劉 潔，陳曉宏，許振成，虢清偉，吳根義3，，王兆禮

(1.環(huán)境保護部 華南環(huán)境科學研究所，廣州510655;2.中山大學 水資源與環(huán)境研究中心，廣州510275;3.湖南農(nóng)業(yè)大學環(huán)境科學與工程系，長沙410128;4.華南理工大學 土木與交通學院，廣州510641)

0 引言

隨著點源治理技術和管理手段的發(fā)展，非點源污染已成為重要的水環(huán)境污染類型之一。中國的非點源污染問題也日益凸現(xiàn)，在三峽庫區(qū)以及太湖和滇池等重要湖泊，非點源污染已成為水質(zhì)惡化的主要原因之一［1-2］。2000年以來國內(nèi)對非點源污染的研究越來越受到重視，研究成果用于特定區(qū)域非點源污染的管理和控制取得了一定的效果。對于小尺度流域非點源污染的遷移轉(zhuǎn)化機理以及負荷計算等方面的研究成果頗豐［3-7］，但是在大中尺度流域非點源負荷模擬計算方法等方面的研究還需要進一步的開展，在研究氣候變化與土地利用格局對于大中尺度流域水環(huán)境的影響等方面還需要進一步的深入。通過流域水文模型對整個流域系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的復雜污染過程進行定量描述，可幫助分析非點源污染產(chǎn)生的時間和空間特征，并進一步評估氣候變化、土地利用的變化、不同的管理與技術措施等對非點源污染負荷和水質(zhì)的影響，為流域管理和規(guī)劃提供決策依據(jù)。

非點源污染的主要研究方法可以歸納為基于野外采樣布點的典型地塊研究［3-5］、數(shù)理統(tǒng)計分析［6-9］、水文模型模擬［10-13］。2010年后應用國外成熟的分布式水文模型研究不同土地利用類型結構、土地利用變化對水文水質(zhì)的影響成為研究熱點。從研究尺度來看，國內(nèi)的研究主要是典型小流域的水文和產(chǎn)污過程研究、不同小流域的土地利用類型對產(chǎn)流產(chǎn)污過程影響的對比研究，研究尺度較小。2010年后針對大中型流域的相關研究成果開始更多地見諸于報道［12-13］。SWAT和L-THIA等分布式水文模型被應用在我國三峽庫區(qū)流域［12］、四湖流域［13］等流域的研究中，分布式水文模型可模擬研究氣候和土地利用的長期變化對流域水文水質(zhì)時空變異的影響，適用于空間差異較大的流域的研究。

總體上看，國內(nèi)對于大中尺度流域的非點源污染模擬與研究還較少，本研究應用流域分布式水文模型HSPF(hydrological simulation program-fortran)，以位于中國南方濕潤地區(qū)的東江流域為例進行中尺度流域的非點源污染的模擬研究，建立中尺度流域——東江流域的非點源污染模型，在此基礎上分析該流域非點源污染的時空分布，為流域非點源污染管理措施的制定與實施提供技術支持。研究過程和方法可為適用于中尺度流域研究的非點源污染模擬模型的建立以及揭示自然條件、人類活動變化與非點源污染的統(tǒng)計關系提供參考。

1 研究區(qū)域概況

東江是珠江流域的主要河流之一，是廣州、惠州、東莞、深圳等地市的重要供水水源地，同時還擔負著對香港特別行政區(qū)的供水任務。東江發(fā)源于江西省尋烏縣椏髻缽，上游稱尋烏水，南流入廣東境內(nèi)，至龍川合河壩安遠水后稱東江，干流由東北向西南流，河道長度至石龍為520 km，至獅子洋為562 km，石龍以上流域總面積27 040 km2。

2 HSPF模型簡介與基礎數(shù)據(jù)預處理

2.1 HSPF 模型簡介

HSPF模型是由美國環(huán)境保護署開發(fā)的水文模型，用于較大流域范圍內(nèi)自然和人工條件下的水系中水文水質(zhì)過程的連續(xù)模擬［14］。HSPF屬于半分布式水文模型，使用時先要依據(jù)河流水庫所控制的自然流域范圍將流域劃分為不同的子流域。HSPF水文響應單元(HRU)的建立是基于將流域劃分為均質(zhì)的水文和水質(zhì)響應單元，土壤層在每個HRU上被垂直劃分為3層(上儲水層、下儲水層和地下水儲水層)，每層徑流量由每個區(qū)域蓄水量的非線性函數(shù)求得。HSPF模型是較成熟的水文模型，在國外有廣泛的應用，但在國內(nèi)應用還較少。至今已發(fā)展到HSPF12.0，并內(nèi)嵌于美國環(huán)保署開發(fā)的基于GIS技術的整合式平臺BASINS系統(tǒng)中。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

