基于SWAT的鲇魚山水庫流域氮磷面源污染時空變化研究

史沖, 王浩宇, 王慧亮, 琚藝萌

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局 第一地質(zhì)大隊,河南 鄭州 450016; 2.鄭州大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450001; 3.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)

隨著生態(tài)治理工程的不斷推進(jìn),各類污染治理指標(biāo)體系構(gòu)建不斷完善,集中性點源污染已經(jīng)得到較好的整治[1]。近年來,生態(tài)環(huán)境逐漸改善,水域污染的研究更多轉(zhuǎn)向農(nóng)村生活、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)林生產(chǎn)帶來的面源污染,鄉(xiāng)村養(yǎng)殖和工業(yè)的崛起促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,也加劇了水環(huán)境的惡化[2]。在環(huán)境良好的上游河段,由于集中性點源污染負(fù)荷較輕,面源污染對水質(zhì)和環(huán)境的影響便更為突出[3]。

淮河流域湖庫水體是我國主要飲用水源之一,該流域氮磷污染呈現(xiàn)逐年上升趨勢,且隨著河道匯流過程下游污染負(fù)荷顯著高于上游[4],因此了解湖庫面源污染時空分布情況對改善水質(zhì)具有重要意義。湖庫面源污染負(fù)荷受到上游沿岸土地利用、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖和城鄉(xiāng)居民生活等因素的影響[5]。

現(xiàn)階段,湖庫面源污染識別方法主要分為兩類:一類是基于各理論提出的數(shù)學(xué)計算和評價方法,結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析識別,例如內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、水質(zhì)指標(biāo)指數(shù)法等[6];另一類是基于大數(shù)據(jù)分析和計算機(jī)模擬,引入各類參數(shù)進(jìn)行水文模型的構(gòu)建和修正,從而實現(xiàn)有一定精度的面源污染識別[7],常用的模型有SWAT(Soil and Water Assessment Tool)、SWMM(Storm Water Management Model)和TOP MODEL(Topography based Hydrological Model)。由于SWAT具有良好的精度,該模型在國內(nèi)外被廣泛運(yùn)用于大中型流域內(nèi)的面源污染負(fù)荷的識別與評估[8-9]。MALIK W等[10]利用SWAT校準(zhǔn)和驗證了西班牙Violada流域的改良土壤和水評估工具;CHANG D等[11]根據(jù)養(yǎng)分負(fù)荷和養(yǎng)分負(fù)荷強(qiáng)度確定了流域內(nèi)的關(guān)鍵源區(qū),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘了污染的主要原因;ZHANG M等[12]基于SWAT和不同情景,通過對洛陽市非點源污染進(jìn)行仿真和估算,揭示了該區(qū)域氮素污染源的來源和空間分布,為進(jìn)一步推進(jìn)非點源污染治理提供了決策依據(jù);CHEN J S等[13]利用SWAT對流域進(jìn)行模擬,以水文和水質(zhì)為目標(biāo),分析了新疆維吾爾自治區(qū)阿什河流域內(nèi)水文過程及總氮、總磷的時空變化。

但是,關(guān)于SWAT在小流域內(nèi)的適用性和精度研究卻較少。本研究以淮河上游鲇魚山水庫中小流域為例,首先利用SWAT研究該流域面源污染物負(fù)荷的年內(nèi)時空變化規(guī)律,分析上游丘陵平原交匯地區(qū)面源污染物負(fù)荷特點;其次,結(jié)合信陽市水文水資源勘測局提供的實際徑流和水質(zhì)監(jiān)測資料進(jìn)行氮、磷類污染物負(fù)荷量估算,并將模型輸出結(jié)果與估算成果進(jìn)行對比,進(jìn)而驗證SWAT在含有大型水庫的小流域內(nèi)是否具有良好的模擬精度。

