辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析_罗倩.pdf

中国环境科学 2014,34(1)：178186 China Environmental Science 辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析 罗 倩1,任 理2*,彭文启3(1.中国农业大学水利与土木工程学院,北京 100083；2.中国农业大学资源与环境学院,北京 100193；3.中国水利水电科学研究院水环境研究所,北京 100038)摘要：以辽宁太子河流域为研究区,为定量估算该区非点源氮磷污染负荷,经过实地调研和资料收集后,利用单位负荷法和 SWAT 模型相结合的方法对流域进行 19972008 年径流、泥沙和营养盐输出的模拟研究,进行了多参数、多目标和多站点详细的参数率定和模拟验证,最后分析了非点源氮磷负荷的时空分布规律.结果表明:径流模拟效果较好,泥沙和营养盐模拟结果符合要求,模型在太子河流域适用性较好,可以模拟分析该地区的非点源污染负荷问题;19972008 年年均总氮和总磷负荷为 17357.43t 和 7110.91t,氮磷负荷的时空分布受降雨径流过程的影响,汛期(69月)负荷总量占全年的77.76%和80%;负荷强度的空间差异较大,全流域多年平均值为13.20,5.41kg/hm2,流域内污染负荷关键源区是灯塔市和辽阳县.关键词：太子河流域；非点源污染；氮磷负荷 中图分类号：X32 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2014)01-0178-09 Simulation study and analysis of non-point source nitrogen and phosphorus load in the Taizihe Watershed in Liaoning Province.LUO Qian1,REN Li2*,PENG Wen-qi3(1.College of Water Resources and Civil Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China；2.College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University,Beijing 100193,China；3.Department of Water Environment,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China).China Environmental Science,2014,34(1)：178186 Abstract：In order to estimate the non-point source(NPS)pollution loads of nitrogen and phosphorus in the Taizihe watershed quantitatively,after a detailed field survey and data collection,the method of unit load and export coefficient modeling and the soil and water assessment tool(SWAT)were comprehensively used to simulate the runoff,sediment and nutrients loads during 1997to 2008.Based on the observed runoff,sediment loads and water quality data,detailed calibration and validation of multi-parameters,multi-objective and multi-site were carried out.Then,the temporal and spatial distribution of NPS pollution loads of nitrogen and phosphorus load was analyzed.The results showed that the simulation of runoff was pretty good.The simulation results of sediment and nutrients loads met the requirements.The model had good adaptability in the Taizihe watershed and was available.The model could be used to simulate and analyze the NPS pollution problems.The annual average