南湖流域典型支流面源污染負(fù)荷時(shí)空變化分析與模擬

中圖分類號：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2025）06-0052-07

引用格式：，等.南湖流域典型支流面源污染負(fù)荷時(shí)空變化分析與模擬[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2025（6）：52-58

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2025.006.009

Analysis and Simulation of Spatio-Temporal Variations of Non-Point Source Pollution Loads in Typical Tributaries of the Nanhu Lake Basin

LIUKang1，YU Peng-yue1，SUNXin-ping2，ZOUGao-feng3，WU Yi4，ZOUTao5， HUANG Ying1，F(xiàn)EI Jiang-chi1

（1.HunanAcuualUsitC;urallteterfCt PRC; 3.AgricultureandRural Affirs BureauofNingxiang CityChangsha 410699，PRC; 4.Meitanba TounAgricultural Comprehensive Service Center of Ningxiang City， Changsha 410609， PRC; 5. Hunan Tobacco Company Hengyang Company Changning Branch， Changning 42150o， PRC）

Abstract：Thisstudytookthebasinof WangjiaRiver，atypicaltributaryof teNanhuLakebasininYueyangCity，HunanProvince， as theresearcharea.Onthebasisofconducting the monitoringof phosphorus polutants inthe water environment，andfurther consideringtheinfenesofthehydrologicalenvironment，topographyandlandforms，ndlandusetypesofthebasi，tisstudy constructedandoptimizedamulti-salephosphorus source-sinktransportmodel integratingenvironmental informationandspatial remotesensingthrough MIKE21 software，andanalyzedandsimulatedthe spatio-temporalvariationsof phosphorus non-point sourcepolltionloads，soastoprovidereferencefortheprecisepreventionandcontrolofphosporuspollutioninwaterbodie.he monitoringresultsshowedthatthepeakperiodofphosphorusconcentrationfromvarious polutionsources in WangjiaRiver from September2O23toAugust2O24wasconcentratedinwinterandspring.Theaveragetotalphosphorusconcentrationinthewaterbody ofWangjiaRiverwas 0.78mg/L ，and the average total phosphorus concentration in the water body of the catchment area was 0.61 mg/L .Both exceeded the Class ΔV water quality concentration standard in the GB 3838—2O02 Surface Water Environmental Quality Standards.Intemsoftemporalvariation，theaveragetotalphosphorusconcentrationinthewaterbodiesofWangiaRiverandthe catchment area bothshowedthehighest levelsinspring andthelowest levelsinautumn.Intermsofspatial variation，theaverage totalphosphorusconcentrationinthewaterbodyofWangjiaRiverfromtheupperreaches tothelowerreachesshowedatrendoffirst increasingand thendecreasing.The average totalphosphorusconcentrationofthe waterbodyin the middleofthecatchmentarea was higherthanthatonboth sidesinspring，while theopposite trendoccurred inautumn.The average acuracyoftheoptimized model simulation increasedtoabout 70% ，andthe trend of thesimulation results was basically consistent with that of the measured results.

Keywords： non-point source pollution; total phosphorus in the water body;MIKE 21;spatio-temporal variations;Nanhu Lake; Wangjia River

位于湖南省岳陽市的南湖是洞庭湖的主要湖汊之一，其歷來是周邊漁民們的生存之本，也成為周邊大部分生活、生產(chǎn)活動的排污地[1-2]。近年來，在周邊區(qū)域工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的背景下，由于環(huán)保規(guī)劃、管理不夠到位等，南湖流域出現(xiàn)面源污染加重、生態(tài)功能退化等一系列問題[3]。岳陽市環(huán)境監(jiān)測中心數(shù)據(jù)表明，南湖水體中磷污染程度最高[46]。磷污染問題是我國水體污染防治領(lǐng)域的重要關(guān)注點(diǎn)之一[7-8]，磷污染不僅會加速水體富營養(yǎng)化進(jìn)程，減少生物多樣性，也會影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活。然而，目前磷污染物在南湖流域的遷移動態(tài)尚未得到很好的評估，因此，開展南湖流域磷污染程度趨勢變化的評價(jià)研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義[69]。

