程千云

（安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山238251）

降雨產(chǎn)生的地表徑流會(huì)引起流域的非點(diǎn)源污染源進(jìn)入河流。在自然環(huán)境中，流域內(nèi)部處在較為穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)中， 降雨條件就成為了非點(diǎn)源污染的主要因素。由于技術(shù)方法上的缺陷，我國(guó)在大力發(fā)展的同時(shí)，并不注意非點(diǎn)源污染的問(wèn)題。點(diǎn)源污染的污染物輸出較為明顯，容易控制，而非點(diǎn)源污染較為隱秘，污染面通常較大，若不加以控制，將會(huì)對(duì)人們的生活環(huán)境產(chǎn)生較大的危害。 在人們采用各種方式控制住點(diǎn)源污染后， 非點(diǎn)源污染已經(jīng)逐漸變成國(guó)內(nèi)外水污染研究的重點(diǎn)問(wèn)題［1］。

1 研究區(qū)概況

阜陽(yáng)市是安徽省的地級(jí)市。 全市總面積10118km2。市內(nèi)人口達(dá)到830萬(wàn)人。同時(shí)，阜陽(yáng)市也是安徽省內(nèi)最重要的綜合交通樞紐。 阜陽(yáng)市水資源豐富，以地表水資源為主。 根據(jù)2018年數(shù)據(jù)，全市水資源總量36.79億m3，其中地表水資源25.39億m3，地下水資源18.38億m3，地下水資源和地表水資源11.4億m3。阜陽(yáng)市地表水資源主要由河流徑流和湖泊組成。 主要河流有淮河及其支流古河、潤(rùn)河、大潤(rùn)河、揭南河、濟(jì)河、慈懷新河、芙蓉新河、黑慈河、西壩河、揭紅河?；春釉诟逢?yáng)市境內(nèi)全長(zhǎng)169km，流域面積9775km。 有巴厘湖、交港湖等。 水系如圖1。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究數(shù)據(jù)

圖1 阜陽(yáng)市水系分布

本文的DEM數(shù)據(jù)（Landsat 7）來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)發(fā)布的30m分辨率網(wǎng)格數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)來(lái)自中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。 從遙感影像中提取分辨率為1km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)、研究區(qū)土地利用圖和水系圖。 氣象資料為阜陽(yáng)市各氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)整理而來(lái)，如圖2、圖3。

圖2 氣象站點(diǎn)分布

圖3 降雨量逐日分布

2.2 研究方法

本文利用SWAT模型分析了降雨對(duì)污染源的影響。SWAT模型是ARCGIS平臺(tái)下的附加模型功能，可以將現(xiàn)有的流域按照匯水區(qū)域的大小劃出若干小流域，便于研究，同時(shí)，還可以利用ARCGIS內(nèi)置的傳統(tǒng)功能處理坡度、土壤類(lèi)型等功能。處理之后的每個(gè)小模塊中都包含土地覆蓋、坡度等信息［2］。 水域劃分越精細(xì)，模擬的準(zhǔn)確性越高。在ARCSWAT中，水文響應(yīng)單元（HRU） 可以通過(guò)加載土壤圖、 土地利用圖和DEM自動(dòng)劃分。 使用“坡度”功能計(jì)算出的坡度值顯示，該流域在30m分辨率下的坡度值在1～17.3°之間，因此，將HRL坡度閾值設(shè)置為0～1°，1～16°，并與土壤圖和土地利用圖疊加生成， 將研究區(qū)劃分為118個(gè)HRU［3］，如圖4。

圖4 研究區(qū)水文響應(yīng)單元

利用研究區(qū)阜陽(yáng)水文站點(diǎn)、 水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)提供的2011～2016年流量與水質(zhì)數(shù)據(jù)，分別對(duì)模擬的徑流和水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬研究。 阜陽(yáng)市磷流失量統(tǒng)計(jì)如圖5和各個(gè)流域磷流失量統(tǒng)計(jì)如表1。

圖5 磷流失量統(tǒng)計(jì)

表1 2011～2016年多年年均降雨量與非點(diǎn)源磷負(fù)荷量統(tǒng)計(jì)