2.2.1 氣象數(shù)據(jù)的預處理。降雨的空間分辨率的變化對徑流模擬結果有重要的影響［14-17］。為了降低氣象數(shù)據(jù)的空間分辨率對東江流域水文模型建模的影響，研究中采用了中國氣象數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)，作為氣象觀測站點數(shù)據(jù)的補充，數(shù)據(jù)經(jīng)交叉驗證、誤差分析，質(zhì)量狀況良好。利用BASIN4.0系統(tǒng)中WDMUtil工具編輯生成模型運行必需的東江流域氣象數(shù)據(jù)的時間序列文件(WDM文件)。

2.2.2 下墊面數(shù)據(jù)的預處理。對土地利用/覆被數(shù)據(jù)進行加工處理，將東江流域土地利用類型統(tǒng)一為7種類型:耕地、園地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地。為了充分考慮流域的空間異質(zhì)性，除考慮土地利用的差異性還需考慮土壤類型的差異性和坡度等下墊面因素。因此，將1980，2000年東江流域的土地利用數(shù)據(jù)與土壤分布、坡度數(shù)據(jù)分別進行疊置得到新的下墊面類型數(shù)據(jù)。每種不同的下墊面類型對應不同的相關水文參數(shù)。

2.2.3 子流域和水文響應單元的劃分。HSPF的空間異質(zhì)性主要考慮每個離散單元的降雨、土壤類型、土地利用類型等。土壤類型、土地利用類型、坡度的空間異質(zhì)性通過疊加下墊面類型數(shù)據(jù)體現(xiàn)，氣象數(shù)據(jù)的空間異質(zhì)性則通過流域再分割來實現(xiàn)。在子流域劃分的基礎上，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)的空間分布，進行水文響應單元的分割處理。東江流域水文響應單元的氣象站點分配根據(jù)泰森多邊形方法進行分割。

3 非點源污染模擬的HSPF模型建立

3.1 模型模擬效果評估的基本方法

采用標準偏差法(Dv)［18］與NASH-Sutcliff相關系數(shù)法(ENS)［19］評估模型的模擬效果。理想情況下，模型中的ENS接近于1，Dv接近于0。根據(jù)已有的標準［20-21］，認為Dv在觀測值的10%范圍內(nèi)的模擬已經(jīng)達到了“非常好”的標準。NASH系數(shù)取值在0～1之間，并認為0.9以上為甲等，0.7 ～ 0.9 為乙等，0.5 ～ 0.7 為丙等［22］。

3.2 模型率定的過程與結果

3.2.1 徑流過程的模擬。使用1980—2005年東江流域博羅水文站月平均天然徑流量資料進行徑流的率定與校驗，1980—1983年數(shù)據(jù)用于模型預熱。1980—1992年的徑流模擬過程采用同期的氣象數(shù)據(jù)、1980年代下墊面數(shù)據(jù)作為模型的輸入數(shù)據(jù);1993—2005年的徑流模擬過程采用同期的氣象數(shù)據(jù)、2000年代下墊面數(shù)據(jù)作為模型的輸入數(shù)據(jù)。月徑流過程在模型校正期和驗證期都取得了較好的模擬效果(圖1、圖2)。在徑流校正和驗證中年均徑流Dv分別為0.53%和5.00%，Dv小于10%;ENS 分別為0.926 和0.894，大于 0.7。

圖1 1984—1992年徑流模擬校準結果Fig.1 Calibration results of flow simulation during 1984—1992

圖2 1993—2005年徑流模擬驗證結果Fig.2 Verification results of flow simulation during 1993—2005

