洪水期間流域營養(yǎng)鹽輸出特征及削減措施研究

秦國帥，張慧哲

（1.水利部發(fā)展研究中心，北京 100038；2.大連金普新區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 大連 116620）

0 引言

富營養(yǎng)化是地表水體面臨的主要水環(huán)境問題之一，根據(jù)2022 年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報，在開展營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測的204 個重要湖泊水庫中，仍有29.90%的湖泊和水庫處于輕度或中度富營養(yǎng)化的狀態(tài)。地表水體中的營養(yǎng)鹽主要來自流域降雨徑流輸出，由于洪水強烈的沖刷攜帶能力，洪水時期是流域內(nèi)營養(yǎng)鹽輸出的高峰期[1]。相關(guān)研究表明，洪水期間地表水體中氮、磷濃度呈明顯上升趨勢，農(nóng)業(yè)流域汛期營養(yǎng)鹽流失量占全年營養(yǎng)鹽流失總量的50.00%以上[2-4]。湖泊、水庫等水體相對河流存在流速降低、水力停留時間變長等現(xiàn)象，很容易出現(xiàn)洪水期間營養(yǎng)鹽的滯留與累積[5]。因此，針對湖泊、水庫流域洪水期間營養(yǎng)鹽的輸出特征進行研究，分析不同措施條件下營養(yǎng)鹽削減的效果，并提出針對性的削減措施，對于降低地表水體富營養(yǎng)化風險、改善水環(huán)境水生態(tài)、促進生態(tài)文明建設(shè)具有重要的意義。目前，關(guān)于常規(guī)條件下流域營養(yǎng)鹽輸出特征的研究較多，但是洪水等特殊水文條件下營養(yǎng)鹽輸出特征的研究還比較缺乏。本文以大連市水源地碧流河水庫流域為例，構(gòu)建精細化的SWAT 模型，對洪水期間流域營養(yǎng)鹽的輸出特征進行模擬，并對不同管理措施的營養(yǎng)鹽削減效果進行分析，為制定流域營養(yǎng)鹽管理措施提供參考和依據(jù)。

1 流域概況

碧流河水庫是一座以供水為主，兼有防洪、發(fā)電等綜合效益的大（2）型水庫，位于遼寧省大連市和蓋州市交界處的碧流河中游。碧流河水庫壩址以上流域面積為2 085 km2，占流域總面積的74.10%，主要入庫河流有碧流河、蛤蜊河、八家河、太陽河、儉湯河、轉(zhuǎn)山河、楊屯河、同巨河及吉順河等。流域土地利用類型以林地為主，占壩址以上流域面積的72.30%，其次為耕地，占比18.90%。

2 模型構(gòu)建

SWAT 模型在降雨徑流過程非點源污染模擬方面應(yīng)用比較廣泛[6，7]。因此，本文通過構(gòu)建精細化SWAT 模型對洪水期間營養(yǎng)鹽的輸出特征進行分析。模型共將流域劃分為91個子流域和1 062個水文響應(yīng)單元，模型使用的DEM 為30 m×30 m 分辨率的STRM 高程數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)來自中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站，降水數(shù)據(jù)采用流域內(nèi)雨量站的實測數(shù)據(jù)，其他氣象數(shù)據(jù)主要來自SWAT 模型中國大氣同化驅(qū)動數(shù)據(jù)集（CMADS V1.1）；流域內(nèi)點源排放數(shù)據(jù)來自流域范圍內(nèi)點源污染調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水及固體廢棄物等非點源數(shù)據(jù)主要來自統(tǒng)計年鑒和相關(guān)調(diào)查報告。

因為2012 年是碧流河建庫以來入庫徑流最大的一年，所以選取2012—2013 年作為研究時段。模型以2011 年為預(yù)熱期，2012 年為率定期，2013年為驗證期，主要針對模型的徑流、泥沙和營養(yǎng)鹽模塊進行率定和驗證。率定和驗證使用的徑流數(shù)據(jù)為2012，2013 年碧流河繭場站和水庫站的實測流量數(shù)據(jù)，泥沙數(shù)據(jù)為繭場站2012 年4—8 月和2013 年7—8 月實測數(shù)據(jù)，水質(zhì)數(shù)據(jù)為主要入庫口（碧流河、蛤蜊河和八家河）每月一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過計算決定系數(shù)R2、納什系數(shù)NSE和百分比偏差PBIAS對模型計算結(jié)果進行評價，SWAT模型的率定和驗證結(jié)果見表1。由表1 可以看出，流域模型能夠滿足徑流模擬的要求[8]。總氮TN 和總磷TP在率定期和驗證期的模擬結(jié)果能夠滿足精度要求[8]，說明模型構(gòu)建比較合理，可以用于洪水期間流域營養(yǎng)鹽輸出特征的精細化模擬。

