巢湖典型农村流域面源氮磷污染模拟及来源解析

高田田，谢晖，万能胜，熊竹阳，胡正华，赖锡军

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，应用气象学院，南京 210044；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，中国科学院流域地理学重点实验室，南京 210008；3.安徽省巢湖管理局湖泊生态环境研究院，合肥 238000）

氮磷是湖泊生态系统所必需的生源要素，但由于人类活动加剧导致的过量氮磷入湖极易诱发水体富营养化和藻华暴发[1]。随着点源污染得到有效管控，面源污染开始成为氮磷入湖的重要驱动过程与来源，阐明入湖流域面源污染机理与调控机制是湖泊污染治理的关键瓶颈问题，而面源污染模拟则是解决这一瓶颈问题的重要环节。面源污染的随机性、分散性、广泛性等复杂特征加大了污染输出核算的难度，仅用监测手段难以完全反映污染输出在流域尺度上的时空异质性。现阶段常用的面源污染模型有流域水文模型和统计型模型。其中常用的流域水文模型包括SWAT 模型、HSPF 模型、AnnAGNPS 模型、HYPE 模型等[2]，模型从最初的流域水循环过程模拟，到逐渐耦合泥沙和营养盐等模块，可对流域子系统内污染物迁移转化的物理过程进行定量化描述，但此类模型通常包含较多概念性参数，需要翔实的实测数据对其进行参数率定以及验证，参数识别复杂[3]。统计型模型的代表是输出系数模型[4]，其方法成熟且应用简单，因此被国内外学者广泛应用。输出系数模型是基于不同来源污染物的输出强度对流域内输出总量的多年均化进行估算，考虑到降雨作为面源污染的直接驱动力以及地形对面源污染传输路径的重要影响，有研究在输出系数模型中引入了降雨和地形因子[5-8]，这为流域面源污染的时空差异模拟提供了更为客观的方法。

巢湖是长江中下游大型浅水湖泊，作为我国水污染防治的重点水体，其富营养化问题一直备受关注，已有研究表明面源污染是巢湖入湖氮磷污染的主要贡献源[9-10]。巢湖入湖流域多为农村流域，农村流域的面源污染来源广泛、成因复杂、核算难度大。2018—2020 年巢湖流域水雨情变化显著，2019 年是巢湖流域的极枯年，2020 年巢湖流域则经历了百年一遇的特大洪水，这为分析流域面源污染特征在典型水雨情条件下的差异提供了难得的现实场景。烔炀河作为直接入湖的重要河流之一，其流域自然地理和社会经济特征在巢湖农村流域中极具代表性。鉴于此，本文以烔炀河流域为研究区域，模拟近3 a 不同典型水雨情条件下面源污染氮磷输出，分析其时空变化特征，解析流域分区、分时的污染组成结构与来源，以期为削减入湖面源污染和保障巢湖水环境健康提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

烔炀河流域是巢湖北岸一支入湖农村小流域（图1a），流域总面积为89.3 km2。流域内的烔河（自西北向东南）和炀河（自西向东）两条主干河流在入湖口上游交汇为烔炀河后流入巢湖。根据巢湖小流域划分及编码技术规定，将烔炀河流域划分为24 个子流域（图1b）。流域总体地势为西北高、东南低，上游以丘陵岗地为主，中下游的镇区-2 号子流域为高密度人口聚集地，下游烔炀河干流-1 号子流域为平原圩区，其地形地貌在巢湖流域中具有代表性。流域内土地利用类型以林地和农田为主，种植的主要农作物有水稻、油菜和小麦等，建设用地主要位于烔炀镇镇区。烔炀河流域属北亚热带气候区，年均气温约16 ℃，多年平均降水量约1 030 mm，雨量充沛，汛期时降雨事件频发，流域面源污染问题突出[11]。根据前期调研，该流域面源氮磷污染输出主要来自于种植业化肥流失、农村生活污水和畜禽养殖等，具有巢湖农村流域面源污染的统一特征，因此在该流域研究面源氮磷的污染特征和组成结构，对治理农村流域面源氮磷污染和防治巢湖富营养化具有重要意义。

图1 烔炀河流域地理位置及子流域和水系Figure 1 Location，sub-catchments，and rivers in the Tongyang River catchment

