基于“源-质”响应的香溪河流域问题解析

申振玲，周奉，孙溢点，张万顺,2,3*，凌海波，王琪，李龙媛，杨丽娜

1.武汉大学资源与环境科学学院

2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室

3.武汉大学中国发展战略与规划研究院

4.湖北省生态环境科学研究院

5.宜昌市生态环境局

流域水环境保护是国家生态文明建设的重要内容，在推动区域绿色高质量发展上具有重要的战略地位[1]。流域是由自然要素和人文要素共同构成的“自然-社会-经济”复合系统[2]。以流域为单元[3-4]，开展地表多要素、多尺度、多过程的综合集成研究是当前自然地理学的重要发展方向之一[5-6]。基于当前流域水环境、水资源与水生态（“三水”）协同治理需求，立足于流域一体化视野[7]，准确甄别流域水环境问题，推动“三水”协同共治，已经成为备受学界与政界关注的前沿热点[8]。开展流域水环境问题症结成因分析并定量精准解析[9]，是支撑流域水生态环境修复治理和精准管控的关键途径。

针对流域水环境问题解析，众多学者已经开展了大量相关研究[10-16]，主要方法包括相关性分析法、统计学建模和机理过程模型3种。流域涉及的人、地、空、生、水等不同环境组成系统均受物质质量和能量在不同空间和时间尺度上的运动所驱动，且在各系统内部具有的同性、平衡、反馈、滞后、弛豫时间和阈值的特征，使得面向收纳水体时表现出强烈的非线性和复杂性特征[17-18]，因此，以融合多系统、多要素、多过程的流域集成模型备受关注。同时，流域水环境恶化的根本原因是人类活动下的点源和非点源污染物排放，因此采用基于完全耦合模式，并统筹自然条件与人类活动的流域集成模型才能够精准捕捉到各类污染源对下游水体水环境的影响[19]。张万顺等[7]构建的紧密耦合流域自然-社会-经济的大尺度、全过程、长系列、精细化系统“空-地-水”一体化模型体系，解决了各类过程的非线性、区域非均质性、参数尺度效应和不确定性等问题，能够实现污染物负荷核算、污染过程的精准模拟和污染程度的精准预测，并成功应用于多个流域水环境问题研究，如粤港澳大湾区[20-21]、三峡库区流域[22]、太湖流域[23]、汉江中下游流域[24]等，具有较好的系统性和适用性。

香溪河流域是靠近三峡大坝的长江中上游一级支流，发源于湖北省宜昌市神农架林区，该区域是三峡水库的绿色屏障和水源涵养地，被誉为“华中水塔”“华中之肺”和“华中之肾”。笔者统筹考虑上下游、水域与陆域、保护与发展等重要关系，根据污染物多要素多维迁移转化机制，利用 “空-地-水”一体化模型体系，建立针对香溪河流域“源-质”响应关系模型，研究不同污染源对流域水环境质量的贡献，精准剖析香溪河流域水环境问题成因，以期助力该流域实现精准治污，并为我国流域水环境综合治理提供技术参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

香溪河流域位于 110°25′E～111°00′E，30°38′N～31°34′N，干流全长 95 km，有高岚河、古夫河和南阳河三大支流，途经兴山县(约78 km)至秩归县，是三峡库区坝首的第一大支流（图1）。2018年该区域土地利用类型以林地为主，面积占比为86.18%，草地和耕地占比分别为6.26%和5.62%，经济林占比为1.21%。自三峡大坝蓄水以来，2013—2019年流域水质总氮（TN）的年平均浓度为1.65 mg/L，总磷（TP）年平均浓度为0.12 mg/L；夏季水体富营养化严重[25-26]，TN浓度高值为3 mg/L，TP浓度高值为0.2 mg/L，浓度季节性变化明显。

图1 香溪河流域范围、土地利用类型及验证断面分布Fig.1 Scope and landuse type of Xiangxi River Basin and distribution of its verification sections

