基于SWAT模型污染防治措施對(duì) 茫溪河水質(zhì)改善影響研究

陳雨艷，俸 強(qiáng)，王 康

(1.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，成都 610064； 2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

前 言

茫溪河是岷江下游的一級(jí)支流[1]，經(jīng)井研縣于五通橋區(qū)匯入岷江。茫溪河是樂(lè)山重點(diǎn)治理的河流[2]，采取了多項(xiàng)治理措施水質(zhì)仍不太樂(lè)觀，提高其水質(zhì)是關(guān)注的焦點(diǎn)。從污染防治角度講，茫溪河水環(huán)境精細(xì)化管理十分必要，這就需要摸清不同污染源的貢獻(xiàn)比例，梳理各項(xiàng)措施對(duì)水環(huán)境改善的實(shí)施成效。近些年，茫溪河研究大多集中在水質(zhì)情況[1-2]、污染物的負(fù)荷[3]以及污染防治[4]等，而氣象條件、污染貢獻(xiàn)和治理措施對(duì)水質(zhì)的影響缺乏全面的定量分析，未見(jiàn)系統(tǒng)的報(bào)道。為了更好的采取有針對(duì)性的措施，開(kāi)展茫溪河達(dá)標(biāo)場(chǎng)景分析十分必要。

水文模型是開(kāi)展流域非點(diǎn)源的污染物模擬和關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的重要手段[5]，包括HSPF[6]、Thornthwaite[7]、SWAT[8]等，其中SWAT模型在不同的國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用[9]，包括水文模擬[10]、水沙的模擬及污染物的輸移[11]等。SWAT模型可將流域劃分為多個(gè)子流域，具有運(yùn)算效率高、時(shí)間連續(xù)及易于獲得數(shù)據(jù)源等優(yōu)點(diǎn)[12]。

采用SWAT構(gòu)建茫溪河流域分布式水文和污染負(fù)荷模型，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析茫溪河水環(huán)境質(zhì)量，摸清主要污染指標(biāo)。以SWAT模型為依據(jù)開(kāi)展茫溪河流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)場(chǎng)景分析，包括氣象條件變化、不同污染源種類以及生態(tài)補(bǔ)水、直排源和非直排源等污染防治措施對(duì)水質(zhì)的影響情況，以期為加強(qiáng)茫溪河流域的污染防治和環(huán)境監(jiān)管，改善和提升流域水環(huán)境質(zhì)量提供重要的基礎(chǔ)資料，同時(shí)為中小流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)場(chǎng)景分析提供應(yīng)用實(shí)例，具有參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究流域

茫溪河位于四川省的中部，流域面積為1250km2，徑流大部分為降水的補(bǔ)給，生態(tài)基流較小，各季變化的幅度較大[2]，在枯水期流量比較小。茫溪河的支流包括敖家河、殷家河以及磨池河等，見(jiàn)圖1。茫溪河流域有6個(gè)氣象站、1個(gè)水文站點(diǎn)(楊柳)、1個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站(茫溪河大橋)，以楊柳水文站作為徑流模擬站點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

茫溪河水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)自于茫溪河大橋手工例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。采用SWAT模型開(kāi)展分析。流域DEM來(lái)自于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的EROS數(shù)據(jù)中心建立的全球陸地DEM(GTOPO30)。土地利用源信息來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院。土壤和其特征的信息采用的是全國(guó)第二次土壤普查的資料，土層厚度及土壤質(zhì)地采用《中國(guó)土種志》(1990年)“統(tǒng)計(jì)剖面”的資料，為進(jìn)行分布式的水文模擬，根據(jù)土層的厚度對(duì)機(jī)械組成進(jìn)行加權(quán)平均，采用國(guó)際的土壤分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行重新分類。

圖1 茫溪河流域圖Fig.1 Map of Mangxi River Basin

輸入茫溪河流域分布式水文和污染負(fù)荷模型所包含的6個(gè)站點(diǎn)的氣象信息，包括日降雨量、日平均風(fēng)速、日最大溫度、日平均溫度、日最小溫度、日平均濕度和日照時(shí)數(shù)共7個(gè)指標(biāo)。