3.2.2 泥沙過程的模擬。泥沙過程的模擬是進行非點源模擬的一個重要環(huán)節(jié)，泥沙模擬在校準好后的水量模擬的基礎上進行。模擬結果見圖3、圖4。泥沙模擬結果誤差在可以接受的范圍內(nèi)，率定期和驗證期的Dv分別為12.87%和5.95%，ENS 分別為 0.616 和 0.664。泥沙模擬結果比水文過程模擬結果誤差大主要由2個原因造成:①用于水文過程率定的徑流量是對實測徑流進行還原后的徑流量，但實測輸沙量是在實測徑流情況下的輸沙量，東江的徑流與河道泥沙輸沙過程受到水利工程的影響，這是誤差較大的原因之一;② 精確的泥沙輸移校準需要懸移質(zhì)泥沙成分及顆粒大小等比較詳細的泥沙觀測斷面的資料，本研究是對東江流域長期的水文和產(chǎn)匯污過程進行模擬，用于模型建立和校準的實測值為月均觀測值，所采用的參數(shù)多為經(jīng)驗參數(shù)，因此，未能對模型進行更加精準和更小時間尺度的校準，但模擬結果仍然可以代表泥沙的月變化過程，可以用于對于東江流域水文和泥沙輸送的長期變化過程的研究。

圖3 1984—1992年泥沙模擬校準結果Fig.3 Calibration results of sediment simulation during 1984—1992

3.2.3 污染物的模擬。河流水環(huán)境中的污染物來源包括點源與非點源，東江流域面積較大，尤其是中下游區(qū)域工業(yè)與城鎮(zhèn)生活污水集中排放等點源污染分布較密集，獲取與整理統(tǒng)計各子流域多年點源污染的排放量與入河量的數(shù)據(jù)不僅工作量很大而且較準確的數(shù)據(jù)的獲取也非常困難，如果獲得的數(shù)據(jù)不準確反而會對模型的建立過程產(chǎn)生負面的影響。因此，本研究在參考其他相關研究［23-26］的基礎上，采用了數(shù)字濾波法對東江流域的實測污染負荷系列數(shù)據(jù)進行分割，得到非點源負荷數(shù)據(jù)，作為HSPF模型模擬結果的比對，該方法與實測數(shù)據(jù)的非點源污染負荷分割結果已經(jīng)應用在東江流域的徑流與非點源污染研究［25-26］中，采用該方法能夠減小中尺度流域水文模型建模中由點源污染物排放量及入河量誤差引起的模擬誤差。

模擬結果(圖5、圖6)顯示，年均氨氮、總磷負荷模擬結果的 Dv分別為 9.43%和13.76%，ENS分別為0.653和0.783。對于東江流域這樣一個中尺度的流域，利用構建的HSPF模型模擬得到的氨氮與總磷模擬結果誤差在可以接受的范圍內(nèi)，模擬誤差主要來自徑流、泥沙過程模擬的誤差累積以及實測數(shù)據(jù)本身的誤差。

圖5 2001—2005年東江流域氨氮非點源污染負荷模擬結果Fig.5 Results of NH3-N load simulation in the Dongjiang River during 2001—2005

圖6 2001—2005年東江流域總磷非點源污染負荷模擬結果Fig.6 Results of TP load simulation in the Dongjiang River during 2001—2005

4 非點源污染的時空分布特征

4.1 時間分布

1999—2005年，氨氮、總磷非點源負荷差異較明顯，呈現(xiàn)先升后降再升的變化趨勢。2000與2005年(豐水年)氨氮、總磷非點源負荷是2004年(枯水年)負荷的3倍以上，豐水年是東江流域非點源污染物流失的關鍵年份。

非點源污染的發(fā)生和輸送與年內(nèi)降雨的分布及徑流量有直接的關系。降雨量增加，徑流產(chǎn)生量多，則相應地水土流失程度加大，氮、磷流失量增加。圖7、圖8分別表示1999—2005年平均月降雨量、氨氮和總磷非點源負荷的年內(nèi)分布。東江流域徑流年內(nèi)變化與降雨基本一致，1—3月變化平緩，4月大幅增大，峰值出現(xiàn)在6月份，4—9月徑流合計152億 m3，占年總徑流量的75.06%。氨氮和總磷的峰值變化明顯，并與降雨年內(nèi)分布基本一致，說明東江流域非點源污染的形成分布受降雨尤其是暴雨的影響較大;氨氮非點源負荷峰值出現(xiàn)在4—6月，4—6月的氨氮非點源負荷總和占年總負荷量的57.8%;總磷非點源負荷峰值出現(xiàn)在4—9月，4—9月的氨氮非點源負荷總和占年總負荷量的91.63%。

