红枫湖流域非点源污染时空分布及管理措施

黄 维，贾仰文，黄国如，牛存稳，张和喜

(1.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038；2.贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002；3.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640)

河流湖库是我国重要水源，农业、工业和生活产生的污水流入河流、湖泊中，对其影响巨大。根据《中国水资源公报(2018)》，Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类的湖泊占75.0%，处于富营养化水平的湖泊占73.5%。非点源污染是造成水体污染的重要原因[1-4]。国内外利用SWAT、HSPF、AGNPS等模型[5-7]对非点源污染进行了大量研究，其中SWAT模型应用广泛，在三峡库区、太湖、淮河等多个流域有良好的适用性[8-10]。红枫湖属乌江水系，是贵阳市的重要水源地，由于流域内工农业发展迅速，大量污染物排入湖中，对周边居民用水造成威胁。1994—1995年红枫湖连续发生死鱼、黑水污染事件，1996—1998年陆续发生藻华，造成严重经济损失，2000年以后基本每年发生藻华现象[11-12]。2007年贵州省成立了两湖一库管理局，之后一直对红枫湖实施治理，红枫湖的水质监测数据显示，Ⅴ类、劣Ⅴ类水出现频率减小，Ⅱ类、Ⅲ类水出现频率增大[13]。近年来，也有一些学者对红枫湖流域的非点源污染开展了研究。耿润哲等[14]以红枫湖上游羊昌河流域为例，利用SWAT模型模拟2010—2014年的非点源污染，并进行了污染控制区划。张昊天等[15]利用等标污染负荷法对红枫湖流域平坝区的农业非点源污染进行了估算，分析了污染产生的主要原因。

本文采用SWAT模型对红枫湖流域非点源污染的时空分布进行分析，设置不同管理措施研究氮磷负荷的削减情况，以期为治理流域非点源污染和改善水环境提供参考。

1 研究区概况

红枫湖流域位于105 °97′E～106 °49′E、26 °15′N～26 °63′N之间，地处低纬高原亚热带季风性湿润气候区，干湿分明，多年平均降水量达1 200 mm，年均气温14.4 ℃，流域面积达1 590 km2，涉及清镇市、平坝县、安顺县和长顺县。红枫湖主要由麦翁河、羊昌河、麻线河和后六河等河流汇入，如图1所示。

在羊昌河和麦翁河下游分别设立了焦家桥和骆家桥水质监测断面，根据贵州省水文局提供的水质资料，2012—2016年化学需氧量、氨氮和总磷的质量浓度情况如图2所示。

根据《贵州省水功能区划》，红枫湖流域水质目标需达到Ⅱ类或Ⅲ类，可按照Ⅲ类标准分析这两个断面的水质达标情况。从图2可知，焦家桥和骆家桥断面的化学需氧量和氨氮在2012年9月至2016年12月均满足Ⅲ类水标准；而焦家桥断面总磷质量浓度有18个月份超过Ⅲ类水标准，有6个月份超过Ⅴ类水标准，骆家桥断面总磷质量浓度有16个月份超过Ⅲ类水标准，有3个月份超过Ⅴ类水标准，总磷质量浓度超标率均较高。按照单因子评价法，两个断面的水质在相当长一段时期内达到Ⅳ或Ⅴ类，甚至超过Ⅴ类，特别是在汛期，总磷质量浓度超标，导致水质有所恶化。由此可见，总磷是导致水质变差的主要因素。工业、农业和生活污水的排放与水质变差密切相关，同时也使流域水环境污染加剧，对流域健康持续发展造成威胁。

(a)化学需氧量

2 研究数据和方法

2.1 数据来源

SWAT模型基础数据库有数字高程(DEM)数据、土地利用数据、土壤数据和水文气象数据等。本研究选取地理坐标系统为D_WGS_1984，投影坐标系统为WGS_1984_UTM_Zone-48N。DEM数据来源于地理空间数据云，精度为90 m×90 m；土地利用数据来自中国科学院的国家资源环境数据库，采集时间为2015年，精度为90 m×90 m；土壤数据来自全球土壤数据库(HWSD)，精度为1 km×1 km；水文气象数据来自贵州省水文局和中国气象数据网，时间序列为2001—2015年；农业管理数据参考当地作物生长情况和相关文献[16]；点源污染数据参考流域内区县的统计公报、环境监测公报等资料。

