基于WASP的稀土矿区氮污染模拟*——以龙南市为例

章凯兵 康俊锋,2# 付 乐

(1.江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.浙江大学地球科学学院，浙江 杭州 310027)

龙南市位于赣江流域上游区域，内部贯穿有赣江一级支流——桃江，桃江在龙南市内又分出3条二级支流：渥江、濂江、太平江。龙南市拥有丰富的离子型稀土资源，为当地创造了巨大的经济效益，但存在稀土资源开采后的废渣监管不力现象，给当地造成了严重的流域水环境污染[1-2]。当前，离子型稀土资源开采都是用硫铵原地浸矿提取的，氨氮是产生的主要污染物之一[3]。大量氨氮进入水体后使得水中的氮含量剧增[4-5]。《2016年赣州市环境年报》显示，龙南市的水质主要超标指标是氨氮和总氮。因此，准确高效地模拟龙南市稀土矿区水环境中氨氮和总氮的污染负荷和空间分布对流域水环境污染治理具有重要意义。

国内外学者通常采用经验负荷模型对流域污染负荷进行模拟[6]。输出系数法是经验负荷模型的常用方法之一，经过早期学者JOHNES[7]的改进，具备了资料要求低、应用简单且实用的特性，符合我国水文水质、土地利用、气象和人口等需要长期观测的数据相对缺乏的情况[8]。事实上，经验负荷模型主要只计算了非点源污染负荷，而忽略了点源污染以及水文条件等的影响，为了更加准确地模拟流域的水质变化，学者们采用构建水质模型的方式来进行详细模拟[9]。水质分析模型(WASP)是使用较为灵活，且内置富营养化程序的水质模型[10]。本研究以赣江流域上游龙南市稀土矿区为研究区域，使用输出系数法核算氨氮和总氮的非点源污染负荷，并结合相关参数构建WASP，利用地理信息系统(GIS)实现研究区域的水质污染模拟结果分析。

1 数据与方法

1.1 输出系数法核算非点源污染负荷

稀土开采用地是一种特殊的土地利用类型，因此在文献[7]的输出系数法污染源类型中添加了稀土开采用地。由此，本研究中非点源污染源类型包括耕地、稀土开采用地、居民生活和牲畜，其中牲畜又分为畜类和禽类两个污染物输出类型。输出系数法核算非点源污染负荷的公式如下：

(1)

式中：Lj为第j种污染源的非点源污染负荷，kg/a；Bij为第j种污染源中第i个污染物的输出系数；Aij为第j种污染源中第i个污染物的输出量。Bij、Aij的单位根据实际情况而定。

陇南市的土壤类型为红壤，因此其耕地的氨氮和总氮输出系数分别取0.32、6.00 kg/(hm2·a)[11-12]。

稀土开采用地的氨氮或总氮输出系数根据式(2)[13]计算得到。陇南市稀土开采用地的土壤侵蚀模数取353.54 t/(km2·a)[14-15]。根据南方离子型稀土矿区土壤研究成果[16-17]，结合当地的降水情况确定陇南市稀土开采用地的土壤中氨氮和总氮质量分别为0.188、0.197 g/kg 。

RO=S×N

(2)

式中：RO为稀土开采用地的氨氮或总氮输出系数，kg/(hm2·a)；S为稀土开采用地的土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；N为稀土开采用地土壤中的氨氮或总氮质量浓度，g/kg。

根据文献[18]，陇南市居民生活的氨氮和总氮输出系数分别取0.15、2.14 kg/(人·a)。

牲畜的非点源污染输出主要源于粪便。根据畜类和禽类粪便中的氮含量确定畜类与禽类的总氮输出系数分别为0.74 kg/(头·a)、0.04 kg/(只·a)，氨氮输出系数分别为0.14 kg/(头·a)、0.03 kg/(只·a)[19]。

1.2 WASP建模

WASP能够对不同类型水体(包括河流、河口、湖泊、水库等)进行动态特征模拟[20]，本研究利用其富营养化程序模拟赣江流域上游龙南市稀土矿区的氨氮和总氮。

1.2.1 河网概化与分段

本研究河网概化的基本原则：(1)概化后的河网的天然水力特性与实际水体基本保持一致；(2)河网概化时主要考虑主干河道，以避免河网支流多且分布复杂的情况[21]。以ArcGIS软件的水文分析模块为工具，根据龙南市数字高程模型(DEM)数据进行填洼处理并分析流向与流量，再对河流栅格矢量化提取河网边界，最后结合实际的水体特征和区域水功能区划(包括河流分支与污染源排放位置、水体特性剧烈变化位置、水质指标监测站位置、河流取水口位置等[22])将赣江流域上游龙南市稀土矿区河网概化成9段，分别为桃江入境—塘竹子、塘竹子—三江交汇口、三江交汇口—黄坑口、黄坑口—太平江口、太平江口—龙南电站大桥、三江交汇口—龙南高速分界处、龙南高速分界处—程口大桥、三江交汇口—中和大道、中和大道—汤湖，依次记为A、B、C、D、E、F、G、H、I。

1.2.2 模型输入参数

(1) 河网水力参数

各河段水力参数包括河段的深度指数、坡度系数、速度指数和糙率。赣江流域上游龙南市稀土矿区各河段的速度指数均可取0.38，深度指数取0.45，坡度系数取0.001。糙率与河段的地形有关，各河段的取值见表1。

