安徽省兆河流域非点源污染模拟及最佳管理措施

王 敏, 张雨桐, 李奇宸,3, 贾如宾, 李 剑, 王 勇, 焦 梦

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室, 陕西 西安 710048; 2.西安理工大学水利水电学院, 陕西 西安 710048; 3.中国石油天然气股份有限公司 长庆油田分公司第十采油厂, 甘肃, 庆阳 745100;4.机械工业勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710043; 5.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司, 陕西 西安 710065)

非点源污染是造成水体污染的重要来源[1]，与点源污染相比，其分布特性、输入方式等均较为复杂，导致其控制尤为困难，合适的水文水质模型有助于定量化研究流域水环境污染负荷分布特征，对非点源污染控制具有重要意义。近年来各类水文水质模型发展迅速，以SWAT(soil and water assessment tool)模型、SWMM(storm water management model)模型和HSPF(hydrological simulation program-fortran)模型等应用较多。这些模型能够综合考虑流域水文过程、土壤侵蚀状况及污染物迁移转化过程，进而能够比较全面和客观地实现流域污染的模拟和计算。其中应用最广泛的是基于GIS(geographic information system)空间分析的SWAT模型[2-3]其在不同流域均具有良好的适用性，已被用于污染来源分析、非点源污染负荷估算、污染控制或保护性措施比较与效果评估等方面[4-5]。同时也有研究者为了提高模型的精度和适用性，也会因地制宜提出改进方法，并得到了理想的模拟研究结果。

由于非点源污染没有固定的排放口和特定的排放地点，各类溶解性或固体污染物随着降水、融雪等大范围进入水体中，继而引发水质下降。非点源污染的产生和迁移过程受自然地理、社会经济、气候、人类活动等影响显著，导致非点源污染监控和治理难度较大，因此，实施有效的非点源污染防治对控制非点源污染非常必要。最佳管理措施(BMPs， best management practices)是公认的防治非点源污染行之有效的手段[6]，其将工程类措施与非工程类措施相结合控制污染负荷输入量[7]，利用不断优化治理措施的空间配置方案，评估BMPs对非点源污染的削减效果和水质的改善作用影响[8]，提出流域管控治理的最佳措施。非工程措施主要是通过法律法规的约束及生产和管理方式的调整，以控制污染物的输出，进而从源头控制非点源污染，主要方式包括养分管理[9-10]和耕作管理[11]。工程措施主要是通过设置人工构筑物，拦截、蓄积或者吸收污染物，减少输送到水体中的污染物的量，主要包括植被缓冲带[12]、植草河道等[13]。将非工程措施与工程措施结合评价流域污染负荷削减效果，对流域污染负荷管控具有重要价值。

基于以上背景，以兆河流域为研究对象，通过GIS和SWAT软件构建流域非点源污染模型，并利用构建的模型开展流域非点源污染现状分析、污染关键区识别及污染控制措施的削减效果相关研究，明确流域污染负荷的分布特征，为兆河清洁小流域建设提供技术支撑。

1 研究区概况

兆河全长34 km，流域面积1 138 km2，主要位于安徽省庐江县境内，北临巢湖，南近长江，西依大别山余脉，地势西南高，东北低，地貌可分为：沿湖平原圩区(占流域总面积16.70%)；东南西部低山丘陵区(占流域总面积18.00%)和中部丘陵区(占流域总面积65.30%)。流域内有11条支流，其中水质优于Ⅲ类占比56.2%，Ⅳ—Ⅴ类水质河段，比例42.8%，其中盛桥河、裴河、黄泥河、县河的污染较为严重，污染源主要包括城镇生活污染、农业面源污染、废弃矿山污染及工业企业污染。兆河流域现有兆河闸水文站、缺口水文站以及邻近流域的桃溪水文站，其中兆河闸水文站控制兆河入巢湖水量，多年平均年入湖水量3.58×108m3，生态基流缺水量1.06×107m3，枯水期河道生态基流严重不足[14]。兆河流域地理位置及水系见图1。