1.2 数据来源和模拟方法

1.2.1 数据来源

（1）气象水文。烔炀河流域内建有烔炀雨量站，具有连续小时尺度的降雨量数据。笔者前期针对烔炀河流域已搭建了HSPF 水文模型，烔河干流处设有一处矩形薄壁堰，基于每日河流流量监测值已进行模型参数率定（模拟值和监测值的纳什系数为0.7）[11]，因此可获得流域内各河流的模拟流量数据，用于计算该流域入湖污染通量。

（2）下垫面。烔炀河流域数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据（图2a）和土地利用类型图（图2b）由当地管理部门提供，精度均为1∶10 000，其中土地利用类型划分为水田、旱田、林地、草地、城镇和水域。

图2 烔炀河流域数字高程模型和土地利用类型Figure 2 DEM and land use type of the Tongyang River catchment

（3）污染源。烔炀河流域内点源污染来自于烔炀镇污水处理厂，尾水直接排入烔河干流（3 号河流）尾端，通过每日的尾水水质和水量监测数据可计算流域内点源氮磷污染输出量。流域面源污染源主要考虑农村生活污水、畜禽养殖和土地利用。农村人口数量根据自然村位置以及常住人口调研获取，根据现场走访调研和烔炀镇污染源调查数据得知，研究区内共有13家畜禽养殖场，养殖种类为羊、肉鸡、蛋鸡和鹅。

（4）水质监测。烔炀河水质自动监测站根据《地表水自动监测技术规范（试行）》（HJ 915—2017）建设并运维，高频观测数据被生态环境部门用于考核烔炀河流域入湖断面水质达标情况。该自动监测站位于入湖河段中下游（117°38′10.26″E，31°39′40.20″N），距离入湖口约700 m，可对总氮、氨氮、总磷、化学需氧量、pH 值、水温等水质指标进行实时监测，监测频率为每4 h 一次。根据入湖河流的流量和总氮、总磷浓度即可计算烔炀河流域氮、磷污染物总量，由于4 h频次的氮、磷监测浓度和日均模拟流量数据存在尺度差异，因此对每日浓度数据取平均值，再结合日均流量数据进行入河污染负荷的计算。

1.2.2 面源氮磷污染输出模拟

（1）改进的输出系数模型。输出系数模型是用于模拟流域面源污染输出的常用方法，其基本原理是基于不同污染源的源强系数，结合土地利用面积和污染源单位数量等进行计算。传统的输出系数模型未能将降雨和地形的影响考虑在内，但这二者是决定流域面源污染输出的关键因素。本研究采用改进的输出系数模型，对烔炀河流域面源氮磷输出进行模拟，具体公式如下：

式中：Li为第i种污染物的输出量，kg；α为降雨因子；β为地形因子；Ei,j为第i种污染物第j个污染源的输出系数，kg·hm-2·a-1、kg·人-1·a-1或 kg·只-1·a-1；Aj为第j种污染源的土地利用面积、人口数量或畜禽养殖数量等。

（2）降雨因子取值。本研究采用降雨因子表征降雨年际差异对流域面源污染输出的影响。前期的相关研究表明面源污染氮磷负荷与降雨量存在一定正相关性[12]，则第i种污染物第t年的降雨因子（αi,t）可表示为：

式中：Li,t为第i种污染物第t年的面源污染负荷为第i种污染物的多年平均面源污染负荷，kg；rt为第t年的降雨量为多年平均降雨量，mm；fi表示第i种污染物面源污染负荷与降雨量之间的函数关系。本研究根据入湖口断面处氮磷监测浓度与流量计算流域氮磷污染负荷总量，再减去点源负荷即可计算烔炀河流域面源氮磷负荷，并采用2018—2020 年烔炀雨量站月降雨量与月负荷进行拟合，方程如下：

式中：LTN和LTP分别为总氮和总磷的月负荷，kg；r为月降雨量，mm。

（3）地形因子取值。本研究采用地形因子表征子流域坡度空间差异对流域面源污染输出的影响。前期研究表明，流域面源污染输出与坡度存在幂函数关系[12]，因此地形因子可根据下式进行计算：

