黃國如,陳曉麗,任秀文
(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640; 2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,廣東 廣州 510640; 3.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510640;4.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州 510530)
近年來,隨著點(diǎn)源污染逐步得到控制,非點(diǎn)源污染已成為各大流域主要污染源并引起專家學(xué)者的高度重視[1-2]。降雨徑流是造成非點(diǎn)源污染最主要的自然原因。伴隨著降雨淋融和徑流沖刷,由土壤侵蝕產(chǎn)生的土壤流失事件時有發(fā)生,N、P等營養(yǎng)鹽和溶解有機(jī)質(zhì)等不斷進(jìn)入水體,導(dǎo)致各大流域非點(diǎn)源污染形勢變得十分嚴(yán)峻。與點(diǎn)源污染相比,非點(diǎn)源污染具有隨機(jī)、滯后、模糊及隱蔽等特性,使得非點(diǎn)源污染的估算與模擬研究難度極大[3]。目前,非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算方法主要分為兩種:經(jīng)驗?zāi)P凸浪愫蜋C(jī)理模型模擬。經(jīng)驗?zāi)P鸵暂敵鱿禂?shù)模型最為常用,是一個直接建立土地利用、土地覆蓋與受納水體非點(diǎn)源污染負(fù)荷量之間關(guān)系的模型[4-5],能夠避開繁雜的非點(diǎn)源污染遷移轉(zhuǎn)化物理過程,對實(shí)測污染物數(shù)據(jù)要求較低,因此得到了廣泛應(yīng)用。張辰等[6-8]采用輸出系數(shù)模型分別在云南省洱海流域、長春市新立城水庫流域、四川省射洪縣等區(qū)域進(jìn)行了非點(diǎn)源污染負(fù)荷量估算,并深入評估了各研究區(qū)非點(diǎn)源污染情況。另外,蔡明等[9]提出了考慮降雨因素影響和污染物在遷移過程中損失的改進(jìn)的輸出系數(shù)模型,并在渭河流域進(jìn)行了非點(diǎn)源污染估算,結(jié)果表明,改進(jìn)后的輸出系數(shù)模型機(jī)理更明確、模擬更準(zhǔn)確,因此得到了廣泛應(yīng)用[10]。自20世紀(jì)80年代以來,非點(diǎn)源污染模擬模型已廣受重視,表現(xiàn)較為出色的非點(diǎn)源污染模型主要有美國國家環(huán)保局的HSPF模型和SWMM模型、美國農(nóng)業(yè)部的AGNPS模型和SWAT模型等,其中SWAT模型是一個具有很強(qiáng)物理機(jī)制、可進(jìn)行連續(xù)長時段模擬的分布式流域尺度水文模型[11-12]。國內(nèi)外學(xué)者利用SWAT模型在非點(diǎn)源污染方面做了廣泛且深入的研究,使得SWAT模型在全世界范圍內(nèi)得以推廣應(yīng)用。張曉晗等[13]采用SWAT模型在黑河水庫上游流域進(jìn)行非點(diǎn)源污染模擬與分析,結(jié)果表明,該流域非點(diǎn)源污染主要發(fā)生在汛期6—10月;劉吉開等[14]利用SWAT模型探討氣候條件變化對渭河流域陜西段非點(diǎn)源污染負(fù)荷影響,發(fā)現(xiàn)未來氣溫升高、降雨增多,河道徑流量增加,TN、TP負(fù)荷增多,非點(diǎn)源污染問題越來越突出;賴格英等[15]通過修正的SWAT模型對巖溶地區(qū)江西省橫港河流域的非點(diǎn)源污染進(jìn)行模擬研究,定量評估落水洞、伏流、暗河等巖溶特征對氮、磷等主要非點(diǎn)源污染物質(zhì)輸移的影響及其帶來的時空效應(yīng)。
