洪水期间流域营养盐输出特征及削减措施研究

秦国帅，张慧哲

（1.水利部发展研究中心，北京 100038；2.大连金普新区现代农业生产发展服务中心，辽宁 大连 116620）

0 引言

富营养化是地表水体面临的主要水环境问题之一，根据2022 年中国生态环境状况公报，在开展营养状态监测的204 个重要湖泊水库中，仍有29.90%的湖泊和水库处于轻度或中度富营养化的状态。地表水体中的营养盐主要来自流域降雨径流输出，由于洪水强烈的冲刷携带能力，洪水时期是流域内营养盐输出的高峰期[1]。相关研究表明，洪水期间地表水体中氮、磷浓度呈明显上升趋势，农业流域汛期营养盐流失量占全年营养盐流失总量的50.00%以上[2-4]。湖泊、水库等水体相对河流存在流速降低、水力停留时间变长等现象，很容易出现洪水期间营养盐的滞留与累积[5]。因此，针对湖泊、水库流域洪水期间营养盐的输出特征进行研究，分析不同措施条件下营养盐削减的效果，并提出针对性的削减措施，对于降低地表水体富营养化风险、改善水环境水生态、促进生态文明建设具有重要的意义。目前，关于常规条件下流域营养盐输出特征的研究较多，但是洪水等特殊水文条件下营养盐输出特征的研究还比较缺乏。本文以大连市水源地碧流河水库流域为例，构建精细化的SWAT 模型，对洪水期间流域营养盐的输出特征进行模拟，并对不同管理措施的营养盐削减效果进行分析，为制定流域营养盐管理措施提供参考和依据。

1 流域概况

碧流河水库是一座以供水为主，兼有防洪、发电等综合效益的大（2）型水库，位于辽宁省大连市和盖州市交界处的碧流河中游。碧流河水库坝址以上流域面积为2 085 km2，占流域总面积的74.10%，主要入库河流有碧流河、蛤蜊河、八家河、太阳河、俭汤河、转山河、杨屯河、同巨河及吉顺河等。流域土地利用类型以林地为主，占坝址以上流域面积的72.30%，其次为耕地，占比18.90%。

2 模型构建

SWAT 模型在降雨径流过程非点源污染模拟方面应用比较广泛[6，7]。因此，本文通过构建精细化SWAT 模型对洪水期间营养盐的输出特征进行分析。模型共将流域划分为91个子流域和1 062个水文响应单元，模型使用的DEM 为30 m×30 m 分辨率的STRM 高程数据，土地利用数据和土壤类型数据来自中科院资源环境数据中心网站，降水数据采用流域内雨量站的实测数据，其他气象数据主要来自SWAT 模型中国大气同化驱动数据集（CMADS V1.1）；流域内点源排放数据来自流域范围内点源污染调查统计结果，农田施肥、畜禽养殖、城镇和农村生活污水及固体废弃物等非点源数据主要来自统计年鉴和相关调查报告。

因为2012 年是碧流河建库以来入库径流最大的一年，所以选取2012—2013 年作为研究时段。模型以2011 年为预热期，2012 年为率定期，2013年为验证期，主要针对模型的径流、泥沙和营养盐模块进行率定和验证。率定和验证使用的径流数据为2012，2013 年碧流河茧场站和水库站的实测流量数据，泥沙数据为茧场站2012 年4—8 月和2013 年7—8 月实测数据，水质数据为主要入库口（碧流河、蛤蜊河和八家河）每月一次的监测数据。通过计算决定系数R2、纳什系数NSE和百分比偏差PBIAS对模型计算结果进行评价，SWAT模型的率定和验证结果见表1。由表1 可以看出，流域模型能够满足径流模拟的要求[8]。总氮TN 和总磷TP在率定期和验证期的模拟结果能够满足精度要求[8]，说明模型构建比较合理，可以用于洪水期间流域营养盐输出特征的精细化模拟。

