东江流域非点源污染模拟及时空分布研究

刘 洁，陈晓宏，许振成，虢清伟，吴根义3，，王兆礼

(1.环境保护部 华南环境科学研究所，广州510655;2.中山大学 水资源与环境研究中心，广州510275;3.湖南农业大学环境科学与工程系，长沙410128;4.华南理工大学 土木与交通学院，广州510641)

0 引言

随着点源治理技术和管理手段的发展，非点源污染已成为重要的水环境污染类型之一。中国的非点源污染问题也日益凸现，在三峡库区以及太湖和滇池等重要湖泊，非点源污染已成为水质恶化的主要原因之一［1-2］。2000年以来国内对非点源污染的研究越来越受到重视，研究成果用于特定区域非点源污染的管理和控制取得了一定的效果。对于小尺度流域非点源污染的迁移转化机理以及负荷计算等方面的研究成果颇丰［3-7］，但是在大中尺度流域非点源负荷模拟计算方法等方面的研究还需要进一步的开展，在研究气候变化与土地利用格局对于大中尺度流域水环境的影响等方面还需要进一步的深入。通过流域水文模型对整个流域系统内部发生的复杂污染过程进行定量描述，可帮助分析非点源污染产生的时间和空间特征，并进一步评估气候变化、土地利用的变化、不同的管理与技术措施等对非点源污染负荷和水质的影响，为流域管理和规划提供决策依据。

非点源污染的主要研究方法可以归纳为基于野外采样布点的典型地块研究［3-5］、数理统计分析［6-9］、水文模型模拟［10-13］。2010年后应用国外成熟的分布式水文模型研究不同土地利用类型结构、土地利用变化对水文水质的影响成为研究热点。从研究尺度来看，国内的研究主要是典型小流域的水文和产污过程研究、不同小流域的土地利用类型对产流产污过程影响的对比研究，研究尺度较小。2010年后针对大中型流域的相关研究成果开始更多地见诸于报道［12-13］。SWAT和L-THIA等分布式水文模型被应用在我国三峡库区流域［12］、四湖流域［13］等流域的研究中，分布式水文模型可模拟研究气候和土地利用的长期变化对流域水文水质时空变异的影响，适用于空间差异较大的流域的研究。

总体上看，国内对于大中尺度流域的非点源污染模拟与研究还较少，本研究应用流域分布式水文模型HSPF(hydrological simulation program-fortran)，以位于中国南方湿润地区的东江流域为例进行中尺度流域的非点源污染的模拟研究，建立中尺度流域——东江流域的非点源污染模型，在此基础上分析该流域非点源污染的时空分布，为流域非点源污染管理措施的制定与实施提供技术支持。研究过程和方法可为适用于中尺度流域研究的非点源污染模拟模型的建立以及揭示自然条件、人类活动变化与非点源污染的统计关系提供参考。

1 研究区域概况

东江是珠江流域的主要河流之一，是广州、惠州、东莞、深圳等地市的重要供水水源地，同时还担负着对香港特别行政区的供水任务。东江发源于江西省寻乌县桠髻钵，上游称寻乌水，南流入广东境内，至龙川合河坝安远水后称东江，干流由东北向西南流，河道长度至石龙为520 km，至狮子洋为562 km，石龙以上流域总面积27 040 km2。

2 HSPF模型简介与基础数据预处理

2.1 HSPF 模型简介

HSPF模型是由美国环境保护署开发的水文模型，用于较大流域范围内自然和人工条件下的水系中水文水质过程的连续模拟［14］。HSPF属于半分布式水文模型，使用时先要依据河流水库所控制的自然流域范围将流域划分为不同的子流域。HSPF水文响应单元(HRU)的建立是基于将流域划分为均质的水文和水质响应单元，土壤层在每个HRU上被垂直划分为3层(上储水层、下储水层和地下水储水层)，每层径流量由每个区域蓄水量的非线性函数求得。HSPF模型是较成熟的水文模型，在国外有广泛的应用，但在国内应用还较少。至今已发展到HSPF12.0，并内嵌于美国环保署开发的基于GIS技术的整合式平台BASINS系统中。

2.2 数据预处理

2.2.1 气象数据的预处理。降雨的空间分辨率的变化对径流模拟结果有重要的影响［14-17］。为了降低气象数据的空间分辨率对东江流域水文模型建模的影响，研究中采用了中国气象数据共享服务网提供的中国地面降水日值0.5°×0.5°格点数据，作为气象观测站点数据的补充，数据经交叉验证、误差分析，质量状况良好。利用BASIN4.0系统中WDMUtil工具编辑生成模型运行必需的东江流域气象数据的时间序列文件(WDM文件)。