當(dāng)前主流的2種評價(jià)流域污染程度趨勢變化的方法是進(jìn)行實(shí)地勘探和構(gòu)建水質(zhì)模型?；趯?shí)地勘探的評價(jià)方法通常需要大量的觀測數(shù)據(jù)，而觀測對時(shí)間和資源的要求較高。因此，通過構(gòu)建水質(zhì)模型對水體污染負(fù)荷進(jìn)行模擬分析成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。如Wang等[1o使用水質(zhì)分析模擬程序（WaterQualityAnalysisSimulationProgram，WASP）研究污染物排放總量和地理分布特征；Venishetty等[11]使用土壤與水評估工具（SoilandWaterAssessmentTool，SWAT）對流域內(nèi)污染物負(fù)荷進(jìn)行評價(jià)分析。這幾種模型主要針對長時(shí)段的流域綜合模擬，但針對小流域以及排污口分布模擬的模塊應(yīng)用則較為單一。相比于上述幾種模型，MIKE模型在污染物傳輸過程模擬以及污染物空間分布輸出方面具有一定優(yōu)勢。如Lu等[12]利用MIKE耦合模型模擬流域內(nèi)沉積物和農(nóng)業(yè)面源污染物的分布情況；王思雅等[13]基于MIKEZERO2020軟件建立水文、水質(zhì)信息耦合模型，對郁江貴港河段水位、流量以及污染物在水體中的遷移、擴(kuò)散、衰減情況進(jìn)行模擬。這些研究通過MIKE模型在極大程度上對流域內(nèi)污染物傳輸過程進(jìn)行了模擬，但沒有綜合考慮地形地貌、土地利用類型等因素對模型精準(zhǔn)度造成的影響。

因此，該研究以南湖流域典型支流王家河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在開展水環(huán)境磷污染物監(jiān)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮流域水文環(huán)境、地形地貌、土地利用類型等因素的影響，通過MIKE21軟件構(gòu)建多尺度、環(huán)境信息與空間遙感融合的磷素源-匯傳輸模型并對模型進(jìn)行優(yōu)化，對磷素面源污染負(fù)荷的時(shí)空變化進(jìn)行分析與模擬，以期建立洞庭湖流域磷污染物精準(zhǔn)溯源和傳輸路徑高分辨解析范式，揭示水體磷素面源污染負(fù)荷的時(shí)空演變規(guī)律，為水體磷污染精準(zhǔn)防控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 南湖流域概況

南湖所處的岳陽市屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的濕潤季風(fēng)性氣候。南湖因南津港大堤的修筑而與洞庭湖相分隔，僅在出口處有1個(gè)與洞庭湖相通的控制性閘口，成為典型的半封閉城市內(nèi)湖泊，湖水補(bǔ)給主要依賴湖面降水、集雨區(qū)徑流水和城市污水。南湖現(xiàn)有水面面積約為 13.78km² ，湖岸線總長約為28.2km^[14] ，且均屬于城市區(qū)域;南湖平均水深約為 3m 最大水深約為9m，集雨面積約為150km2[1，15]。 。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1研究區(qū)域及監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)課題組于2023年9月—2024年8月在湖南省岳陽市岳陽樓區(qū)南湖流域開展水體磷素污染情況監(jiān)測，以南湖流域的主要支流之一——王家河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，將監(jiān)測點(diǎn)主要布設(shè)在王家河和匯水區(qū)及其周邊區(qū)域。王家河位于南湖流域東北區(qū)域，河流由東北向西南匯入南湖；匯水區(qū)位于南湖流域東部區(qū)域，與王家河下游相連。如圖1所示，該研究根據(jù)王家河兩側(cè)和匯水區(qū)污染源類型及排污口情況共布設(shè)8個(gè)污染源監(jiān)測點(diǎn)，分別為南津古渡溢流口（S1）、木橋市政生活污水排口（S2）王家橋河小區(qū)溢流口（S3）、錦繡河山小區(qū)溢流口（S4）、牛欄坡排口（S5）、王家橋河長山臨時(shí)泵站排口（S6）、吉祥園林塘溢流口（S7）、畔湖灣社區(qū)排污口（S8）；根據(jù)王家河的長度和水文情況劃分采樣斷面、設(shè)置采樣垂線，從王家河的上游到下游加密布點(diǎn)，沿途共布設(shè)25個(gè)排放路徑監(jiān)測點(diǎn)，分別為W1＼～W25；根據(jù)匯水區(qū)情況，在匯水區(qū)布設(shè)20個(gè)加密監(jiān)測點(diǎn)，分別為H1＼～H20。