2.3 模型構(gòu)建

本次模擬的數(shù)據(jù)主要采集于阜陽(yáng)水文站和水質(zhì)監(jiān)測(cè)站中的2011～2016年的數(shù)據(jù)。 先建立SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)，打開(kāi)ARCGIS10.4軟件中的SWAT模型，采用SWAT-CUP軟件對(duì)水文站中的徑流數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)站中的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。 參考前人的研究成果［4］，將研究區(qū)內(nèi)對(duì)徑流和水質(zhì)影響較大的參數(shù)挑選出來(lái)，選定適合該模型的具體參數(shù)，除去影響程度較小的參數(shù)［5］。

SWAT模型模擬共歷時(shí)9年， 模型預(yù)熱期設(shè)置為2008～2010年， 模型輸出數(shù)據(jù)率固定期設(shè)置為2011～2013年，模型驗(yàn)證期設(shè)置為2014～2016年，設(shè)定2008～2010年為模型的前期驗(yàn)證期來(lái)模擬總磷負(fù)荷， 阜陽(yáng)市沙營(yíng)河流域徑流和總磷模擬值與驗(yàn)證期實(shí)測(cè)值吻合較好，其中常規(guī)徑流Ra為0.85，總磷R(shí)a為0.64，e為0.61，驗(yàn)證期徑流邊緣為0.82，SWAT驗(yàn)證期總磷的Ra為0.64。 最終得出，所采用的模型適合該地區(qū)的模擬。

3 研究結(jié)果

3.1 污染物流失空間分布

根據(jù)阜陽(yáng)市沙營(yíng)河流域2011～2016年非點(diǎn)源磷年均流失量統(tǒng)計(jì)，采用SWAT模型計(jì)算出的各個(gè)污染物流失的空間分布結(jié)果如圖6， 其中， 總磷流失量1.41kg/hm2，南部地區(qū)的流失量遠(yuǎn)高于北方地區(qū)。 總體趨勢(shì)為南高北低。 流失量最大的區(qū)域?yàn)閯澐殖龅牡诹×饔颍魇Я?.73kg/hm2。 可溶性磷的流失量要小于總磷流失量，僅0.5kg/hm2。

圖6 阜陽(yáng)市污染物磷多年流失量分布

3.2 研究區(qū)降雨與徑流關(guān)系

本文對(duì)研究區(qū)的降雨與徑流關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究，由于該流域的降雨量在區(qū)域上存在差異，降雨量大小會(huì)對(duì)徑流量大小起到最重要的影響， 非點(diǎn)源污染物流失主要是由于地表徑流引起的。 所以有必要對(duì)該地區(qū)地表徑流和降雨量的關(guān)系進(jìn)行分析。 以2011～2016年的降水徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線(xiàn)性歸回?cái)M合分析， 最終擬合系數(shù)R2為0.89，兩者變化趨勢(shì)相同。

圖7 降雨與徑流量趨勢(shì)

3.3 降雨與總磷流失量關(guān)系

本文加入降雨驅(qū)動(dòng)因子來(lái)表示該流域的降雨量。 綜合分析該流域不同地區(qū)降雨引起的總磷流失變化情況，建立出降雨Ea和非點(diǎn)源污染物磷L的數(shù)學(xué)方程式，如下［6］：

L=f（Ea）

式中 Ea為阜陽(yáng)市全區(qū)年均降雨量；L為磷流失量。

根據(jù)2011～2016年的數(shù)據(jù)和公式可以計(jì)算出降雨驅(qū)動(dòng)因子與磷流失量L的相關(guān)關(guān)系， 如圖8最終反應(yīng)出，可溶性磷、礦質(zhì)磷L的擬合效果較差，而有機(jī)磷與非點(diǎn)源磷流失L的擬合效果較好， 擬合系數(shù)R2為0.92。 非點(diǎn)源磷的形態(tài)較為穩(wěn)定，流失量與降雨量擬合效果較好，所以，本文只選取總磷這一個(gè)指標(biāo)來(lái)研究其與降雨量之間的關(guān)系。