式中：Lj为第j个子流域的面源污染输出量，kg；θj为第j个子流域的坡度，（°）为研究区平均坡度，（°）；c和d为常量。根据相关文献d取值为0.610 4[13]，基于烔炀河流域的DEM 数据计算出该流域平均坡度为3.34°，由此可根据各子流域坡度计算地形因子。

（4）输出系数取值。本研究涉及到的污染源包括生活污水、畜禽养殖以及土地利用下的地表径流，为保证输出系数的取值具有相对的准确性，本文选择巢湖流域以及长江中下游流域的文献作为相关系数的取值依据。畜禽养殖的氮磷污染输出系数由饲养周期、粪尿排泄系数、粪尿流失系数以及污染物平均质量比[14-16]综合计算获得，生活污水和各类土地利用的氮磷输出系数参考相关文献[17-23]取值。烔炀河流域污染源的具体输出系数汇总如表1所示。

表1 烔炀河流域污染源输出系数Table 1 Export coefficients of different pollution sources in the Tongyang River catchment

2 结果与讨论

2.1 面源氮磷输出时间变化

传统输出系数模型未能考虑降雨年际差异对流域面源污染输出的影响，估算结果仅为多年平均值。本研究针对烔炀河流域近年来雨情年际大幅变化这一特征，在输出系数模型中引入降雨因子对该流域2018—2020 年的面源污染氮磷输出进行重新模拟，结果如表2 所示。近3 a 的烔炀河流域面源污染总氮和总磷输出平均值分别为（261.33±173.87）t·a-1和（11.03±9.98）t·a-1，年际差异显著，这与降雨量的强变化幅度密切相关。巢湖流域2019 年为大旱年，烔炀河流域全年降雨量不足700 mm，远低于多年平均水平。而2020 年巢湖流域在梅雨季节暴雨事件频发且强度大，累积降雨量居近30 a 之首，形成大面积洪涝灾害[24]；烔炀河流域在此期间降雨量高达832.3 mm，全年降雨量为1 424.7 mm，约是2019年年降雨量的两倍。由于面源污染与降雨量的非线性关系[公式（3）和公式（4）]，2020 年面源污染总氮输出总量高达453.53 t·a-1，为 2019 年的 3.9 倍，2020 年面源总磷输出总量为 22.20 t·a-1，是 2019 年的 7.4 倍，降雨是造成氮磷输出显著差异的主要原因，国内其他相关研究也有类似报道。王宏等[25]对2012—2013 年间沱江农业小流域的氮磷排放特征展开研究，结果表明，2012 年7—9 月的高降雨量造成该年份氮磷流失量远高于2013 年。张林等[26]通过研究兰陵溪小流域在雨季的氮磷输出发现，丰水期降雨是土壤中氮磷污染输出的主要驱动力，期间由降雨径流携带流失的总氮和总磷负荷分别占雨季氮、磷流失量的88%和90%。降雨量对面源总磷输出的影响相对于总氮更为明显，磷相比于氮更容易吸附在颗粒物上，降雨-径流和土壤侵蚀过程增强了磷的排放与传输[27-29]，因此总磷输出对2020 年高降雨量的响应比总氮更敏感。王赵飞等[30]的研究表明，烔炀河流域中农田颗粒态磷的流失较高，而流域农田面积占总面积的50%以上，因此应密切关注强降雨期间的农田总磷流失。

表2 烔炀河流域面源氮磷污染源输出总量Table 2 Export of nitrogen and phosphorus pollution in the Tongyang River catchment

2018—2020 年流域面源污染入河量由流域入湖污染总量与点源尾水入河量相减获得，流域面源污染入河量与面源污染输出量之比即为入河系数[31]。2018—2020 年流域面源总氮和总磷的入河系数分别为0.08~0.15 和0.19~0.26，与国内外相关研究中的入河系数取值基本处于同一水平[32-34]，这也进一步验证了本研究采用的改进输出系数方法及系数取值在巢湖典型农村流域的适用性。