1.2.2樣品采集及分析測定該研究中的樣品采集、運(yùn)輸、保存及質(zhì)量控制方法按照HJ/T91—2002地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、HJ495—2009水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定和SL219—2013水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范等執(zhí)行。該研究采用GB11893—89水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法測定水體總磷，將樣品檢測統(tǒng)一為3次重復(fù)，采用Excel、Origin、MIKE21、Arcmap軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 水質(zhì)模型模擬

1.3.1 水動力模塊模擬 水動力模塊基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。此即流體低速流動中密度的變化分析僅考慮溫度變化產(chǎn)生的影響，而不考慮壓強(qiáng)變化產(chǎn)生的影響。二維非恒定平面淺水流方程組如公式（1）～（3）所示[16-19]。

式 Ψ（1）～Ψ（3） 中： t 為時(shí)間； η 為水位； h 為總水深； u，ν 分別為 x，y 方向上的速度分量； g 為重力加速度； ρ 為水的密度， ρ₀ 為相對密度； P_a 為大氣壓強(qiáng)； S_xx 、 S_xy 、 S_yx 、 S_yy 為輻射應(yīng)力分量； T_xx 、T_xy，T_yy 為粘滯應(yīng)力； s 為源項(xiàng)； u_s，ν_s 為源項(xiàng)水流速度。

1.3.2水質(zhì)模塊模擬濃度對流擴(kuò)散方程可以反映水中模擬對象2個(gè)方面的輸移機(jī)理，即由平均水流速度引起的對流輸移機(jī)理和由濃度梯度引起的擴(kuò)散（彌散）輸移機(jī)理。污染物在自由表面的二維水體中的對流擴(kuò)散輸移過程如公式（4）所示[20]。

式（4）中： C 是水體污染物濃度； D_x，D_y 分別是 x，y 方向上的擴(kuò)散系數(shù)； F 是線性衰減系數(shù)；s 為源匯項(xiàng)，即污染物的源頭和匯合。

1.3.3數(shù)據(jù)來源該研究所需的模型庫數(shù)據(jù)主要分為屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)2個(gè)部分。屬性數(shù)據(jù)包括水質(zhì)數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)，其中，水質(zhì)數(shù)據(jù)為實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)來源于《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒2024》?？臻g數(shù)據(jù)包括土地利用類型、數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）、坡度、坡向等參數(shù)，其中，土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)平臺，分辨率為 1 000m×1 000m ，DEM、坡度、坡向數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺。

該研究在王家河流域水文環(huán)境信息和監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過MIKE21、Arcmap軟件構(gòu)建多尺度、環(huán)境信息與空間遙感融合的磷素源-匯傳輸水質(zhì)模型，對王家河及匯水區(qū)的水質(zhì)變化特征進(jìn)行系統(tǒng)模擬分析；并通過引入整合岳陽樓區(qū)土地利用類型、高程、坡度及坡向等多源數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行優(yōu)化、提高模型精準(zhǔn)度，對模型模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 王家河污染源定點(diǎn)磷素監(jiān)測情況