(2) 初始条件参数

初始条件参数包括各河段的平均深度、水体流量和水质数据。

(3) 边界条件参数

边界条件以各河段水体流量为基础确定水流输送模式，从而获得水量边界和外部污染负荷边界。外部污染负荷分为点源污染负荷和非点源污染负荷。

表1 各河段糙率

点源污染主要考虑工业废水。龙南市的工业废水排放主要在C、 G、 H河段 ，这3个河段的氨氮和总氮点源污染负荷见表2。

表2 点源污染负荷

由1.1节计算得到各河段的氨氮(见表3)和总氮(见表4)非点源污染负荷。

表3 氨氮非点源污染负荷

表4 总氮非点源污染负荷

(4) 模型自带参数

模型自带参数中20 ℃下的硝化速率(k12，d-1)、硝化的氧限制半饱和常数(kNIT，mg/L)、20 ℃下的反硝化速率(k20，d-1)、20 ℃下溶解有机氮的矿化速率(k71，d-1)、20 ℃下的硝化速率温度调整系数(θ12)、20 ℃下的反硝化速率温度调整系数(θ20)、20 ℃下溶解有机氮的矿化速率温度调整系数(θ71)分别根据本研究中12个采样点的氨氮和总氮的水质数据率定，最终取值见表5。模型其他自带参数取默认值[23]。

表5 模型自带参数的取值

1.3 数据来源

水质数据：12个采样点的水质数据由龙南生态环境局数据中心提供，采样时间为2016年1月至2017年5月。

2016年Landsat-8 空间分辨率为30 m的卫星遥感数据、龙南市DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。从2016年Landsat-8卫星遥感数据中得到稀土开采用地和耕地的面积分别为5 608.39、24 318 hm2。

2016年1月至2017年5月的平均深度、水体流量数据根据中国水文网(http://swgl.mwr.gov.cn/)公布的杜头、羊信江、居龙滩3个水文监测站数据就近取值。

人口、畜禽等其他数据来源于相应年份的赣州市统计年鉴。

2 结果与分析

2.1 模型验证

分别根据氨氮和总氮进行模型自带参数率定的线性回归相关系数(R2)、平均相对误差(ε,%)和一致性指数(d)见表6。平均相对误差低于30%，根据《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)，数据合格。

表6 模型自带参数率定效果误差分析

以超标严重的氨氮为例，选取4个位于流域重要位置的采样点(1#、5#、8#、10#)分析模拟值和实测值的关系。由图1可见，氨氮模拟值与实测值差异较小，说明该模型模拟结果能反映研究区域一定时间内的污染指标变化趋势，可以应用于赣江流域上游龙南市稀土矿区的水质模拟。

图1 氨氮模拟值和实测值的关系Fig.1 Relationship between ammonia nitrogen simulated values and real sample values

2.2 模型自带参数的灵敏性分析

分析模型自带参数变化±20%时，质量浓度为0.55 mg/L的氨氮和质量浓度为3.40 mg/L的总氮模拟值变化，从而分析灵敏度(见表7)。对于氨氮而言，参数灵敏度排序为：k12>k71>k20>θ20>θ71>θ12>kNIT；对于总氮而言，参数灵敏度排序为：k12>k71>k20>θ20>θ12>θ71>kNIT。

表7 模型自带参数的灵敏度

2.3 不确定性分析

由于非点源污染负荷核算不确定性较大，因此本研究参考陈文君等[24]的研究方法，将对非点源污染负荷贡献较大的稀土开采用地、耕地、居民生活进行灵敏度分析，情景分别假设稀土开采用地、耕地、居民生活的污染程度提高10%，模拟运行20年，选择一级支流桃江的3个采样点(2#、6#、7#)分析氨氮和总氮的变化率，结果见图2。

图2 不确定性分析结果Fig.2 Uncertainty analysis results

由图2可见，3种情景中耕地污染程度提高10%对氨氮和总氮的变化率影响程度最大，并且对总氮的影响程度大于对氨氮的影响程度。稀土开采用地污染程度提高10%对氨氮的变化率影响程度大于总氮，居民生活污染程度提高10%对总氮的变化率影响程度更大。为降低模型的不确定性，可以进一步准确统计稀土开采用地面积和耕地面积，细化人口的调查。

2.4 模拟结果分析

参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，本研究将水质级别分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、Ⅴ类超标、Ⅴ类严重超标7类，其中Ⅴ类严重超标水域是指劣Ⅴ类中超标1倍以上的水域。利用空间分析工具统计氨氮和总氮的各类水域长度占比(见表8)。

表8 氨氮和总氮的各类水域长度占比

由表8可见，氨氮浓度达到Ⅲ类及以上的水域长度占比达到53%，总氮浓度达到Ⅲ类及以上的水域长度占比达到75%。氨氮浓度达到Ⅲ类及以上的水域长度占比比总氮低，渥江和濂江的氨氮污染状况最严重，其次是桃江，太平江氨氮污染状况较轻。总氮也是在渥江和濂江的污染状况最严重，桃江和太平江上总体污染程度相对较轻。

3 结论与建议

(1) 用WASP对赣江流域上游龙南市稀土矿区的水中氨氮和总氮进行模型自带参数率定，平均相对误差低于30%，符合GB/T 22482—2008要求，氨氮模拟值与实测值的差异也较小。

(2) 对不确定性较大的非点源污染负荷进行不确定性分析，耕地污染程度提高10%对氨氮和总氮的变化率影响程度最大，并且对总氮的影响程度大于对氨氮的影响程度。

(3) 氨氮浓度达到Ⅲ类及以上的水域长度占比达到53%，总氮浓度达到Ⅲ类及以上的水域长度占比达到75%。总体而言，渥江和濂江的氮污染比较严重，桃江和太平江的氮污染程度相对较轻。

(4) 耕地、稀土开采用地和居民生活的非点源污染是造成龙南市稀土矿区水质污染的重要原因，建议加强对农民的科学施肥指导，完善稀土开采的监管政策，提高人们的环保意识。