小流域非點(diǎn)源污染模擬與生態(tài)修復(fù)影響評價(jià)

吳敬東, 楊勝天, 葉芝菡, 胡曉靜, 張耀方

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院， 北京100048； 2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院， 北京 100875)

非點(diǎn)源污染或面源污染(non-point source pollution)是指在降雨徑流(包括灌溉)的淋溶和沖刷作用下，大氣、地面和土壤中的污染物進(jìn)入江河、湖泊、水庫和海洋等水體而造成的水污染[1]。目前，大量研究證明，非點(diǎn)源污染是導(dǎo)致水環(huán)境惡化的主要原因之一。據(jù)美國、日本等國的科學(xué)研究報(bào)道，即使點(diǎn)源污染得到全面控制，江河的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率也僅為65%，湖泊的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為42%，海域水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為78%。在我國，云南省滇池、天津市于橋水庫、安徽省巢湖、江蘇省太湖和遼寧省大伙房水庫等水域，其非點(diǎn)源污染比例均超過點(diǎn)源污染，非點(diǎn)源污染已上升為威脅人類飲用水的主要原因[2]。

當(dāng)前，對密云庫上游非點(diǎn)源污染產(chǎn)生、排放和遷移轉(zhuǎn)換機(jī)理研究不是很深入，對流域不同區(qū)域種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污水產(chǎn)生、排放系數(shù)及源強(qiáng)等重要參數(shù)還不掌握，對河湖水庫的水污染變化規(guī)律也不是很清楚，對各種非點(diǎn)源污染控制措施的效果效益研究也較少。因此，在點(diǎn)源控制技術(shù)相對成熟之后，對非點(diǎn)源污染機(jī)理及防控技術(shù)和措施的研究，成為當(dāng)前非點(diǎn)源污染研究的熱點(diǎn)。密云水庫是北京城市供水的唯一大型地表水源，也是南水北調(diào)工程通水后余水存蓄庫，保護(hù)好密云水庫水源對北京城市供水系統(tǒng)的保障、調(diào)節(jié)和儲備安全有重大意義。由于人為活動的影響，密云水庫流域的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了急劇的變化，入庫徑流污染物濃度有增加趨勢，水庫水質(zhì)安全壓力大增。本文通過開展水源地非點(diǎn)源污染研究，摸清非點(diǎn)源污染主要來源、傳輸途徑及污染貢獻(xiàn)，旨在為保護(hù)密云水庫水源地、開展流域山水林田湖一體化修復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

選擇北京密云水庫上游蛇魚川小流域作為研究區(qū)。蛇魚川小流域位于北京市密云水庫西北側(cè)，東經(jīng)116°47′—116°57′，北緯40°35′—40°39′，屬于白河水系蛇魚川河流域，蛇魚川河直接注入密云水庫，小流域地跨密云水庫一級(西灣子村)和二級(黃峪口村)水源保護(hù)區(qū)。蛇魚川小流域面積25.66 km2。蛇魚川小流域?qū)傺嗌缴矫}，地勢北高南低，海拔高度為145～940 m。全流域坡度變化于0°～79°，坡度大于35°的面積占到全流域面積的56%，陡坡在流域內(nèi)普遍存在。土壤以褐土為主，包括淋溶褐土和普通褐土。土壤質(zhì)地較粗，多為砂壤土，顆粒松散，黏粒含量低，保水性較差，容易產(chǎn)生土壤侵蝕。流域?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶櫚敫珊禋夂?，四季分明，冬季干燥寒冷，夏季炎熱，雨量集中且多暴雨，春季干旱多風(fēng)。流域多年平均降水量為652 mm，75%集中在6—9月份。1月份平均氣溫-6.6 ℃，7月份平均氣溫24.8 ℃。無霜期為176 d，年日照時數(shù)為2 762 h，最大凍土深為85 cm。小流域植被類型有人工的針葉林、落葉闊葉林、灌叢、灌草從、草叢、水生植物以及經(jīng)濟(jì)林、農(nóng)田等植被。

2 研究方法

本研究從流域土地利用類型出發(fā)，利用EcoHAT-LCM模型和傳統(tǒng)大尺度非點(diǎn)源污染模型相結(jié)合的模式，分別計(jì)算各流域場次降雨徑流過程和非點(diǎn)源污染負(fù)荷，利用EcoHAT-LCM模型計(jì)算流域水文過程，再利用大尺度非點(diǎn)源污染模型，分別模擬流域多年平均、5 a一遇和10 a一遇暴雨產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷和吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷，設(shè)置情景分析，評價(jià)小流域生態(tài)建設(shè)方案對密云水庫流域水文過程和污染防控效果影響。