如圖2所示，2023年9月—2024年8月S3、S4、S5、S6監(jiān)測點(diǎn)平均總磷濃度接近GB18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中一級標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)（ 1mg/L ），且總磷濃度最高值大多數(shù)出現(xiàn)在冬季（1一2月，12月的數(shù)據(jù)因未監(jiān)測而沒有在圖中呈現(xiàn)）。S1、S2、S7、S8監(jiān)測點(diǎn)平均總磷濃度遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)。8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的磷素濃度高峰期主要集中在冬季和春季，其中，S3、S6在冬季時(shí)平均總磷排放濃度最高，最高值為 1.3mg/L 。

2.2王家河各季節(jié)磷素加密監(jiān)測情況

該研究對王家河沿途進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測，得到王家河W1＼～W25各季節(jié)水體平均總磷濃度，并使用Arcmap軟件對結(jié)果進(jìn)行繪圖（圖3）。如圖3所示，王家河W1＼～W25秋季平均總磷濃度為 0.62mg/L 冬季平均總磷濃度為 0.65mg/L ，春季平均總磷濃度為 1.00mg/L ，夏季平均總磷濃度為 0.84mg/L 。根據(jù)GB3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，王家河水質(zhì)總體而言超過V類水質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)（ 0.4mg/L ）。在時(shí)間變化上，王家河各監(jiān)測點(diǎn)春季、夏季的水體平均總磷濃度明顯高于秋季、冬季，具體表現(xiàn)為春季 gt; 夏季 gt; 冬季 gt; 秋季。在空間變化上，王家河從上游到下游的平均總磷濃度呈先升高后降低的變化趨勢：王家河上游（W1＼～W9）因沒有排污口的布設(shè)而水體平均總磷濃度較低；中游（W10＼～W20）的排污口相對集中，導(dǎo)致水體平均總磷濃度逐漸升高；下游（W21＼～W25）的水體平均總磷濃度呈下降趨勢，其主要原因是河道的變寬以及各類水生植物的消納降解作用[21-22]

2.3匯水區(qū)各季節(jié)磷素加密監(jiān)測情況

該研究對匯水區(qū)沿途進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測，得到匯水區(qū)H1～H20 各季節(jié)水體平均總磷濃度，并使用Arcmap軟件對結(jié)果進(jìn)行繪圖（圖4。從圖4可以看出，匯水區(qū) H1～H20 水體秋季平均總磷濃度為 0.42mg/L ，冬季平均總磷濃度為 0.71mg/L ，春季平均總磷濃度為 0.74mg/L ，夏季平均總磷濃度為 0.57mg/L 。根據(jù)GB3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，匯水區(qū)水質(zhì)總體而言超過V類水質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)。在時(shí)間變化上，匯水區(qū)水體春季、冬季平均總磷濃度明顯高于夏季、秋季，具體表現(xiàn)為春季 gt; 冬季 gt; 夏季 gt; 秋季。在空間變化上，春季時(shí)匯水區(qū)中部（H8＼～H15）的水體平均總磷濃度高于兩側(cè)（H1＼～H7和H16＼～H20），秋季時(shí)則呈現(xiàn)相反趨勢。

