曲 玲， 于志強(qiáng)， 郝啟勇， 孫秀玲， 尹兒琴

(1.山東省水文中心， 山東 濟(jì)南 250002； 2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院， 山東 濟(jì)南 250104；3.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061； 4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院， 山東 泰安 271018)

1 研究背景

我國流域管理基本實(shí)現(xiàn)了對點(diǎn)源污染的有效防控，而面源污染的嚴(yán)重性逐漸凸顯[1]。據(jù)《第二次全國污染源普查公報(bào)》，面源總氮(TN)排放量占總排放量的46.52%，總磷(TP)排放量占比更是高達(dá)67.22%[2]。由于面源污染具有隨機(jī)性、分散性、廣域性等特點(diǎn)，其治理難度非常大[3]，實(shí)施最佳管理措施(best management practices, BMPs)是目前公認(rèn)的控制面源污染的有效手段[4]。鑒于流域尺度下的氣候、地理及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的復(fù)雜性，BMPs措施的制定、實(shí)施和評估需要借助水質(zhì)模型[5]。

SWAT(soil and water assessment tool)模型可有效模擬多種物理化學(xué)過程并能預(yù)測不同管理方式對復(fù)雜流域水文、水質(zhì)、沉積物及養(yǎng)分輸出的影響，在面源污染的BMPs研究中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。王敏等[7]利用SWAT模型對安徽省兆河流域進(jìn)行了面源污染的最佳管理措施分析，發(fā)現(xiàn)通過植草河道和植被過濾帶等工程措施并增加化肥埋深和削減施肥量等非工程措施，可以有效控制面源污染。郭英壯等[8]利用SWAT模型對潮河流域的面源污染進(jìn)行了最佳管理措施的配置，提出可優(yōu)先采用植被緩沖帶、退耕還林和減少化肥施用量等效率高的措施。Hanief等[9]利用SWAT模型模擬了BMPs對Grand 流域沉積物和養(yǎng)分輸出的影響，發(fā)現(xiàn)植被緩沖帶可分別減少沉積物和磷負(fù)荷的23%和50%，生態(tài)溝可分別減少15%和17%。Liu等[10]利用SWAT模型分析了BMPs對緩解三峽庫區(qū)香溪河流域面源污染的有效性，結(jié)果表明退耕還林使香溪河流域的徑流和面源污染負(fù)荷均有明顯減?。槐Ｗo(hù)性耕作和等高線耕作可分別使徑流減少15.99%和9.16%，總氮減少8.99%和8.00%，總磷減少7.00%和5.00%；減少肥料施用量與總氮和總磷污染負(fù)荷降低量成正比。馬放等[11]利用SWAT模型的情景模擬表明，化肥減量、等高種植、退耕還林和植被過濾帶均能削減阿什河流域面源污染的總氮與總磷負(fù)荷，其中植被過濾帶的削減作用最為明顯。

目前，國內(nèi)在面源污染的BMPs應(yīng)用上基本依賴于國外經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)，同時(shí)由于BMPs種類繁多，應(yīng)用地區(qū)地形條件復(fù)雜，無法采用標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)[12]。本研究采用已構(gòu)建并通過率定的SWAT模型[13]對尼山水庫面源污染設(shè)置不同的控制措施，對比其削減效果，并分析氮、磷污染負(fù)荷削減的時(shí)空變化特征，旨在為尼山水庫流域的面源污染治理提供技術(shù)支持。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

尼山水庫位于山東省曲阜市東南尼山鎮(zhèn)境內(nèi)(117°08′～117°21′E，35°22′～35°34′N)，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、供水、養(yǎng)殖、生態(tài)旅游等綜合利用的大型水利工程，總庫容為1.128×108m3，流域面積為258.57 km2，尼山水庫流域圖見圖1。

圖1 尼山水庫流域概況 圖2 尼山水庫流域坡度分布

庫區(qū)流域處于魯中山地向魯西南平原過渡地帶，東南側(cè)是由麻巖組成的構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，西部和北部是由石灰?guī)r及砂質(zhì)巖組成的構(gòu)造侵蝕淺山區(qū)，山上及山谷植被稀少，水土流失較為嚴(yán)重。尼山水庫流域海拔在101～615 m之間，坡度在0.00°～59.54° 之間，尼山水庫流域的坡度見圖2。