loads of the TN and TP from 1997 to 2008 were 17357.43t and 7110.91t.The temporal and spatial distribution of the TN and TP loads was affected greatly by the process of rainfall-runoff.The total load during the flood season(from June to September)accounted for 77.76%and 80%of the annual load.The spatial distribution of the TN and TP loads varied greatly,with the long-time average annual values of the TN being 13.20kg/hm2and TP being 5.41kg/hm2.The Dengta City and the Liaoyang County,located in the middle and lower of the Taizihe watershed,were the critical source areas of NPS pollution.Key words：Taizihe watershed；non-point source(NPS)pollution；nitrogen and phosphorus load 目前社会环境、流域河流污染问题日益突出,按照江河湖库污染物来源将污染类型主要分为点源污染和非点源污染,随着对点源污染控制能力的提高和技术的相对成熟,非点源污染已成为影响水环境恶化的主要来源1-3.因此,针对非点源污染特征,开展污染负荷定量化研究,识别污染物来源和关键源区非常必要4-5.非点源污染是指溶解性或固体污染物在降 收稿日期：2013-04-20 基 金 项 目：国 家 水 体 污 染 控 制 与 治 理 科 技 重 大 专 项 课 题(2008ZX07526-004);国家自然科学基金项目(51039007)*责任作者,教授, 1 期 罗 倩等：辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析 179 水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起到的水体污染,主要包括土壤侵蚀、化肥与农药的过量使用、城镇径流、畜禽养殖和农业与农村废弃物等6-7,其形成过程受多因素的影响.从非点源污染形成的驱动力来看,其产生和迁移与降雨-径流过程密切相关;从随降雨-径流过程输出的非点源污染物存在的形式来看,主要有溶解态和吸附态.一般认为非点源污染产生和迁移的机制主要由三大过程所决定,即地表降雨-径流过程,降雨-径流对土壤的侵蚀过程,以及地表、壤中和地下径流对土壤的淋溶过程8.由于非点源污染本身的特性,其负荷估算远比点源负荷困难9.我国非点源污染负荷量的估算主要使用以下方法:断面实测总负荷减去统计的点源负荷;单位负荷法;水文线分割法;SWAT模型估算.各种方法都存在着相应的问题和优点 10-16.太子河流域地处辽宁省中部,是辽河流域下游重要的工农业基地,随着经济社会的快速发展,其水环境日益恶化.本文以辽宁太子河流域为研究对象,以总氮、总磷为主要非点源污染物,利用 SWAT 模型和单位负荷法相结合的综合方法估算流域内非点源污染负荷总量,分析污染负荷的时空分布特性,识别污染关键源区,以期为有针对性地开展太子河流域非点源污染氮磷流失控制和管理提供科学依据.1 研究区概况 太子河(12226E12453E,4029N4139N)是辽河下游左侧一大支流,横贯辽宁省中部地区.境内有本溪、鞍山和辽阳等城市,流域内工农业较发达,面积 13883km2,占辽宁省面积的 9.4%,流域呈东西向,东侧为鸭绿江支流浑江、南临大洋河、西北接浑河17-19.流域属温带半湿润、半干旱季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,多年平均气温 59,多年平均相对湿度在 70%左右,全年无霜期 160d 左右,多年平均蒸发量 1100 1600mm,多年平均降水量约为 763mm,69 月降水量约占全年的 75%左右.研究区为太子河与浑河交汇处三岔河以上的控制流域,区域内土地利用类型以有林地、旱地和水田为主,所占比例分别为 53.5%、26.6%和 9.2%.按照中国 1:100 万土壤图土壤类型分类,土壤类型以麻砂质棕壤和潮棕壤为主,分别占 33.8%和 14.2%,其他类型的土壤所占面积比例相对较小.