1 研究區(qū)概況

鲇魚山水庫位于淮河一級支流史灌河西側(cè)的二級支流灌河上,在河南省信陽市境內(nèi)商城縣西南約5 km處,壩址位于東經(jīng)115°22′、北緯31°44′。鲇魚山水庫多年平均徑流量5.94億m3,控制流域面積924 km2。鲇魚山水庫上游有12條支流,流域內(nèi)河流由南向北匯集,且土質(zhì)條件多為砂土和壤土。

鲇魚山水庫上游共覆蓋5個鄉(xiāng)鎮(zhèn),從上游到下游依次為:長竹園鄉(xiāng)、達(dá)權(quán)店鎮(zhèn)、汪崗鎮(zhèn)、吳河鎮(zhèn)、鲇魚山鄉(xiāng)。截至2018年底,鲇魚山水庫控制流域內(nèi)有常住人口84 234人;耕地5 624 hm2,耕地占流域面積的6.1%,耕地多集中在人口聚居區(qū)和水庫附近;人工林地及自然林地26 905 hm2,占流域面積的29.1%,林地多集中在上游丘陵地區(qū)[14]。除此之外,流域內(nèi)還有相當(dāng)規(guī)模的畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖。由于流域內(nèi)設(shè)有黃柏山國家森林公園,林業(yè)資源豐富,所以流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境較好。2020年初,我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的水環(huán)境質(zhì)量公報顯示淮河上游流域出口斷面水質(zhì)保持在Ⅰ類水質(zhì)。多次面源污染調(diào)查結(jié)果顯示,該地區(qū)的面源污染主要來自養(yǎng)殖和城鄉(xiāng)生活。但是隨著養(yǎng)殖、果園和旅游資源的開發(fā),該區(qū)域的面源污染有加重的風(fēng)險[15]。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文主要根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù),構(gòu)建小流域內(nèi)SWAT水文水質(zhì)模型,識別面源污染負(fù)荷的空間分布和時間遷移規(guī)律。結(jié)合信陽市統(tǒng)計年鑒進(jìn)行面源污染負(fù)荷估算,再根據(jù)信陽市水文水資源勘測局提供的鲇魚山水文站徑流和污染物監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)而驗證SWAT在建有水庫的小流域內(nèi)的可靠性。研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)來源

1)根據(jù)地理空間數(shù)據(jù)云提供的ASTERGDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)標(biāo)識為ASTGTM_N31E115),利用ArcGIS中的流域提取工具和傾瀉點捕捉工具,提取水庫出口斷面以上流域,如圖2(a)與圖2(b)所示。

圖2 鲇魚山水庫上游流域數(shù)據(jù)提取

2)土地利用數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云提供的Landsat8 OLI_TIRS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品中2021年3月24日的遙感影像(LC81220382021083LGN00),使用ArcGIS軟件對遙感影像進(jìn)行裁剪、波段合成和影像拼接等操作,如圖2(c)與圖2(d)所示,并結(jié)合對象分類和人工目視解譯的方法進(jìn)行土地利用類型的劃分和提取。根據(jù)實際需要,可參考表1變換RGB三色波段組成,通過光譜提取和分析,配合優(yōu)化算法,將土地利用類型分為居民區(qū)、森林、水體、農(nóng)村生活/耕地區(qū)域、淺灘/溪流和山脈6類,如圖2(e)所示。由遙感光譜提取得到的鲇魚山水庫流域土地利用重分類的類型及其面積占比見表2。

表1 各波段RGB組合與成像用途關(guān)系表

表2 土地利用重分類

3)圖2(f)中的鲇魚山水庫流域土壤數(shù)據(jù)來源于SWAT網(wǎng)站提供的全球土壤數(shù)據(jù)庫,經(jīng)過流域矢量邊界提取后得出本次研究所需的10種土壤類型。鑒于美國土壤數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與我國的有差異,故需要經(jīng)過SPAW土壤特性計算軟件變換后將土壤顆粒特性重新輸入SWAT數(shù)據(jù)庫。

4)氣象數(shù)據(jù)來自開源CFSR_World氣象數(shù)據(jù),該組數(shù)據(jù)具有觀測系列長、全球布設(shè)站點多等特點,具有良好的可靠性。