图1 安徽省兆河流域水系分布

2 研究方法与数据处理

2.1 流域非点源污染模型构建

SWAT模型可根据研究区的土地利用类型、土壤类型、地面高程和坡度等将流域划分为不同的水文响应单元(hydrological response unit，HRU)，并以HRU为基本水文单元，模拟计算流域尺度的径流、泥沙和氮磷等污染物质的迁移输送过程[15-16]。本研究通过分析流域内社会经济发展和污染源排污情况，以环境调查和监测分析相结合的方式收集整理构建SWAT所需要的相关数据。模型所需各类数据集来源见表1。

表1 安徽省兆河流域SWAT模型所需主要数据

SWAT模型可依据DEM图的信息自动计算流域水系，但是由于本研究区地处中国东南河网密集区，为增加河网生成的准确度，需导入实测水系图为河道的生成做出指引。为避免DEM范围相对研究区面积过大，造成不必要计算浪费[17]，本研究阈值参数选用3 km2为集水区划分的阈值，依据实际河流空间位置手动添加子流域汇水口，以兆河入巢湖口作为流域总出水口，共划分15个子流域，2 076个水文响应单元(见图2)。

图2 安徽省兆河流域子流域划分

2.2 模型的适用性

SWAT模型参数众多，而不同参数对模拟结果的准确度有着不同程度的影响，相同参数的不同取值也会对模拟结果产生很大影响。因此，有必要对模型进行参数的敏感性分析，本研究采用SWAT-CUP对模型中与流量和水质相关的参数进行敏感性分析，最终选定与径流敏感的参数10个与总氮敏感的参数10个，与总磷敏感的参数10个。具体参数见表2。

选定主要敏感性参数之后，运行模型对参数的取值进行率定。取具有实测日径流数据的兆河闸水文站为率定和验证的站点，选取2011—2014年为率定期，2015—2017为验证期。采用相对误差(r)、可决定系数(R2)和纳什系数(ENS)对模型模拟结果的适用性进行评价，计算公式见公式(1)—(3)

(1)

(2)

(3)

表2 安徽省兆河流域模型相关敏感性参数

表3 安徽省兆河流域SWAT模型的率定和验证结果

2.3 非点源污染关键源区识别

非点源污染因其污染来源不确定、来源时间随机、来源方式间接、影响时间滞后和机理复杂的特点，不同区块的污染流失强度具有较大的空间差异性，使非点源污染的治理难以集中，并且由于非点源污染来源涉及范围较广，实际中难以全面采取控制措施，最有效的方法是针对重点源区采取有效控制。Giri等[20]对比分析了流域的高风险区与中等风险区布置措施与全流域布置措施，结果发现污染物的消减量无明显变化，表明将控制措施布设全流域是不经济的，同时也没有良好的生态效益。因此，评估流域各区块的污染流失量，并按照流失强度划分出流域非点源污染来源关键区域，对关键区域优先进行措施布置，从而提升资金与资源的使用效率，减少工程措施用地，对降低流域非点源治理难度非常必要。

本研究采用单元负荷指数法(LPUAI，load per unit area index)对各子流域污染负荷轻度(Pi)进行计算，其计算公式为：

(4)

式中：PTi为某子流域在某一时段内污染物负荷产生量;Ai表示给子流域的面积。

LPUAI方法主要是基于各子流域每单位面积所产生的平均污染物负荷来确定关键区优先级，有效避免因子流域面积划分不均带来的问题，并且对氮磷都有较高的敏感性，是进行关键源区识别的常用方法。该方法将单位面积污染负荷流失强度划分为5个等级，即低、较低、中度、较高、高，再将评级高级的子流域确定为关键源区[19]，评价因子分级标准见表4。

表4 安徽省兆河流域非点源关键区等级划分

3 结果与分析

3.1 流域非点源污染分布特征分析

3.1.1 流域非点源污染分布现状 研究区总氮总磷污染负荷分布现状如图3所示。由图3可知，现状水平年该流域总氮污染物量为1 495.32 t/a，污染负荷贡献最大的子流域为县河流域，其负荷量占总量的比例为40.8%；环圩河与黄泥河流域负荷量之和占流域总氮负荷量的24.3%，以上3个流域的总氮非点源污染负荷量占流域总负荷量的60%以上。因此，总氮非点源污染应作为总氮污染排放污染治理的重点关注对象。