為深入研究飛來峽庫區(qū)的非點(diǎn)源污染情況,筆者選取典型小流域進(jìn)行場次降雨徑流水量水質(zhì)同步監(jiān)測實(shí)驗,對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行規(guī)律及特征分析,建立小流域SWAT非點(diǎn)源污染模型,以模擬研究小流域非點(diǎn)源污染情況,并率定、驗證徑流及水質(zhì)參數(shù),旨在為相關(guān)部門開展社崗流域非點(diǎn)源污染防治及水資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),也為飛來峽庫區(qū)流域非點(diǎn)源污染模擬提供參數(shù)借鑒。
飛來峽庫區(qū)地處我國南方濕潤地區(qū),年均降雨量1 853 mm,雨量充沛,屬亞熱帶季風(fēng)氣候。其控制面積為2 450 km2,橫跨廣東省清遠(yuǎn)市英德市以及清城區(qū)兩個縣級區(qū),含飛來峽鎮(zhèn)、黎溪鎮(zhèn)、連江口鎮(zhèn)、大站鎮(zhèn)、英紅區(qū)、英城鎮(zhèn)、望埠鎮(zhèn)、石灰鋪鎮(zhèn)、西牛鎮(zhèn)以及水邊鎮(zhèn)在內(nèi)的10個鎮(zhèn)級行政區(qū)劃,流域內(nèi)人口約為29.5萬人。據(jù)廣東省水利科學(xué)研究院編制的《廣東省飛來峽水利樞紐庫區(qū)污染源普查報告》,飛來峽庫區(qū)流域內(nèi)的污染物70%以上由非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn),且?guī)靺^(qū)內(nèi)生活用水逐年增加,生活用水的散排、農(nóng)業(yè)化肥的不當(dāng)施用,導(dǎo)致非點(diǎn)源污染占比呈逐年增大的態(tài)勢。為研究飛來峽庫區(qū)流域的非點(diǎn)源污染情況,選擇典型小流域社崗排洪渠流域(簡稱社崗流域)為研究對象。社崗流域位于飛來峽水利樞紐壩前左岸,流域面積為37.61 km2(圖1),控制范圍內(nèi)有社崗、橫石、升平等村,人口密度為400人/km2,社崗排洪渠片區(qū)水質(zhì)狀況不容樂觀。
圖1 飛來峽社崗排洪渠流域DEM
在社崗流域出口斷面處設(shè)置流量監(jiān)測點(diǎn),安裝多普勒超聲波明渠流量計,并于2017年8月至2018年6月進(jìn)行流域場次降雨過程的同步監(jiān)測,監(jiān)測內(nèi)容包括降雨量、徑流量、各場次降雨的水樣采集(采樣頻率為1 h)等。經(jīng)污染物檢測,可得2017年后汛期5場及2018年前汛期6場降雨的污染物濃度數(shù)據(jù)。所采集水樣大多為淡黃色,輕微氣味,表面有大量懸浮物。2017年場次降雨時間分別為20170824、20170827、20170828、20170904和20170907,2018年場次降雨時間分別為20180414、20180415、20180424、20180507、20180509和20180606,所檢測污染物包括SS、BOD5、CODMn、TP、TN和NH3-N共6種。另外,進(jìn)行非點(diǎn)源污染模擬時必須扣除河道的點(diǎn)源排放污染,且由于降雨徑流是非點(diǎn)源污染的主要原因,因此假設(shè)非汛期無雨日河道污染物排放均為點(diǎn)源污染,進(jìn)行2017年10月下旬至2018年3月上旬的無雨日水樣采集(采樣頻率為每月2次),得到10個無雨日點(diǎn)源排放的污染物濃度樣品。采用SWAT Bflow Program程序?qū)?017年10月至2018年3月徑流進(jìn)行基流分割,得到各月份常規(guī)水質(zhì)樣品當(dāng)日基流量,再采用基流量加權(quán)平均算法得到枯季各污染物平均濃度,最后控制常規(guī)點(diǎn)源污染日負(fù)荷量不變,得到汛期基流的點(diǎn)源污染濃度。
皮爾遜相關(guān)系數(shù)法(Pearson correlation coefficient)也稱皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)法,用來反映兩個變量線性相關(guān)程度的統(tǒng)計量,一般用r表示,計算公式為
(1)