2.4水質(zhì)模型的構(gòu)建、優(yōu)化與精準(zhǔn)度驗(yàn)證

實(shí)測結(jié)果顯示，2023年9月—2024年8月王家河及匯水區(qū)總磷濃度范圍為 0.18～1.75mg/L ，參照GB3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域水體的平均總磷濃度超過V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。該研究基于王家河流域水文環(huán)境信息及監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)，采用MIKE21軟件構(gòu)建水質(zhì)模型，依據(jù)王家河流域監(jiān)測斷面磷污染物濃度實(shí)測值設(shè)定模型初始水質(zhì)濃度，經(jīng)模型計(jì)算后得出王家河及匯水區(qū)磷素空間分布結(jié)果。為了進(jìn)一步提升模型精準(zhǔn)度，該研究通過引入整合岳陽樓區(qū)土地利用類型、高程、坡度及坡向等多源數(shù)據(jù)，對王家河及匯水區(qū)的水質(zhì)變化特征模擬輸出結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。模型模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)域總磷濃度范圍為 0.03～1.80mg/L ，與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果較為相近，且其濃度變化趨勢與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果基本一致，這說明模型模擬結(jié)果較好地揭示了王家河及匯水區(qū)磷素的空間分布特征。通過將模型模擬值與實(shí)測值進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的模型對水體磷素含量的預(yù)測精準(zhǔn)度較優(yōu)化前有明顯改善，平均精準(zhǔn)度為 70% 左右（秋、冬、春、夏季 R² 分別為0.758、0.720、0.572、0.869）。上述結(jié)果表明，優(yōu)化后的模型模擬預(yù)測精準(zhǔn)度顯著提升，且模擬預(yù)測結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)之間具有良好的一致性。

3 討論

研究結(jié)果表明，2023年9月—2024年8月南湖王家河8個(gè)污染源監(jiān)測點(diǎn)的磷素濃度高峰期主要集中在冬季和春季，其中，S3、S6在冬季時(shí)平均總磷排放濃度最高，最高值為 1.3mg/L 。王家河的水體平均總磷濃度為 0.78mg/L ，匯水區(qū)的水體平均總磷濃度為 0.61mg/L ，根據(jù)GB3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其均超過 ΔV 類水質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，王家河的水體平均總磷濃度高于匯水區(qū)，這可能與支流對中心湖面有一定的保護(hù)作用有關(guān)[19]。在時(shí)間變化上，王家河和匯水區(qū)的水體平均總磷濃度變化雖有不同，但均表現(xiàn)為春季最高、秋季最低。這與當(dāng)?shù)鼐用裆钅Ｊ降募竟?jié)性差異有較大關(guān)系，由于人類活動強(qiáng)度、氣候條件等不確定性因素的影響，水體污染物濃度呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性波動特征[21-23]；水產(chǎn)養(yǎng)殖、禽畜養(yǎng)殖污染等也是造成水體污染的重要原因，這與已有研究的結(jié)論一致[24-28]。在空間變化上，王家河從上游到下游（W1＼～W25）的水體平均總磷濃度呈先升高后降低的趨勢；春季時(shí)匯水區(qū)中部（H8＼～H15）的水體平均總磷濃度高于兩側(cè)（H1＼～H7和H16＼～H20），秋季時(shí)則呈現(xiàn)相反趨勢。總體來看，王家河與匯水區(qū)的水體平均總磷濃度與季節(jié)變化及居民活動密切相關(guān)。

此外，該研究構(gòu)建并優(yōu)化多尺度、環(huán)境信息與空間遙感融合的磷素源－匯傳輸模型，對王家河流域水體總磷濃度進(jìn)行模擬預(yù)測，發(fā)現(xiàn)模擬預(yù)測結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果趨勢較為一致，模型模擬預(yù)測的平均精準(zhǔn)度為 70% 左右。模型模擬精準(zhǔn)度總體較高的原因是污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、流域水文環(huán)境信息、土地利用類型、高程、坡度及坡向等與研究區(qū)域水質(zhì)變化密切相關(guān)，王家河與匯水區(qū)周邊大多為城市用地和農(nóng)田，工業(yè)廢水、居民生活污水、農(nóng)業(yè)污水等大多排入南湖流域。值得注意的是，春季的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)之間存在較大偏差（ R²=0.572 ），這一現(xiàn)象可能主要?dú)w因于季節(jié)性環(huán)境變化以及研究區(qū)域周邊居民生活模式的季節(jié)性差異。

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（責(zé)任編輯：袁萍萍）