太子河流域目前正面临着水资源短缺、水环境恶化和水体功能降低的严重局面.2 单位负荷法在太子河流域的应用 2.1 单位负荷法 单位负荷法又称输出系数法,是 20 世纪 70年代初期美国、加拿大在研究土地利用-营养负荷-湖泊富营养化关系的过程中提出的.Johnes等于 1996 年将牲畜、人口等因素的影响融入其中,使其得到了进一步完善和广泛应用20-21,本研究中选用该模型,其方程为:1niiiiLEA Ip (1)式中:L 为污染物流失量;Ei为第 i 种污染物输出系数;Ai为第 i 类土地利用类型面积、第 i 种牲畜数量或人口数量;Ii为第 i 种污染源污染物输入量;p 为降雨输入的污染物量.2.2 输出系数的确定 本文输出系数的确定主要采用查阅文献的方法,参考国内相关研究22-26,考虑到太子河流域内各县区地理、气候条件和经济发展水平等因素,确定了流域内非点源污染负荷的输出系数(表1).表 1 太子河流域内各污染源排放系数 Table 1 The emission coefficient of pollution sources of the Taizihe watershed 畜禽排放 类型 人排放 g/(人d)大牲畜 g/(头d)小牲畜 g/(头d)家禽 g/(只d)TN 5.86 15.51 2.41 0.09 TP 0.59 0.89 0.40 0.02 2.3 模型计算 查阅相关资料27-28和沈阳、鞍山、抚顺、本溪、辽阳、和丹东等市统计年鉴中关于太子河流域内的基本情况及现场调研,得到太子河流域内180 中 国 环 境 科 学 34 卷 各县、区的农村人口数量和农村畜禽养殖数量(大小牲畜、家禽存栏/出栏量),采用单位负荷法估算畜禽养殖、农村生活和废弃物产生的污染负荷.通过分析农村居民点、养殖场和养殖户的空间分布,按照行政区和水系汇水区的分布,将数据对应到子流域中.将各个子流域负荷总量按照各子流域 12 个月降水量比值进行时间上的处理,最后将离散处理好的结果输入到 SWAT 模型中,综合计算各污染源产生的非点源氮磷负荷.3 SWAT 模型在太子河流域的应用 3.1 SWAT 模型计算原理 SWAT 模型是由美国农业部开发的流域尺度的分布式非点源污染模拟模型,能够利用 GIS和RS提供的空间信息模拟地表水和地下水的水量水质,并能长期预测土地管理等措施对具有多种土壤、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文、泥沙和农业化学物质产量的影响35.模型基于流域数字高程模型(DEM)采用 D8 算法将流域划分为子流域,再根据土壤、土地利用类型和坡度信息划分为若干个水文响应单元(HRU)作为计算单元.流域水文过程被分为陆面产流和河道汇流两大部分,在陆面单元计算中,采用径流曲线法(SCS 曲线法)或 Green-Ampt 下渗模型来计算地表产流(本研究采用 SCS 曲线法),采用修正后的通用土壤流失方程(MUSLE)计算土壤侵蚀,并考虑土壤中各种形态的氮、磷之间的相互转化.在河道汇流过程中,主要考虑水、泥沙、营养物质(N、P)和杀虫剂在河网中的输移,包括主河道以及水库的汇流计算.流速和流量计算采用曼宁公式,径流演进采用马斯京根法或变动存储系数模型(本研究采用马斯京根法),通过最大挟沙能力的计算来判定泥沙沉积还是冲刷河道,并利用 QUAL2E 模型计算河道中污染物迁移转化过程.具体的计算公式见文献39.3.2 建模数据 SWAT 模型涉及的输入数据较多,主要是空间数据库(地形、土壤和土地利用等)、水文气象数据、属性数据库、农业管理数据等,本研究中建模数据的基本情况见表 2.表 2 SWAT 模型建模所需输入数据 Table 2 The input data required by the SWAT model 数据类别 特征描述 来源 数字高程模型(DEM)90m90m 分辨率 SRTM DEM 河网图 比例尺 1:25 万 辽宁省水利水电科学研究院 境界数据 水系界、水资源四级分区界、县界 辽宁省水利水电科学研究院 土壤图 土壤类型分布 中国科学院南京土壤研究所 气象数据 各气象要素日值 国家气象局 降水量 日降水资料 辽宁省水利水电科学研究院 水文信息 站点基本信息及日水文资料 辽宁省水利水电科学研究院 水库信息 各种特征值、下泄水量等 辽宁省水利水电科学研究院 入河排污口信息 位置、排污方式、排放量、总氮、总磷、COD、氨氮等 辽宁省水利水电科学研究院 辽宁省水文水资源勘测局 土地利用图 土地利用类型分布(1:10 万)辽宁省水利水电科学研究院 农业管理措施 种植制度、灌溉制度、施肥制度 实地调研、统计年鉴、文献等 根据模型要求,所有地理空间类信息都处理成分辨率为90m90mGRID格式的图件,模拟时段为 19942008 年.3.3 模型模拟 3.3.1 计算单元划分 将表 2 中数据通过预处理后输入到 SWAT 模型中,根据河网水系和DEM 数据划分子流域.设定子流域面积阈值为7200hm2,加载 12 个水文站、4 个水质站和 8 座大中型水库坝址的断面位置表,共划分为 120 个子流域来进行模拟研究.根据研究区土地利用1 期 罗 倩等：辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析 181 和土壤类型分布特征,确定土地利用、土壤类型和坡度的面积阈值,皆为 10%,全流域划分成1025个HRU 考虑到水文站点和水库坝址位置,再将 120 个子流域根据集水区域分为 12 个分区,认为每个分区水文特征一致,后面的参数敏感性分析和率定验证都是以分区为一个大单元来进行.3.3.2 气象、土壤等数据库建立 SWAT 模型采用气象、土壤物理、植被生长、土地利用、耕作、农药组分和肥料组分 7 个数据库存储模拟所需的属性数据,研究中农药、肥料、耕作、植被生长和土地利用主要参考模型自带数据库,并进行适当的修改.