1 引言

　　三峽水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)水環(huán)境問(wèn)題備受關(guān)注.與蓄水前比較，庫(kù)區(qū)干流水質(zhì)沒(méi)有明顯的惡化趨勢(shì)，水體理化性質(zhì)基本保持穩(wěn)定，但部分支流富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題嚴(yán)重，頻繁爆發(fā)水華現(xiàn)象.非點(diǎn)源氮磷是三峽庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化和水華暴發(fā)的主要控制性因素.非點(diǎn)源污染負(fù)荷分布隨時(shí)間和空間變化較大，具有一定的不確定性，定量化研究具有較大的難度.香溪河是三峽水庫(kù)壩首湖北境內(nèi)的第一大支流，自蓄水以來(lái)，庫(kù)灣氮磷濃度嚴(yán)重超標(biāo)，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重，每年均爆發(fā)不同頻率、不同規(guī)模的水華現(xiàn)象.香溪河流域內(nèi)土地利用復(fù)雜，耕種強(qiáng)度大，非點(diǎn)源負(fù)荷是主要污染源.目前，對(duì)于香溪河流域非點(diǎn)源氮磷定量化研究的結(jié)果差異較大，且缺少氮磷輸出的時(shí)空分布信息，其結(jié)論不足以指導(dǎo)水體富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)和管理控制工作.基于此，本文針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)支流水體富營(yíng)養(yǎng)化及水華問(wèn)題，以香溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，構(gòu)建香溪河流域SWAT模型，進(jìn)行非點(diǎn)源氮磷不同時(shí)空尺度分布式模擬和分析，為有針對(duì)性地開(kāi)展流域非點(diǎn)源污染氮磷流失控制和管理提供基礎(chǔ)依據(jù).

　　2 研究對(duì)象與方法

　　2.1 研究區(qū)概況

　　香溪河是長(zhǎng)江干流三峽庫(kù)區(qū)壩首的第一條一級(jí)支流，位于30°57′~31°34′N(xiāo)，110°25′~111°06′E，流域面積3089 m2，年徑流量19.56億m3.主要水系中高嵐水系流域面積749 km2，古夫水系流域面積1130 km2，南陽(yáng)水系流域面積578 km2.流域地形高程變化大，形成流域內(nèi)典型的立體植被特征和土壤類(lèi)型結(jié)構(gòu)特點(diǎn).流域內(nèi)人多地少，實(shí)踐“高投入，高產(chǎn)出”傳統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)模式，在降雨驅(qū)動(dòng)下水土流失和化肥流失引起的環(huán)境效應(yīng)是香溪河庫(kù)灣水體污染的重要原因.

　　2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

　　本文通過(guò)構(gòu)建SWAT模型進(jìn)行流域非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷模擬，該模型在三峽庫(kù)區(qū)大寧河、小江等支流均有應(yīng)用，模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠本研究需要輸入的數(shù)據(jù)量巨大、種類(lèi)繁多，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)(地形、土壤、土地利用等專(zhuān)題圖)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、水文氣象數(shù)據(jù)表及位置表、土壤和土地利用索引表、農(nóng)耕管理數(shù)據(jù)、模型校驗(yàn)所需的水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)等.本文中數(shù)據(jù)資料來(lái)源和基本情況具體見(jiàn)表 1.

　　表1 建模所需的基本資料

 　  降雨-徑流是水文循環(huán)的重要部分，也是非點(diǎn)源污染物輸出的主要途徑.本文利用2000—2006年徑流用來(lái)率定模型，2007—2009年徑流驗(yàn)證模型.率定期徑流模擬效率系數(shù)為0.653，決定系數(shù)為0.784，驗(yàn)證期徑流模擬效率系數(shù)和決定系數(shù)分別是0.86和0.91，表明建立的模型在香溪河流域的模擬結(jié)果可靠.