1.2 数据来源

研究数据主要包括中国科学院的30 m分辨率数字高程模型数据，中国科学院资源环境科学数据中心的2018年100 m×100 m土地利用遥感监测数据，中国科学院南京土壤研究所的土壤空间数据，中国气象科学数据共享中心的逐日气象数据以及宜昌市生态环境局提供的2019年监测断面水质和污染源数据。

2 研究方法

2.1 污染源负荷核算

污染源根据排放方式分为点源和非点源。根据不同污染源类型、排污方式，分别确定相应的负荷核算模式。其中，该流域点源包括工业源、污水处理厂及规模化畜禽养殖，其负荷通过流量、浓度等相应排污信息计算得到；非点源包括未集中收集生活污水及农业源，其负荷通过单元负荷法计算得到，具体计算方法及参数详见文献[27]。

2.2 “源-质”响应关系模型构建

2.2.1 单元划分

基于“空-地-水”一体化模型体系[7]，山区型香溪河流域“源-质”响应关系模型集成了一维河网水动力水质模型和陆地面源模型，其中陆地面源模型的模拟结果作为一维河网水动力水质模型的旁侧入流条件，实现降雨径流面源模型与主河道水动力水质模型的耦合计算[20-21]。该流域陆面单元共划分为91个子流域（图2），生成2 652个水文响应单元；河道汇流关系共划分为5个主河段以及泗湘溪和长沙坝2个关键断面（图3）。

图2 子流域划分Fig.2 Sub-watershed division

图3 河道汇流关系概化及关键断面所在位置Fig.3 Generalization of river confluence relationship and location of key sections

2.2.2 模型参数敏感性分析

香溪河流域为我国富磷地区。为建立针对该流域的本土化自然数据库，通过利用SPAW（Soil-Plant-Air-Water）软件和三次样条插值法进行土壤粒径转换[28-29]，再结合拉丁超立方（LH-OAT）方法开展参数敏感性分析，得到对径流和氮磷要素迁移转化过程影响较大的主要敏感参数取值，结果如表1所示。

表1 香溪河流域敏感参数取值Table 1 Value of sensitive parameters in Xiangxi River Basin

2.2.3 率定验证

模型率定期为2011—2012年，验证期为2019年，计算时间尺度为日尺度。其合理性通过流域的水文站逐日流量和水质监测站的实测水质数据进行检验[29-31]，结果如表2所示。各相关指标的确定性系数（R2）>0.71，Nash 效率系数（ENS）>0.60，相对误差均在10%以内，表明模型能够满足香溪河流域开展“源-质”响应关系研究的要求。

表2 香溪河流域水文、水质率定验证Table 2 Calibration and verification of hydrology and water quantity in Xiangxi River Basin

2.3 计算条件设置

基于污染源负荷核算，根据已构建的“源-质”响应关系模型，设置背景值、工业源、污水处理厂、畜禽养殖、生活源、农业源6种排放条件，建立2019年不同排放条件与流域断面水质之间的响应关系，分析各类污染源排放对流域断面水质的影响。

3 结果与分析

3.1 流域各污染源负荷核算

香溪河流域各污染源负荷核算结果如图4所示。2019年，研究范围内实现在线监控的工业企业有4家，主要排放污染物TP和TN负荷分别为8.05和10.33 t/a；生活污水处理厂为7座，分布于兴山县新城、榛子乡、峡口镇、南阳镇、昭君镇、水月寺镇和黄粮镇，TN和TP负荷分别为17.39和2.02 t/a；研究范围内规模化畜禽养殖共有16家，畜禽养殖类型为生猪、肉牛、蛋鸡，TN和TP负荷分别为370.97、54.45 t/a。农业源涉及玉米、水稻和柑橘等作物种植，总面积为51.21×107m2，农业种植污染源产生的TN和TP流失量分别为552.42和27.92 t/a；该区域常住人口约为21.41万人，其中城镇人口8.77万人、农村人口12.64万人，产生TN和TP负荷分别为544.40和38.75 t/a。总的来说，该流域污染负荷来源主要为规模化畜禽养殖和非点源污染。