气象数据采用 4 个站(本溪、鞍山、沈阳和草河口)19492008 年的日实测数据(最高/最低气温、风速、相对湿度和总辐射等),降雨数据采用 35 个雨量站的日降雨实测数据,土 壤 数 据 的 要 求 和 数 据 处 理 过 程 见 文 献30-31.考虑到点污染源排放对流域水环境的影响,根据普查数据和实测数据等,将点污染源整理为120个,并分布到35个子流域中.通过文献及实地调查可知,流域内农作物主要以水稻和玉米等粮食作物为主,故在模型中设定水田种植水稻,旱地种植春玉米,不考虑品种、时空差异.施肥量根据省市统计年鉴的统计值计算而得,利用辽宁省水科院提供的灌区调查资料和参考文献32-33概化得到了农作物生育期内的灌溉量.3.3.3 参数敏感性分析 模型默认可用于敏感性分析的参数共有 41 个,本研究采用 LH-OAT(Latin Hypercube One-factor-At-a-Time)敏感性分析方法34.分别选择了25,11,13和13个参数并确定其变化范围和变化方式,以径流、泥沙、TN和 TP 为目标变量进行参数的敏感性分析.分析报告结果,列出了敏感参数(表 3).3.3.4 参数率定和验证 综合考虑敏感性分析的排序结果和 SWAT 模型中影响径流、泥沙和水质的主要计算模块,确定了18个参数在各分区分别进行率定(表 3,表4).参数率定采用 SCE-UA方法35.率定以月为时间步长,模型在运行初期,许多变量(如土壤含水量)的初始值为零,这对模型模拟结果影响很大,在径流、泥沙和水质模拟中考虑到计算效率和数据情况设置了不同时长的预热期.率定的原则和顺序是:首先率定径流有关的参数,然后进行泥沙有关参数的率定,最后进行营养盐有关参数的率定;空间上是先上游后下游,先支流后干流.评估模拟值与实测值拟合精度的指标为 NS 效率系数、决定系数(R2)和平均相对误差(MRE).表 3 太子河流域 SWAT 模型敏感参数 Table 3 Main sensitive parameters of SWAT model in the Taizihe watershed 参数 范围 对象 物理 过程 ALPHA_BF 基流回归系数(d)01 F 地下水 CANMX 最大冠层蓄水量(mm)010 F 径流 CH_K2 河道有效水力传导度(mm/h)0150 F/S/WQ 河道 CH_N2 主河道曼宁系数值 01 F/S/WQ 河道 CN2a SCS 径流曲线系数-5025 F/S/WQ 径流 ESCO 土壤蒸发补偿系数 01 F 蒸发 NPERCO 氮渗透系数 01 WQ 营养盐 PHOSKD 土壤磷分配系数 100200 WQ 营养盐 PPERCO 磷渗透系数 1017.5 WQ 营养盐 RCHRG_DP 深水层渗透系数 01 F 地下水 REVAPMN 浅层地下水再蒸发水深阈值(mm)-100100 F 地下水 SMTMP 融雪基温()05 F 融雪 SOL_AWC a土壤可利用水量(mm/mm)-25100 F 土壤 SOL_K a土壤饱和水力传导度(mm/h)-50100 F 土壤 SPCON 泥沙输移线性系数 0.00010.01 S 泥沙 SPEXP 泥沙输移指数系数 11.5 S 泥沙 SURLAG 地表径流延迟系数 0.0110 F 径流 TIMP 雪盖温度滞后系数 0.011 F 融雪 注:a表示参数变化是百分比形式,F、S、WQ分别表示参与以径流、泥沙、TN和TP为目标变量的参数敏感性分析 径流模拟结果较为理想(表 5,表 6),率定期R2均大于 0.58,NS 大于 0.60,但 MRE 表现不够理想,验证期 R2大于 0.45,除南甸站以外 NS 均大于 0.50.可知,支流的率定效果好于干流站点(本溪,辽阳,小林子和唐马寨),验证结果逊于率定结果.182 中 国 环 境 科 学 34 卷 表 4 参数的率定值 Table 4 Calibration results of the model parameters 参数 南甸 本溪 桥头 梨庇峪二道河子郝家店辽阳 大东山堡小林子立山 唐马寨 海城 ALPHA_BF 0.16 0.13 0.23 0.09 0.97 1.00 0.79 0.48 0.59 0.00 0.40 0.20 CANMX 10.00 10.00 9.96 9.91 9.81 0.03 2.58 0.92 0.00 6.40 0.05 8.64 CH_K2 142.02 148.9832.16 43.79 125.45 121.690.00 112.05145.2930.37 117.63 105.38 CH_N2 0.114 0.001 0.06120.0007350.00957 0.04450.01480.00670 0.00501 0.00264 0.719 