水库流域氮磷排放与入库量评估研究

2015-12-12高志勤

江苏水利 2015年10期

高志勤

（溧阳市沙河水库管理处，江苏常州 213333）

沙河水库是一座以防洪、灌溉为主，结合旅游、供水、养殖等综合利用的大（2）水库，库容1.09 亿m3，集水面积148.5 km2。沙河水库位于江苏省溧阳市南部丘陵山区，是中国水库旅游开发比较成功的范例，现为国家AAAAA 级景区、江苏省省级旅游度假区、国家级水利风景区，自1992年成立江苏省天目湖旅游度假区以来，随着旅游业、农业的高速开发建设，沙河水库水质受到了严重影响，尤其是氮、磷污染突出，水质已由Ⅱ类降为Ⅲ类水，对溧阳市50万人口的饮水安全造成了影响。由于缺乏流域层面的调查研究，沙河水库水体的氮、磷究竟从何而来，各污染来源中氮磷所占的比重如何，仍未可知。这对于指导沙河水库水质治理工作到底应从何处入手，以何为重心，如何实现饮用水源地的长治久安十分重要。为此，沙河水库管理处联合中科院地理湖泊研究所对沙河水库流域氮磷排放与入库量进行了评估研究。

1 流域氮磷排放与入库量评估方法

流域氮磷排放一般包括工业点源、生活污水、农业面源、畜禽养殖排放等，考虑到沙河水库流域为饮用水水源地，没有大型污染企业分布，中小工业企业也都搬迁到天目湖工业集中区（在水库流域外），且畜禽养殖的粪便一般作为有机肥进入了农田，故本项评估将流域的氮磷排放界定为不同用地类型面源污染和生活污水排放两个部分，未考虑单独工业点源排放和畜禽养殖的直接排放。由于排放量不等于入库量，因此，本项评估还对流域氮磷污染物排放量和入库量进行了区分。

1.1 评估模型

本项评估采用中科院地理湖泊研究所研发的流域营养盐产出与输移模拟系统，该系统采用基于单元格网的流域分布式模型思路，模型包括降雨径流过程、污染物排放过程、污染物输移过程等。其中，降雨径流过程包括潜在蒸发量、土壤水平衡、地下水平衡等计算。

1.2 模型验证

模型运行需要流域土地利用、土壤、气象、社会经济、水文与水质监测等众多数据。本项评估土地利用采用航空拍摄的0.5 m 分辨率图像解译获取，土壤理化性质分布采用溧阳市的土壤普查资料，气象数据采用溧阳气象站近10年数据，人口密度基于高精度土地利用数据（1∶5000）和人口统计数据进行空间离散。并采用水库蓄水与放水平衡数据计算出各年流域径流深，对模型径流模拟结果进行验证。不同土地利用类型地表径流和基流TN、TP 浓度参数采用本项目实施过程中获取的小流域洪水与枯水监测结果，并结合本区域或类似地区的研究成果。人口生活污水中氮、磷向河流的排放量采用城镇和农村上下游控制性断面监测数据来确定。

图1 2000～2009年沙河水库流域径流深与实测值模拟比较

模型对水文及氮磷污染排放的模拟均通过实测数据进行验证，图1 为沙河水库实测径流深与模拟径流深的比较。可以看出，模拟结果与实测吻合良好，进一步对误差进行统计分析，结果显示，各年径流深误差平均为11.8%，最大不超过20%，证实本项评估所采用的径流计算方法能够很好地描述沙河流域的降水-径流过程。

图2 为流域监测点总氮（TN）、总磷（TP）实测值与模拟值的比较散点图，各点均沿45°线分布，说明模拟值和实测值较为吻合。图中结果显示，除了个别监测站点有一定差别外，多数监测站点实测值与监测值较好吻合，证实该模型对氮、磷营养盐有较强的模拟能力，参数率定后能够很好地模拟沙河水库流域氮磷的排放、输送与入库过程。