流域內(nèi)主要土地利用類型為耕地和林地，分別占流域總面積的56.44%和21.48%，尼山水庫流域的土地利用分布見圖3。

圖3 尼山水庫流域土地利用分布 圖4 尼山水庫流域年降雨量空間分布(2018年)

流域內(nèi)降水分布的年際變化和季節(jié)變化較大，年內(nèi)雨季多集中在6-9月份。2018年尼山水庫流域降水量為481.58～672.81 mm，平均為545.77 mm，降水量整體變化趨勢為流域南部大于北部，西部大于東部，2018年尼山水庫流域的降雨量空間分布見圖4。

2017-2020年尼山水庫的水質(zhì)不能滿足水功能要求，富營養(yǎng)化率高達(dá)89.58%，其中總氮超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)率達(dá)79.17%，最大超標(biāo)倍數(shù)為11.2倍，總磷超標(biāo)率為4.17%，最大超標(biāo)倍數(shù)為2.4倍。為此，在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用已通過率定和驗(yàn)證的SWAT模型對流域內(nèi)的面源污染進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)肥料流失是造成尼山水庫流域面源污染的重要原因，其總氮、總磷分別占流域總負(fù)荷的39.85%和52.95%[13]。

2.2 數(shù)據(jù)來源及模型構(gòu)建

利用尼山水庫流域的數(shù)字高程圖、土地利用圖、土壤類型圖等空間數(shù)據(jù)和氣象、水文、水質(zhì)、土壤屬性、污染源等屬性數(shù)據(jù)構(gòu)建SWAT模型數(shù)據(jù)庫，模型所需數(shù)據(jù)具體見表1。

表1 尼山水庫流域SWAT模型所需數(shù)據(jù)[13]

因SWAT模型僅支持單出口水系流域模擬，而尼山水庫主要入庫河流有3條，因此在流域劃分過程中采用burn in功能加入?yún)⒖紨?shù)字河網(wǎng)水系，并在各河流入庫口及監(jiān)測斷面處人工導(dǎo)入子流域出口點(diǎn)位，通過匯流計(jì)算，得到子流域邊界與相應(yīng)的河網(wǎng)水系，在后續(xù)模擬最佳管理措施時(shí)均以河流入庫口以上流域模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。

尼山水庫流域總共被劃分為57個(gè)子流域和1 069個(gè)水文響應(yīng)單元[13]。 模型運(yùn)行成功后，對其參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試和優(yōu)化，并利用相關(guān)系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(ENS)對模擬結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。模型參數(shù)率定采用SUFI-2算法， 利用SWAT-CUP軟件，在參數(shù)范圍內(nèi)采用替換原有參數(shù)值和模型參數(shù)乘以率定值兩種方法進(jìn)行修改。對參數(shù)優(yōu)化后模型的驗(yàn)證結(jié)果表明，模型在率定期和驗(yàn)證期的徑流、總氮和總磷的模擬值與實(shí)測值均表現(xiàn)出較好的吻合性(R2>0.6，ENS>0.5)，說明構(gòu)建的SWAT模型對尼山水庫流域的面源污染模擬結(jié)果可信[14]。

2.3 研究方法

根據(jù)尼山水庫流域面源污染負(fù)荷輸出的空間特征、污染源組成及地形特點(diǎn)，分別從源頭控制、過程阻截和兩者的綜合，設(shè)置了12項(xiàng)控制措施情景，利用SWAT模型模擬2018年BMPs對尼山水庫面源污染的削減效果，具體見表2。本次模擬設(shè)置假設(shè)研究流域內(nèi)全部耕地都已施行測土配方，以化肥的使用量分別減少10%、20%、30%、40%、50%，依次設(shè)定為情景1～5；通過將子流域內(nèi)坡度大于12°的耕地設(shè)定為林地，模擬退耕還林效果，設(shè)定為情景6；通過將子流域內(nèi)坡度小于12°耕地的水土保持因子(USLE_P)設(shè)定為0.6，子流域內(nèi)坡度大于12°耕地的水土保持因子(USLE_P)設(shè)定為0.8，水分條件Ⅱ時(shí)的初始SCS(soil conservation service)徑流曲線數(shù)(CN2)設(shè)為70，來實(shí)現(xiàn)提高水土保持效果和等高種植代替順坡種植的操作，設(shè)置為情景7；當(dāng)坡度大于12°時(shí)，布設(shè)寬度為1.2 m、深度為0.6 m的生態(tài)溝，設(shè)置為情景8；當(dāng)坡度大于12°時(shí)，植被緩沖帶面積占農(nóng)田面積的比例為0.01，緩沖帶長度為1 000 m，設(shè)置為情景9；根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，將源頭控制措施與過程阻截措施相結(jié)合，構(gòu)成3種綜合措施，分別設(shè)置為情景10～12。