2.1 EcoHAT-LCM模型

EcoHAT-LCM模型是劉昌明等[3-8]在陜西、甘肅、四川、青海、西藏和新疆等地區(qū)做了大量坡地降雨實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)途徑探討了暴雨徑流的超滲產(chǎn)流理論，并在這一理論的基礎(chǔ)上提出的暴雨徑流模型。

產(chǎn)流模型是LCM暴雨徑流模型的核心內(nèi)容，其通過LCM入滲公式計(jì)算單位時段內(nèi)入滲量，并耦合水量平衡方程，以參數(shù)優(yōu)化選擇方法率定模型不確定性參數(shù)，再求算各個水文分量。對于地表及地表以下的產(chǎn)流過程，LCM模型采用出流系數(shù)法計(jì)算壤中流和地下徑流。

LCM模型中產(chǎn)流模型將整個過程分為地表層、土壤層和地下水層3步進(jìn)行：首先計(jì)算土壤的下滲能力，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

f=R·Pr

(1)

R=0.878 1×ln(r)+1.342 2

(2)

式中：f——下滲量/mm；P——降雨量/mm；R，r——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與土地利用/覆蓋和土壤水含量有關(guān)，是計(jì)算產(chǎn)流過程的關(guān)鍵。

地表徑流量的計(jì)算基于水量平衡方程，即地表徑流量等于降水量減去下滲量：

Qd=P-f=P-R·Pr

(3)

計(jì)算壤中流量時，考慮壤中流與土壤濕度和降水入滲量成正比，因此，經(jīng)驗(yàn)公式為：

Ql=La·(Ws/Wsm)·f

(4)

式中：La——壤中流系數(shù)；Ws——非飽和土壤含水量(mm)；Wsm——土壤最大蓄水量(mm)；Ql——壤中流量(mm)。

地下水補(bǔ)給量與基流的計(jì)算同樣基于水量平衡方程，計(jì)算公式為：

REC=Rc·(Ws/Wsm)·(f-Ql)

(5)

Qb=Kb·(GWs+REC)

(6)

式中：REC——地下水補(bǔ)給量(mm)；Rc——地下水補(bǔ)給系數(shù)；Kb——基流系數(shù)； GWs——地下水儲量(mm)。

坡面匯流采用等流時線法?；贒EM數(shù)據(jù)，進(jìn)行子流域劃分，結(jié)合流域等流時線分布圖，劃分子流域內(nèi)等流時線空間分布，以等流時線區(qū)間為單元，計(jì)算流域內(nèi)坡面匯流過程。子流域等流時線計(jì)算公式為：

Tsub_i=Ti-Tmin_i

(7)

式中：Tsub_i——調(diào)整后第i個子流域內(nèi)某點(diǎn)匯流到子流域出口時長；Ti——第i個子流域內(nèi)某點(diǎn)匯流到全流域出口時間；Tmin_i——第i個子流域內(nèi)匯流到全流域出口最短時間。

河道匯流采用馬斯京根法?；贏rcGIS子流域?qū)傩杂?jì)算結(jié)果，結(jié)合子流域上下游拓?fù)潢P(guān)系，應(yīng)用馬斯京根方程對子流域間河道匯流過程進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算公式為：

Qout,2=C1·Qin,2+C2·Qin,1+C3·Qout,1

(8)

式中：Qin,1，Qin,2——河道時段初和時段末入流量(m3/s)；Qout,1，Qout,2——河道時段初和時段末出流量(m3/s)；C1，C2，C3——調(diào)節(jié)系數(shù)。

2.2 大尺度非點(diǎn)源污染模型

大尺度非點(diǎn)源污染模型是郝芳華、楊勝天、程紅光等[9-10]在充分借鑒統(tǒng)計(jì)性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理性過程模型優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國在非點(diǎn)源污染調(diào)查工作中的實(shí)際情況構(gòu)建的，將非點(diǎn)源污染負(fù)荷產(chǎn)生和運(yùn)移過程分成溶解態(tài)污染負(fù)荷和吸附態(tài)污染負(fù)荷分別進(jìn)行：在溶解態(tài)污染模型中，按城市徑流、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田徑流4種類型進(jìn)行模擬；在吸附態(tài)污染模型中，先調(diào)用土壤侵蝕模型，估算出研究區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕量，然后借助構(gòu)建的表層土壤氮磷含量數(shù)據(jù)庫，完成水蝕環(huán)境下吸附態(tài)氮磷的負(fù)荷量估算。