2.2 研究方法

2.2.1 面源污染模擬方法

利用前文準(zhǔn)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在ArcGIS的SWAT模塊中導(dǎo)入高程圖,完成河網(wǎng)和子流域的劃分。導(dǎo)入土壤數(shù)據(jù)和天氣發(fā)生器,設(shè)置坡度為0%～10%和10%～99%兩個部分,保存數(shù)據(jù)并導(dǎo)入計算模塊中。設(shè)置模擬起始日期為2018年1月1日,終止日期為2018年12月31日,模擬365 d,時間步長為月。完成計算后,導(dǎo)出Sub、Rch、Hru模塊的計算結(jié)果,并分別導(dǎo)出逐月模擬結(jié)果。將模擬數(shù)據(jù)輸入到SWAT-CUP 2012軟件中進(jìn)行參數(shù)率定,選取2018年1—12月為率定期;出口斷面的實測徑流資料為率定來源資料。

2.2.2 實測面源污染物負(fù)荷估算方法

根據(jù)信陽水文水資源勘測局提供的2018年鲇魚山水庫逐月出庫徑流量和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)合污染分割法,認(rèn)為產(chǎn)生面源污染的原動力是降雨,提出3點假設(shè):①沒有產(chǎn)生地表徑流,則無面源污染進(jìn)入水體;②枯水季節(jié)以點源污染為主,汛期同時有面源污染和點源污染;③點源污染長時間保持穩(wěn)定。因此,面源污染負(fù)荷可以視為汛期污染負(fù)荷減去非汛期污染負(fù)荷[3]。由此得到總氮(TN)、總磷(TP)的實測面源污染負(fù)荷,并據(jù)此驗證模型結(jié)果的合理性。

鲇魚山水庫的總磷(TP)污染物采樣點共有4個,如圖3所示,分別是東岸汪崗鎮(zhèn)官販村彭灣組、上游灌河達(dá)權(quán)店鎮(zhèn)何畈大橋入庫斷面、西岸吳河鄉(xiāng)吳河村以及鲇魚山水庫水文站?？偟?TN)污染物監(jiān)測有鲇魚山水庫水文站1個采樣點。鲇魚山水庫作為一個龐大的生態(tài)系統(tǒng),對水體中氮、磷有機(jī)物具有一定的凈化作用,3個入庫斷面的污染物濃度均明顯大于出庫斷面的污染物濃度。由于水文站設(shè)在出庫斷面,水文站徑流資料會受到水庫調(diào)度的影響,因此采用總量估算的方法,根據(jù)逐月出庫徑流量、庫水量和蒸發(fā)量計算入庫水量,再結(jié)合入庫污染物的平均濃度得到逐月TP負(fù)荷。

圖3 鲇魚山水庫水質(zhì)采樣點分布圖

由于缺少達(dá)權(quán)店、彭灣組、吳河組入庫斷面的TN濃度,需要結(jié)合靜水污染物分解能力進(jìn)行總量估算。孫遠(yuǎn)軍等[16]提出各類水污染物的綜合降解系數(shù)k,計算公式為:

(1)

式中:t為降解時間,d;C0為初始污染物濃度,mg/L;C為經(jīng)歷時長t的自然降解后的污染物濃度,mg/L。一般在靜水中TN的綜合降解系數(shù)k取0.002 1～0.034 0,其取值隨季節(jié)變化而變化。一般月降解日期為30 d,上述公式可以變換為C0與C的比值,即降解比率,其計算式為:

(2)

氮類污染物的降解比率C0/C取值范圍為1.065～2.770,磷類污染物的降解系數(shù)為1.39～4.48,其值大小與溫度成正比。插值估算各月的降解比率,即可計算降解后的TN總量和TN補(bǔ)充量。

3 結(jié)果分析

本研究結(jié)果由兩部分構(gòu)成:一是基于SWAT的面源污染物模擬成果;二是基于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)通過面源污染物分割法估算的2018年面源污染物入河總量。