點(diǎn)源數(shù)據(jù)來(lái)自于2016～2020年的四川省環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)。面源污染數(shù)據(jù)來(lái)源于社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

SWAT模型計(jì)算中，將直排入河的污染源(點(diǎn)源和直排入河面源)作為點(diǎn)源，將非直排入河的畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活等污水作為附加面源。水土流失和農(nóng)田化肥等污染，由SWAT模型根據(jù)農(nóng)業(yè)管理措施、土地利用方式和化肥使用方式，采用物理模型計(jì)算。

1.2.2 子流域的劃分

依據(jù)茫溪河DEM進(jìn)行了子流域閾值的設(shè)定，將茫溪河流域進(jìn)行了子流域劃分，共95個(gè)子流域。

1.2.3 參數(shù)敏感性分析

SWAT模型含多個(gè)參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析可以研判各參數(shù)變化對(duì)模擬結(jié)果的影響情況，同時(shí)可以篩選靈敏度高的模型參數(shù)。共選41個(gè)參數(shù)(26個(gè)徑流主要參數(shù)，6個(gè)泥沙主要參數(shù)，9個(gè)水質(zhì)主要參數(shù))開(kāi)展敏感性分析。

1.3 SWAT模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

參數(shù)率定選擇的是可逆模型法，采用自動(dòng)化優(yōu)選得到最優(yōu)參數(shù)，基于SWAT的輔助工具SWAT-CUP，選擇了SUFI-2算法對(duì)徑流及水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了率定。茫溪河流域SWAT模型中的主要參數(shù)的取值見(jiàn)表1。

2019年和2020年楊柳站流量模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較情況見(jiàn)圖2，高錳酸鹽指數(shù)(Imn)、總磷(T-P)濃度模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較見(jiàn)圖3，SWAT模型準(zhǔn)確模擬流域氣象和下墊面特性、點(diǎn)源和面源污染排放對(duì)流域水質(zhì)影響情況，建立的率定和驗(yàn)證結(jié)果：R2大于0.6，Ens大于0.5，可見(jiàn)，建立的模型適合茫溪河流域研究。

表1 茫溪河流域SWAT模型主要參數(shù)取值Tab.1 Main parameter values of SWAT model for Mangxi River Basin

圖2 模擬流量和實(shí)測(cè)流量的比較Fig.2 Comparison between simulated flow and measured flow

圖3 污染物濃度模擬值和實(shí)測(cè)值的比較Fig.3 Comparison between simulated and measured values of pollutant concentrations

2 結(jié)果與分析

2.1 茫溪河水質(zhì)分析

茫溪河大橋斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有連續(xù)性，因此，采用該斷面污染物濃度年均值進(jìn)行茫溪河水質(zhì)分析。2015～2021年其水質(zhì)狀況(地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值)見(jiàn)表2，2015～2021年超標(biāo)因子均為總磷。近7年超標(biāo)次數(shù)最多的為總磷(T-P)，其次為高錳酸鹽指數(shù)，因此，選擇總磷和高錳酸鹽指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)達(dá)標(biāo)場(chǎng)景分析。

表2 2015～2021年茫溪河大橋水質(zhì)狀況Tab.2 Water quality of Mangxi River Bridge from 2015 to 2021

2.2 茫溪河流域污染源貢獻(xiàn)比例分析

2.2.1 場(chǎng)景假設(shè)

污染源分為直排源和非直排源，其中直排源包括工業(yè)點(diǎn)源、城鎮(zhèn)污水處理廠、農(nóng)業(yè)直排源(農(nóng)村生活，畜禽養(yǎng)殖等污染源直接進(jìn)入河道的污水)等，非直排源包括水土流失(包括農(nóng)田在內(nèi)的下墊面造成的水土流失)、河道內(nèi)源等。以2019年氣象條件為基準(zhǔn)，確定直排源和非直排源對(duì)茫溪河流域控制斷面(茫溪河出口)污染物的貢獻(xiàn)率。