2.2 面源氮磷输出空间变化

本研究考虑了生活污水、畜禽养殖和土地利用为流域面源污染源，各污染源的氮磷输出在空间上的差异明显。如图3a 和图3b 所示，镇区-2 号子流域和炀河源头-24 号子流域具有生活污水总氮和总磷的高污染输出。镇区-2号子流域内统计常住人口为4 500余人，居子流域之首，炀河源头-24 号子流域位居其次。但由于炀河源头-24 号子流域地处上游，坡度较高（坡度因子为1.21），镇区-2 号子流域处于流域中下游，地势平缓（坡度因子为0.67），地形因子的引入使得炀河源头-24 号子流域的生活污水总氮和总磷年均输出最高，分别达到677.87 kg·a-1和113.73 kg·a-1。烔河左支-6 号子流域内虽自然村常住人口仅400 余人，但该片区内包含烔炀中学和烔炀敬老院两处高密度人口聚集点，据统计烔炀中学现有师生1 500余人，敬老院常住人口110 余人，这使得烔河左支-6号子流域的生活污水氮磷输出仅次于镇区-2 号子流域和炀河源头-24号子流域。

烔炀河流域内畜禽养殖带来的面源总氮和总磷年均输出为 7.73 t·a-1和 1.87 t·a-1，其中超过 64.31%的总氮和超过55.25%的总磷输出来自于烔河源头-11 号子流域（图3c 和图3d）。烔炀河流域现有13 家畜禽养殖场，总体数量上以家禽为主，烔河源头-11号子流域内有一家拥有600 头羊的养殖厂。由于羊的粪尿排泄系数远高于家禽，使得该分区内的畜禽养殖氮磷污染非常突出。在炀河左干-17 号子流域中有3 家畜禽养殖场，其氮磷污染输出仅次于烔河源头-11号子流域。

烔炀河子流域在2018—2020 年的土地利用氮磷污染输出受到地形因子、土地利用面积及其输出系数的综合影响。如图3e和图3f所示，炀河源头-24号子流域的土地利用氮磷污染输出年均值最高（总氮32.08 t·a-1、总磷 1.17 t·a-1）。该分区总面积为 10.83 km2，为所有子流域之首，且其中农田面积高达4.91 km2，农田的氮磷输出系数受化肥施用影响而相对较高。此外，该分区地处上游低山丘陵区，地形因子也高达1.21。综合以上因素，炀河源头-24 号子流域的土地利用氮磷污染输出最高。此外，烔河源头-11 号子流域和烔河左支-10 号子流域由于同样原因也造成氮磷污染输出较高。地形坡度对氮磷污染输出的影响可通过烔河左支-6 号子流域的模拟结果体现，该分区面积第二，农田面积最大，但由于子流域平均坡度小，地形因子仅为0.78，使得土地利用氮磷污染输出低于10号和11号子流域。

图3 烔炀河子流域不同污染源的氮磷输出空间分布Figure 3 Spatial distribution of the nitrogen and phosphorus export from different sources in the Tongyang River catchment

综合生活污水、畜禽养殖和土地利用的模拟结果（图4），面源总氮污染年均输出最大的子流域为炀河源头-24 号子流域[（32.76±21.80）t·a-1]，总磷污染年均输出最大的子流域为烔河源头-11 号子流域[（1.81±1.64）t·a-1]，二者分别是炀河和烔河的源头子流域。以单位面积污染强度来看，炀河源头-24 号子流域的输出强度略有下降，而烔河源头-11 号子流域具有最高的总氮年均污染强度（4.48 t·km-2·a-1）和总磷年均污染强度（0.29 t·km-2·a-1）。对总氮而言，炀河左支-20号子流域和炀河左支-22号子流域虽面积较小，但污染强度仅次于烔河源头-11 号子流域，主要是由于其包含农田、水域以及羊粪尿等高输出系数的污染来源。对总磷而言，炀河左干-17 号子流域的排放强度高达0.22 t·km-2·a-1，仅次于烔河源头-11号子流域。

图4 烔炀河子流域面源氮磷污染输出量与强度的空间分布Figure 4 Spatial distribution of nitrogen and phosphorus export and export intensity in the Tongyang River catchment