2.2.1 模型原理 從影響非點(diǎn)源污染產(chǎn)生要素來看，污染形成主要取決于兩個方面[11-15]： ①地表污染物的量級大小及存在形態(tài)，即源強(qiáng)要素； ②降水沖刷產(chǎn)流過程的影響程度，即產(chǎn)流要素。前者是流域社會經(jīng)濟(jì)特征的綜合反映，包括居民的生活方式(如污水、垃圾排放)、城市發(fā)展水平(如排水管道鋪設(shè)、垃圾處理)、農(nóng)業(yè)活動(如化肥、農(nóng)藥的施用)和畜牧業(yè)發(fā)展情況等；后者則體現(xiàn)出區(qū)域的自然環(huán)境特征，包括氣候條件(如降水頻次、雨強(qiáng)、雨量)、土壤類型、地形特征和植被蓋度等，這兩方面因素是模型構(gòu)建過程中主要考慮的因素。其次，從污染物產(chǎn)生、輸移和轉(zhuǎn)化規(guī)律看，非點(diǎn)源污染物有兩類：一類為溶解態(tài)污染物，另一類為吸附態(tài)污染物。溶解態(tài)污染物即表明該物質(zhì)具有水溶性，能隨地表徑流一起發(fā)生遷移，整個過程受水循環(huán)控制，主要來自城市徑流、農(nóng)田徑流、農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖等人類活動；吸附態(tài)污染物即污染物通過附著于顆粒體(泥沙)實(shí)現(xiàn)遷移運(yùn)動，其過程同水土流失密切相關(guān)。

2.2.2 溶解態(tài)模型 溶解態(tài)污染負(fù)荷采用二元結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為影響非點(diǎn)源產(chǎn)生和分布的因子主要是兩個方面，即區(qū)域的自然環(huán)境特征和社會經(jīng)濟(jì)活動。這兩個方面的影響又分別歸納為土壤類型、土地利用、地形、降雨以及開發(fā)強(qiáng)度等。在上述因素中，地形、降雨和土壤結(jié)構(gòu)屬于自然因子，而土地利用和開發(fā)強(qiáng)度屬于社會因子。綜合考慮社會、自然二元因子的影響，按農(nóng)田、農(nóng)村居民點(diǎn)、畜禽養(yǎng)殖(大牲畜、小牲畜)幾種類型分別計(jì)算。

(9)

式中：i——非點(diǎn)源污染類型，分別是城市徑流、農(nóng)村居民點(diǎn)、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田徑流4個類型；n——非點(diǎn)源污染類型數(shù)；C——單位面積非點(diǎn)源污染負(fù)荷(t/km2)；Qi——單位面積非點(diǎn)源污染源強(qiáng)(t/km2)；ε——徑流系數(shù)；ε0——標(biāo)準(zhǔn)徑流系數(shù)，反映不透水硬化地面情況；k——地面沖刷系數(shù)；R——標(biāo)準(zhǔn)雨強(qiáng)(mm/d)；t——降雨歷時(d)；Ni——自然因子修正系數(shù)，表示自然因子修正，如在非點(diǎn)源污染產(chǎn)生過程中需要進(jìn)一步修正的坡度、植被覆蓋和土壤等因子；Si——社會因子修正系數(shù)，表示社會發(fā)展程度對非點(diǎn)源污染源強(qiáng)的削弱程度。

2.2.3 吸附態(tài)模型 土壤侵蝕與非點(diǎn)源污染是一對密不可分的共生現(xiàn)象，在農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中表現(xiàn)的尤其明顯。從本質(zhì)上來說，土壤侵蝕產(chǎn)生的泥沙本身就是一種特殊的非點(diǎn)源污染物，會增加水體濁度，破壞水生生物的棲息生存環(huán)境，而且泥沙中往往攜帶了大量的有機(jī)物、磷酸鹽、銨離子等，從而造成受納水體污染。非點(diǎn)源污染類型泥沙的產(chǎn)生受到眾多外界因素的影響，污染源與受納水體間的空間距離、地形坡度與土壤糙度、地表植物的滯留作用、積水和低洼區(qū)等均會影響進(jìn)入水體的輸沙量。吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷受土壤侵蝕狀況的控制，其計(jì)算模型為：