表2 尼山水庫流域BMPs的模擬情景設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 BMPs對面源污染負(fù)荷的削減

不同控制措施下污染物削減的模擬結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，當(dāng)施肥量減少10%(FR10)時(shí)，總氮和總磷的年均排放量分別削減18.07%和28.25%；當(dāng)施肥量減少20%(FR20)時(shí)，總氮和總磷的年均削減率分別達(dá)到了25.03%和33.89%；當(dāng)施肥量削減50%(FR50)時(shí)，總氮和總磷的年均削減率分別達(dá)到了48.22%和52.41%，表明施肥量的減少與污染負(fù)荷的削減率成正相關(guān)，且總磷負(fù)荷的削減率要普遍高于總氮。實(shí)施退耕還林措施(TG)，總氮和總磷的年均削減率分別為45.17%和38.53%；以等高種植替代順坡種植(ST)，提高水土保持效果，平均每年可削減13.79%的總氮負(fù)荷和19.69%的總磷負(fù)荷。

生態(tài)溝和植被緩沖帶可通過吸附、沉淀、植物吸收等過程對氮、磷污染進(jìn)行削減，同時(shí)還能降低水流對土壤的沖刷，有效減少水土流失[15]。圖5顯示，流域在坡度大于12°時(shí)設(shè)置生態(tài)溝、植被緩沖帶后氮、磷負(fù)荷削減明顯，生態(tài)溝(GT)對總氮和總磷的年均削減率分別為36.86%和52.73%，植被緩沖帶(FT)為38.31%和51.00%。

圖5 BMPs對尼山水庫流域氮、磷負(fù)荷的削減效果

綜合措施ZH2(20%化肥削減量+生態(tài)溝)和ZH3(20%化肥削減量+等高種植+生態(tài)溝)表現(xiàn)出了很好的污染削減效果，兩種情景總氮和總磷年均分別削減64.42%、71.63%和65.06%、72.86%。比較3種綜合措施發(fā)現(xiàn)，設(shè)置過程阻截措施情景方案的污染削減效果明顯高于未設(shè)置的情景方案，說明過程阻截是尼山水庫流域氮、磷污染防控的重要措施。

3.2 面源污染負(fù)荷削減的時(shí)間變化特征

不同控制措施下的面源污染總氮、總磷月均入庫負(fù)荷變化過程如圖6所示。圖6表明，年內(nèi)總氮和總磷入庫負(fù)荷主要集中在豐水期(6-9月)，與降雨量呈正相關(guān)，最大值出現(xiàn)在8月份，其次為6月份。減少化肥使用量、退耕還林、設(shè)置植被緩沖帶、生態(tài)溝等措施均有利于控制豐水期氮磷的入庫量，其中生態(tài)溝和植被緩沖帶對總氮和總磷的入庫量的削減效果最為明顯。針對尼山水庫流域的特點(diǎn)，在源頭上采取減少化肥使用量、退耕還林等措施，同時(shí)在污染物遷移路徑上采取設(shè)置生態(tài)溝、植被緩沖帶等措施可減少因水土流失導(dǎo)致的氮、磷流失。