图4 香溪河流域各污染源负荷核算Fig.4 Load accounting of pollution sources in Xiangxi River Basin

3.2 流域污染负荷空间分布特征

香溪河流域单位面积TN、TP负荷输出空间分布如图5所示。由图5可见，单位面积TN、TP负荷输出最高的子流域主要为位于南阳水系的昭君镇，分别为 12 970.24 和 522.07 kg/(km2·a)。对于 TN，高岚水系周边的榛子乡、黄梁镇、水月寺镇单位面积负荷输出也较高，为 550.05～2 893.89 kg/(km2·a)；对于TP，单位面积负荷输出较高的子流域主要位于古夫水系与南阳水系交汇处及下游部分，涉及古夫镇、黄梁镇、昭君镇和峡口镇，负荷为13.94～98.84 kg/(km2·a)。香溪河流域内人类活动有明显的沿河分布特征，其中耕地类型最为明显；其次为建设用地，多分布于流域中部高岚水系和香溪河干流处。一方面，受长期社会经济发展影响，区域内有较多的工业企业、污水处理厂排放污染物；另一方面，基于小农生产的自给自足，碎片化农业大多聚集于农民生活区的辐射半径内[32-33]。随着退耕还林等环境保护措施的实施，虽然部分坡耕地替换为柑橘、茶园等经济林地[34]，但是受区域本身自然环境条件限制[35]，且规模越小，单位农业用地化学品投入量越高，利用效率越低，进一步导致氮磷流失现象较严重[36]。

图5 香溪河流域TN、TP污染负荷分布Fig.5 Distribution of TN and TP pollution load in Xiangxi River Basin

3.3 流域水环境对污染源的响应

面向香溪河流域泗湘溪、长沙坝断面，根据已构建的“空-地-水”一体化模型，模拟5种排污条件对流域断面水质变化的影响，结果如图6所示。由图6可见，不论是泗湘溪断面还是长沙坝断面，工业源、污水处理厂和畜禽养殖相比于背景值浓度变化较为明显，全年负荷增加值最高。去除背景值影响，对于泗湘溪断面，污水处理厂全年输出TN、TP总量为193.28和 40.51 t/a，工业源为226.25和 31.69 t/a，畜禽养殖为187.75和29.82 t/a。对于长沙坝断面，污水处理厂全年输出TN、TP总量为376.31和48.97 t/a，工业源为295.30和39.91 t/a，畜禽养殖为128.09和41.61 t/a。一方面是因为乡村人口数逐年减少，2018—2021年香溪河流域常住人口数从16.6万人减少到15.3万人，另一方面则是由于城市生活污水均由污水处理厂处理后排入河流。且随着香溪河流域畜禽养殖数量及规模逐步扩大，畜禽养殖业污染对流域水质污染的贡献日益突显[37]。

图6 2019年不同排污条件下泗湘溪、长沙坝断面TN和TP逐日浓度变化Fig.6 Daily variations of TN and TP concentrations in Sixiangxi and Changshaba sections under different sewage discharge conditions in 2019

3.4 污染源对不同断面TP和TN浓度的贡献

不同污染源对泗湘溪断面水质变化的贡献率如表3所示。由表3可见，污水处理厂、工业源和畜禽养殖是影响香溪河流域水环境的3个主要污染源，其总贡献率超过60%。对于泗湘溪断面TN浓度和TP浓度，工业源贡献率为29.20% 和20.11%，污水处理厂贡献率为24.71%和25.97%，畜禽养殖贡献率为23.95%和18.86%，生活源贡献率为10.75%和14.95%，农业源贡献率为11.39%和20.11%。对于长沙坝断面TN浓度和TP浓度，工业源贡献率为24.97%和20.44%，污水处理厂贡献率为32.21%和20.11%，畜禽养殖贡献率为22.33%和25.35%，生活源贡献率为10.02%和16.26%，农业源贡献率为10.47%和16.59%。除传统工业源和污水处理厂直接入河的污染源外[38]，畜禽养殖作为目前影响TP、TN浓度的主要来源[39]，应该给予足够的重视。