表1 流域模型率定和驗證結(jié)果

3 流域營養(yǎng)鹽輸出特征

利用建立的SWAT 模型對2012 年4 月底、8 月初及2013 年7 月初的3 次洪水過程進行分析，其中，2012 年8 月洪水是建庫以來最大的洪水過程，模型計算時段的洪水基本特征見表2。圖1 為對洪水期間營養(yǎng)鹽的輸出特征曲線。由圖1 可知，洪水期間流域營養(yǎng)鹽負荷主要來自碧流河、蛤蜊河和八家河，占流域TN 和TP 輸出總量的88.44%和78.89%，其他支流的流域面積較小，營養(yǎng)鹽負荷也相對較小。2012 年4 月洪水期間營養(yǎng)鹽的輸出總量小于2012 年8 月，但其營養(yǎng)鹽負荷的峰值與8月比較接近；2013 年7 月洪水相比2012 年4 月和8月的兩次洪水要小，洪水期間營養(yǎng)鹽輸出總量和峰值均小于2012 年。對于碧流河水庫流域，流域營養(yǎng)鹽的輸出主要集中在汛期幾次較大的洪水過程，其中，2012 年4 月和8 月洪水期間共有3 628 t的TN 和123 t 的TP 進入水庫，分別占全年TN 和TP 輸出總量的54.84%和73.24%。在前期缺水的情況下，洪水期間由于供水任務(wù)，水源水庫往往大量蓄水，比如2012 年4 月的春季洪水期間，水庫基本沒有泄流，流域輸出的營養(yǎng)鹽大量滯留在水庫，長期的蓄積過程將對水庫水質(zhì)造成影響。以上結(jié)果說明，流域營養(yǎng)鹽的輸出除了與洪水大小有關(guān)外，還受洪水前期流域內(nèi)污染物累積效應(yīng)的影響。

圖1 不同場次洪水入庫河流營養(yǎng)鹽負荷變化特征

表2 場次洪水基本特征

洪水期間，流域營養(yǎng)鹽負荷存在明顯的空間分布差異。3 次洪水期間，碧流河水庫TN 負荷處于0.25～14.98 kg/hm2，TP負荷處于0.01～2.84 kg/hm2，營養(yǎng)鹽的空間差異主要受降雨分布和土地利用特征的影響。2012 年8 月，洪水的暴雨中心位于碧流河上游區(qū)域，上游區(qū)域單位面積營養(yǎng)鹽負荷要明顯高于下游區(qū)域；2013 年7 月，洪水的暴雨中心位于碧流河水庫區(qū)域，高負荷區(qū)域主要位于水庫周邊；2012 年4 月，由于前期流域降水少、春季植被覆蓋率低等原因，部分子流域的TN 負荷達到14.98 kg/hm2，明顯高于另外2 次洪水過程。除此之外，流域營養(yǎng)鹽高負荷區(qū)域主要分布在河流、水庫的岸濱帶區(qū)域，與農(nóng)田、居民區(qū)主要分布在河流水庫周邊有關(guān)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污水排放造成的非點源污染使得營養(yǎng)鹽負荷高于其他區(qū)域。

4 不同管理措施對營養(yǎng)鹽輸出的影響

通過SWAT 模型識別營養(yǎng)鹽輸出的關(guān)鍵源區(qū)，然后在高負荷區(qū)域采取相關(guān)措施可以有效減少洪水期間進入碧流河水庫的營養(yǎng)鹽負荷。減少施肥和設(shè)置植被緩沖帶是比較常見的農(nóng)業(yè)管理措施，下文針對這兩種削減措施進行分析。

1）優(yōu)化施肥

在模型中分別將TN 和TP 的施肥量減少10.00%，20.00%和30.00%，并與基準情況下營養(yǎng)鹽負荷進行對比分析，計算結(jié)果見表3。由表3 可以看出，通過優(yōu)化施肥措施在一定程度上可以減少洪水期間流域營養(yǎng)鹽的輸出，且該措施屬于非工程措施，結(jié)合測土施肥的方式，可以在一定程度上降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，具有較好的可操作性。

表3 不同管理措施條件下流域營養(yǎng)鹽負荷削減效果%

2）設(shè)置植被緩沖帶

相關(guān)研究表明，5～30 m 的植被緩沖帶對農(nóng)田徑流懸浮物和氮磷的削減率在30.00～80.00%[9]。為分析植被緩沖帶對碧流河流域營養(yǎng)鹽的削減效果，分別在模型的流域管理模塊中設(shè)置植被緩沖帶為1，5，10，20 m，并分析不同寬度的植被緩沖帶對TN 和TP 的削減效果，結(jié)果見表3。由表3 可知，植被緩沖帶對營養(yǎng)鹽的削減效果十分明顯。

對比兩種削減措施，植被緩沖帶的效果更好，并且能夠帶來一定的生態(tài)效益，但是工程建設(shè)需要較大的時間和經(jīng)濟成本。建議可以在綜合考慮污染防治效果、流域經(jīng)濟條件及土地利用限制等實際情況下，采取優(yōu)施肥措施及在關(guān)鍵區(qū)域修建植被緩沖帶的方式削減流域營養(yǎng)鹽負荷。

5 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬的方法對碧流河水庫流域洪水期間營養(yǎng)鹽的輸出特征及削減措施進行分析，研究結(jié)果可作為洪水期間流域營養(yǎng)鹽管理的參考依據(jù)。受氣候變化的影響，暴雨洪水等極端水文事件發(fā)生頻率呈增加的趨勢，對流域內(nèi)營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)換機制產(chǎn)生了深刻的影響，下一步需要加強極端水文條件下流域營養(yǎng)鹽輸出特征及應(yīng)對措施的研究，為水源地保護、流域水環(huán)境治理提供基礎(chǔ)支撐。