平均濃度法又稱水文分割法,利用它能夠簡便而有效地根據(jù)有限的水質(zhì)監(jiān)測資料來估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷量。采用平均濃度法估算社崗流域2017年非點(diǎn)源污染平均濃度及負(fù)荷情況,然后將場次降雨污染物平均濃度近似作為典型日非點(diǎn)源污染物濃度,計算典型日非點(diǎn)源污染負(fù)荷,作為SWAT模型參數(shù)率定及驗證依據(jù)。
利用平均濃度法計算場次降雨徑流過程非點(diǎn)源污染平均質(zhì)量濃度ρ的計算公式為
(2)
其中 Δti=(ti+1-ti-1)/2
式中:WL為該次暴雨攜帶的污染物負(fù)荷量,g;WA為該次暴雨產(chǎn)生的徑流量,m3;QTi為ti時刻的實(shí)測流量,m3/s;ρTi為ti時刻的實(shí)測污染物質(zhì)量濃度,mg/L;QBi為ti時刻的枯季流量,m3/s(即非本次暴雨形成的流量,也稱基流流量);ρBi為ti時刻的基流濃度(枯季濃度),mg/L;n為該次暴雨徑流過程中流量與水質(zhì)濃度的同步監(jiān)測次數(shù)。
SWAT模型是基于GIS的分布式流域水文模型,可以利用遙感和地理信息系統(tǒng)提供的空間信息模擬多種不同的水文物理化學(xué)過程,如水量、水質(zhì)以及污染物輸移轉(zhuǎn)化過程等。SWAT模型所需數(shù)據(jù)主要包括流域DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)、流域氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)和流域水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)等。DEM數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云的SRTMDEMUTM的數(shù)字高程數(shù)據(jù),流域內(nèi)高程值介于11~421 m之間。土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心全球變化參量數(shù)據(jù)庫,分為耕地、草地、林地以及水域4類,所占比例分別為13.68%、22.44%、60.13%和3.75%。土壤數(shù)據(jù)采用世界糧農(nóng)組織(FAO)和國際應(yīng)用系統(tǒng)分析學(xué)會(HASA)共同開發(fā)的全球土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)。按照土壤理化性質(zhì),將土壤類型空間數(shù)據(jù)分為5類,分別為粉質(zhì)壤土30.17%、砂土2.61%、黏土6.25%、壤土3.40%以及砂質(zhì)黏壤土57.57%。雨量數(shù)據(jù)來自廣東省飛來峽水利樞紐管理處的飛壩上雨量站點(diǎn)。氣象數(shù)據(jù)選用臨近的佛岡氣象站的逐日溫度、濕度、風(fēng)速和太陽輻射數(shù)據(jù)等,數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。
選取2017年和2018年各一個典型場次降雨事件來分析降雨徑流過程的污染物輸出特征,兩個場次降雨分別為20170824和20180507。20170824場次降雨流域出口徑流過程如圖2(a)所示。由圖2(a)可知,20170824場次降雨事件的降雨從08∶00開始,09∶00降水量達(dá)到最大值并結(jié)束降雨,相應(yīng)的流域出口徑流量在15∶00左右達(dá)到峰值(1.71 m3/s)。20180507場次降雨流域出口徑流過程如圖2(b)所示。由圖2(b)可知,20180507場次降雨事件的降雨從15∶00開始,降水量為16.5 mm,達(dá)到本場降雨的最大值,降雨持續(xù)至20∶00,流域出口徑流量在21∶00左右達(dá)到峰值(4.22 m3/s)。
(a)20170824 (b)20180507
圖2 20170824、20180507場次降雨流域出口徑流過程