表3 各类污染源对断面TN和TP浓度的贡献率Table 3 Contribution rate of pollution sources to TN and TP in different sections %

4 讨论

由于香溪河流域各区域社会经济发展和自然条件差异明显，流域污染负荷呈现明显的空间差异性，不同污染源对香溪河水环境影响也呈现一定的差异性。

(1) 受人类活动影响，单位面积TP、TN高负荷输出的子流域分布较为集中。单位面积TP负荷输出较高的子流域主要位于古夫镇、黄梁镇、昭君镇和峡口镇；单位面积TN负荷较高的子流域主要集中于昭君镇、榛子乡、黄梁镇、水月寺镇，其中以昭君镇最为突出。昭君镇拥有较多生产化学品、食品添加剂的化工企业以及规模化畜禽养殖企业，其中生猪年存栏量超1万头，同时还有部分蛋鸡养殖；黄梁镇和峡口镇受农业面源污染影响较大，一方面两镇农村人口较多，均超过1万人，农村生活污水直排，且农村生活垃圾产生量大；另一方面两镇农业耕地面积广，分别为31.48、30.23 km2，沿河坡度大于15°的耕地及园地种植面积占比约75%，高坡度种植进一步加剧了农业面源污染。其他位于高岚水系周边的榛子乡、黄梁镇、水月寺镇等也存在类似问题，且现象普遍存在于三峡库区诸多流域[40]。

(2)针对不同监测断面水质TP、TN浓度，区域污染源对其贡献有所差异，但污水处理厂、工业源和规模化畜禽养殖污染排放均是影响水质的主要原因。具体体现在：1）流域内沿河区域涉及磷化工生产的部分企业，污水处理设施处理率低，对雨污分流考虑不充分。2）城镇污水处理厂早期铺设的管网雨污混接，尤其在雨季或短时集中暴雨情况下，污水溢流现象严重，截污纳管工程推进滞后。3）规模化养殖方面，流域内部分乡镇虽然已经要求规模户与次规模化养殖户全面实施栏圈改造，做到雨污分流，但很少考虑养殖过程中粪便冲刷带来的污水直排问题，导致大量含高浓度氮磷污水直接进入环境。且部分居民集中点和零散住户沿河分布，农村生活污水处理和生活垃圾处置基础设施建设薄弱，沿河农村居民生活污水未经任何处理直接入河。除前期已确定的由于低山丘陵地貌带来的坡耕地氮磷大量流失外[22]，污水处理厂、工业企业和畜禽养殖带来的高负荷氮磷输出对水质的影响也不可小觑。因地制宜，加强流域综合治理、系统治理、源头治理是当下解决该流域水环境问题的关键。

5 结论

从香溪河流域系统性和特殊性出发，应用“空-地-水”一体化模型体系，构建了香溪河流域“源-质”响应关系模型，以期 “精准把脉，精准施策”，着力破解影响水环境质量的症结性问题。TP污染负荷较高区域为泗湘溪周边及下游部分子流域，TN污染负荷较高区域为中游部分子流域，TP与TN最高负荷子流域单元均位于昭君镇，负荷分别为522.07和12 970.24 kg/(km2·a)。其中污水处理厂、工业源和规模化畜禽养殖是影响香溪河水质TP和TN浓度的重要污染源。香溪河水环境问题主要是沿河磷化工企业排放负荷超标、畜禽养殖规模日益扩大、生活污染集中处理设施薄弱及坡地种植带来的氮磷流失。因此，亟需推进以工业源、畜禽养殖和生活污染源为主的流域污染源综合治理，同时加快农业面源污染全面防治，构建减排和增容相结合的污染控制模式，完善流域水生态环境空间管控，最终实现香溪河流域水环境、水资源与水生态良性循环发展。