　　3 非點(diǎn)源氮磷分布規(guī)律研究

　　3.1 隨時(shí)間變化規(guī)律

　　非點(diǎn)源污染隨降雨徑流輸出，雨季是非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的重要時(shí)段.圖 3為2000—2009年月降雨和徑流的變化，降雨主要集中在每年的4—9月，徑流變化受降雨影響，并與其呈正相關(guān)關(guān)系，豐水季節(jié)流量較大，局部時(shí)段受上游水庫(kù)調(diào)蓄影響，改變了天然的徑流過(guò)程，徑流過(guò)程滯后于降雨過(guò)程.從圖 4中發(fā)現(xiàn)，TN和TP負(fù)荷主要集中在多雨季節(jié)(4—9月)，占年度負(fù)荷總量的70%以上，呈現(xiàn)出明顯的枯豐季節(jié)變化特征.圖 5顯示了2000—2009年匯入興山水文站監(jiān)測(cè)斷面的TN、TP年負(fù)荷量和年降雨量，TN和TP負(fù)荷大小與降雨量大小變化趨勢(shì)基本一致，分別在2007年達(dá)最大值(TN 3.48×103 t和TP 0.40×103 t)，在2005年達(dá)到最低值(TN 2.04×103 t和TP 0.23×103 t). 降雨量與TN、TP的相關(guān)系數(shù)分別是0.72、0.33，它們之間的差異主要是下墊面空間和降雨時(shí)間差異，導(dǎo)致降雨產(chǎn)流機(jī)制和污染流失機(jī)制的不同，降雨是非點(diǎn)源污染輸出的主要?jiǎng)恿Γ�不僅受降雨總量影響，還與降雨強(qiáng)度有關(guān).氮素流失受降雨影響顯著，降雨強(qiáng)度大主要隨地表徑流流失，降雨強(qiáng)度小隨壤中流流失;而磷素的流失主要隨降雨地表徑流流失，在壤中流產(chǎn)流階段，磷素流失量很小.

　　圖3 月降雨和月流量的變化

　　圖4 流域出口每月TN和TP負(fù)荷變化

　　圖5 年降雨量及流域出口TN、TP年負(fù)荷

　　3.2 隨空間變化規(guī)律

　　根據(jù)2000—2009年共10年的模擬結(jié)果，每年匯入古夫河、南陽(yáng)河、高嵐河的TN分別是1.01×103、0.43×103、1.17×103 t，TP分別是139.9、46.5、117.6 t，TN貢獻(xiàn)率為高嵐水系>古夫水系>南陽(yáng)水系，TP貢獻(xiàn)率為古夫水系>高嵐水系>南陽(yáng)水系.單位面積平均負(fù)荷TN和TP均為高嵐水系>古夫水系>南陽(yáng)水系.主要原因是高嵐流域地表坡度、耕種強(qiáng)度和耕地面積比例較大，水土流失導(dǎo)致農(nóng)業(yè)化肥流失較多，南陽(yáng)水系發(fā)源與神農(nóng)架林區(qū)，森林覆蓋良好，降雨引起的污染輸出負(fù)荷較小.根據(jù)TN和TP負(fù)荷模擬結(jié)果的空間分布可知，香溪河流域TN和TP單位流失量較大值出現(xiàn)在高嵐和古夫流域，較小值出現(xiàn)在海拔較高的林區(qū)，TN和TP輸出負(fù)荷強(qiáng)度變化空間差異較大，差異系數(shù)分別是0.34和0.58，流域內(nèi)TN和TP平均源強(qiáng)(面積加權(quán))分別為16.73 kg · hm-2 · a-1和1.32 kg · hm-2 · a-1，TN最大值和最小值分別是29.39 kg · hm-2 · a-1和3.86 kg · hm-2 · a-1，TP最大值和最小值分別是4.90 kg · hm-2 · a-1和0.54 kg · hm-2 · a-1，氮磷負(fù)荷空間分布變化規(guī)律基本一致.結(jié)合土地利用、土壤類(lèi)型、地形坡度專(zhuān)題圖，因高嵐流域地表坡度、耕種強(qiáng)度和耕地面積比例較大，水土流失導(dǎo)致農(nóng)業(yè)化肥流失較多，南陽(yáng)水系發(fā)源與神農(nóng)架林區(qū)，森林覆蓋良好，降雨引起的污染輸出負(fù)荷較小.

