周凌峰 ，孟耀斌 *，逯 超 ，伍甘霖 ，張東妮 ，蔣飛紅

（1.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)應(yīng)急管理部/教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；3.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；4.湖南省長沙水文水資源勘測局，長沙 410014）

2014全國土壤污染狀態(tài)調(diào)查公報(bào)[1]表明我國土壤重金屬污染嚴(yán)重，鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳等重金屬污染占土壤污染的82.8%。其中礦業(yè)工業(yè)是重金屬污染的主要來源，2006年我國礦業(yè)占用和損壞土地面積高達(dá)154.4萬hm2，其中尾礦堆放占地91.5萬hm2，露天采坑23.0萬hm2，采礦塌陷占33.0萬hm2。由于缺乏有效的環(huán)境保護(hù)措施，尾礦廢礦區(qū)會(huì)溶出大量的重金屬，隨降雨徑流、泥沙侵蝕等水文過程對(duì)周邊大量土壤和水體造成污染，對(duì)居民健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成巨大威脅。這種威脅既包括異常氣象水文過程（如暴雨洪水等）中，重金屬集中高濃度輸入河道，造成污染的突發(fā)型（災(zāi)害型）威脅；也包括常規(guī)氣象水文情景驅(qū)動(dòng)下，土壤或水體中重金屬濃度長期處于高位，以環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化為特征的漸發(fā)型（累積型）威脅。國務(wù)院2016年發(fā)布《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡稱“土十條”），明確要求“加強(qiáng)涉重金屬行業(yè)污染防控”，體現(xiàn)出國家層面對(duì)于防范重金屬突發(fā)型和累積型污染的決心。“土十條”強(qiáng)調(diào)，應(yīng)在科技方面“開展……污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律……研究”。因此，礦區(qū)影響流域的重金屬遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù)，是國家“生態(tài)文明”戰(zhàn)略落地的一項(xiàng)具體要求，具有巨大的社會(huì)需求。模擬重金屬在土壤和水體等環(huán)境介質(zhì)的行為有利于更好地理解重金屬對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類的潛在不利影響。迄今重金屬遷移轉(zhuǎn)化的模擬研究，可按空間尺度分成地塊/田間尺度模型和流域尺度模型。而流域模型又可按時(shí)間尺度分為短期模型（事件型模型）和長期模型（環(huán)境質(zhì)量模型）。Simunek等[2]將Hydrus模型與PHREEQC模型耦合來模擬重金屬的遷移轉(zhuǎn)化，該耦合模型考慮了重金屬在土壤中的對(duì)流、擴(kuò)散、吸附、絡(luò)合和沉淀等過程，得到了廣泛應(yīng)用[3-4]，但主要限于小尺度土壤水研究。目前國內(nèi)外研究主要集中在地塊/田間小尺度研究，流域宏觀尺度的重金屬行為研究較少，國外比較有代表性的流域尺度模型是美國克羅卡多州立大學(xué)開發(fā)的TREX模型[5-6]。該模型以事件型水文模型為基礎(chǔ)，主要關(guān)注降雨洪水過程中重金屬的環(huán)境行為，其模擬時(shí)長一般為小時(shí)、日、周，屬于短期模型。因此，該模型只考慮吸附解吸平衡，未考慮重金屬形態(tài)之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化。國內(nèi)流域尺度相關(guān)研究以實(shí)地調(diào)查為主[7-8]，模型模擬開展難度大，研究成果較少。林鐘榮等[9]結(jié)合水文模型與簡化的輸出系數(shù)法，建立了流域重金屬面源污染負(fù)荷模型，并在湖南湘江株洲段進(jìn)行了鎘面源污染模擬，但該模型并未實(shí)現(xiàn)重金屬遷移轉(zhuǎn)化過程與水文泥沙過程的真正耦合。近期，Meng等[10]基于水文模型SWAT模型[11]，開發(fā)了重金屬流域行為模擬模型SWAT-HM模型。與TREX模型相比，SWAT-HM模型還考慮了廢礦石風(fēng)化作用，固相活潑態(tài)和不活潑態(tài)重金屬之間的老化反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)流域尺度長時(shí)間的重金屬遷移轉(zhuǎn)化模擬。在SWAT-HM模型中，重金屬在陸相、水相的各種行為過程（釋放、擴(kuò)散、固液分配、沉積、再懸浮等物理過程以及重金屬各形態(tài)間相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)變化過程）都承載于水文過程之上，因而受氣象過程的驅(qū)動(dòng)和制約。據(jù)此，氣象過程的特征必然影響到重金屬行為的變化并蘊(yùn)含著一定的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的波動(dòng)，研究重金屬行為對(duì)于不同氣象因子的響應(yīng)特征對(duì)于揭示氣象過程甚至氣候變化的響應(yīng)特征很有必要。本研究利用SWAT-HM模型模擬瀏陽河上游流域重金屬Zn和Cd的流域尺度行為，評(píng)估不同河段Zn和Cd的污染程度，估算不同形態(tài)Zn和Cd的輸出通量，分析不同氣象因子對(duì)于重金屬輸出量的可能影響，以期為礦區(qū)影響流域的水土重金屬污染防治和環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取湖南瀏陽河上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)（圖1），該流域位于湖南省長沙市東部，流域面積約1990 km2。瀏陽河上游流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，多年平均氣溫17.5℃，多年平均降水量1550 mm，降水主要集中在3—7月，約占全年降水總量的65%。流域主要分為大溪河流域和小溪河流域，兩條河流在流域西南角雙江口處匯合。其中大溪河支流寶山河流域內(nèi)有七寶山礦區(qū)，主要有黃鐵礦、黃銅礦、磁鐵礦、鐵閃鋅礦等。該礦區(qū)過去開采強(qiáng)度大且缺乏管理，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。如今經(jīng)過整治，開礦秩序得到一定改善，但目前仍有多個(gè)礦業(yè)公司的鉛鋅礦、鐵礦和金礦在產(chǎn)。因?yàn)檫^去產(chǎn)生的廢礦和尾礦沒有及時(shí)處理，廢礦堆隨處可見。寶山河流域稻米Cd和F污染十分嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康[12-13]。同時(shí)，該區(qū)域受全球氣候變化影響明顯，表現(xiàn)為極端天氣事件增加、汛期降水異常和旱澇頻繁，可能導(dǎo)致重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)變高。