20170824場次降雨的徑流-污染物濃度變化過程見圖3。由圖3可知,SS和BOD5這兩種污染物與徑流量變化趨勢基本一致,說明徑流量對這兩種污染物輸出起主導(dǎo)作用。另外,TN、NH3-N和TP這3種污染物具有明顯的初期沖刷效應(yīng),其濃度最大值均出現(xiàn)在降雨發(fā)生后1h。究其原因,前期久旱無雨,地表污染物累積量大,徑流對污染物的侵蝕和沖刷使污染物濃度升高并迅速達(dá)到峰值,特別是流域中下游地區(qū),耕地比例較大,氮、磷等可溶性強(qiáng)的污染物容易累積,徑流沖刷更易帶走大量可溶性污染物。后續(xù)隨著徑流量增大,稀釋作用又占據(jù)了主導(dǎo)地位,使得污染物濃度逐漸降低。CODMn與徑流量的變化關(guān)系較為一致,存在一定的初期沖刷效應(yīng)。上述研究所得結(jié)論與馮麒宇等[16]、代丹等[17]分別在潭江泗合水流域、北京市清河流域的研究結(jié)論較為一致。
20180507場次降雨的徑流-污染物濃度變化過程如圖4所示。由圖4可知,除去TN、NH3-N這兩類初期沖刷效應(yīng)非常明顯的污染物外,其余污染物與徑流量的變化關(guān)系均非常一致,說明徑流量呈強(qiáng)主導(dǎo)作用。TN、NH3-N等最大濃度值均出現(xiàn)在最大降水量的后1 h。隨著徑流量逐漸增大,稀釋作用顯現(xiàn),濃度值開始下降,使得TN、NH3-N與徑流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。春季正是流域內(nèi)農(nóng)耕施肥時節(jié),氮肥施用在淺層地表,汛期到來,降雨淋融,使得氮肥的施用效果大打折扣的同時,也產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的非點(diǎn)源污染,值得關(guān)注。
(a)SS
(b)TP
(c)TN
(d)NH3-N
(e)BOD5
(f)CODMn
圖3 20170824場次降雨的徑流-污染物質(zhì)量濃度變化過程
(a)SS
(b)TP
(c)TN
(d)NH3-N
(e)BOD5
(f)CODMn
圖4 20180507場次降雨的徑流-污染物質(zhì)量濃度變化過程
現(xiàn)采用皮爾遜相關(guān)分析法對2017年5個場次以及2018年6個場次的降雨進(jìn)行污染物質(zhì)量濃度及其負(fù)荷量與徑流量的相關(guān)性分析,結(jié)果見表1。
由表1可知,對于2017年場次降雨而言,在徑流量與污染物質(zhì)量濃度關(guān)系方面,污染物SS與徑流量均呈現(xiàn)不同程度的正相關(guān),20170828場次兩者達(dá)到了強(qiáng)相關(guān),說明徑流量對污染物的沖刷起著重要作用。另外,BOD5、CODMn、TP等也與徑流量大多正相關(guān),但TN和NH3-N則和徑流量負(fù)相關(guān)。前述已提及,由于TN和NH3-N等氮污染物均易溶于水,且前期地表污染物累積量大,徑流對污染物的侵蝕和沖刷作用使其質(zhì)量濃度升高并迅速達(dá)到峰值,隨著徑流量增大其稀釋作用又占據(jù)主導(dǎo)地位,污染物質(zhì)量濃度逐漸降低,導(dǎo)致出現(xiàn)TN和NH3-N等污染物與徑流量負(fù)相關(guān)。在徑流量與污染物負(fù)荷量關(guān)系方面,所有場次的CODMn與徑流量均呈極強(qiáng)的正相關(guān),且除了20170828場次外,其余場次均通過了0.01水平上的雙側(cè)檢驗。SS、BOD5、TP、TN等污染物的負(fù)荷量也基本上與徑流量正相關(guān)。個別污染物與徑流量的相關(guān)系數(shù)可高達(dá)0.9以上,如20170827場次的BOD5,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.907;20170904場次,TP相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.980??傮w上,污染物負(fù)荷量與徑流量的相關(guān)性要強(qiáng)于污染物質(zhì)量濃度與徑流量的相關(guān)性,說明徑流量對污染物負(fù)荷量的變化起著更為重要的主導(dǎo)作用。