　　3.3 非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷形態(tài)分布規(guī)律

　　從化學(xué)形態(tài)上，TN分為有機(jī)氮(ORG-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、亞硝氮(NO2--N)4種形態(tài)，TP分為礦物磷(MIN-P)和有機(jī)磷(ORG-P)兩種形態(tài).圖 7為2000—2009年香溪河流域非點(diǎn)源氮磷的各形態(tài)輸出變化.由圖 7可知，TN以NO3--N流失為主，其次是ORG-N、NH4+-N、NO2--N;從各形態(tài)氮素的輸出變化過(guò)程看，季節(jié)變化明顯，豐水季節(jié)受降雨影響，維持在較高的水平，枯水期基本處于穩(wěn)定不變狀態(tài)，除NO3--N外，其他形態(tài)氮素含量極低.這可能與氮素的存在形態(tài)及輸出遷移驅(qū)動(dòng)力有關(guān)，土壤膠體帶負(fù)電荷，與ORG-N和NH4+-N結(jié)合穩(wěn)定，在沒(méi)有降雨徑流驅(qū)動(dòng)作用下很難流失，NO3--N帶負(fù)電，且易溶于水，遷移能力強(qiáng)，即使在沒(méi)有降雨地表徑流作用下，同樣會(huì)隨淺層地下水進(jìn)入河道.與氮素相比，磷的遷移能力較弱，遷移數(shù)量少，主要以MIN-P為主.從MIN-P和ORG-P的輸出變化過(guò)程看，輸出負(fù)荷豐枯期變化明顯，枯水期各形態(tài)均處特低水平.

　　圖7 香溪河流域出口氮素、磷素各形態(tài)輸出年尺度負(fù)荷模擬變化

　　基于2000—2009年月尺度模擬結(jié)果，進(jìn)行氮磷各形態(tài)之間的相關(guān)性分析，結(jié)果表明，TN與各形態(tài)氮磷顯著相關(guān)，TP與MIN-P的相關(guān)系數(shù)r為0.8634，ORG-N與ORG-P的相關(guān)系數(shù)r為0.9839，NH4+-N與NO2--N的相關(guān)系數(shù)r為0.9732，具體各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)及顯著性見(jiàn)表 2.

　　表2 氮磷相關(guān)性分析結(jié)果

　　4 結(jié)論、

　　通過(guò)構(gòu)建適合香溪河流域特征的SWAT模型，進(jìn)行了不同時(shí)空尺度非點(diǎn)源氮磷及形態(tài)負(fù)荷輸出模擬，模擬結(jié)果表明：

　　1)輸出控制的重點(diǎn)支流是高嵐河流域和古夫流域，尤其是耕地面積比例較大的水月寺、黃糧、榛子、古夫4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以及庫(kù)灣周邊.

　　2)降雨是非點(diǎn)源污染的驅(qū)動(dòng)力，負(fù)荷大小與降雨量呈正相關(guān)，TN和TP輸出負(fù)荷主要集中在4—9月的豐水期，入庫(kù)貢獻(xiàn)率分別是84.1%和89.4%，符合非點(diǎn)源污染產(chǎn)生規(guī)律.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.xhxdt.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3)TN以NO3--N流失為主，TP以MIN-P流失為主，TN和各形態(tài)氮磷相關(guān)性顯著，TP與MIN-P、ORG-N與ORG-P、NH4+-N與NO2--N顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r高達(dá)0.9以上.