2.2.2 污染源貢獻(xiàn)率分析

污染源包括直排源和非直排源，以2019年氣象條件為基準(zhǔn)，采用滅燈法對(duì)直排源和非直排源對(duì)茫溪河大橋斷面污染物的貢獻(xiàn)率進(jìn)行核算。SWAT模型中將直排源中工業(yè)點(diǎn)源、城鎮(zhèn)污水處理廠等點(diǎn)源排放量依次設(shè)置為0，并分別計(jì)算各種直排源置零前后斷面的污染負(fù)荷，斷面所減少的污染負(fù)荷即為所置零的污染源的貢獻(xiàn)率。農(nóng)村生活，畜禽養(yǎng)殖等非直排源，以土壤附加污染的形式，隨徑流沖刷入河，通過(guò)將附加污染源置零的方法，采用SWAT模型計(jì)算確定其對(duì)斷面的污染貢獻(xiàn)率，水土流失和本底源則通過(guò)設(shè)置水土流失因子和河道中污染物“排放源”系數(shù)對(duì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行核算。各種污染源對(duì)控制斷面的貢獻(xiàn)率核算結(jié)果見(jiàn)表3和圖4。2019年氣象條件下，點(diǎn)源中直排入河面源對(duì)總磷的貢獻(xiàn)率最大，為34.8%，其次是城鎮(zhèn)污水處理廠，為11.6%，工業(yè)點(diǎn)源和其他對(duì)總磷的貢獻(xiàn)率分別為6.4%和2.0%。工業(yè)點(diǎn)源、城鎮(zhèn)污水處理廠、直排入河面源對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的貢獻(xiàn)率分別為2.1%、7.4%和12.4%，可見(jiàn)直排入河面源對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的貢獻(xiàn)率最大。面源中水土流失對(duì)總磷和高錳酸鹽指數(shù)的貢獻(xiàn)率均最大，分別為42.8%和76.1%。

表3 茫溪河流域分析污染物貢獻(xiàn)率的污染源類型表Tab.3 Types of pollution sources for analyzing contribution rates of pollutants in Mangxi River Basin

圖4 茫溪河水質(zhì)污染源貢獻(xiàn)率分析Fig.4 Analysis of contribution rates of water pollution sources in Mangxi River

2.3 生態(tài)補(bǔ)水影響分析

以2019年和2020年為基準(zhǔn)年，補(bǔ)水位置為井研縣上游河源區(qū)的大佛水庫(kù)和雙河水庫(kù)，其中大佛水庫(kù)年補(bǔ)水量3000萬(wàn)m3，雙河水庫(kù)年補(bǔ)水量2500m3，每日的補(bǔ)水量相同，補(bǔ)水水源地水質(zhì)全年基本維持在地表水Ⅱ類水質(zhì)。

茫溪大橋2019年和2020年現(xiàn)狀以及補(bǔ)水后污染物濃度見(jiàn)圖5，可見(jiàn)生態(tài)補(bǔ)水在一定程度上降低了高錳酸鹽指數(shù)和總磷的濃度。2019年和2020年茫溪河大橋水質(zhì)現(xiàn)狀和生態(tài)補(bǔ)水后水質(zhì)的時(shí)間達(dá)標(biāo)率(年水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)/年內(nèi)總天數(shù))見(jiàn)圖6，2019年，生態(tài)補(bǔ)水主要影響枯水期和汛期的達(dá)標(biāo)率，對(duì)平水期達(dá)標(biāo)率影響最小，在枯水期和汛期，生態(tài)補(bǔ)水后，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率分別提高了12%和14%，平水期水質(zhì)達(dá)標(biāo)率沒(méi)有顯著的變化，2019年，生態(tài)補(bǔ)水后Ⅲ類水的時(shí)間達(dá)標(biāo)率由35%提升到了44%。2020年降雨量(1148.8mm)高于2019年降雨量(1003.7mm)，生態(tài)補(bǔ)水后高錳酸鹽指數(shù)和總磷濃度有所降低，但2020年生態(tài)補(bǔ)水對(duì)各水文期和全年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的影響均不顯著，茫溪河流域在水文頻率大于90%的情況下，生態(tài)補(bǔ)水對(duì)流域水質(zhì)時(shí)間達(dá)標(biāo)率的影響有限。

