北方小城镇流域水污染的模拟研究

柳 婷

(五洲工程设计研究院，北京 100053)

1 概述

河流污染是指自然环境中的许多成分和工业废弃物及农药、化肥等污染物，通过不同途径，直接或间接的进入河流，致使河流水质发生变化，使生态系统和水体的功能受到破坏的现象。根据进入河流的方式，可以把污染源分为点污染源和面污染源两类。

2 我国北方小城镇流域水污染现状

根据《中国水资源公报》，2011年全国污水排放量达652.1亿t，其中80%以上未经处理的超标工业和城市生活污水直接排入河流，大部分排向农村。为了提高粮食产量，近些年我国化肥使用量达到了世界化肥平均用量的2.5倍，它们以径流、淋溶、反硝化、吸附和侵蚀等方式进入环境，而主要的接受体就是靠近村镇地区的河流。再者我国北方地区处于干旱、半干旱地区，河流常年缺少径流补给，流量小，自净能力差，环境容量有限。

据中国环境状况公报报道，在2011年七大水系的412个水质监测断面中，长江、珠江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河流域水质最差。

3 研究方法

3.1 SWAT 模型介绍

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是由美国农业部的农业研究中心Jeff Arnold博士1994年开发的基于物理机制的分布式模型，采用日为时间步长，可进行长时间连续计算，水分运动、泥沙输送、作物生长和营养成分循环等物理过程直接反映在模型中(见图1)。

3.2 选取区域介绍及基本参数数据

研究区域选取在北京城区北郊某城镇，流域面积403 km2，分布着大小河流7条总长28.3 km，地处平原与山地交接地带，是北京主要的农业区之一。本区域属温带大陆性半干旱气候，多年平均降雨量574 mm，雨量集中在6月～8月，降雨量443 mm。

SWAT模型计算需要:数字地图、气象、水文、水质、土壤特性以及作物管理制度等数据，本次研究收集到数据的具体类型和来源见表1。

3.3 模型的率定和验证

水文模型模拟特定流域的功能是通过校准和验证来评价的。校准过程是逐步调整参数值使得计算输出结果和实际数据相符，主要分四步:首先是水量过程，其次是泥沙部分，最后是营养物和杀虫剂。

3.3.1 径流部分

表1 SWAT模型的输入数据

SWAT模型中河道径流量来自两部分:1)地下水的回归流，即基流;2)地表径流。

本次研究模拟了流域内大东流水文站的地下水位变化，其中以2000年1月～2001年12月的月平均地下水水位校准，对2002年1月～2004年5月平均地下水水位验证，验证结果见图2，除了在初始调查部分模拟值稍大于实测值外，当模拟进行到后期，两者结果不管从数值还是趋势上都吻合的较好。

模拟计算了两种情况:1)1964年～2003年40年得出的平均径流量近似为多年平均径流量;2)选取最接近流域多年平均降雨量的水平年1987年计算得到的年平均径流量近似为多年平均径流量。两种情况的相对误差均在10%之内(见表2)，与实际吻合较好。

表2年平均径流量模拟与实际对比

3.3.2 水质部分

SWAT模型中可以模拟多种污染物质，包括氮的多种形式(硝酸态氮、亚硝酸态氮、氨氮、有机氮)、磷的多种形式(矿物磷、有机磷)、CBOD、重金属等等。选取一处监测点的模拟数据与实测数据相比，除总氮达到19.1%外，其余几项指标均低于10%(见表3)，模拟效果可以接受。

表3 常规水质指标模拟与实际对比

4 模拟流域污染物产出影响分析

4.1 污染物质产出量与降雨量的关系

按照年降雨量将不同年份划分为枯水年、平水年和丰水年。选取1990年～2003年中的相对枯水年、相对平水年和相对丰水年——2001年、2009年和1995年，利用调整好的模型计算了流域出口处年平均流量与污染物质产出量的关系，结果见表4。

表4 不同水平年流域产出量结果

河道污染物质的迁移产出量和流域的年降雨总量联系紧密，并且随着降雨量的增大而增大，增大的幅度和流域内实际特点有关，而非呈线性关系。

4.2 河流污染的来源分析

研究流域内的点源主要包括流域内某镇的污水处理厂，还有各个村庄居住地居民排出的生活污水，以明渠的形式集中排入邻近的河流。当以现状流量的100%，75%，50%，25%和0%进行排放时，1999年～2009年各项污染物负荷的变化情况见表5。

表5 1999年～2009年不同点源排放下流域污染物年平均产出量×103 kg

如表5所示，河流污染物中氮类污染物主要是硝态氮和氨氮，分别占总氮的42%和26%;磷类污染物主要是以吸附态存在的矿物磷，占总磷的84%。图3中显示，随着点源排放量比例的减少，各类污染物质的产出量呈明显的线性变化，总氮和总磷的线性相关系数接近1，说明污染物质从点源进入河流到流域出口这段距离中，自身降解以及被藻类物质吸收的比例很小，河流自净能力非常有限。

鉴于非点源污染发生的直接原因是降雨和径流，发生的主要时间在夏季所处的汛期，因此本节模拟计算了不同水平年内各个月份的径流、泥沙和污染物产出量的变化。

图4～图6表示了1995年，2001年和2009年旱期与汛期的降雨、泥沙、径流和污染物产出量对比。在降雨丰富的1995年，污染负荷随降雨呈相同趋势变化，汛期大于旱期。此时植被覆盖率较低，小麦残留营养物质丰富，主要以面源污染为主;而在特枯水年2001年，由于汛期和旱期仅仅是一两场降雨的差别，即使汛期降雨大于旱期，但年内多数时间降雨量相当，各类污染物产出差别不大，只在8月较大降雨时才出现污染物产出大幅度增加，其他月份以点源污染为主。

5 结语

本次研究在总结了北方农村地区河流污染现状及特点后，利用分布式水文模型SWAT，对北京郊区的一个小城镇流域进行了模拟计算，主要取得以下成果:

1)氮磷污染物与径流和泥沙量呈正相关关系。流域内污染物产出量的年际变化和年内变化都很明显，并且污染物量增加幅度远大于降雨量的变化。

2)在降雨较小的较枯水年，点源排放占流域污染负荷的比例尤为明显。非点源污染主要是大量化肥在汛期随径流进入河道，在相对丰水年降雨量较大的汛期的污染物输出量明显大于非汛期。

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