Ca=X·Qa·η

(10)

式中：Ca——吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷(t/km2)；X——土壤侵蝕量(t/km2)；Qa——吸附態(tài)非點(diǎn)源污染源強(qiáng)(%)；η——吸附態(tài)非點(diǎn)源污染富集系數(shù)。

2.2.4 土壤侵蝕模型 本研究采用修正的MUSLE方程計(jì)算土壤侵蝕量，計(jì)算公式為：

Sed=11.8·(RS·qpeak·Apixel)0.56·

KUSLE·CUSLE·PUSLE·LSUSLE·CFRG

(11)

式中：Sed——土壤流失量(t)；RS——地表徑流量(mm)；qpeak——洪峰徑流(m3/s)；Apixel——柵格單元面積(hm2)；KUSLE——土壤可蝕性因子；CUSLE——植被覆蓋和作物管理因子；PUSLE——保持措施因子；LSUSLE——地形因子； CFRG——粗碎屑因子。

洪峰徑流計(jì)算公式為：

(12)

式中：αtc——匯流時段內(nèi)日降雨比例，對于日尺度模型取值1；tconc——柵格匯流時間，對于日尺度模型取值24； 3.6——單位轉(zhuǎn)換因子。

土地利用信息提取采用2017年GF-1衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為10 m；同時應(yīng)用無人機(jī)機(jī)載多光譜傳感器獲取研究區(qū)內(nèi)敏感區(qū)域下墊面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為1 m，再結(jié)合地面測量，按照3級分類標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行土地利用信息提取，獲取整個研究區(qū)的土地利用與土地覆蓋信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域土地利用特征

根據(jù)土地利用特征分析結(jié)果進(jìn)行蛇魚川小流域土地利用類型專題圖制作，如附圖3和表1所示，小流域內(nèi)林地面積最大，占流域面積的93%，其中天然林地2 056.49 hm2，占流域面積的80%，以板栗樹和核桃樹為主的經(jīng)濟(jì)林(屬其他林地)占13%。林地面積與旱地和草地面積合計(jì)，流域植被覆蓋面積達(dá)到2 451.07 hm2，占全流域的96%。

表1 蛇魚川小流域土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

3.2 小流域EcoHAT-LCM模型計(jì)算

應(yīng)用EcoHat-LCM模型分別模擬蛇魚川小流域多年平均、5 a一遇和10 a一遇的洪水徑流過程線。由于流域內(nèi)無雨量站，無法獲取歷史雨量資料，選取離蛇魚川小流域最近的張家墳雨量站來代表當(dāng)?shù)氐挠炅繝顩r。

根據(jù)《北京水文手冊》，獲得張家墳雨量站多年平均、5 a一遇、10 a一遇的24 h暴雨量，不同頻率場次暴雨量詳見表2，同時雨量累積曲線采用《北京水文手冊》中確定的北京山區(qū)24 h降雨雨型。

表2 蛇魚川小流域不同頻率場次暴雨量

基于ASTER-GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行研究區(qū)河網(wǎng)提取，子流域劃分和等流時線計(jì)算[16]，并對各子流域內(nèi)部的等流時線進(jìn)行調(diào)整，將等流時線劃分到各子流域中，實(shí)現(xiàn)對子流域內(nèi)部坡面單元的劃分，為坡面匯流過程提供空間數(shù)據(jù)支持。

由于北京地區(qū)近年來降水持續(xù)偏少，氣候偏旱，因此模型土壤入滲系數(shù)選擇主要參考張亦弛[17]的黃河多沙粗沙區(qū)LCM模型分布式構(gòu)建與應(yīng)用碩士論文結(jié)果來分析蛇魚川小流域不同頻次設(shè)計(jì)暴雨的洪峰流量，入滲參數(shù)選擇如表3所示。

表3 偏旱狀況下的土壤入滲系數(shù)查找表

通過對設(shè)計(jì)暴雨數(shù)據(jù)進(jìn)行IDW(inverse distance weight)空間插值處理，獲取小時尺度面雨量數(shù)據(jù)，結(jié)合DEM流域匯流屬性數(shù)據(jù)[18]，分布式構(gòu)建確定LCM模型對降雨空間異質(zhì)性的響應(yīng)機(jī)制，基于土地利用、土壤質(zhì)地等柵格數(shù)據(jù)對LCM模型下滲系數(shù)實(shí)現(xiàn)空間離散化處理，最后應(yīng)用分布式LCM模型對蛇魚川小流域多年平均、5 a和10 a這3種設(shè)計(jì)頻率暴雨分別進(jìn)行徑流模擬。偏旱狀況下蛇魚川小流域在多年平均、5 a一遇和10 a一遇場次暴雨下的洪峰流量，分別為34.07，76.45和131.80 m3/s，與吳敬東[19]用WMS模型的模擬結(jié)果近似，分別為39.82，81.43和132.89 m3/s。