圖7 1999—2005年氨氮月負荷模擬結果Fig.7 Average monthly NH3-N load of years(1999—2005)simulated by HSPF

圖8 1999—2005年總磷月負荷模擬結果Fig.8 Average monthly TP load of years(1999—2005)simulated by HSPF

東江流域非點源污染主要發(fā)生在降雨徑流期間，汛期的污染負荷占有較大比例，因此，對5—8月的徑流量、氨氮、總磷非點源污染負荷再進行統(tǒng)計［27］，1999—2005年氨氮、總磷5—8月的非點源負荷占全年總量比例大部分均在50%以上;豐水年5—8月汛期非點源負荷比例高于枯水年;降雨尤其是暴雨對非點源污染的產(chǎn)污匯污影響很大，汛期是東江流域土壤侵蝕和氮、磷非點源污染防治的關鍵時期(圖9)。

4.2 空間分布

非點源污染負荷的產(chǎn)生輸出受流域內(nèi)降雨分布、土地利用方式等因素的綜合作用。以2001年(豐水年)為例，東江流域降雨量的空間分布總體上隨地形的變化由北向南遞增，在新豐江水庫區(qū)域以及東江下游博羅附近年降雨量最大，2001年氨氮、總磷的負荷分布總體上也呈由北向南遞增的態(tài)勢(圖10)，同時，非點源污染的產(chǎn)生與分布不完全取決于降雨分布，還與土地利用、植被覆蓋、地形分布等因素有關，非點源單位面積負荷值在東江流域西北部較小，在東江中下游分布較大，對比土地利用類型圖，在東江中下游源城區(qū)、博羅縣、惠城區(qū)、惠陽區(qū)、龍崗區(qū)中農(nóng)業(yè)用地與建設用地集中的地塊氨氮、總磷負荷密度最大。東江流域非點源污染的關鍵區(qū)域主要位于流域中下游源城區(qū)、博羅縣、惠城區(qū)耕地與建設用地集中的區(qū)域。

圖10 非點源污染負荷的空間分布Fig.10 Spatial distribution of non-pointed NH3-N and TP load

5 降雨量與非點源污染的統(tǒng)計分析

東江流域非點源污染的時間分布受流域內(nèi)降雨的影響較大，為進一步分析東江流域降雨與非點源污染的時間分布特征的關系，對東江流域2001—2010年氨氮、總磷非點源污染物月負荷模擬值(采用2000年下墊面數(shù)據(jù)、2001—2010年日降雨數(shù)據(jù)進行模擬)與月降雨量進行回歸分析。

運用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行回歸分析。通過對回歸分析曲線的綜合比選，復合曲線可以較好地擬合2001—2010年氨氮與總磷月負荷數(shù)據(jù)序列與月降雨量數(shù)據(jù)序列，擬合的復合曲線回歸方程為。

式中:Y表示氨氮月負荷(t);Z表示總磷月負荷(t);X表示月降雨量(mm)。

氨氮負荷與降雨量擬合優(yōu)度R2等于0.831，回歸方程和回歸系數(shù)通過顯著性檢驗，回歸方程顯著性檢驗F值等于582.085，概率P值小于0.01;總磷負荷與降雨量擬合優(yōu)度R2等于0.719，回歸方程和回歸系數(shù)都通過顯著性檢驗，回歸方程顯著性檢驗F值等于302.552，概率P值小于 0.01。

6 土地利用與非點源污染統(tǒng)計分析

將東江流域土地利用類型劃分為林地、耕地、園地、建設用地、草地、水域與未利用地7種類型，以子流域為研究單元，統(tǒng)計各單元中各土地利用類型的面積比例與各單元非點源污染濃度的相關關系。結果表明各子流域單元氨氮非點源污染濃度與耕地、園地、林地、建設用地面積比例存在顯著的線性相關關系(概率P值小于0.01);其中，耕地、園地、建設用地與非點源污染氨氮濃度呈正相關(相關系數(shù)分別是 0.608，0.710，0.718)，林地面積與氨氮濃度呈負相關(相關系數(shù)為-0.719)。

各子流域總磷非點源污染濃度也與耕地、園地、林地、建設用地面積比例存在顯著的線性相關關系(概率P值小于0.01);其中，耕地、園地、建設用地與非點源污染總磷濃度呈正相關(相關系數(shù)分別是0.481，0.659，0.714)，林地面積與總磷濃度呈負相關(相關系數(shù)為-0.649)。

