1 引言

　　三峽水庫蓄水后，庫區水環境問題備受關注.與蓄水前比較，庫區干流水質沒有明顯的惡化趨勢，水體理化性質基本保持穩定，但部分支流富營養化問題嚴重，頻繁爆發水華現象.非點源氮磷是三峽庫區水體富營養化和水華暴發的主要控制性因素.非點源污染負荷分布隨時間和空間變化較大，具有一定的不確定性，定量化研究具有較大的難度.香溪河是三峽水庫壩首湖北境內的第一大支流，自蓄水以來，庫灣氮磷濃度嚴重超標，水體富營養化程度嚴重，每年均爆發不同頻率、不同規模的水華現象.香溪河流域內土地利用復雜，耕種強度大，非點源負荷是主要污染源.目前，對于香溪河流域非點源氮磷定量化研究的結果差異較大，且缺少氮磷輸出的時空分布信息，其結論不足以指導水體富營養化預測和管理控制工作.基于此，本文針對三峽庫區支流水體富營養化及水華問題，以香溪河流域為研究區，構建香溪河流域SWAT模型，進行非點源氮磷不同時空尺度分布式模擬和分析，為有針對性地開展流域非點源污染氮磷流失控制和管理提供基礎依據.

　　2 研究對象與方法

　　2.1 研究區概況

　　香溪河是長江干流三峽庫區壩首的第一條一級支流，位于30°57′~31°34′N，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，南陽水系流域面積578 km2.流域地形高程變化大，形成流域內典型的立體植被特征和土壤類型結構特點.流域內人多地少，實踐“高投入，高產出”傳統的經營模式，在降雨驅動下水土流失和化肥流失引起的環境效應是香溪河庫灣水體污染的重要原因.

　　2.2 數據來源及研究方法

　　本文通過構建SWAT模型進行流域非點源氮磷負荷模擬，該模型在三峽庫區大寧河、小江等支流均有應用，模擬結果準確可靠本研究需要輸入的數據量巨大、種類繁多，數據內容主要包括地理空間數據庫(地形、土壤、土地利用等專題圖)、屬性數據庫、水文氣象數據表及位置表、土壤和土地利用索引表、農耕管理數據、模型校驗所需的水文和水質數據等.本文中數據資料來源和基本情況具體見表 1.

　　表1 建模所需的基本資料

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

　　3 非點源氮磷分布規律研究

　　3.1 隨時間變化規律

　　非點源污染隨降雨徑流輸出，雨季是非點源污染產生的重要時段.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，并與其呈正相關關系，豐水季節流量較大，局部時段受上游水庫調蓄影響，改變了天然的徑流過程，徑流過程滯后于降雨過程.從圖 4中發現，TN和TP負荷主要集中在多雨季節(4—9月)，占年度負荷總量的70%以上，呈現出明顯的枯豐季節變化特征.圖 5顯示了2000—2009年匯入興山水文站監測斷面的TN、TP年負荷量和年降雨量，TN和TP負荷大小與降雨量大小變化趨勢基本一致，分別在2007年達最大值(TN 3.48×103 t和TP 0.40×103 t)，在2005年達到最低值(TN 2.04×103 t和TP 0.23×103 t). 降雨量與TN、TP的相關系數分別是0.72、0.33，它們之間的差異主要是下墊面空間和降雨時間差異，導致降雨產流機制和污染流失機制的不同，降雨是非點源污染輸出的主要動力，不僅受降雨總量影響，還與降雨強度有關.氮素流失受降雨影響顯著，降雨強度大主要隨地表徑流流失，降雨強度小隨壤中流流失;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負荷變化

　　圖5 年降雨量及流域出口TN、TP年負荷

　　3.2 隨空間變化規律

　　根據2000—2009年共10年的模擬結果，每年匯入古夫河、南陽河、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貢獻率為高嵐水系>古夫水系>南陽水系，TP貢獻率為古夫水系>高嵐水系>南陽水系.單位面積平均負荷TN和TP均為高嵐水系>古夫水系>南陽水系.主要原因是高嵐流域地表坡度、耕種強度和耕地面積比例較大，水土流失導致農業化肥流失較多，南陽水系發源與神農架林區，森林覆蓋良好，降雨引起的污染輸出負荷較小.根據TN和TP負荷模擬結果的空間分布可知，香溪河流域TN和TP單位流失量較大值出現在高嵐和古夫流域，較小值出現在海拔較高的林區，TN和TP輸出負荷強度變化空間差異較大，差異系數分別是0.34和0.58，流域內TN和TP平均源強(面積加權)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，氮磷負荷空間分布變化規律基本一致.結合土地利用、土壤類型、地形坡度專題圖，因高嵐流域地表坡度、耕種強度和耕地面積比例較大，水土流失導致農業化肥流失較多，南陽水系發源與神農架林區，森林覆蓋良好，降雨引起的污染輸出負荷較小.

　　3.3 非點源氮磷負荷形態分布規律

　　從化學形態上，TN分為有機氮(ORG-N)、硝態氮(NO3--N)、銨態氮(NH4+-N)、亞硝氮(NO2--N)4種形態，TP分為礦物磷(MIN-P)和有機磷(ORG-P)兩種形態.圖 7為2000—2009年香溪河流域非點源氮磷的各形態輸出變化.由圖 7可知，TN以NO3--N流失為主，其次是ORG-N、NH4+-N、NO2--N;從各形態氮素的輸出變化過程看，季節變化明顯，豐水季節受降雨影響，維持在較高的水平，枯水期基本處于穩定不變狀態，除NO3--N外，其他形態氮素含量極低.這可能與氮素的存在形態及輸出遷移驅動力有關，土壤膠體帶負電荷，與ORG-N和NH4+-N結合穩定，在沒有降雨徑流驅動作用下很難流失，NO3--N帶負電，且易溶于水，遷移能力強，即使在沒有降雨地表徑流作用下，同樣會隨淺層地下水進入河道.與氮素相比，磷的遷移能力較弱，遷移數量少，主要以MIN-P為主.從MIN-P和ORG-P的輸出變化過程看，輸出負荷豐枯期變化明顯，枯水期各形態均處特低水平.

　　圖7 香溪河流域出口氮素、磷素各形態輸出年尺度負荷模擬變化

　　基于2000—2009年月尺度模擬結果，進行氮磷各形態之間的相關性分析，結果表明，TN與各形態氮磷顯著相關，TP與MIN-P的相關系數r為0.8634，ORG-N與ORG-P的相關系數r為0.9839，NH4+-N與NO2--N的相關系數r為0.9732，具體各指標之間的相關系數及顯著性見表 2.

　　表2 氮磷相關性分析結果

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　　4 結論、

　　通過構建適合香溪河流域特征的SWAT模型，進行了不同時空尺度非點源氮磷及形態負荷輸出模擬，模擬結果表明：

　　1)輸出控制的重點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個鄉鎮，以及庫灣周邊.

　　2)降雨是非點源污染的驅動力，負荷大小與降雨量呈正相關，TN和TP輸出負荷主要集中在4—9月的豐水期，入庫貢獻率分別是84.1%和89.4%，符合非點源污染產生規律.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。

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