连云港市蔷薇河流域非点源污染模型研究

陶淑芸 王 震

水文水资源

连云港市蔷薇河流域非点源污染模型研究

陶淑芸 王 震

一、流域概况

蔷薇河发源于江苏省徐州市的马陵山和踢球山，穿过新沂、沭阳、东海县和连云港市区四个县市，在鲁兰河口分蔷薇河和东站引河两支，与新沭河交汇入临洪河，河道全长97km，在连云港市境内长50km。蔷薇河流域内地势平坦，由西南向东北倾斜，西部为丘陵山区，东部为平原区，流域面积1349.6km2。

二、污染现状

随着社会经济的发展，人类活动影响加剧，蔷薇河流域整体呈现受污染状态。根据调查，蔷薇河是跨市境的防洪排涝河流，承担着境外宿迁市、新沂市及境内东海县西南部地区和市区的防洪排涝任务，河道支流较多，且入口处多无控制，流域内农田退水、生活污水等可直接或通过支流间接进入干流水体。特别是每年的灌溉季节，上游大量农田弃水经田间河网汇入蔷薇河，造成了轻度的非持久性污染。

蔷薇河流域的污染多来自非点源污染，亦称面源污染，其定义是指溶解的或固体的污染物从非特定的地点，在降水或降雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体，并引起水体富营养化或其他形式的污染。主要来源包括水土流失、农药化肥过量施用、城市地表累积物、畜禽养殖和农业与农村废弃物等。与点源污染相比，非点源污染起源于分散、多样的地区，地理边界和发生位置难以识别和确定，随机性强、成因复杂、潜伏周期长，因而防治十分困难。随着各国政府对点源污染控制的重视，点源污染在包括我国在内的许多国家已经得到较好的控制和治理；而非点源污染由于涉及范围广、控制难度大，目前已成为影响水体环境质量的重要污染源。

对蔷薇河流域非点源污染的研究，目前多通过实测、调查统计和经验进行估算，由于流域地形、气象和水文条件的千差万别，所得结果的适用性、合理性缺乏有效的分析与检验。为此考虑建立MIKE11模型，综合利用流域地形、土地利用、土壤、气象、水文与水质等多元数据，识别和分析蔷薇河流域非点源污染特征，通过模型率定与验证，得出更为科学合理的结果。

三、模型简介

该研究首先利用MIKE11NAM模块建立蔷薇河流域水文模型，用来模拟流域内的降雨径流过程，为河网水动力模拟提供入流边界。然后基于NAM模型的结果，通过MIKE LOADCalculator（污染负荷评估模块）对流域的污染负荷进行估算。污染负荷评估模块基于ArcGIS开发，考虑了降雨径流、地形、土地利用类型及温度多个因素对污染负荷迁移转化的影响，可以很好地反映污染负荷的空间属性，并与水质模型相耦合生成相应边界，分析流域内各种污染源产生的负荷，以点源或非点源形式分配到模拟河网中，即时反映污水排放对河道水质的影响。

该模块主要考虑了流域的截留和衰减作用，在模型中对农业、畜禽污染和生活污染都考虑了一个入河系数，以反映流失作用和距离降解带来的削减作用。由于各类污染负荷的入河系数取决于地形坡降、土壤类型、降雨量以及污染物产生地到入河点的距离等多种因素，该系数取值需结合当地情况、以往项目经验以及水质模型的率定情况来获得。

流域内的生活污水（未纳管部分）往往是通过化粪池或简易沟渠系统进入水体，其排放受降雨径流的影响较小，一般均认为生活污染负荷的排放不受降雨径流的影响；而畜禽排泄物一般作为肥料施放在农田中，只能在降雨过程中随地表径流进入水体。由于雨强越大，其冲刷作用越强烈，所以假定畜禽负荷和化肥负荷的排放强度与降雨径流强度成正比，可结合降雨径流模型计算其入河过程。

表1 模型输入数据

图1 蔷薇河流域各类污染负荷贡献率

四、模型搭建

1.模型数据库建立

MIKE11模型所需的基础数据（见表1）主要由水文、气象和水动力数据三部分组成，包括：流域地形图、降雨和蒸发数据、断面数据、水工建筑物的相关信息等，以搭建一套完整可靠的蔷薇河水系水动力学模型；流域内近年水质监测数据，用于评估蔷薇河的水质变化情况和进行水质模型的搭建和率定；污染负荷数据，用于研究区域内的污染负荷评估并作为水质模型的基本输入。

2.子流域划分

根据分布式水文模型子流域划分方法，该研究将蔷薇河流域划分成为15个子流域，并根据各子流域的总面积及其包含的圩区面积建立模型。子流域内的面平均降水量根据流域内雨量站分布采用泰森多边形法依面积加权计算。

3.污染负荷调查

该研究以2009年为模型率定年，对汇入流域的主要污染物高锰酸盐指数和氨氮进行调查，污染源主要为流域内未纳入污水收集系统的农村和城镇生活污染、畜禽养殖污染以及农业化肥施用产生的污染。根据地方统计年鉴中的社会经济资料和实地调查，以县为单元对流域内产生的污染负荷进行概化估算。蔷薇河流域主要涉及到连云港市辖区以及东海县、沭阳县3个县区域。

通过各地市的统计年鉴，得到研究范围内各行政区的人口分布情况为农业人口2952502人，非农业人口1911195人；畜禽出栏量或存栏量为猪245.51万头，牛7.86万头，羊35.98万头，大牲畜53300万只，家禽1447万只；按折纯量计的氮肥施用量为22万t/a。

4.模型计算与率定

通过与水质模型耦合进行联合率定，获得各类污染负荷平均入河系数。由于蔷薇河流域多为平原地区，加上圩区滞留作用，该流域内产生的面源污染随径流汇入模型河网的时间相对较长，因而削减量较大。居民生活污染入河系数0.3，畜禽养殖污染入河系数0.16，化肥施用入河系数0.02。

基于率定后的参数值，应用LOAD负荷模型估算得到蔷薇河流域污染负荷量分别为CODMn17729t/a，氨氮1090t/a。其中CODMn有6568t/a来自畜禽养殖，4512t/a来自城镇生活，6649t/a来自农村生活；氨氮有159t/a来自畜禽养殖，388t/a来自化肥流失，174t/a来自城镇生活，369t/a来自农村生活。比较各类污染负荷贡献率（图1），发现养殖业和农村生活对CODMn贡献率较大（约占80%），农村生活和化肥施用对氨氮贡献率较大（约为80%）。

五、结论

根据MIKE11模型率定结果，蔷薇河流域非点源污染主要来自流域内的农村生活、畜禽养殖污染排放和化肥流失，其中农村生活污水排放对CODMn的贡献率达38%，对氨氮的贡献率达34%；畜禽养殖污染排放对 CODMn的贡献率达37%；化肥流失对氨氮的贡献率达36%。基于上述污染贡献率可知，蔷薇河流域非点源污染形势严峻。通过采取提高生活污水收集处理率、开展化肥减施、减少畜禽养殖污水排放等一系列有针对性的治污控污措施，可有效减小蔷薇河流域非点源污染，改善流域水环境

（作者单位：江苏省水文水资源勘测局连云港分局 222004）