非點源污染受到各類土地利用類型所占的面積比例的影響，土地利用結構組成和空間分布特征不同，土地利用與水質(zhì)的關系亦不同［28］。進一步以匯水分區(qū)為研究單元，采用相關分析、逐步回歸與聚類分析等方法，分析東江流域土地利用空間格局與非點源污染的關系。結果表明:(1)污染物的空間分布與用地類型關系復雜，污染物濃度的分布不僅與各類土地利用類型面積比例有關，還與各類用地類型在空間上的分布有關。(2)在將各匯水分區(qū)根據(jù)土地利用空間格局進行聚類分析后，再采用相關分析、逐步回歸方法對土地利用類型分布與非點源污染的關系進行統(tǒng)計分析，結果會受到樣本數(shù)量的較大影響。(3)總體上，在上中游林地面積較大的匯水單元，林地與污染物濃度的相關系數(shù)最大，林地對于緩解由其他用地類型產(chǎn)生的污染起了積極的作用;建設用地對于氨氮、總磷水質(zhì)濃度的貢獻隨用地面積比例的增大有逐漸增長的趨勢;耕地面積比例與污染物濃度的相關關系在不同類型的匯水單元中表現(xiàn)出有較大差異，這與其他相關研究成果的統(tǒng)計結果一致［28-29］。

7 結論

(1)應用HSPF水文模型建立了東江流域徑流與非點源污染模擬模型。多年徑流過程模擬的模型率定期與驗證期Dv分別為0.53%和5.00%，ENS分別為0.926和0.894，泥沙過程模擬的率定期和驗證期Dv分別為12.87%和 5.95%，ENS 分別為 0.616 和0.664;氨氮、總磷負荷模擬的Dv分別為9.43%和13.76%，ENS分別為0.653和0.783。徑流、泥沙與污染物模擬過程與實測過程的總體趨勢基本一致，所建立的基于HSPF的模型可以滿足東江流域徑流與非點源污染長期變化過程與時空分布特征研究的需要。

(2)模擬結果表明東江流域不同降雨水平年的氨氮、總磷非點源污染負荷差異明顯，豐水年是東江流域非點源污染物流失的關鍵年份。東江流域徑流年內(nèi)變化與降雨基本一致;非點源污染的發(fā)生與輸送和年內(nèi)降雨的分布及徑流量有直接的關系，東江流域非點源污染負荷的年內(nèi)分布特征受流域內(nèi)降雨的年內(nèi)分布影響顯著，汛期氨氮、總磷的非點源污染負荷占全年負荷總量比例基本在50%以上;豐水年汛期非點源污染負荷比重高于枯水年。降雨尤其是暴雨對東江流域非點源污染的產(chǎn)污匯污影響很大，汛期是東江流域土壤侵蝕和氮、磷非點源污染防治的關鍵時期。

(3)非點源單位面積負荷值在東江流域西北部較小，在東江中下游分布較大，對比土地利用類型圖，在東江中下游源城區(qū)、博羅縣、惠城區(qū)、惠陽區(qū)、龍崗區(qū)中農(nóng)業(yè)用地與建設用地集中的地塊氨氮、總磷負荷密度最大。東江流域非點源污染的關鍵區(qū)域主要位于流域中下游源城區(qū)、博羅縣、惠城區(qū)耕地與建設用地集中的區(qū)域。

(4)東江流域非點源污染的時間分布受流域內(nèi)降雨的影響較大。為進一步分析東江流域降雨與非點源污染的時間分布特征的關系，對東江流域2001—2010年氨氮、總磷污染物月負荷模擬值與月降雨量進行了回歸分析。經(jīng)過綜合比選，結果表明:復合回歸曲線可較好地擬合污染物月負荷的變化，氨氮、總磷擬合優(yōu)度R2分別為0.831和0.719，回歸方程和回歸系數(shù)顯著性檢驗均通過檢驗，概率P值小于0.01。

(5)以子流域為研究單元，對各單元中各類型土地利用的面積比例與非點源污染濃度的相關關系進行了統(tǒng)計分析。結果表明各子流域氨氮、總磷濃度與耕地、園地、林地、建設用地面積比例存在顯著的線性相關關系，其中，耕地、園地、建設用地與非點源污染濃度呈正相關，林地面積與非點源污染濃度呈負相關。

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