2.2 SWAT模型

SWAT模型是基于GIS的一个长时段分布式流域水文模型，通过空间离散化进行模拟[17]。在划分子流域后，根据土地利用、土壤类型以及坡度划分情况进一步划分水文响应单元。由于红枫湖流域出口位置为红枫水电站，相关水文水质数据获取困难，本文先选择径流水质资料充足、有代表性的典型子流域建立SWAT模型，率定径流和水质参数，再对红枫湖整个流域建立SWAT模型，将流域划分为23个子流域和404个水文响应单元，研究污染物的时空分布特征。

3 模拟结果与分析

3.1 典型子流域SWAT模型率定与验证

羊昌河流域位于红枫湖流域的西南方，总出口位于焦家桥断面，控制面积约773 km2，占总流域面积近50%，具有典型性及代表性。利用SWAT-CUP软件对该流域的径流和水质参数进行率定[18-20]。选择纳什系数(NSE)、相对误差(RE)和决定系数(R2)进行适用性评价。在径流率定和验证时，选取2000年为模型预备期，2001—2009年为参数率定期，2010—2015年为模型验证期。率定期NSE、RE和R2的值分别为0.85、-10.39%和0.91，验证期NSE、RE和R2的值分别为0.92、-13.72%和0.90，模拟结果良好，如图3所示。

(a)率定期

由于流域水质监测数据有限，选择氨氮和总磷指标进行水质参数的率定和验证，以2013—2014年为率定期，2015年为验证期，从观测数据筛选若干个合理值与模拟值进行比较。从表1可见，氨氮和总磷实测值和模拟值的相对误差基本在合理范围内，表明水质参数取值合理。

表1 氨氮和总磷月负荷率定及验证结果

3.2 非点源污染时间分布特征

羊昌河流域控制面积773 km2，占流域总面积近50%，为红枫湖流域最有代表性的子流域，将羊昌河流域率定好的模型参数推广到红枫湖流域，构建红枫湖流域SWAT模型，利用该模型模拟2001—2015年红枫湖流域多年月均氮磷污染情况，结果如图4所示。

(a)氨氮

将4—9月作为汛期，其余月份作为枯水期，从各污染物的多年月均负荷可以看出，降水量越大，氨氮、总氮和总磷的产出越大，呈正相关关系。4—9月集中了全年近80%的降水，而这期间的氨氮、总氮和总磷负荷分别占全年负荷的88.49%、83.74%和97.36%，特别是6—7月各污染物的负荷均较高，分布曲线呈倒“V”形。汛期的降水量较大，使得径流量增大，而且流域处于高原地区，各区域海拔高差较大，坡度亦较大，氮磷污染物随径流很快进入河道，并且增加显著；而枯水期的降水量较小，对应的氮磷流失也很小。

3.3 非点源污染负荷空间分布与关键源区识别

通过模型分析2001—2015年均氨氮、总氮和总磷单位面积负荷的空间分布特征。按照GIS中的自然断点法将研究区氨氮、总氮和总磷的负荷强度分为5个等级，如表2和图5所示。

表2 污染物负荷分级标准

(a)氨氮

由图5可知，水系干流所在的子流域污染物的流失强度较大。氨氮负荷较大的子流域有1、2、4、9、11、17和18，总氮负荷较大的子流域有1、2、4、5、13、16和18，基本均达到Ⅳ或Ⅴ级，总磷负荷较大的子流域有7、8、10、11、15、16、18和22，也基本达到Ⅳ或Ⅴ级。而子流域12、20的污染物流失较小，等级也较低。从污染较为严重的子流域分布的位置来看，氮磷流失较大的子流域基本集中在西南部和东北部，同时也在羊昌河水系附近，主要原因是西南部集中分布着大量耕地，农业活动频繁，而且坡度较大，地势陡峭，在降雨驱动下更易造成氮磷流失；而东北部处于河流中下游地区，除了有耕地分布，人口密度也较大，因此污染物流失也较大。可见氮磷负荷的空间分布与土地利用类型、地形地势等因素密切相关。因此可将这些子流域视为氨氮、总氮和总磷输出的关键源区对非点源污染加以控制。