CN2-16.35 25.00 2.46-16.274.89-3.48 25.00-10.2525.00 20.94 24.98-17.88 ESCO 0.9990 1.00000.99930.01570.1815 0.98950.81250.91920.99941.0000 0.9934 0.6535 RCHRG_DP 0.2510 0.89431.00000.75720.0008 0.31550.17520.51440.00000.1316 0.0365 0.2365 REVAPMN 477.04 229.04204.400.005 455.26 320.78392.5913.83 456.99447.09 222.31 232.25 SOL_AWC 89.53-25.0078.95 76.74 23.61 46.81-25.00-2.08-24.14-16.86 97.71-22.06 SOL_K-9.16 11.94 28.17-49.96-49.59-37.9373.63-0.29 86.56 100.00 26.75-49.07 SMTMP 2.414 2.414 2.414 2.414 2.414 2.414 2.414 2.414 2.414 2.414 2.414 2.414 SURLAG 6.042 6.042 6.042 6.042 6.042 6.042 6.042 6.042 6.042 6.042 6.042 6.042 TIMP 0.612 0.612 0.612 0.612 0.612 0.612 0.612 0.612 0.612 0.612 0.612 0.612 SPCON 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 SPEXP 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 NPERCO 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 PPERCO 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 PHOSKD 190 190 190 190 190 190 190 190 190 190 190 190 注:SMTMP,SURLAG,TIMP,SPCON,SPEXP,NPERCO,PPERCO和PHOSKD这8个参数属于集总式参数,全流域取同一值 表 5 径流量率定和验证结果统计指标 Table 5 Model performance statistics of the simulated and measured runoff during calibration and validation 率定期(19972002 年)验证期(20032008 年)月均值(m3/s)月均值(m3/s)水文站 名称 实测值 模拟值 R2 NS MRE 实测值 模拟值 R2 NS MRE 南甸 4.758 3.406 0.70 0.60 0.19 9.494 4.489 0.69 0.38 0.22 本溪 32.299 29.646 0.63 0.65 0.21 36.938 31.719 0.45 0.55 0.17 桥头 6.937 6.926 0.80 0.80 0.16 8.696 8.242 0.81 0.81 0.16 梨庇峪 1.414 1.830 0.69 0.67 1.03 1.626 1.790 0.56 0.54 1.04 二道河子 2.203 2.116 0.85 0.85 0.19 2.249 2.376 0.69 0.67 0.18 郝家店 1.615 1.548 0.94 0.94 0.14 1.750 1.511 0.63 0.61 0.17 辽阳 37.176 35.953 0.58 0.60 0.19 42.713 39.314 0.54 0.52 0.24 大东山堡 3.845 3.465 0.78 0.76 0.14 4.936 小林子 39.827 36.969 0.67 0.62 0.17 52.517 44.149 0.57 0.51 0.15 立山 2.291 2.287 0.73 0.73 0.27 2.440 2.222 0.69 0.59 0.23 唐马寨 48.608 43.551 0.66 0.65 0.23 60.152 41.897 0.60 0.50 0.19 海城 2.942 3.540 0.88 0.87 0.26 3.221 3.410 0.77 0.76 0.13 由于太子河所处地区气候特点,站点泥沙数据一般是10 月至下一年3 月缺测,数据缺测降低了模拟精度,使得模拟值皆大于实测值.