3.1 面源污染模擬結(jié)果分析

3.1.1 面源污染負(fù)荷逐月變化規(guī)律

受流域內(nèi)大(Ⅰ)型水庫的影響,水位非自然抬升,根據(jù)DEM高程數(shù)據(jù)劃分來的水系出口斷面與實際壩址出口斷面會存在誤差,因此SWAT在劃分流域時產(chǎn)生了不同的出口斷面。但水體在匯集到出口斷面前已流入水庫,基于水量平衡原理,出流量可視作與入庫水量一致。

根據(jù)氣象發(fā)生器中CFSR_World提供的開源數(shù)據(jù),2018年鲇魚山水庫流域平均流量偏低,流量峰值集中在5月的春夏之交和8月的盛夏時節(jié)。SWAT對2018年逐月氮、磷負(fù)荷變化情況的模擬如圖4所示。對出口斷面氮、磷面源污染負(fù)荷進(jìn)行累加,得氮類面源污染負(fù)荷為201.76 t/年,磷類面源污染物負(fù)荷為30.38 t/年。

圖4 SWAT對鲇魚山水庫流域2018年逐月氮、磷負(fù)荷變化模擬情況

從時間尺度分析,流域氮、磷沖刷入水負(fù)荷最大峰值主要發(fā)生在夏季,說明降雨徑流沖刷對氮、磷負(fù)荷起主導(dǎo)作用,降雨量和氮、磷面源污染物負(fù)荷呈正相關(guān),且氮、磷負(fù)荷變化趨勢保持高度一致,氮負(fù)荷量約是磷負(fù)荷量的5倍。2—4月、11月等平枯水月的負(fù)荷量也出現(xiàn)極大值,這說明除了徑流以外,農(nóng)業(yè)活動也是面源污染物負(fù)荷的重要來源。鲇魚山水庫流域地處淮河以南,屬于亞熱帶季風(fēng)和季風(fēng)濕潤性氣候,農(nóng)業(yè)模式為一年兩熟或三熟,農(nóng)耕主要集中在2—4月的春耕、6—7月的夏種和11—12月的冬播,這3次播種時間與面源污染負(fù)荷峰值保持對應(yīng)。這從側(cè)面體現(xiàn)出鲇魚山水庫流域城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施缺乏,農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重。為降低氮、磷污染負(fù)荷,應(yīng)逐漸控制流域內(nèi)耕地的化肥農(nóng)藥施用量。

3.1.2 面源污染空間分布規(guī)律

從空間尺度上看,如圖5和圖6所示,氮類和磷類面源污染物負(fù)荷的分布情況具有良好的一致性,且氮類面源污染負(fù)荷量是磷類負(fù)荷量的5倍左右,與上節(jié)研究結(jié)果保持一致。研究流域面源污染空間分布大致可分為3種類型:①沿岸城鎮(zhèn)和水產(chǎn)主導(dǎo)面源污染負(fù)荷;②水庫沿線農(nóng)業(yè)主導(dǎo)污染負(fù)荷;③上游農(nóng)林主導(dǎo)污染負(fù)荷。

圖5 鲇魚山水庫流域2018年各月氮類污染物空間負(fù)荷和入水負(fù)荷分布情況

圖6 鲇魚山水庫流域2018年各月磷類污染物空間負(fù)荷和入水負(fù)荷分布情況

城鎮(zhèn)主導(dǎo)情況主要集中在冬季和初春,因為農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動受氣候抑制,此時沿岸水產(chǎn)和城鄉(xiāng)生活污染負(fù)荷便占據(jù)主要貢獻(xiàn)?？菟趤砹髁拷档?水產(chǎn)污染負(fù)荷上升,城鎮(zhèn)居民生活污染負(fù)荷以達(dá)權(quán)店鎮(zhèn)和吳河鄉(xiāng)為主,兩者人口密度較大且靠近干流和水庫,入水負(fù)荷較重。