2.2.2 下垫面数据的预处理。对土地利用/覆被数据进行加工处理，将东江流域土地利用类型统一为7种类型:耕地、园地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地。为了充分考虑流域的空间异质性，除考虑土地利用的差异性还需考虑土壤类型的差异性和坡度等下垫面因素。因此，将1980，2000年东江流域的土地利用数据与土壤分布、坡度数据分别进行叠置得到新的下垫面类型数据。每种不同的下垫面类型对应不同的相关水文参数。

2.2.3 子流域和水文响应单元的划分。HSPF的空间异质性主要考虑每个离散单元的降雨、土壤类型、土地利用类型等。土壤类型、土地利用类型、坡度的空间异质性通过叠加下垫面类型数据体现，气象数据的空间异质性则通过流域再分割来实现。在子流域划分的基础上，根据气象数据的空间分布，进行水文响应单元的分割处理。东江流域水文响应单元的气象站点分配根据泰森多边形方法进行分割。

3 非点源污染模拟的HSPF模型建立

3.1 模型模拟效果评估的基本方法

采用标准偏差法(Dv)［18］与NASH-Sutcliff相关系数法(ENS)［19］评估模型的模拟效果。理想情况下，模型中的ENS接近于1，Dv接近于0。根据已有的标准［20-21］，认为Dv在观测值的10%范围内的模拟已经达到了“非常好”的标准。NASH系数取值在0～1之间，并认为0.9以上为甲等，0.7 ～ 0.9 为乙等，0.5 ～ 0.7 为丙等［22］。

3.2 模型率定的过程与结果

3.2.1 径流过程的模拟。使用1980—2005年东江流域博罗水文站月平均天然径流量资料进行径流的率定与校验，1980—1983年数据用于模型预热。1980—1992年的径流模拟过程采用同期的气象数据、1980年代下垫面数据作为模型的输入数据;1993—2005年的径流模拟过程采用同期的气象数据、2000年代下垫面数据作为模型的输入数据。月径流过程在模型校正期和验证期都取得了较好的模拟效果(图1、图2)。在径流校正和验证中年均径流Dv分别为0.53%和5.00%，Dv小于10%;ENS 分别为0.926 和0.894，大于 0.7。

图1 1984—1992年径流模拟校准结果Fig.1 Calibration results of flow simulation during 1984—1992

图2 1993—2005年径流模拟验证结果Fig.2 Verification results of flow simulation during 1993—2005

3.2.2 泥沙过程的模拟。泥沙过程的模拟是进行非点源模拟的一个重要环节，泥沙模拟在校准好后的水量模拟的基础上进行。模拟结果见图3、图4。泥沙模拟结果误差在可以接受的范围内，率定期和验证期的Dv分别为12.87%和5.95%，ENS 分别为 0.616 和 0.664。泥沙模拟结果比水文过程模拟结果误差大主要由2个原因造成:①用于水文过程率定的径流量是对实测径流进行还原后的径流量，但实测输沙量是在实测径流情况下的输沙量，东江的径流与河道泥沙输沙过程受到水利工程的影响，这是误差较大的原因之一;② 精确的泥沙输移校准需要悬移质泥沙成分及颗粒大小等比较详细的泥沙观测断面的资料，本研究是对东江流域长期的水文和产汇污过程进行模拟，用于模型建立和校准的实测值为月均观测值，所采用的参数多为经验参数，因此，未能对模型进行更加精准和更小时间尺度的校准，但模拟结果仍然可以代表泥沙的月变化过程，可以用于对于东江流域水文和泥沙输送的长期变化过程的研究。

图3 1984—1992年泥沙模拟校准结果Fig.3 Calibration results of sediment simulation during 1984—1992

3.2.3 污染物的模拟。河流水环境中的污染物来源包括点源与非点源，东江流域面积较大，尤其是中下游区域工业与城镇生活污水集中排放等点源污染分布较密集，获取与整理统计各子流域多年点源污染的排放量与入河量的数据不仅工作量很大而且较准确的数据的获取也非常困难，如果获得的数据不准确反而会对模型的建立过程产生负面的影响。因此，本研究在参考其他相关研究［23-26］的基础上，采用了数字滤波法对东江流域的实测污染负荷系列数据进行分割，得到非点源负荷数据，作为HSPF模型模拟结果的比对，该方法与实测数据的非点源污染负荷分割结果已经应用在东江流域的径流与非点源污染研究［25-26］中，采用该方法能够减小中尺度流域水文模型建模中由点源污染物排放量及入河量误差引起的模拟误差。

模拟结果(图5、图6)显示，年均氨氮、总磷负荷模拟结果的 Dv分别为 9.43%和13.76%，ENS分别为0.653和0.783。对于东江流域这样一个中尺度的流域，利用构建的HSPF模型模拟得到的氨氮与总磷模拟结果误差在可以接受的范围内，模拟误差主要来自径流、泥沙过程模拟的误差累积以及实测数据本身的误差。