由于资料的限制,一些尚未考虑的因素可能降低了模拟的精度,如:缺失太子河流域引兰入汤和引细入汤工程引水数据,导致梨庇峪站模拟结果的 MRE值最大;未考虑日益增加的地表取用水量对径流量的影响,验证时段的结果均逊于率定时段;未考虑入河排污量数据年际间的变化,使得水量模拟结果偏低,水质模拟不确定性增大;河道内的水草对污染物有一定的去除作用,模型对水体自净能力考虑不足,泥沙量的模拟因为数据不连1 期 罗 倩等：辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析 183 续导致模拟结果偏高,随泥沙进入河道的污染负荷模拟也偏高.但总体来说,模型模拟结果合理,适用于太子河流域.部分站点的模拟值与实测值的对比图见图 1.表 6 泥沙和水质率定和验证结果统计指标 Table 6 Model performance statistics of the simulated and measured sediment and water quality during calibration and validation 泥沙量年均值(t)氨氮量年均值(kg)率定期(20022005 年)验证期(20062008 年)率定期(2007 年)验证期(2008 年)水文站 名称 实测值 模拟值 MRE实测值模拟值MRE实测值 模拟值 MRE实测值 模拟值 MRE 本溪 33736.78 44195.180.3136599.73 45749.66 0.25 117982.8129781.080.10186298.48 230283.22 0.19 辽阳 77278.69 94280.0 0.2240255.80 47501.84 0.18 1288828.07 1520817.120.181746151.87 2042996.67 0.17 小林子 181546.65 212409.580.1797212.07113738.2 0.17 2314498.02 2684817.700.16 唐马寨 226783.67 278943.910.23222050.59 279783.74 0.26 5404784.55 6539789.306 0.216876706.04 7563385.76 0.10 注:只有干流水文站有泥沙和水质实测数据,因收集到的泥沙和水质的实测数据不连续,故不计算R2和NS,表示没有实测数据 南甸站0 10 20 30 40 50 60 70 80 1994-01 1995-01 1996-01 1997-01 1998-01 1999-01 2000-01 2001-01 2002-01 2003-01 2004-01 2005-01 2006-01 2007-01 2008-01 时间 实测值模拟值预热期 率定期验证期0 10 20 30 40 50 60 70 80 月平均流量(m/s)唐马寨站 01002003004005001994-01 1995-01 1996-01 1997-01 1998-01 1999-01 2000-01 2001-01 2002-01 2003-01 2004-01 2005-01 2006-01 2007-01 2008-01 时间 月平均流量(m/s)实测值模拟值 预热期率定期验证期 (a)水文站月径流模拟与实测值对比(部分)0 10000 20000 30000 40000 2002-01 2002-07 2003-01 2003-07 2004-01 2004-07 2005-01 2005-07 2006-01 2006-07 2007-01 2007-07 2008-01 2008-07 时间 月输沙量(t)模拟值 实测值 0481216202006-01 2006-07 2007-01 2007-07 2008-01 2008-07 时间 氨氮浓度(mg/L)模拟值 实测值 (b)辽阳站月输沙量模拟与实测值 (c)唐马寨站月氨氮浓度模拟与实测值 图 1 部分水文站模拟与实测值拟合 Fig.1 Simulated and observed results of hydrological stations(partly)4 太子河流域非点源氮磷负荷结果分析与讨论 4.1 非点源氮磷负荷时间变化特征 4.1.1 年负荷 由 19972008 年流域内的降水量、径流量、泥沙量、TN 和 TP 负荷(表 7)可知,2005 年降水量最大,为 109.83m3,相应的径流量、TN 和 TP 负荷也最大,分别是 43.43 亿 m3、23030t 和 9346.35t.4.1.2 月负荷 太子河属于典型的半湿润、半干旱季节性河流,19972008 年平均汛期(69 月)降水量占全年的 70.49%,径流量的 75.29%、泥沙量的 67.07%、TN 负荷的 77.76%和 TP 负荷的80.00%也都集中在汛期(表 8).这是符合非点源污染物的产生规律的,降雨-径流是水文循环的184 中 国 环 境 科 学 34 卷 重要部分,也是非点源污染物输出迁移转化的主要影响因素,汛期一般都会有大型暴雨,暴雨过程中会产生很大的地表径流和输沙过程,大量的水流和泥沙携带大量的污染负荷进入河道,形成了河流的非点源污染.模拟结果表明,更应该在汛期采取有效的污染控制措施来防治水土流失,减少非点源氮磷污染负荷对水体环境造成的污染.