图3 安徽省兆河流域氮磷非点源污染负荷分布现状

流域总磷污染物总量为71.57 t/a，污染负荷贡献量最大的流域仍为县河子流域，其负荷量占总磷负荷量的42.3%；其次为环圩河流域，占13.9%，说明总磷相较总氮污染负荷分布更加集中，仅县河与环圩河两个子流域的污染负荷量就占到流域总负荷量的50%～60%，这两个子流域应作为总磷非点源污染治理的重点关注区。

3.1.2 流域规划年非点源污染分布预测 规划年在现状研究的基础上，考虑研究区在未来随着常住人口增长、城市化速度加快、土地利用变化等背景下，非点源污染的变化情况，模拟研究该流域在规划年氮磷污染排放空间分布特征，结果见图4。

规划水平年流域总氮污染负荷量可达2 166.5 t/a，总磷排放总量为83.8 t/a，分别比现状年增加45.3%和8.0%。规划年(2022年)县河子流域仍是总氮污染贡献量最大的子流域，年污染负荷总量占整个流域的40.8%(820.6 t/a)。相较于现状年，该子流域总氮污染负荷量平均增加216.6 t/a，但占比减少了2%左右；环圩河子流域总氮负荷量仅次于县河子流域，年污染负荷量约310.1 t/a，占整个子流域14.3%，相较现状年负荷量约增加了89.7 t/a；该流域规划年总氮污染负荷平均贡献量最少的子流域为黄姑河子流域。

图4 安徽省兆河流域规划年(2022年)氮磷污染负荷分布预测

县河子流域磷的污染负荷量最大，可达37.88 t/a，年污染总量占整个流域的45.2%，较现状年增加7.2 t；其次为环圩河子流域，其规划年磷的污染负荷量占总流域的10.8%，比现状年占比减少1%～8%。除去县河与环圩河子流域之外，相较现状年污染负荷量占比变化最大的为黄泥河子流域，污染占比平均减少了2.6%；规划年总磷污染贡献量最少的为顺港河与黄姑河子流域。

综合对比可以得出，该流域在规划年(2022年)总氮总磷污染总量均有所增加，在不同时期氮磷贡献量最高子流域均为县河子流域，表明该子流域可能是流域非点源污染控制的重点。

3.2 流域规划年水环境质量预测

根据规划年各流域污染负荷排放量与各流域径流量模拟结果，估算了研究区各流域主要河流断面总氮总磷多年平均浓度，根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)划分研究区规划年水质等级(见图5)。其中红色区域表示水质达到劣Ⅴ类水质；橘色则表示Ⅳ—Ⅴ类水；绿色表示Ⅲ类水质以上。

由模拟结果可知，该流域规划年(2022年)河流水体总氮污染严重，有近2/3的流域为劣Ⅴ类水质，其中总氮污染最严重的盛桥河子流域，水体总氮浓度可能超过9 mg/L，为Ⅴ类水质标准的4.7倍，就总氮而言仅有瓦洋河与黄姑河支流两个子流域水质达到“清洁小流域建设”工程所要求的Ⅲ类水水质。模拟结果显示总磷污染虽然较总氮污染程度轻，但盛桥河与裴河两个子流域水质也是劣Ⅴ类水质；近1/2流域面积达不到Ⅲ类水水质。

图5 安徽省兆河流域各子流域规划年水质预测结果(浓度mg/L)

由此可见，兆河子流域在不采取任何非点源污染治理措施的情况下，流域水环境治理很难达到“清洁小流域建设”要求。而在整个流域，总氮污染来自非点源的比例为40%～50%，总磷污染来自非点源的比例为40%～45%，因此，在污染治理过程中仅依靠点源的治理已经无法满足要求，必须重视对于研究区非点源污染的控制。

3.3 流域非点源污染关键源区识别

采用单元负荷指数法确定流域非点源污染关键区[21-23]。结果表明，该流域规划年(2022)单位面积总氮非点源污染负荷量最大的子流域为失曹河子流域(2 040 kg/km2)；盛桥河子流域(1 910 kg/ km2)次之；单位面积负荷量最小的为黄姑河支流与环圩河支流子流域。规划年单位面积总磷非点源污染负荷量最大为盛桥河子流域(60 kg/ km2)与县河子流域(60 kg/ km2)；单位面积负荷量最小的为兆河上游与西河干流子流域。各子流域单位面积氮磷污染流失强度等级如图6所示。