水庫沿線農(nóng)業(yè)主導(dǎo)污染負(fù)荷的情況主要集中在夏季和秋季,氣候適宜農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖,化肥和農(nóng)藥在耕地和人工林地中施用,在夏季雨水的沖刷下進(jìn)入水體,加劇了面源污染負(fù)荷。該情形的特點是污染負(fù)荷集中在流域西側(cè)沿岸的耕地和林地中,東側(cè)的自然林地和大別山北麓的污染負(fù)荷較少。

上游農(nóng)林主導(dǎo)污染的情形出現(xiàn)在8月和10月,其特點是上游長竹園鄉(xiāng)農(nóng)林業(yè)污染負(fù)荷大于下游沿岸區(qū)域,推測原因為林業(yè)采集、農(nóng)業(yè)收獲,尤其是上游大量分布的茶園果園的采摘活動使得面源污染負(fù)荷增加。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)估算成果

3.2.1 水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)鲇魚山水庫水文站提供的2018年徑流與污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù),運(yùn)用庫存水量、蒸發(fā)量和出庫水量來反推各月入庫水量,經(jīng)計算可得逐月氮、磷污染物入庫負(fù)荷量(TN和TP的推算過程分別見表3和表4)。再根據(jù)點源污染割除方法,使用汛期實測污染物負(fù)荷減去非汛期實測污染物負(fù)荷后,得到的氮類面源污染物負(fù)荷為133.67 t/年,磷類面源污染物負(fù)荷為28.26 t/年(圖7)。

圖7 鲇魚山水庫流域2018年污染物負(fù)荷估算量

表3 2018年鲇魚山水庫流域TN負(fù)荷估算表 t

表4 2018年鲇魚山水庫流域TP負(fù)荷估算表

3.2.2 污染物來源分析

參考《2019年信陽統(tǒng)計年鑒》[17],分析鲇魚山水庫流域的人口、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)林業(yè)資料,通過查找《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊》[18]與《家畜糞尿排放量和肥分的研究進(jìn)展》[19],估算農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)面源污染負(fù)荷,通過水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)[20]估算水產(chǎn)養(yǎng)殖面源污染負(fù)荷,估算得到各居民生活和產(chǎn)業(yè)在面源污染中的貢獻(xiàn)率,如圖8所示。

圖8 2018年鲇魚山水庫流域面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率

由圖8可知,鲇魚山水庫流域氮、磷面源污染物的貢獻(xiàn)率從大到小依次為:畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城鄉(xiāng)生活和農(nóng)林種植。其中城鄉(xiāng)生活和農(nóng)林種植的面源污染貢獻(xiàn)率較為穩(wěn)定,而總氮和總磷污染物的貢獻(xiàn)率在畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖中差異較大,這主要是受到污染物的入水系數(shù)和養(yǎng)殖特點的影響。農(nóng)村養(yǎng)殖畜禽廢棄物隨意堆放以及未經(jīng)處理的排放成了水體污染,并且多種微生物寄存在畜禽養(yǎng)殖廢水中,會導(dǎo)致地表水富營養(yǎng)化以及濁度增加[21]。畜禽養(yǎng)殖對含氮(類蛋白質(zhì)氨基酸等)飼料需求更高,而由于磷與浮游生物群落密切相關(guān),水產(chǎn)養(yǎng)殖對磷類物質(zhì)需求較高。

3.3 模擬結(jié)果與估算結(jié)果對比

3.3.1 徑流量分析

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)可以得到鲇魚山水庫流域的產(chǎn)匯流和面源污染物負(fù)荷入水過程,圖9為SWAT模擬與實測徑流量的對比情況。從圖9可以看出,SWAT模擬的徑流過程與實測的徑流過程存在一定差異。其原因主要是2018年是鲇魚山水庫的枯水年,其徑流年內(nèi)分布與多年徑流過程不一致,4—6月徑流量大,7月、9—12月徑流量極少,使得模擬徑流量與實測徑流量偏差較大。