2.3 面源氮磷输出来源分析

2018—2020 年烔炀河流域面源总氮和总磷的年均输出量分别为 261.33 t·a-1和 11.03 t·a-1，其组成结构（图5）中农田占据了绝大部分比例，特别是总氮，农田的输出量占比高达81%。烔炀河流域现阶段土地开发强度较低，农田依然超过总面积50%，且存在尿素、复合肥等化肥的过量施用以及利用率低等问题。据当地农户问卷调查统计，烔炀河流域的化肥折纯量施用强度为307 kg·hm-2，高于发达国家为防止化肥施用造成环境危害设定的上限值（225 kg·hm-2）[35]。这种过量施肥的现象在巢湖农村流域普遍存在。前人研究表明，巢湖流域的种植业施肥强度居全国前列，是长江中下游化肥流失的重污染区域[36]。在这样的背景之下，合肥市政府明确了“巢湖流域一级保护区水稻生产化肥2021 年底实现零增长、2022 年底实现零使用”的目标任务。这一举措势必将从源头上控制营养盐向土壤中的直接输入，从而减少面源氮磷污染输出。水域是烔炀河流域氮磷输出贡献的第二来源，坑塘为该流域水域的主要组成部分。坑塘是环巢湖地带的特色水适应性景观单元，在烔炀河流域中分布广而密[37]，据统计坑塘约占该流域总面积的9%，且其中大部分被开发利用为养殖池塘。在现阶段高投入、高产出的养殖模式下，饵料和饲料通常被过量投放，从而极易造成氮磷的流失。在长江流域重点水域十年禁渔的政策背景下，以内陆养殖为导向的坑塘开发利用模式所带来的氮磷污染新形势需要被重点关注。畜禽养殖对面源总磷输出的贡献达到了17%，是仅次于农田的第二大污染源。据调研，烔炀河流域现存养殖场虽规模较小，但粪污仍以直接还田这种“自循环”处理方式为主，应加强好氧堆肥和厌氧治沼等资源化和无害化处理，从而减少畜禽养殖氮磷污染输出。

图5 烔炀河流域面源污染氮磷输出组成结构Figure 5 Composition of nonpoint source nitrogen and phosphorus export in the Tongyang River catchment

子流域中污染源的组成结构（图6）呈现空间异质性。从面源总氮污染输出来看，超过90%的子流域中土地利用的贡献高于75%。畜禽养殖的总氮污染贡献比例在烔河源头-11 号子流域和炀河左干-17号子流域中较为突出，分别达到了17.84% 和13.96%。生活污水总氮污染输出贡献仅在镇区-2 号子流域中高于8%。各子流域中面源总磷污染输出的组成比例与总氮具有一定差异，总磷污染强度最高的烔河源头-11 号子流域中畜禽养殖的贡献达到了56.96%，在炀河左干-17 号子流域中的贡献超过了50%，在炀河左支-16 号子流域也达到了40.13%。生活污水总磷污染贡献同样表现为镇区-2 号子流域最大，高达28.14%，因此应切实推进该区域人口聚集区的污水管网改造，加强生活污水的收集纳管，整治雨污混接、错接问题。

图6 烔炀河子流域面源氮磷污染输出组成结构Figure 6 Composition of nonpoint source nitrogen and phosphorus export in each sub-catchment of the Tongyang River catchment

3 结论

（1）采用改进的输出系数模型模拟了烔炀河流域2018—2020 年面源污染氮磷输出，降雨因子和地形因子的引入细化了模拟结果，结果表明近3 a 烔炀河流域面源总氮和总磷污染输出年均值分别为（261.33±173.87）t·a-1和（11.03±9.98）t·a-1，2019 年和2020 年水雨情条件的大幅变化造成污染输出的年际差异显著。农田是研究区面源污染的首要来源，其对总氮和总磷的污染输出贡献分别高达81%和52%。

（2）子流域层面下面源氮磷污染输出总量、强度和组成结构呈现空间异质性。源头子流域的面源氮磷污染输出总量居首，其中烔河源头子流域具有最高的畜禽养殖氮磷污染输出，炀河源头子流域具有最高的生活污水及土地利用氮磷污染输出。

（3）烔炀河流域土地利用中农田占比高，农田化肥过量施用以及利用率低的问题，是巢湖其他农村流域普遍存在的现象。切实推广“化肥使用零增长、零使用”等政策将从源头上减少污染输出。农业面源污染防治更应把握重点分区，基于污染来源因地制宜地配置管控措施，针对烔河源头-11 号和炀河左干-17号子流域应加强畜禽粪污的无害化和资源化处理，针对镇区和烔炀中学等人口密集区应加强生活污水收集治理。