图6 安徽省兆河流域各子流域非点源总氮(左)总磷(右)污染物流失强度

由图6可知，该流域总氮非点源污染处于重度流失强度的子流域有县河、失曹河、裴河、盛桥河子流域；处于较重流失强度的有环圩河、兆河入巢子流域。流域总磷非点源污染为重度流失强度的有县河、裴河、盛桥河子流域；较重流失强度的包括环圩河与失曹河子流域。结果表明，氮磷流失强度为重度的县河、失曹河、裴河、盛桥河及环圩河子流域面积占研究区总面积的45.1%，但总氮排放量占到研究区总排放量的69%～71%左右，总磷占63%～75%，可以视为流域污染负荷关键区，应该作为流域非点源污染控制的主要地区。

3.4 流域最佳管理措施设置

在模型中设置单一措施和组合措施等不同的非点源污染削减措施，其中单一措施包括非工程措施(增加化肥埋深和施肥量削减)和工程措施(植草河道和植被过滤带)(表5)。

3.4.1 耕种管理措施对污染负荷削减的影响 耕种管理措施主对非点源污染的削减效率的影响结果见图7。其中，增加化肥埋深对总氮的削减率为3.7%～13.8%，对总磷的削减率为0.4%～14.1%，表明化肥埋深措施对总氮的削减效果较为稳定，然而其对总磷的削减影响不稳定，由于总磷负荷量易受气象水文条件的影响，主要表现为降雨径流量大时削减率相对增加，而在降雨量较小的条件下，削减率仅为0.4%～0.8%。

削减10%的化肥用量可使总氮排放削减4.2%～14.3%，总磷削减0.2%～0.4%，平均削减量分别为9.1%与0.9%；当化肥削减20%时，对非点源总氮的削减率没有较大的影响，但对总磷的平均削减率提升到了1.8%；当化肥用量削减50%时，总氮非点源负荷量削减6.2%～16.1%，平均削减率10.5%，总磷非点源负荷量削减0.8%～13.6%，平均削减率4.4%。这些结果表明减少化肥施用量对非点源总氮排放的削减效果要优于对总磷的削减效果，其重要原因是农田氮流失量相对磷流失量大。

3.4.2 工程拦截措施 工程拦截措施包括植草河道与植被过滤带两类，结果见图8。植草河道对非点源污染排放的削减效率更加显著。仅1 m长植草河道可削减总氮污染负荷47.2%～67.4%，削减总磷非点源污染69.92%～79.53%；总氮和总磷平均削减率分别为54.49%和75.17%；植草河道长度为5 m时，总氮总磷平均削减率分别提升至55.4%与78.3%；植草河道长10 m时，削减率为57.3%与79.8%。随着植草河道的不断延长其工程措施的单位长度削减效率呈下降趋势。20 m的植草河道，其总氮总磷削减率分别为58.0%与81.2%；将植草河道长度延长100 m时，其对总氮总磷污染削减率与20 m相比，仅提升了1.6%与2.6%，说明当植草河道长度≥20 m时，植草河道长度对氮磷削减影响不明显。植草河道对于总磷的削减效率相对总氮更为有效[13]，因此在总磷污染严重的地区可以优先考虑此措施。植草河道的削减效率在不同的水文气象条件下相对稳定，并且植草河道不需要占用工程用地，可作为工程治理措施的优先选择。