图5 2001—2005年东江流域氨氮非点源污染负荷模拟结果Fig.5 Results of NH3-N load simulation in the Dongjiang River during 2001—2005

图6 2001—2005年东江流域总磷非点源污染负荷模拟结果Fig.6 Results of TP load simulation in the Dongjiang River during 2001—2005

4 非点源污染的时空分布特征

4.1 时间分布

1999—2005年，氨氮、总磷非点源负荷差异较明显，呈现先升后降再升的变化趋势。2000与2005年(丰水年)氨氮、总磷非点源负荷是2004年(枯水年)负荷的3倍以上，丰水年是东江流域非点源污染物流失的关键年份。

非点源污染的发生和输送与年内降雨的分布及径流量有直接的关系。降雨量增加，径流产生量多，则相应地水土流失程度加大，氮、磷流失量增加。图7、图8分别表示1999—2005年平均月降雨量、氨氮和总磷非点源负荷的年内分布。东江流域径流年内变化与降雨基本一致，1—3月变化平缓，4月大幅增大，峰值出现在6月份，4—9月径流合计152亿 m3，占年总径流量的75.06%。氨氮和总磷的峰值变化明显，并与降雨年内分布基本一致，说明东江流域非点源污染的形成分布受降雨尤其是暴雨的影响较大;氨氮非点源负荷峰值出现在4—6月，4—6月的氨氮非点源负荷总和占年总负荷量的57.8%;总磷非点源负荷峰值出现在4—9月，4—9月的氨氮非点源负荷总和占年总负荷量的91.63%。

图7 1999—2005年氨氮月负荷模拟结果Fig.7 Average monthly NH3-N load of years(1999—2005)simulated by HSPF

图8 1999—2005年总磷月负荷模拟结果Fig.8 Average monthly TP load of years(1999—2005)simulated by HSPF

东江流域非点源污染主要发生在降雨径流期间，汛期的污染负荷占有较大比例，因此，对5—8月的径流量、氨氮、总磷非点源污染负荷再进行统计［27］，1999—2005年氨氮、总磷5—8月的非点源负荷占全年总量比例大部分均在50%以上;丰水年5—8月汛期非点源负荷比例高于枯水年;降雨尤其是暴雨对非点源污染的产污汇污影响很大，汛期是东江流域土壤侵蚀和氮、磷非点源污染防治的关键时期(图9)。

4.2 空间分布

非点源污染负荷的产生输出受流域内降雨分布、土地利用方式等因素的综合作用。以2001年(丰水年)为例，东江流域降雨量的空间分布总体上随地形的变化由北向南递增，在新丰江水库区域以及东江下游博罗附近年降雨量最大，2001年氨氮、总磷的负荷分布总体上也呈由北向南递增的态势(图10)，同时，非点源污染的产生与分布不完全取决于降雨分布，还与土地利用、植被覆盖、地形分布等因素有关，非点源单位面积负荷值在东江流域西北部较小，在东江中下游分布较大，对比土地利用类型图，在东江中下游源城区、博罗县、惠城区、惠阳区、龙岗区中农业用地与建设用地集中的地块氨氮、总磷负荷密度最大。东江流域非点源污染的关键区域主要位于流域中下游源城区、博罗县、惠城区耕地与建设用地集中的区域。

图10 非点源污染负荷的空间分布Fig.10 Spatial distribution of non-pointed NH3-N and TP load

5 降雨量与非点源污染的统计分析

东江流域非点源污染的时间分布受流域内降雨的影响较大，为进一步分析东江流域降雨与非点源污染的时间分布特征的关系，对东江流域2001—2010年氨氮、总磷非点源污染物月负荷模拟值(采用2000年下垫面数据、2001—2010年日降雨数据进行模拟)与月降雨量进行回归分析。

运用SPSS 16.0统计软件进行回归分析。通过对回归分析曲线的综合比选，复合曲线可以较好地拟合2001—2010年氨氮与总磷月负荷数据序列与月降雨量数据序列，拟合的复合曲线回归方程为。

式中:Y表示氨氮月负荷(t);Z表示总磷月负荷(t);X表示月降雨量(mm)。

氨氮负荷与降雨量拟合优度R2等于0.831，回归方程和回归系数通过显著性检验，回归方程显著性检验F值等于582.085，概率P值小于0.01;总磷负荷与降雨量拟合优度R2等于0.719，回归方程和回归系数都通过显著性检验，回归方程显著性检验F值等于302.552，概率P值小于 0.01。