圖9 鲇魚山水庫流域SWAT模擬與實測徑流量對比圖

3.3.2 面源污染物負(fù)荷對比

鲇魚山水庫流域SWAT模擬氮類面源污染物負(fù)荷為201.76 t/年,磷類污染物負(fù)荷為30.38 t/年;實測氮類面源污染物負(fù)荷為178.72 t/年,磷類面源污染物負(fù)荷為30.38 t/年。SWAT模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對比見表5。兩者對比,氮類面源污染物負(fù)荷模擬具有一定差異,而磷類面源污染物負(fù)荷模擬則具有較好的一致性。

表5 鲇魚山水庫流域SWAT模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比

SWAT模擬負(fù)荷與實測負(fù)荷的比較如圖10所示。由于徑流量的差異,使得模擬污染物負(fù)荷與實測污染物負(fù)荷也呈現(xiàn)差異。另外模擬污染物負(fù)荷僅有面源污染負(fù)荷(模型中未添加點源污染),但實測污染物負(fù)荷則包含面源和點線源污染,使得實際污染負(fù)荷量大于模擬污染負(fù)荷量。同時期實測氮類污染物負(fù)荷量卻小于模擬負(fù)荷量,說明模型中農(nóng)耕期間污染物土地氮肥施用程度被高估了,這得益于鲇魚山水庫流域開展的生態(tài)農(nóng)林工程,使得實際情況下流域耕地作物氮肥施用量較低。在10月中實測徑流量顯著小于模擬徑流量,但實測磷類污染物負(fù)荷卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬負(fù)荷。

圖10 鲇魚山水庫流域SWAT模擬負(fù)荷與實測負(fù)荷對比圖

4 討論

通過構(gòu)建鲇魚山水庫流域SWAT模型發(fā)現(xiàn),降雨徑流主要是通過控制沖刷和入水量來影響面源污染負(fù)荷量。在徑流作用下,氮類面源污染負(fù)荷與磷類面源污染負(fù)荷存在相關(guān)性:前者約為后者的5倍。流域汛期約出現(xiàn)在5—9月,故在SWAT中面源污染負(fù)荷集中在5—9月發(fā)生。2018年受7月、9—12月的干旱影響,徑流量降低,面源污染物負(fù)荷出現(xiàn)下降,但監(jiān)測發(fā)現(xiàn)水體中的污染物濃度卻在上升。SWAT模擬鲇魚山水庫流域氮類面源污染物和磷類面源污染物的年負(fù)荷量與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)具有良好的一致性,存在一定的誤差主要是因為流域內(nèi)大型水庫具有調(diào)蓄作用,SWAT將鲇魚山水庫壩址出口斷面作為水體流出傾瀉口,但未考慮有相當(dāng)一部分水體在庫內(nèi)長期滯留,且忽視了滯留中靜止水體的生物降解作用。

面源污染負(fù)荷空間分布呈現(xiàn)東低西高的特點,因為流域東側(cè)森林植被覆蓋可以有效抑制土壤侵蝕,具有減少水土流失、吸附污染物的作用,可以有效降低面源污染負(fù)荷。年內(nèi)負(fù)荷輸出重心具有從北向南轉(zhuǎn)移再回到北的趨勢。因為秋冬季農(nóng)林生產(chǎn)活動幾乎停止,城鄉(xiāng)居民生活污染負(fù)荷集中在北部水庫和干支流沿岸。待到次年春季降水增加、農(nóng)耕生產(chǎn)活動啟動的時候,面源污染物會出現(xiàn)入水峰值負(fù)荷,污染負(fù)荷重心開始往水庫南側(cè)丘陵轉(zhuǎn)移。汛期過后,降水減少,污染負(fù)荷重心回到北側(cè)水庫沿岸:在此期間,長竹園鄉(xiāng)居民聚居區(qū)、達(dá)權(quán)店鎮(zhèn)聚居區(qū)、吳河鄉(xiāng)聚居區(qū)及其附近子流域在城鎮(zhèn)主導(dǎo)面源污染的情形下,面源污染負(fù)荷呈現(xiàn)出峰值。