3.3 小流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算

應(yīng)用大尺度非點(diǎn)源污染模型結(jié)合LCM模型的模擬結(jié)果，分別模擬蛇魚川小流域多年平均、5 a一遇和10 a一遇暴雨產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷和吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷。首先模擬得到流域土壤侵蝕狀況，不同頻率場次暴雨下研究區(qū)土壤侵蝕的空間分布如圖1所示。多年平均暴雨下，蛇魚川小流域大部分坡面區(qū)域土壤侵蝕屬微度侵蝕，輕度侵蝕主要分布在山區(qū)旱地。5 a一遇暴雨下，蛇魚川小流域大部分坡面區(qū)域土壤侵蝕仍屬微度侵蝕，但在北部和西部部分山區(qū)，出現(xiàn)了輕度侵蝕。10 a一遇暴雨下，蛇魚川小流域大部分坡面區(qū)域以輕度侵蝕為主，其次是微度侵蝕，山區(qū)旱地為中度侵蝕或強(qiáng)度侵蝕。

對研究區(qū)在不同頻率場次暴雨下的土壤侵蝕量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(詳見表4)。多年平均暴雨下全流域平均侵蝕模數(shù)為5.99 t/km2，微度侵蝕占全流域面積的98.3%，輕度侵蝕占1.7%；5 a一遇暴雨下全流域平均侵蝕模數(shù)為13.86 t/km2，微度侵蝕占80.7%，輕度侵蝕占19.3%，中度侵蝕占0.1%；10 a一遇暴雨下全流域平均侵蝕模數(shù)為24.96 t/km2，微度侵蝕占42%，輕度侵蝕占57.5%，中度侵蝕占0.4%，強(qiáng)度侵蝕占0.1%。

總體上，蛇魚川小流域由于植被覆蓋率高，占全流域的96%，土壤侵蝕以微度侵蝕為主，但是隨著暴雨量的增加，侵蝕級別向輕度侵蝕方向移動，當(dāng)暴雨量為10 a一遇時，將出現(xiàn)強(qiáng)度侵蝕。不同頻率場次暴雨產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷和吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的空間分布分別如圖2—4所示。流域內(nèi)溶解態(tài)N，P負(fù)荷最高的為經(jīng)濟(jì)林地和居民點(diǎn)，其次為旱地，這3種土地利用類型受人類活動影響，施用大量化肥或產(chǎn)生大量垃圾、生活污水，導(dǎo)致溶解態(tài)非點(diǎn)源N，P負(fù)荷高。吸附態(tài)N，P負(fù)荷與土壤流失量密切相關(guān)，由于流域內(nèi)土壤侵蝕主要發(fā)生在林地，通過林地水土流失帶走的吸附態(tài)N，P負(fù)荷相對較高。

表4 不同頻率場次暴雨下蛇魚川小流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)情況

圖2 多年平均暴雨下產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷

對研究區(qū)在不同頻率場次暴雨下產(chǎn)生的非點(diǎn)源N，P污染負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)等流時線計(jì)算不同子流域污染負(fù)荷進(jìn)入河道的總量(詳見表5)。蛇魚川小流域由于植被覆蓋率高，土壤侵蝕程度較輕，大部分坡面區(qū)域土壤侵蝕屬輕微侵蝕，導(dǎo)致流域總體吸附態(tài)污染負(fù)荷較其他區(qū)域偏小。以板栗樹為主的經(jīng)濟(jì)林，對氮肥需求量大，導(dǎo)致流域溶解態(tài)N負(fù)荷較其他區(qū)域偏高。此外，不同頻次暴雨對吸附態(tài)N，P負(fù)荷的影響大于對溶解態(tài)N，P負(fù)荷的影響，如表6所示，隨著場次雨量的增加，吸附態(tài)N、P負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的比重在逐漸增加，相應(yīng)地溶解態(tài)N，P負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的比重在逐漸減少。

圖3 5 a一遇暴雨下產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷

圖4 10 a一遇暴雨下產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷

表5 不同頻率場次暴雨下產(chǎn)生的非點(diǎn)源N，P污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況