圖5 生態(tài)補(bǔ)水前后茫溪河大橋高錳 酸鹽指數(shù)和總磷濃度變化比較Fig.5 Comparison between permanganate indexes and total phosphorus concentrations in Mangxi River before and after ecological water replenishment

圖6 生態(tài)補(bǔ)水對(duì)水質(zhì)時(shí)間達(dá)標(biāo)率的影響(Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值)Fig.6 Impact of ecological water replenishment on time compliance rate of water quality(Class Ⅲ standard limit)

2.4 直排污染源控制影響分析

2.4.1 假設(shè)場(chǎng)景

直排污染源指污染物排放直接進(jìn)入地表水的污染源，包括工業(yè)點(diǎn)源，城鎮(zhèn)生活污水處理廠，直排農(nóng)業(yè)源(農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖)等。基于SWAT模型，對(duì)各點(diǎn)源控制情景進(jìn)行計(jì)算。

2.4.2 直排污染源控制影響分析

工業(yè)點(diǎn)源進(jìn)入污水處理廠，全部直排污水進(jìn)入污水處理廠以現(xiàn)狀排放標(biāo)準(zhǔn)排放，全部直排污水進(jìn)入污水處理廠達(dá)到地方標(biāo)準(zhǔn)(四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn) DB51/2311-2016)排放后對(duì)茫溪河主要污染物(T-P和Imn)的濃度變化影響見(jiàn)圖7，對(duì)茫溪河水質(zhì)達(dá)標(biāo)率影響見(jiàn)圖8。

7個(gè)茫溪河斷面水質(zhì)中，對(duì)河源出境影響最小，地方標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較嚴(yán)，全部直排污水進(jìn)入污水處理廠并以地方標(biāo)準(zhǔn)排放，對(duì)高錳酸鹽指數(shù)、總磷濃度影響最大，降低最多，總體來(lái)說(shuō)，點(diǎn)源污染治理后，污染物濃度有所降低，達(dá)標(biāo)率有所提升。以茫溪河出口位置為例，2019年達(dá)標(biāo)率為35%；工業(yè)點(diǎn)源全部進(jìn)入污水處理廠達(dá)標(biāo)率提升至47%；全部直排源全部入污水處理廠達(dá)地方標(biāo)準(zhǔn)排放達(dá)標(biāo)率提升至61%。

圖7 各種點(diǎn)源污染治理措施下茫溪河污染物濃度變化Fig.7 Variations in pollutant concentrations in Mangxi River with control measures for pollution from various point sources

2.5 非直排污染源控制影響分析

非直排污染主要是降雨后，在地表徑流驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入到河道的污染物，主要包括水土流失污染，以及河道底泥產(chǎn)生的內(nèi)源污染等。場(chǎng)景假設(shè)包括：采取散亂污染入管網(wǎng)，全部直排面源污染被攔截，提高水土保持能力，減少降雨后泥沙入河量15%，減少農(nóng)村生活非直排污染源排放量等措施，基于SWAT模型分析假設(shè)場(chǎng)景下水質(zhì)的變化。

采用SWAT模型，2020年采取水土流失控制、非直排污染源削減控制以及河道內(nèi)源控制措施后高錳酸鹽指數(shù)和總磷濃度變化見(jiàn)圖9。面源污染控制的各種措施中，減少水土流失入河量，是面源污染控制措施中最為有效的，其次是非直排污染源削減控制，兩者對(duì)高錳酸鹽指數(shù)和總磷濃度降低的影響相對(duì)較大。水土流失控制對(duì)2019和2020年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的影響見(jiàn)圖10～圖11。水土流失控制后，2019年茫溪河出口位置的達(dá)標(biāo)率由35%提升至53%，提高了18%；2020年達(dá)標(biāo)率由36%提升至51%，提高了15%，可見(jiàn)，水土流失控制對(duì)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提升的影響顯著。