圖6 不同控制措施下的尼山水庫流域面源污染總氮、總磷月均入庫負(fù)荷變化過程

3.3 面源污染負(fù)荷削減的空間變化特征

不同控制措施下的面源污染總氮、總磷負(fù)荷的空間分布如圖7所示。分析圖7可知，在源頭控制措施中，化肥削減措施對總氮和總磷空間分布的影響基本一致，化肥削減20%對尼山水庫周邊子流域55～57的氮、磷削減最為明顯，其次為流域南部的43、44、46、52、53子流域(圖7(c)、7(d))。這主要是因?yàn)?5～57子流域污染負(fù)荷高，且靠近尼山水庫，降雨量及流域平均坡度較大；43、44、46、52、53子流域的降雨量僅次于55～57子流域，且流域內(nèi)耕地占比大(58.77%)。對坡度大于12°的耕地采用退耕還林措施對子流域56、57、23、48、49的氮、磷削減最為明顯(圖7(e)、7(f))，這與子流域內(nèi)平均坡度相對較高且流域內(nèi)坡度大于12°的耕地占比較大有直接關(guān)系。等高種植對子流域55～57、44、46的氮、磷削減最為明顯(圖7(g)、7(h))，這主要與子流域內(nèi)坡度較大的耕地占比大有關(guān)。過程阻截措施中(圖7(i)～7(l))，生態(tài)溝和植被緩沖帶對尼山水庫流域總氮和總磷的空間分布有較大影響，其中對子流域56、57、52、53、44、46影響最為明顯，主要是因?yàn)檫@些子流域內(nèi)耕地占比大，氮、磷污染負(fù)荷重，且降雨量大；生態(tài)溝和植被緩沖帶對子流域23、33、48、54的影響相對較小，主要是由于這些子流域內(nèi)林地占比較大。綜合管理措施3對子流域56、57、55、52、44、46、32氮磷削減最為明顯，與生態(tài)溝和植被緩沖帶對各子流域的影響基本一致(圖7(m)、7(n))。

圖7 不同控制措施下的尼山水庫流域面源污染總氮、總磷負(fù)荷的空間分布

4 討 論

BMPs的核心是在污染物進(jìn)入水體前，通過各種經(jīng)濟(jì)、高效、生態(tài)的措施使面源污染得到有效控制。由于面源污染的分散性和隨機(jī)性，使得源頭控制成為面源污染控制的關(guān)鍵[16]。源頭控制主要包括優(yōu)化肥料管理、改善種植制度和方式等，如減少化肥使用量、采用水肥一體化技術(shù)、退耕還林、作物輪作、等高種植等[1]。譚德水等[17]在南四湖玉米種植中發(fā)現(xiàn)采用氮磷鉀平衡施用、控釋氮肥、有機(jī)肥代替無機(jī)肥等措施可有效減少徑流中氮的流失；呂宏偉等[18]在河南省新野縣研究露地菜田徑流中氮磷的流失時(shí)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代27.5%化肥和有機(jī)肥替代27.5%化肥+節(jié)水灌溉30%可分別減少硝態(tài)氮、可溶性總磷徑流量的16.43%、12.24%和26.48%、34.69%；辛艷等[19]以大豆為載體研究了耕作模式對坡耕地土壤養(yǎng)分流失的影響，發(fā)現(xiàn)免耕或少耕、秸稈覆蓋、等高種植等方式可有效降低氮磷流失；Poudel等[20]發(fā)現(xiàn)等高線耕作、陳曉冰等[21]發(fā)現(xiàn)粉壟耕作和秸稈覆蓋均可以提高土壤含水率，從而減低因土壤流失導(dǎo)致的面源污染。

降雨后產(chǎn)生的地表徑流是面源污染物進(jìn)入水體的重要途徑，如何通過過程阻截措施降低污染物流失量，增加下滲率是控制面源污染的重點(diǎn)。生態(tài)溝、植被緩沖帶等位于污染源和水體之間，能有效去除徑流中的污染物，被認(rèn)為是面源污染有效的過程阻截措施。在昆明滇池流域?qū)γ嬖次廴镜目刂浦邪l(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝對農(nóng)村復(fù)合污水中總氮和總磷的平均去除率可達(dá)到60%和64%[15]。游海林等[22]在研究贛南蘇區(qū)“三江源”區(qū)域面源污染時(shí)也發(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝對農(nóng)村小流域面源污染物具有較高的去除效果，總氮和總磷的去除率可達(dá)到89.03%和86.95%。Ha等[23]在美國愛荷華州的南福克河流域利用占流域總面積15.2%的低生產(chǎn)力土地種植柳枝稷，使泥沙、總氮和總磷負(fù)荷分別減少了69.3%、55.5%和46.1%，顯著抑制了面源污染。孫東耀等[24]在研究九龍江上游北溪流域的面源污染時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同植被的緩沖帶對徑流量和總磷的削減效果存在明顯差異，表現(xiàn)為草本>灌草>灌木，草本緩沖帶對徑流量的削減率可達(dá)到86.93%，在高濃度進(jìn)水時(shí)對總磷濃度的削減率可達(dá)到95.20%。