表6不同頻率場次暴雨下溶解態(tài)和吸附態(tài)N、P污染負(fù)荷所占比例%

暴雨頻率溶解態(tài)N吸附態(tài)N溶解態(tài)P吸附態(tài)P多年平均435736645 a一遇3367287210 a一遇26742179

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

夏立忠等[20]對密云水庫流域的氮素流失進(jìn)行了監(jiān)測，密云水庫流域氮素流失通量為12.7 kg/hm2。吳敬東[19]對水土流失、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜禽飼養(yǎng)和村莊生活等污染源負(fù)荷的計(jì)算，得到蛇魚川小流域年總氮流失量為91.21 t, 總磷31.28 t，折全流域平均氮素流失通量17 kg/hm2，磷素流失通量5.20 kg/hm2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溶解態(tài)氮流失通量6.20 kg/hm2，生活污水的溶解態(tài)氮流失通量和溶解態(tài)磷流失通量分別為25.49和2.61 kg/hm2。

由于缺乏場次暴雨產(chǎn)污負(fù)荷的實(shí)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)在不同頻率場次暴雨下單位面積產(chǎn)生的非點(diǎn)源N，P污染負(fù)荷，按照降水量占多年平均降水量的比重對場次暴雨的產(chǎn)污負(fù)荷進(jìn)行折算，與夏立忠[20]和吳敬東[19]等人的研究結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)論較為一致(表7)。

表7 蛇魚川場次暴雨產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷驗(yàn)證

3.5 情景分析

情景設(shè)置是情景分析中的核心內(nèi)容，直接決定情景分析的科學(xué)性以及由此提出建議、措施的合理性等。根據(jù)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算結(jié)果可知，農(nóng)村居民點(diǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動為蛇魚川小流域非點(diǎn)源污染的主要來源。在此基礎(chǔ)上，本研究以研究區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，分別針對農(nóng)村居民點(diǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動進(jìn)行情景設(shè)置。其中基準(zhǔn)情景(S0)采用研究區(qū)在現(xiàn)狀條件下3種頻率場次暴雨產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模擬結(jié)果。

(1) 情景1。農(nóng)村居民點(diǎn)設(shè)置0.2的垃圾處理率和0.1的垃圾入網(wǎng)率，其他條件不變下，設(shè)置農(nóng)村居民點(diǎn)具有小城鎮(zhèn)級別的垃圾處理率0.2和垃圾入網(wǎng)率0.1，通過模擬計(jì)算，農(nóng)村生活的N，P污染負(fù)荷能夠削減28%(表3—7)。

(2) 情景2。經(jīng)濟(jì)林施肥量削減為原施肥水平的50%，其他條件不變下，將經(jīng)濟(jì)林的施肥量變?yōu)樵┓仕降?/2，通過模擬計(jì)算，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的N，P污染負(fù)荷能夠削減43.9%和48.9%(表8)。

表8 不同情景條件下蛇魚川場次暴雨產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷模擬結(jié)果

注：3種情景設(shè)置的TN，TP負(fù)荷單位為t。

4 結(jié) 論

(1) 偏旱狀況下蛇魚川小流域在多年平均、5 a一遇和10 a一遇場次暴雨下的洪峰流量分別為34.07，76.45，131.80 m3/s。

(2) 蛇魚川小流域植被覆蓋率較高，土壤侵蝕以微度侵蝕為主，但是隨著暴雨量的增加，侵蝕級別向輕度侵蝕方向移動，當(dāng)暴雨量為10 a一遇時，將出現(xiàn)強(qiáng)度侵蝕。蛇魚川流域由于以板栗樹為主的經(jīng)濟(jì)林，對氮肥需求量大，導(dǎo)致流域溶解態(tài)N負(fù)荷較高。不同頻次暴雨對吸附態(tài)N，P負(fù)荷的影響大于對溶解態(tài)N，P負(fù)荷的影響，隨著場次雨量的增加，吸附態(tài)N，P負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的比重在逐漸增加，相應(yīng)地溶解態(tài)N，P負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的比重在逐漸減少。

(3) 小流域內(nèi)居民點(diǎn)具有小城鎮(zhèn)級別的垃圾處理率和垃圾入網(wǎng)率時，農(nóng)村生活N，P污染負(fù)荷可以削減28%；減少經(jīng)濟(jì)林的現(xiàn)有施肥量，蛇魚川小流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的N，P污染負(fù)荷能夠削減43.9%和48.9%。