表1 流域模型率定和验证结果

3 流域营养盐输出特征

利用建立的SWAT 模型对2012 年4 月底、8 月初及2013 年7 月初的3 次洪水过程进行分析，其中，2012 年8 月洪水是建库以来最大的洪水过程，模型计算时段的洪水基本特征见表2。图1 为对洪水期间营养盐的输出特征曲线。由图1 可知，洪水期间流域营养盐负荷主要来自碧流河、蛤蜊河和八家河，占流域TN 和TP 输出总量的88.44%和78.89%，其他支流的流域面积较小，营养盐负荷也相对较小。2012 年4 月洪水期间营养盐的输出总量小于2012 年8 月，但其营养盐负荷的峰值与8月比较接近；2013 年7 月洪水相比2012 年4 月和8月的两次洪水要小，洪水期间营养盐输出总量和峰值均小于2012 年。对于碧流河水库流域，流域营养盐的输出主要集中在汛期几次较大的洪水过程，其中，2012 年4 月和8 月洪水期间共有3 628 t的TN 和123 t 的TP 进入水库，分别占全年TN 和TP 输出总量的54.84%和73.24%。在前期缺水的情况下，洪水期间由于供水任务，水源水库往往大量蓄水，比如2012 年4 月的春季洪水期间，水库基本没有泄流，流域输出的营养盐大量滞留在水库，长期的蓄积过程将对水库水质造成影响。以上结果说明，流域营养盐的输出除了与洪水大小有关外，还受洪水前期流域内污染物累积效应的影响。

图1 不同场次洪水入库河流营养盐负荷变化特征

表2 场次洪水基本特征

洪水期间，流域营养盐负荷存在明显的空间分布差异。3 次洪水期间，碧流河水库TN 负荷处于0.25～14.98 kg/hm2，TP负荷处于0.01～2.84 kg/hm2，营养盐的空间差异主要受降雨分布和土地利用特征的影响。2012 年8 月，洪水的暴雨中心位于碧流河上游区域，上游区域单位面积营养盐负荷要明显高于下游区域；2013 年7 月，洪水的暴雨中心位于碧流河水库区域，高负荷区域主要位于水库周边；2012 年4 月，由于前期流域降水少、春季植被覆盖率低等原因，部分子流域的TN 负荷达到14.98 kg/hm2，明显高于另外2 次洪水过程。除此之外，流域营养盐高负荷区域主要分布在河流、水库的岸滨带区域，与农田、居民区主要分布在河流水库周边有关，农业生产和生活污水排放造成的非点源污染使得营养盐负荷高于其他区域。

4 不同管理措施对营养盐输出的影响

通过SWAT 模型识别营养盐输出的关键源区，然后在高负荷区域采取相关措施可以有效减少洪水期间进入碧流河水库的营养盐负荷。减少施肥和设置植被缓冲带是比较常见的农业管理措施，下文针对这两种削减措施进行分析。

1）优化施肥

在模型中分别将TN 和TP 的施肥量减少10.00%，20.00%和30.00%，并与基准情况下营养盐负荷进行对比分析，计算结果见表3。由表3 可以看出，通过优化施肥措施在一定程度上可以减少洪水期间流域营养盐的输出，且该措施属于非工程措施，结合测土施肥的方式，可以在一定程度上降低农业生产成本，具有较好的可操作性。

表3 不同管理措施条件下流域营养盐负荷削减效果%

2）设置植被缓冲带

相关研究表明，5～30 m 的植被缓冲带对农田径流悬浮物和氮磷的削减率在30.00～80.00%[9]。为分析植被缓冲带对碧流河流域营养盐的削减效果，分别在模型的流域管理模块中设置植被缓冲带为1，5，10，20 m，并分析不同宽度的植被缓冲带对TN 和TP 的削减效果，结果见表3。由表3 可知，植被缓冲带对营养盐的削减效果十分明显。

对比两种削减措施，植被缓冲带的效果更好，并且能够带来一定的生态效益，但是工程建设需要较大的时间和经济成本。建议可以在综合考虑污染防治效果、流域经济条件及土地利用限制等实际情况下，采取优施肥措施及在关键区域修建植被缓冲带的方式削减流域营养盐负荷。

5 结语

本文通过数值模拟的方法对碧流河水库流域洪水期间营养盐的输出特征及削减措施进行分析，研究结果可作为洪水期间流域营养盐管理的参考依据。受气候变化的影响，暴雨洪水等极端水文事件发生频率呈增加的趋势，对流域内营养盐的迁移转换机制产生了深刻的影响，下一步需要加强极端水文条件下流域营养盐输出特征及应对措施的研究，为水源地保护、流域水环境治理提供基础支撑。