图2 TN、TP 实测值与模拟值比较（2008～2009年度）

2 流域面源氮、磷排放强度及其分布

2.1 不同用地类型氮磷排放强度

流域不同土地利用类型氮、磷营养盐输出主要指面源氮、磷的输出，包括：林地自然本底输出，茶园和耕地的农业面源输出，城镇和农村建筑用地的暴雨径流氮、磷输出等。不同土地利用类型因地表人类活动强度不同、土壤理化性质差异，对氮、磷输出强度产生重要影响。基于2009年土地利用对2008年10 月至2009年9 月共计12 个月的累积输出量模拟结果显示（图略），不同土地利用类型的总氮、总磷输出强度均有较大差异，总氮变化幅度可达235～4390 kg/km2，总磷变化幅度可达12～96 kg/km2。从空间分布来看，氮输出强度较高的地区集中分布于农田分布较为集中的流域中部、茶园及城镇用地较多的西部临湖岸坡，磷输出分布同氮输出稍有不同，但分布模式基本一致。

对全流域不同土地利用类型氮、磷单位面积输出量进行统计，结果见图3。茶园和耕地的总氮输出量最高，尤其是茶园分布于坡地，而且施肥量大，导致氮的大量流失；其次是建筑用地和裸地，主要因为小型城镇绿化面积比例小、地表产流量大造成冲刷强度大，同时，农村居民点氮含量高的地表散落物较多也是造成这两类土地利用类型氮输出较高的原因；草地和退耕地氮输出量较少，约为耕地输出量的一半；氮输出量最少的为林地和湖滨湿地。土地利用与磷输出强度关系与氮输出不同，总磷输出强度最大的为建筑用地、裸地和茶园，主要因为磷输出以颗粒态为主，与地表冲刷强度密切相关，建筑用地和裸地透水能力较弱，地表产流量大，导致地表冲刷强度大，而茶园处于坡地，地表覆盖率较低，水土流失严重导致磷输出量较大；其次是耕地，主要受施肥和地表覆盖度较小影响；草地和退耕地磷输出量较少；输出最少的是林地和湖滩湿地。由此可见，保护水源地的林地和湖滩湿地对减少氮、磷营养盐污染具有重要意义。

2.2 流域面源氮、磷排放量及各月差异

通过对模拟结果进行统计，沙河水库流域面源氮、磷排放量分别为228.79 t/年和5.66 t/年。由于受降雨强度、降雨量、农田管理、下垫面条件等影响，面源氮磷排放呈现出明显的季节差异。总氮月排放量表现为双峰，集中分布于春季2～4 月和夏季6～8 月，两个时间段氮排放量占全年的85.6%，其中，前者约占39.6%，后者约占46.0%。春季2～4 月氮排放量较大主要和施肥有关，此外也和雨季初期氮相对产出量较大有关。总磷排放各月分布尽管也表现出双峰，但磷输出以颗粒态为主，在夏季强降雨时期输出量更大。磷在春季2～4 月和夏季6～8 月排放总量占全年的86.2%，其中，前者占26.4%，后者占59.9%。各月氮磷输出量如表1 所示。

3 流域人口分布及其氮、磷排放强度

3.1 流域人口空间分布

沙河水库流域范围行政上分属江苏（81%的流域面积）和安徽（19%的流域面积），江苏部分辖原平桥乡11 村、1 个居委会以及天目湖镇所属的桂林、三胜、中西三个村，总人口为2.72万人（27214 人），其中，城镇人口2882 人，农村人口24332 人；安徽省流域内总人口数为9700 人。为进一步获取人口的详细分布信息，把沙河水库流域划分为平桥河、下宋河、中田舍河、临库西岸、临库东岸等5 个子流域，采用0.5 m 分辨率航拍数据建立居住面积与人口数的关系，反演出人口的分布图（图略）。对人口分布的统计结果显示，全流域3.7万人口主要集中分布于流域中部和临湖西岸，各分区中以平桥河流域、临湖西岸和中田河流域分布较多，其它地区人口分布相对较少。