表7 19972008 年太子河流域非点源氮磷负荷年际变化 Table 7 Annual variation of NPS nitrogen and phosphorus loads in the Taizihe watershed from 1997 to 2008 年份 降水量(亿 m3)径流量(亿 m3)泥沙量(万 t)TN(t)TP(t)1997 78.37 24.76 189.30 13368.276178.811998 94.99 31.68 262.77 16641.206239.471999 83.54 26.94 214.68 14331.646362.082000 82.96 22.83 185.36 13804.245651.892001 104.39 42.06 277.48 19160.128054.902002 84.97 27.11 204.63 14700.626077.452003 99.42 33.11 244.28 19784.257932.532004 89.90 28.31 215.44 17610.607034.272005 109.83 43.43 264.72 23030.009346.352006 97.53 33.35 226.33 19557.117855.722007 91.24 31.02 243.78 18265.127333.832008 88.95 31.58 225.25 18036.037263.68均值 92.17 31.35 229.5 17357.437110.91表 8 太子河流域非点源氮磷负荷年内分布 Table 8 Temporal distribution of NPS nitrogen and phosphorus loads in the Taizihe watershed 月份 降水量(亿 m3)径流量(亿 m3)泥沙量(万 t)TN(t)TP(t)1 1.00 0.20 0.23 20.30 4.69 2 1.25 0.31 4.84 204.59 7.37 3 2.23 0.86 17.51 670.00 105.87 4 4.97 1.34 16.48 716.85 333.70 5 7.61 1.77 20.74 976.10 428.85 6 11.71 2.59 21.89 1425.89 705.60 7 23.38 7.54 51.96 4821.16 1923.14 8 21.49 9.69 58.99 5619.22 2297.71 9 8.39 3.78 21.08 1630.48 762.55 10 5.53 2.02 9.79 860.53 382.62 11 3.00 0.85 4.03 282.68 136.70 12 1.62 0.39 1.96 129.63 22.11 4.2 非点源氮磷负荷空间变化特征 765.533523.31 410.83765.52 245.71410.82 149.47245.70 97.71149.46 59.4197.70 15.5532.61 06.09 32.6259.40 6.1015.54 03060kmN总氮(t)大东山堡小林子葠窝水库辽阳桥头 唐马寨立山其他郝家店二道河子海城本溪 汤河水库梨庇峪南甸 观音阁库区 观音阁上游 219.39565.75 158.82219.38 101.64158.81 66.58101.63 44.2466.57 27.7444.23 11.8117.60 04.64 17.6127.73 4.6511.80 03060kmN总磷(t)大东山堡小林子葠窝水库辽阳桥头 唐马寨立山其他郝家店二道河子海城本溪 汤河水库梨庇峪南甸 观音阁库区 观音阁上游 图 2 流域 TN 和 TP 负荷总量的空间分布 Fig.2 The spatial distribution of TN and TP load 年均流域的 TN 和 TP 负荷总量和负荷强度,空间分布见图 2 和图 3.统计各个行政区的负荷量(表 9),TN 和 TP 负荷与产沙量和产水量密切相关,处于流域上游的本溪县虽然产水量和产沙量较大,但污染负荷却不是很大.从单位面积上看,TN和TP负荷强度,最大值分别为71.18kg/hm2和26.34kg/hm2,TN 负荷强度高的区域主要是分布在小林子和唐马寨水文站上下游区域,TP 负荷强度高的区域主要是分布在小林子水文站附近,汤河水库和葠窝水库附近 TP 负荷强度也较大,在 9.2213.37kg/hm2之间.分析可知,这些地区地形坡度大于其他地区,土壤类型主要是麻砂质棕壤和褐土,土壤可侵蚀性较强.下游鞍山和海城地区地形平坦,高程差不大,1 期 罗 倩等：辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析 185 土壤类型多为草甸土,故土壤侵蚀量小,泥沙流失量小,随泥沙流失的污染负荷少.TN 和 TP 污染负荷重的区域是中下游灯塔市、辽阳县和鞍山的部分区域,由太子河流域土地类型分布可知,平原区的旱田和水田主要分布在这些区域,是污染负荷的关键源区.TN和TP负荷强度空间差异较大,120个子流域 TN 和 TP 负荷强度的标准偏差分别是13.31 和