6 土地利用与非点源污染统计分析

将东江流域土地利用类型划分为林地、耕地、园地、建设用地、草地、水域与未利用地7种类型，以子流域为研究单元，统计各单元中各土地利用类型的面积比例与各单元非点源污染浓度的相关关系。结果表明各子流域单元氨氮非点源污染浓度与耕地、园地、林地、建设用地面积比例存在显著的线性相关关系(概率P值小于0.01);其中，耕地、园地、建设用地与非点源污染氨氮浓度呈正相关(相关系数分别是 0.608，0.710，0.718)，林地面积与氨氮浓度呈负相关(相关系数为-0.719)。

各子流域总磷非点源污染浓度也与耕地、园地、林地、建设用地面积比例存在显著的线性相关关系(概率P值小于0.01);其中，耕地、园地、建设用地与非点源污染总磷浓度呈正相关(相关系数分别是0.481，0.659，0.714)，林地面积与总磷浓度呈负相关(相关系数为-0.649)。

非点源污染受到各类土地利用类型所占的面积比例的影响，土地利用结构组成和空间分布特征不同，土地利用与水质的关系亦不同［28］。进一步以汇水分区为研究单元，采用相关分析、逐步回归与聚类分析等方法，分析东江流域土地利用空间格局与非点源污染的关系。结果表明:(1)污染物的空间分布与用地类型关系复杂，污染物浓度的分布不仅与各类土地利用类型面积比例有关，还与各类用地类型在空间上的分布有关。(2)在将各汇水分区根据土地利用空间格局进行聚类分析后，再采用相关分析、逐步回归方法对土地利用类型分布与非点源污染的关系进行统计分析，结果会受到样本数量的较大影响。(3)总体上，在上中游林地面积较大的汇水单元，林地与污染物浓度的相关系数最大，林地对于缓解由其他用地类型产生的污染起了积极的作用;建设用地对于氨氮、总磷水质浓度的贡献随用地面积比例的增大有逐渐增长的趋势;耕地面积比例与污染物浓度的相关关系在不同类型的汇水单元中表现出有较大差异，这与其他相关研究成果的统计结果一致［28-29］。

7 结论

(1)应用HSPF水文模型建立了东江流域径流与非点源污染模拟模型。多年径流过程模拟的模型率定期与验证期Dv分别为0.53%和5.00%，ENS分别为0.926和0.894，泥沙过程模拟的率定期和验证期Dv分别为12.87%和 5.95%，ENS 分别为 0.616 和0.664;氨氮、总磷负荷模拟的Dv分别为9.43%和13.76%，ENS分别为0.653和0.783。径流、泥沙与污染物模拟过程与实测过程的总体趋势基本一致，所建立的基于HSPF的模型可以满足东江流域径流与非点源污染长期变化过程与时空分布特征研究的需要。

(2)模拟结果表明东江流域不同降雨水平年的氨氮、总磷非点源污染负荷差异明显，丰水年是东江流域非点源污染物流失的关键年份。东江流域径流年内变化与降雨基本一致;非点源污染的发生与输送和年内降雨的分布及径流量有直接的关系，东江流域非点源污染负荷的年内分布特征受流域内降雨的年内分布影响显著，汛期氨氮、总磷的非点源污染负荷占全年负荷总量比例基本在50%以上;丰水年汛期非点源污染负荷比重高于枯水年。降雨尤其是暴雨对东江流域非点源污染的产污汇污影响很大，汛期是东江流域土壤侵蚀和氮、磷非点源污染防治的关键时期。

(3)非点源单位面积负荷值在东江流域西北部较小，在东江中下游分布较大，对比土地利用类型图，在东江中下游源城区、博罗县、惠城区、惠阳区、龙岗区中农业用地与建设用地集中的地块氨氮、总磷负荷密度最大。东江流域非点源污染的关键区域主要位于流域中下游源城区、博罗县、惠城区耕地与建设用地集中的区域。

(4)东江流域非点源污染的时间分布受流域内降雨的影响较大。为进一步分析东江流域降雨与非点源污染的时间分布特征的关系，对东江流域2001—2010年氨氮、总磷污染物月负荷模拟值与月降雨量进行了回归分析。经过综合比选，结果表明:复合回归曲线可较好地拟合污染物月负荷的变化，氨氮、总磷拟合优度R2分别为0.831和0.719，回归方程和回归系数显著性检验均通过检验，概率P值小于0.01。

(5)以子流域为研究单元，对各单元中各类型土地利用的面积比例与非点源污染浓度的相关关系进行了统计分析。结果表明各子流域氨氮、总磷浓度与耕地、园地、林地、建设用地面积比例存在显著的线性相关关系，其中，耕地、园地、建设用地与非点源污染浓度呈正相关，林地面积与非点源污染浓度呈负相关。

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