對于2018年場次降雨而言,在徑流量與污染物濃度關(guān)系方面,除了20180507場次的SS、BOD5、CODMn、TP等污染物與徑流量的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.85以上外,其余場次污染物大多與徑流量呈負(fù)相關(guān),這是因為非汛期時,前期地表污染物有了極大的累積量,在進(jìn)入4—6月初汛期的時候,由于暴雨沖刷,使得污染物迅速進(jìn)入河道中,與2017年8—9月的后汛期相比,具有更為明顯的初期沖刷效應(yīng)。在徑流量與污染物負(fù)荷量關(guān)系方面,大多場次污染物與徑流量均呈極強(qiáng)的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8以上,尤其是作為2018年入汛標(biāo)志的20180414場次,各污染物與徑流量的相關(guān)系數(shù)均高達(dá)0.98以上,且均通過了0.01水平的雙側(cè)檢驗。另外,從縱向看,CODMn、TP、TN這3種污染物各場次的負(fù)荷量與徑流量均呈現(xiàn)較好的相關(guān)性,大部分相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.75以上,且通過了0.05水平的雙側(cè)檢驗。
表1 污染物質(zhì)量濃度和其負(fù)荷量與徑流量的相關(guān)系數(shù)
注:**表示在0.01水平上(雙側(cè))顯著相關(guān),*表示在0.05水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)。
根據(jù)非汛期點(diǎn)源污染物濃度和負(fù)荷,對共11個場次降雨的實(shí)測污染物濃度和負(fù)荷進(jìn)行分解,分解成非點(diǎn)源污染和點(diǎn)源污染兩部分,分別進(jìn)行貢獻(xiàn)率計算,再對11個場次降雨的非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率進(jìn)行分位數(shù)計算,結(jié)果見表2。
從表2可以看出,各污染物的非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率均值均達(dá)到80%以上,與整個庫區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源污染占比70%以上的結(jié)論相吻合,再次證明社崗流域的典型性和代表性。其中懸浮物SS的貢獻(xiàn)率均值達(dá)到95.3%,說明社崗流域內(nèi)降雨徑流攜帶了大量泥沙,有嚴(yán)重的水土流失傾向。
選取2017年為參數(shù)率定期,2018年為模型驗證期,并根據(jù)SWAT模型的應(yīng)用經(jīng)驗[18-19]以及社崗流域的基本情況,選取14個參數(shù)進(jìn)行徑流模擬,詳細(xì)的參數(shù)信息參見參考文獻(xiàn)[20]。選用納什系數(shù)、相對誤差和決定系數(shù)R2這3個指標(biāo)作為模型徑流模擬適用性評價標(biāo)準(zhǔn)。率定期和驗證期的徑流過程見圖5。參數(shù)率定及驗證結(jié)果為:率定期實(shí)測日徑流均值為0.971 m3/s,模擬值為0.920 m3/s,相對誤差為-5.28%,納什系數(shù)值高達(dá)0.85,R2為0.86,模型模擬精度較高。驗證期實(shí)測徑流量為0.622 m3/s,模擬值為0.533 m3/s,相對誤差為-14.28%,納什系數(shù)值為0.73,R2為0.75,驗證結(jié)果總體令人滿意,表明所構(gòu)建的SWAT模型具有良好精度,可以為未來社崗流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷核算提供可靠的徑流數(shù)據(jù)。