图3 不同土地利用类型氮、磷输出强度

表1 不同月份沙河水库流域面源氮、磷排放量

3.2 城镇人口氮、磷排放强度与分布

基于原平桥乡、庙西村等村镇上下游控制性断面监测结果和实地调查，2009年城镇人口总氮排放量为2.52 kg/（年·人）、总磷为0.27 kg/（年·人）；农村人口总氮排放量为1.74kg/（年·人）、总磷为0.18 kg/（年·人）。由此可以计算，沙河全流域人口排放总氮为62.79 t，总磷为6.64 t，分区上以平桥河流域最多，其次为临库西岸和下宋河流域，各分区排放量见表2。由于不是所有的农村和城镇均分布在河边，尤其是距河较远的农村居民点排放到水体的量远小于河流附近的农村和城镇，故采用参数优化的计算方法，对所有监测流域人口TN、TP 向河流的排放系数进行优化，得出人口TN 排放入河系数为0.6，TP 排放入河系数为0.4。由此可得出：人口排放的总氮有37.67 t 进入河流，排放的总磷有26.58 t 进入河流。

4 河流氮磷输送的滞留损失与入库量

氮、磷在河库系统输移过程中的滞留损失反映了水系与水库去除污染物的自然净化能力，其机理涉及复杂的物理、化学及生物作用。对于氮来说，相当大一部分损失是由水体及沉积物通过反硝化作用去除，也有部分为生物所吸收；对磷来说，由于磷输移以颗粒态为主，大部分损失主要是受流速减慢或湿地表面粗糙度增加造成沉降而削减，也有一部分被生物所吸收。水库水系对氮、磷的净化是生态功能的重要体现，净化能力与流域面积或流经时间、流速与流量、水库生物与底质条件等有关，一般水库漫滩及库周湿地发育的地区对氮、磷有较强的滤减能力。

通过物质平衡模型分析获取的各子流域的滤减系数分布（图略），可以看出，上游地区、中田河中游、沙河水库库尾与上游流域的过渡地带对氮、磷具有更强的滤减能力，主要与上游地区植被覆盖度高、生态沟谷发育、中田河漫滩湿地发育、库尾与流域过渡地区湿地发育等因素有关。因此，保护水库系统自然湿地、维持水库氮磷净化功能对水质保护具有重要意义。对模拟结果进行统计，沙河水库流域总氮、总磷入库量分别为214.65 t/年和3.54 t/年，其中，平桥河流域、下宋河流域、中田河流域实际总氮入库量分别为69.90 t/年、18.18 t/年和45.72 t/年；总磷入库量分别为0.79 t/年、0.32 t/年和0.33 t/年。临库岸总氮入库量为80.85 t/年，总磷入库量为2.09 t/年。从排放量和入库量表3、图4。

表2 沙河流域人口分布及氮、磷排放量

5 结论

通过模型计算表明，沙河水库流域输入到河流的TN 为266.46 t/年，其中，面源污染228.79 t，居民排放污染37.67 t，由于河流的自净作用，最终通过河流进入沙河水库的总氮为214.65 t/年。对氮的贡献而言，茶园和耕地面源污染是最主要的，因此，削减流域氮污染，首先要控制好茶园和耕地的氮排放，尤其是要加强春季施肥管理。

沙河水库流域产生进入到河流的总磷为8.32 t/年，其中，面源污染产生的比较可以看出，河流系统对总磷比总氮有更强的净化能力，中田河比平桥河、下宋河对氮、磷有更强的净化能力，而临库面对氮、磷的净化能力最弱。沙河水库流域氮磷排放量与入库量以及沙河水库各子流域氮、磷的年入库量模型评估计算成果分别见5.66 t，居民排放污染产生2.66 t。河流对磷的自净能力比氮大，最终通过河流排放到水库的总磷为3.54 t/年，河流的截留率为57%。