎn)流、產(chǎn)沙、氮負(fù)荷與磷負(fù)荷之間的相關(guān)性，研究氮磷污染物的形態(tài)如表4所示。產(chǎn)流、產(chǎn)沙、氮負(fù)荷與磷負(fù)荷之間的顯著性在99%以上，也被稱(chēng)為在0.01水平上顯著。

表4 相關(guān)性分析結(jié)果

分析表4可知，氮污染物與產(chǎn)流屬于顯著正相關(guān)，與產(chǎn)沙呈不顯著相關(guān)，代表流域中氮污染物負(fù)荷的形態(tài)主要為溶解態(tài)，吸附形態(tài)的氮不多；磷與產(chǎn)流、產(chǎn)沙均屬于顯著正相關(guān)，但磷污染物與產(chǎn)流的相關(guān)系數(shù)低于產(chǎn)沙的相關(guān)系數(shù)，代表該流域中磷污染物負(fù)荷的形態(tài)主要為吸附態(tài)，溶解形態(tài)不多。

2.3 氮磷污染物時(shí)間變化規(guī)律

按照長(zhǎng)江流域氣象站的降雨數(shù)據(jù)與2008年至2018年平均降雨資料，將一年分割為3個(gè)時(shí)期，12月至3月屬于枯水期，6月至10月屬于豐水期，剩下月份屬于平水期。該流域不同時(shí)期的氮磷污染物產(chǎn)量如表5所示。

表5 不同時(shí)期的氮磷污染物產(chǎn)量

分析表5可知，2008年至2018年，豐水期的產(chǎn)水量、氮污染物產(chǎn)量與磷污染物產(chǎn)量均顯著高于其余兩個(gè)時(shí)期，枯水期的產(chǎn)水量、氮污染物產(chǎn)量與磷污染物產(chǎn)量均最低，豐水期的產(chǎn)水量、氮磷污染物產(chǎn)量的比重均高于50%，枯水期的3個(gè)產(chǎn)量則均未超過(guò)5%，說(shuō)明豐水期屬于形成氮磷污染物的主要時(shí)期，決定氮磷污染的嚴(yán)重程度；氮磷污染物的主要?jiǎng)恿閺搅鳑_刷，降雨量多的月份會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕情況加劇，提高了氮磷污染物的負(fù)荷量。

2.4 各子流域氮磷污染物的貢獻(xiàn)率

將長(zhǎng)江流域共分割成13個(gè)子流域，各子流域?qū)﹂L(zhǎng)江流域氮磷污染物的貢獻(xiàn)率如表6所示。

表6 各子流域?qū)﹂L(zhǎng)江流域氮磷污染物的貢獻(xiàn)率

分析表6可知，子流域1～7屬于長(zhǎng)江流域的東部地區(qū)，8～13屬于西部地區(qū)，該流域西部的總氮磷負(fù)荷超過(guò)東部，原因是流域中溶解形態(tài)的氮磷污染物占多數(shù)，西部的總徑流量高于東部；9號(hào)子流域的氮磷污染物貢獻(xiàn)率最高，綜合分析可知，長(zhǎng)江流域西部區(qū)域的氮磷污染物貢獻(xiàn)率較高。

2.5 關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別

按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范，將長(zhǎng)江流域氮磷污染物的流失情況進(jìn)行分級(jí)，氮磷污染物標(biāo)準(zhǔn)限值如表7所示。

表7 氮磷污染物標(biāo)準(zhǔn)限值

長(zhǎng)江流域氮、磷污染物濃度分布如表8所示。

表8 氮磷污染物濃度等級(jí)

表8(續(xù))

分析表8可知，長(zhǎng)江流域氮污染物的濃度顯著高于磷污染物，氮污染物濃度中西部高于東部，西部中共有3個(gè)子流域濃度等級(jí)為E類(lèi)，東部?jī)H有一個(gè)子流域濃度達(dá)到E類(lèi)，西部子流域中沒(méi)有處于A類(lèi)的，東部子流域中存在1個(gè)濃度級(jí)別為A類(lèi)的子流域；磷污染物的濃度分布情況與氮污染物分布大致相同，也是西部磷污染物濃度高于東部，西部存在1個(gè)子流域濃度為E類(lèi)的子流域，而東部沒(méi)有濃度為E類(lèi)的子流域，東部等級(jí)為B類(lèi)的子流域數(shù)量也多于西部。綜合分析可知，長(zhǎng)江流域西部地區(qū)的氮磷污染物關(guān)鍵源區(qū)為9、11、13號(hào)子流域，東部地區(qū)的氮磷污染物關(guān)鍵源區(qū)為2號(hào)子流域。

3 結(jié)語(yǔ)

以氮磷污染物的定量難題為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)SWAT模型定量仿真分析氮磷污染物的變化情況，研究長(zhǎng)江流域氮磷污染物的空間分布特征及關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別，經(jīng)過(guò)實(shí)證研究得知：年水平與月水平的氮磷污染物負(fù)荷和凈流量的變化趨勢(shì)相同，降水量逐漸提升，氮磷污染物的含量隨之增長(zhǎng)，說(shuō)明水土流失、氮磷污染物輸出的關(guān)鍵因素為汛期降雨，代表氮磷污染物提升的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力為強(qiáng)降雨；長(zhǎng)江流域西部區(qū)域的氮磷污染物貢獻(xiàn)率高于東部；利用氮磷污染物的空間分布特征以及關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別結(jié)果，可幫助改善氮磷污染物對(duì)長(zhǎng)江流域造成的影響。