SWAT模擬結(jié)果與實測情況有一定出入,主要是缺乏長系列觀測資料來率定參數(shù)導(dǎo)致的,本研究在提高模型精度、加強(qiáng)面源污染物負(fù)荷估算水平、消除點源污染干擾方面還有值得改進(jìn)的地方。

在相關(guān)治理建議方面,畜禽養(yǎng)殖是TP污染的主要來源,對TP污染負(fù)荷和入水負(fù)荷的貢獻(xiàn)率分別為75.15%和49.91%。城鄉(xiāng)生活是TN污染的一項重要來源,其污染負(fù)荷和入水負(fù)荷的貢獻(xiàn)率分別為21.44%和25.08%。水產(chǎn)養(yǎng)殖是TP的第二大污染來源,由于水產(chǎn)養(yǎng)殖存在污染物直接接觸水體的特性,使得其對TP污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率僅為13.35%的情況下其入水負(fù)荷迅速增加到了35.93%。水產(chǎn)養(yǎng)殖污染有兩種體現(xiàn)形式:一是河邊與水庫岸邊的線源污染,二是因星羅棋布的魚塘而表現(xiàn)為面源污染。由于這類污染不受汛期和非汛期的影響,使面源污染的核算與估算值出現(xiàn)偏差。若去掉水產(chǎn)面源污染,則估算與核算結(jié)果具有良好的一致性。沿岸散戶的水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物未經(jīng)處理直接從養(yǎng)殖區(qū)域進(jìn)入流域,即使養(yǎng)殖水域生態(tài)系統(tǒng)有一定的自我凈化功能,但水產(chǎn)養(yǎng)殖的TN污染貢獻(xiàn)率仍然顯著,故應(yīng)增強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖污水凈化排放技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。雖然畜禽養(yǎng)殖污染物產(chǎn)量大,但得益于當(dāng)?shù)厝找嬗辛Φ沫h(huán)保措施、養(yǎng)殖場合理選址和養(yǎng)殖排泄物加工利用技術(shù),TN污染物入水負(fù)荷大大降低,僅有污染負(fù)荷的一半左右;但畜禽養(yǎng)殖的TP污染物產(chǎn)量與入水負(fù)荷較大,需要推廣集中處理和糞尿加工二次利用的技術(shù)。

5 結(jié)論

1)SWAT用于具有大型水庫的小流域內(nèi)是可行的,也具有較好的模擬精度。對模擬精度產(chǎn)生影響的主要有降雨徑流變化、水庫內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模、零星居民區(qū)分布與人工經(jīng)濟(jì)林混合。模型中徑流量和農(nóng)林生產(chǎn)對面源污染物負(fù)荷有重要影響。

2)鲇魚山水庫流域面源污染空間分布呈現(xiàn)3種情勢:其一是沿岸城鎮(zhèn)和水產(chǎn)主導(dǎo)面源污染負(fù)荷的情況,特點是該情況集中在枯水期,受來流量影響;其二是水庫沿線農(nóng)業(yè)主導(dǎo)污染負(fù)荷的情況,特點是污染負(fù)荷集中在流域西側(cè)沿岸的耕地和林地中;其三是上游農(nóng)林主導(dǎo)污染負(fù)荷的情況,特點是上游農(nóng)林業(yè)污染負(fù)荷大于下游沿岸城鎮(zhèn)區(qū)域。

3)流域東側(cè)多為天然森林,上游流域隸屬于黃柏山國家森林公園,污染物負(fù)荷量較低;西側(cè)為人工種植林,主要是果園和茶園,耕地和居住地散落其中,相較于東側(cè)有較大的污染負(fù)荷,尤其是汛期和農(nóng)林采摘時節(jié)。

4)針對畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來的面源污染,推薦改進(jìn)畜禽養(yǎng)殖糞尿集中處理加工技術(shù)和水產(chǎn)集中養(yǎng)殖箱污水過濾系統(tǒng)。