表2 11個場次降雨的非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率分位數(shù) %
圖5 率定期和驗證期日徑流模擬結(jié)果
由于實(shí)測非點(diǎn)源污染數(shù)據(jù)有限,本研究主要利用2017年及2018年典型日非點(diǎn)源污染數(shù)據(jù),以SS、TN、TP等水質(zhì)指標(biāo)為例進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)率定和驗證,所得到的水質(zhì)參數(shù)和部分場次模擬結(jié)果分別見表3和表4。需要指出的是,表4給出了7場次暴雨水質(zhì)模擬結(jié)果,由于其余4場次降雨強(qiáng)度過小,SWAT模型無法模擬其非點(diǎn)源污染狀況,未列出其結(jié)果。
由表4可以看出,率定期3個典型日中雨強(qiáng)最大的20170907場次(日雨量79 mm)的模擬效果最佳,SS相對誤差低至0.61%,TN相對誤差為10.38%,TP相對誤差為1.53%。20170828典型日(日雨量25 mm)模擬效果次之,SS、TN、TP相對誤差分別為17.63%、-36.02%及-12.65%,20170904典型日(日雨量27 mm)模擬結(jié)果相對較差。另外,可以看出雨強(qiáng)較大的典型日模擬效果較好,而在雨強(qiáng)較低時TN、TP等均出現(xiàn)較大程度的低估現(xiàn)象,說明SWAT模型更適用于高雨量、高雨強(qiáng)的情景。驗證期除了20180414典型日外,其余3個典型日的SS相對誤差基本在50%以內(nèi),且均是高估現(xiàn)象。而對于TN、TP來說,驗證期所有場次的模擬值均低于實(shí)測值,且誤差較大。分析原因可知,4—5月處于春耕施肥時期,流域內(nèi)耕地等處于農(nóng)耕施肥的高峰期,且前期肥料均施用于淺層地表,在強(qiáng)降雨的淋融沖刷下,氮、磷等元素迅速進(jìn)入河道,造成嚴(yán)重的非點(diǎn)源污染,而SWAT模型難以捕捉這一人為現(xiàn)象。
總體而言,SWAT模型非點(diǎn)源污染模擬結(jié)果在率定期的表現(xiàn)優(yōu)于驗證期,與徑流模擬相對應(yīng),基本能夠反映非點(diǎn)源污染負(fù)荷的實(shí)際狀況。由于非點(diǎn)源污染監(jiān)測、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)、參數(shù)等具有強(qiáng)烈的不確定性,可以初步認(rèn)為SWAT模型在該流域的模擬結(jié)果基本符合要求,所得結(jié)果可用于飛來峽庫區(qū)流域非點(diǎn)源污染的模擬預(yù)測及趨勢分析。
表3 水質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果
表4 典型日非點(diǎn)源污染模擬結(jié)果
a. 場次降雨的徑流-污染物濃度變化過程表明,SS和BOD5等與徑流量變化趨勢基本一致,說明徑流量對這兩種污染物的輸出起主導(dǎo)作用,而TN、NH3-N、TP等易溶污染物則表現(xiàn)出非常明顯的初期沖刷效應(yīng)。
b. 污染物濃度及其負(fù)荷量與徑流量相關(guān)性分析表明,各場次降雨中,SS與徑流量均呈現(xiàn)不同程度的正相關(guān),說明徑流量對泥沙等沖刷起著重要作用,BOD5、CODMn、TP等也大多正相關(guān),但TN和NH3-N則和徑流量負(fù)相關(guān),與初期沖刷效應(yīng)相對應(yīng)。另外,污染物負(fù)荷量與徑流量的相關(guān)性要好于污染物濃度與徑流量的相關(guān)性。
c. SWAT模型模擬結(jié)果表明,SWAT模型徑流模擬精度良好,納什率定期為0.85,驗證期為0.73。在典型日非點(diǎn)源污染模擬上,SWAT對于高雨強(qiáng)、大雨量的典型日模擬效果最好,但對于雨強(qiáng)較小的典型日則表現(xiàn)較差;另外,驗證期由于受到春耕集中施肥影響,污染物實(shí)測值普遍高于模擬值。