表5 安徽省兆河流域管理措施方案设计

图7 安徽省兆河流域耕种管控措施的非点源总氮及总磷的污染控制效果

图8 安徽省兆河流域植草河道非点源总氮及总磷的污染削减率

植被过滤带是布设在农田周围的植被密集条带，其对污染物的削减机理包括对地表径流中沉积物的拦截、过滤带植物对污染物的吸收、土壤中有机成分对污染物质的吸附以及土壤微生物对营养物质的降解与转化等[24-25]。常见的植被过滤带布设面积与农田面积比多为1/30～1/60之间，但由于1/60的布设面积对本研究区氮磷污染物的削减率微乎其微，因此并没有在此处统计。从图9中可以发现，1/45的植被过滤带布设面积比与1/30的布设面积比对总氮的削减率分别为3.4%～14.2%与3.9%～14.5%，平均削减率为9.3%与9.8%，对总磷的削减率分别为0.9%～26.3%与1.1%～29.4%，平均削减率为7.8%与8.6%，布设面积的增大对削减效率并无明显提升。将过滤带面积与农田面积比提升至1/10与1/5时，其对总氮的平均削减率提升至11.1%与11.8%(最大削减率为20.6%)，对总磷的平均削减率提升至10.8%与11.9%(最大削减率为42.2%)，但由于植被过滤带需占用专门的工程用地，且后期维护费用较高，因此在实际布设过程中需结合经济成本综合考虑。

图9 安徽省兆河流域植被过滤带非点源总氮及总磷的污染削减率

3.4.3 综合管理方案设计 综合以上研究结果也考虑非点源污染削减率与施工成本，经过比选最终确定耕种管理措施(增加化肥施用埋深、削减50%化肥施用量)加工程措施(植草河道1 m、田间面积与植被过滤带面积占比45%)组成最佳管理措施。通过非点源污染模型，模拟研究将最佳管理措施在非点源污染关键区实施之后的效果，统计分析了实施之后主要关键区的非点源污染削减情况，结果见图10。

图10 安徽省兆河流域非点源污染物流失关键区综合管理措施效果评估

在关键污染源区实施最佳管理措施以后，总氮削减率最显著为环圩河子流域，比实施之前减少了48.63%～79.31%。由于环圩河流域主要为农业用地，而增加化肥埋深与减少化肥施用量可以有效减少来自农业生产的非点源污染，从而使得环圩河流域的总氮污染负荷得到的显著削减；其他关键污染源区总氮平均削减率也均达到了25%以上。最佳管理措施对总磷的控制也有显著有效，各非点源污染关键区的总磷平均削减率在66%以上，削减效率最高的为失曹河子流域，达到了68.9%～89.50%；削减效率较低的为县河子流域，总磷平均削减了59.52%～71.72%。这也说明了最佳管理措施对流域总氮和总磷的非点源污染控制的有效性。

经过比较最佳管理措施后的非点源污染关键区单位面积非点源污染物流失强度变化如图11所示。县河、裴河、盛桥河子流域非点源总氮流失强度由“重度”降为“较重”；环圩河子流域由“较重”流失强度降至“较轻”；失曹河子流域依然是“较重”强度，但其单位面积总氮负荷量由2 041 kg/km2降低至1 500 kg/km2。综合管理措施对总磷流失强度的削减效果影响较为明显，研究区在最佳管理措施实施之后已无“中度”流失强度以上的子流域。实施之后县河子流域总磷污染由“重度”流失降为“中度”流失；裴河、盛桥河子流域则由“重度”流失将至“较轻”；环圩河与失曹河子流域由“较重”流失分别变为“较轻”与“轻度”；可见最佳管理措施对总磷污染具有较好的控制效果，实施之后流域污染负荷能够满足清洁小流域建设要求。

图11 安徽省兆河流域最佳管理措施实施后流域非点源污染物流失强度

4 结 论

(1) 通过构建兆河流域非点源污染模型，模拟研究了该流域非点源污染分布现状，结果表明县河子流域是整个流域中对氮磷等非点源污染物贡献率最大的子流域，环圩河与黄泥河子流域的贡献也较大。

(2) 在不采取非点源污染控制措施的情况下，随着土地利用类型变化、人口增长等影响，该流域规划年氮磷等非点源污染负荷与现状年相比均有所增加，其中增加45.3%总磷增加8.0%左右。

(3) 通过单元负荷指数法分析该流域的非点源污染关键区，结果表明氮磷流失强度为“重度”的县河、失曹河、裴河、盛桥河及环圩河子流域的氮磷污染排放量占流域总量比例高，可视为流域非点源污染关键区。

(4) 通过合理设置工程措施和耕种管理方式，可以有效削减非点源污染关键源区氮磷的产出，使得整个流域的非点源污染得到有效控制。