圖8 降雨量與總磷流失量擬合關(guān)系

為了量化降雨造成的總磷流失水平， 根據(jù)自然斷點(diǎn)分類(lèi)方法， 將降雨影響下總磷流失的關(guān)鍵源區(qū)劃分為5類(lèi)，根據(jù)磷素流失的最大值和最小值，將磷素流失水平分為五類(lèi)。 鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單位降雨驅(qū)動(dòng)因素如表2和圖8～圖10。 研究區(qū)2011年降水驅(qū)動(dòng)因子在0.05～0.59之間，2013年的降雨驅(qū)動(dòng)因子處在0.71～0.98之間，2016年的降雨驅(qū)動(dòng)因子在0.95～1.85之間。全區(qū)總磷流失程度處于工業(yè)和工業(yè)水平， 其中江塘鎮(zhèn)、中石街鎮(zhèn)、蘇集鎮(zhèn)、成集鎮(zhèn)和三合鎮(zhèn)的總磷流失較少，其他地區(qū)的總磷流失量較小。 2012年，降雨驅(qū)動(dòng)因子值為0.42～0.57， 全區(qū)總磷流失程度為二級(jí)和三級(jí)，其中江塘鎮(zhèn)、中石街鎮(zhèn)、官集鎮(zhèn)等9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位總磷流失為三級(jí)，占研究區(qū)城鎮(zhèn)總數(shù)的23.4%，而其他城鎮(zhèn)的總磷損失較小。2013年，降雨驅(qū)動(dòng)因子值為0.69～0.87，全區(qū)總磷流失水平為二級(jí)和三級(jí)，其中大孟集鎮(zhèn)、五星鎮(zhèn)、雙府鎮(zhèn)等14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位，占研究區(qū)城鎮(zhèn)數(shù)量的35.4%，江塘鎮(zhèn)等23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位，九龍鎮(zhèn)、蘇集鎮(zhèn)， 平均為三級(jí)，2014年， 降雨驅(qū)動(dòng)因子值為1.44～1.67， 全區(qū)總磷流失程度為五級(jí)， 總磷流失嚴(yán)重，包括九龍鎮(zhèn)、江寨鎮(zhèn)、潭棚鎮(zhèn)等8個(gè)鎮(zhèn)。2015年，降水驅(qū)動(dòng)因子值為1.02～1.07， 全區(qū)總磷流失程度為三級(jí)，總磷流失中等。 2016年，降水驅(qū)動(dòng)因子值為0.95～1.85，全區(qū)總磷流失程度為三、四、五級(jí)，其中三級(jí)流失36%，四級(jí)流失29%，五級(jí)流失32%。

表2 研究區(qū)降雨影響下總磷流失程度分類(lèi)

利用ARCGIS軟件以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為行政級(jí)別，做出降雨量驅(qū)動(dòng)因子分布圖，如圖9～圖11。

圖9 2011年降雨驅(qū)動(dòng)因子

圖10 2013年降雨驅(qū)動(dòng)因子

圖11 2016年降雨驅(qū)動(dòng)因子

綜上所述，2014年全區(qū)總磷流失最嚴(yán)重，全區(qū)處于V級(jí)，2016年次之。 有近70%區(qū)域的總磷流失量要高與平均值。 其中處在Ⅲ以下流失水平的年份為2011，2012，2013年。有7個(gè)顏色較深的區(qū)域?yàn)樵摿饔蚩偭琢魇阶罡叩牡貐^(qū)，如圖11。這些地區(qū)是該流域非點(diǎn)源污染治理的重點(diǎn)區(qū)域。 政府應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)這些地區(qū)非點(diǎn)源污染的關(guān)注，采取合理的治理方式。

4 結(jié)語(yǔ)

利用SWAT模型對(duì)富陽(yáng)河流域降雨條件下非點(diǎn)源污染的輸出特征進(jìn)行了模擬分析。最終結(jié)果顯示，徑流量與降雨量的相關(guān)性較高，R2為0.89。 降雨年際因子值越大，總磷的空間分布損失越大。降雨驅(qū)動(dòng)因子呈現(xiàn)出南高北低的趨勢(shì)， 總磷流失量的變化趨勢(shì)與之相同，2014年，總磷流失最為嚴(yán)重。