源頭控制可以減少污染物的產(chǎn)生，過程阻截可以在遷移路徑上對污染物進(jìn)行有效削減，但不能完全控制污染物進(jìn)入水體[25]，所以前置庫、滯留塘、濕地等末端治理技術(shù)也發(fā)揮著重要的作用。在宜興市大浦鎮(zhèn)開展的前置庫示范工程中發(fā)現(xiàn)，無降雨和小降雨輸入期間，總氮和總磷的去除率為65.1%和45.3%；強(qiáng)降雨初期，總氮和總磷的去除率達(dá)到70.5%和84.6%，強(qiáng)降雨后期，可達(dá) 到91.7%和96.2%[26]。阮家進(jìn)等[27]研究了垂直流、水平潛流和復(fù)合型人工濕地對面源污染的治理效果，發(fā)現(xiàn)3種濕地對有機(jī)物和氨氮的去除率高達(dá)66%～70%和96%～97%。Hey等[28]在對美國伊利諾斯州東北部的德斯普萊恩斯河濕地示范項(xiàng)目的研究中發(fā)現(xiàn)，2%的濕地保護(hù)面積就可以使流域水質(zhì)發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改善。

由于面源污染的不確定性和復(fù)雜性，應(yīng)從污染物的排放、遷移、污染成災(zāi)等全過程入手，實(shí)行“源頭減量-過程阻斷-末端治理”的全過程控制[29]，更應(yīng)根據(jù)流域特點(diǎn)、削減效果及成本投入，布置最佳管理措施(BMPs)實(shí)現(xiàn)面源污染的有效控制。尼山水庫流域耕地占比大，肥料流失嚴(yán)重，因此科學(xué)施肥是最有效措施[13]；該流域處于山地向平原的過渡地帶，相對坡度大，年內(nèi)降雨集中，單次降雨量大，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)溝和植被緩沖帶等工程措施對面源污染削減效果明顯；以等高種植代替順坡種植雖氮、磷削減率相對較小，但該措施單位成本較低[3]。因此，根據(jù)尼山水庫流域的實(shí)際情況，對耕地多、降雨量大、坡度大的氮、磷流失高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)應(yīng)采取化肥削減措施并布設(shè)生態(tài)溝、植被緩沖帶等工程措施，而在氮、磷輸出負(fù)荷占比較小的區(qū)域應(yīng)實(shí)行化肥削減措施和等高種植等投入成本相對較低的管理措施，并積極開展退耕還林工作。

5 結(jié) 論

(1)減少化肥使用量、設(shè)置生態(tài)溝和植被緩沖帶以及退耕還林措施均具有很好的氮、磷削減效果，綜合管理措施對氮、磷的削減要優(yōu)于單項(xiàng)管理措施。

(2)總氮和總磷入庫負(fù)荷主要集中在年內(nèi)豐水期，與降雨量呈正相關(guān)。減少化肥使用量、退耕還林、設(shè)置植被緩沖帶和生態(tài)溝等措施均有利于控制豐水期氮、磷的入庫量，其中生態(tài)溝和植被緩沖帶對總氮和總磷的入庫量的削減效果最為明顯。

(3)不同控制措施對總氮和總磷削減的空間分布影響較大。減少化肥使用量對降雨量多、耕地多、坡度大的子流域氮、磷削減效果更為明顯；退耕還林措施對坡度大、耕地占比大的子流域氮、磷削減效果明顯；等高種植對坡度大、耕地較多的子流域氮、磷削減效果明顯；設(shè)置生態(tài)溝和植被緩沖帶對耕地占比大、氮磷污染負(fù)荷重、降雨量大的子流域氮、磷削減效果明顯，所以在進(jìn)行面源污染控制時(shí)，應(yīng)根據(jù)其時(shí)空特點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。