3.4 管理措施及效果

红枫湖流域在贵州省开发较早，经济发展水平比较领先，农业较为发达，非点源污染流失严重，对红枫湖水质造成严重影响。如果不开展长期有效的污染治理，会影响当地居民饮水安全。大量研究表明，采取化肥削减措施或减少不适宜耕作的耕地可以较为有效地控制流域的非点源污染[21-23]。根据污染物的模拟结果，参考近年来相关研究成果[24-26]，设置以下几种情景进行模拟分析：①情景1，化肥削减10%；②情景2，化肥削减30%；③情景3，将坡度为10 °以上、占比20%的耕地设置为林地，进行退耕还林；④情景4，将坡度为10 °以上、占比20%的耕地设置为草地，进行退耕还草；⑤情景5，联合情景1和3；⑥情景6，联合情景1和4。不同情景下2011—2015年氮磷削减模拟结果如图6所示。

(a)总氮

从图6可知，情景1中流域总氮削减率为13.79%～15.78%，总磷削减率为16.79%～18.65%，年均削减率分别为14.74%和17.40%。情景2中流域总氮削减率为37.78%～42.95%，总磷削减率为50.59%～52.61%，年均削减率分别为40.26%和52.02%。从化肥削减措施来看，化肥施用对污染输出具有显著影响，削减越多，氮磷流失越少，同时削减速率也会变缓。化肥施用与农作物产量也有关系，考虑到经济收益，应深入研究测土配方施肥等施肥技术，在削减化肥施用的情况下，减小对农作物产量的影响，并考虑非点源污染的控制和农业经济的发展。

情景3中，将一部分耕地改为林地进行退耕还林，流域总氮削减率为24.27%～30.22%，总磷削减率为21.42%～37.59%，年均削减率分别为26.73%和29.71%。情景4则是将一部分耕地改为草地进行退耕还草，使总氮削减率为23.98%～29.89%，总磷削减率为21.32%～33.50%，年均削减率分别为26.46%和29.50%。林地和草地能有效拦截水土流失，从而减少土壤里氮磷养分的输出，而且增加林地和草地的面积，减少不适宜耕作的耕地，同时也提高了流域植被覆盖率，有利于流域的生态环境保护。

情景5组合了情景1和情景3，削减效果较单一的管理措施更佳，总氮削减率达到34.87%～40.81%，总磷削减率达到34.84%～48.26%。情景6削减效果与情景5相差不多，总氮削减率达到34.58%～40.49%，总磷削减率达到34.74%～48.00%。

对于流域的非点源污染，可以考虑结合不同管理措施进行综合控制，这样能达到更好的削减效果。根据红枫湖流域非点源污染的空间分布，可以将关键源区作为重点关注对象，考虑到不同子流域地形、土地利用等特点，选择合适的管理措施，从而在这些关键源区进行非点源污染的控制。

4 结 论

a.利用红枫湖典型子流域率定SWAT模型参数，在率定期和验证期内，径流的NSE和R2均在0.8以上，相对误差在20%以内；氨氮和总磷实测值和模拟值的相对误差在合理范围内，表明模型有良好的适用性。

b.4—9月氨氮、总氮、总磷负荷分别占全年负荷的88.49%、83.74%和97.36%，特别是在6—7月，污染物负荷均较高。西南部和东北部的子流域氮磷流失较大，分布在此的子流域可视为关键源区，对其非点源污染加以重点控制。

c.模拟了不同管理措施对氮磷削减效果的影响，化肥削减、退耕还林还草措施对减少非点源污染有显著效用，而且对总磷的削减效果更好，且实施综合管理措施后氮磷削减效果更为有效。