圖10 現(xiàn)狀和水土流失控制后水質(zhì)達(dá)標(biāo)率比較圖(2019年)Fig.10 Comparison between current water qualification rate and that after soil erosion control in 2019

圖11 現(xiàn)狀和水土流失控制后水質(zhì)達(dá)標(biāo)率比較圖(2020年)Fig.11 Comparison between current water qualification rate and that after soil erosion control in 2020

3 結(jié) 論

構(gòu)建了茫溪河流域SWAT模型，摸清茫溪河主要污染因子；基于SWAT模型，進(jìn)行了茫溪河流域污染防治場(chǎng)景假設(shè)，對(duì)污染源對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行了核算，分析了生態(tài)補(bǔ)水、直排污染源控制、非直排污染控制對(duì)水質(zhì)的影響，為茫溪河水環(huán)境污染防治提供理論依據(jù)。

(1)2015～2021年超標(biāo)次數(shù)最多的是總磷，其次為高錳酸鹽指數(shù)；2019～2021年超標(biāo)因子均為總磷。

(2)以2019年氣象條件為基準(zhǔn)，點(diǎn)源(包括直排入河的農(nóng)村生活污水等)中對(duì)總磷的貢獻(xiàn)率分別為直排入河面源>城鎮(zhèn)污水處理廠>工業(yè)點(diǎn)源>其他，對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的貢獻(xiàn)率為直排入河面源>城鎮(zhèn)污水處理廠>工業(yè)點(diǎn)源>其他，直排入河面源對(duì)總磷和高錳酸鹽指數(shù)貢獻(xiàn)率分別為34.8%和12.4%。面源中對(duì)總磷的貢獻(xiàn)率為水土流失>本底>非直排面源和對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的貢獻(xiàn)率為水土流失>非直排面源>本底，水土流失對(duì)總磷和高錳酸鹽指數(shù)貢獻(xiàn)率均最大，分別為42.8%和76.1%，建議采取做緩沖帶、植樹(shù)造林、邊坡固化等措施防治水土流失。

(3)2019年，生態(tài)補(bǔ)水后Ⅲ類水的時(shí)間達(dá)標(biāo)率由35%提高到44%，生態(tài)補(bǔ)水主要影響枯水期和汛期的達(dá)標(biāo)率，對(duì)于平水期的達(dá)標(biāo)率的影響最小。相比2019年，2020年降雨量增加了14.5%，而2020年補(bǔ)水對(duì)達(dá)標(biāo)率的提高程度有限。因此，建議在豐水年，可不把補(bǔ)水作為提升水質(zhì)的主要因素，在豐水年蓄水，枯水年在用于補(bǔ)水。

(4)工業(yè)點(diǎn)源進(jìn)入污水處理廠、全部直排源進(jìn)入污水處理廠，濃度有所降低，達(dá)標(biāo)率有所提升。2019年茫溪河出口達(dá)標(biāo)率為35%，工業(yè)點(diǎn)源全部進(jìn)入污水處理廠達(dá)標(biāo)率提升至47%；全部直排源全部進(jìn)入污水處理廠現(xiàn)狀排放達(dá)標(biāo)率為36%，全部直排源全部進(jìn)入污水處理廠，以地方標(biāo)準(zhǔn)(DB51/2311-2016)排放的情況下水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提升為61%。

(5)非直排源的污染控制效果與年降雨量和降雨過(guò)程均有很大的關(guān)系，2019年和2020年是豐水年，達(dá)標(biāo)率均有所提高，降雨量增加，減少水土流失對(duì)水質(zhì)時(shí)間達(dá)標(biāo)率提升的影響顯著變小。