1.2 研究數(shù)據(jù)

SWAT-HM模型的構(gòu)建需要數(shù)字高程地圖（DEM）、土地覆蓋、土壤分類、氣象水文和重金屬污染數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。土壤分類數(shù)據(jù)來自中科院南京土壤所，土地利用數(shù)據(jù)來自中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云中心，氣象站數(shù)據(jù)（除降水?dāng)?shù)據(jù)）來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，雨量站的降水?dāng)?shù)據(jù)、水文站的水文泥沙數(shù)據(jù)均來自湖南水文局。其中，氣象站、雨量站和水文站的數(shù)據(jù)為2009年1月1日至2014年12月31日逐日數(shù)據(jù)。本研究主要模擬重金屬Zn和Cd在流域內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化，首先對(duì)礦區(qū)周邊的污染情況進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，確定主要的點(diǎn)源信息（3個(gè)廠區(qū)排污口），在2013年6月至2014年7月期間分季度4次采樣得到各點(diǎn)源的排放流量和重金屬濃度值。由于無法獲得2013年之前的點(diǎn)源排放情況，本研究中將各點(diǎn)源4次采樣取平均值作為2009年到2014年模擬期間的重金屬點(diǎn)源輸入。面源污染方面通過高分辨率遙感影像確定礦區(qū)廢棄礦堆、尾礦庫等面源污染區(qū)地點(diǎn)和面積，實(shí)地采樣檢測確定廢礦、土壤中各形態(tài)的重金屬含量。為了確定研究區(qū)土壤活潑態(tài)重金屬與不活潑態(tài)重金屬含量，本研究采取了歐盟BCR順序提取法[14]。BCR順序提取法將重金屬分為4個(gè)形態(tài)：弱酸提取態(tài)（離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)）、可還原態(tài)（鐵錳氧化態(tài)）、可氧化態(tài)（有機(jī)結(jié)合態(tài)）和殘?jiān)鼞B(tài)。水體樣品主要包括礦區(qū)生產(chǎn)廢水、礦區(qū)生活污水以及沿程河流河水。水體樣品現(xiàn)場采集后經(jīng)自然沉降后用0.45 μm濾膜過濾，利用ICP-AES測定重金屬含量。水體采樣主要分兩種情況：一是常規(guī)采樣，在寶山河入大溪河前、大溪河的永和鎮(zhèn)大橋邊、雙江口匯合處設(shè)置采樣點(diǎn)，每隔2～3 d采一次水樣，常規(guī)采樣包括2014年6—10月。二是強(qiáng)降雨期間加密采樣，包括2014年6月19日—2014年6月23日、2014年7月11日—2014年7月16日兩次強(qiáng)降雨過程，具體的采樣方法和實(shí)測結(jié)果見文獻(xiàn)[10]。

表1 瀏陽河上游流域SWAT-HM建模數(shù)據(jù)Table 1 Input data of SWAT-HM

1.3 流域重金屬模型

SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局（USDAARS）開發(fā)的流域尺度半分布式水文模型[8]。它主要以日為時(shí)間步長，可連續(xù)長時(shí)段模擬流域的水文過程、水土流失、化學(xué)過程、農(nóng)業(yè)管理措施和生物量變化，并能預(yù)測在不同土壤條件、土地利用類型和管理措施下人類活動(dòng)對(duì)上述過程的影響。SWAT模型開發(fā)至今模擬能力不斷提高、模擬領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，在流域非點(diǎn)源污染（氮、磷、農(nóng)藥等）研究中得到廣泛應(yīng)用并取得眾多成果[15-16]。但SWAT現(xiàn)有版本還缺乏成熟的重金屬模擬模塊[17]，只能演算以點(diǎn)源形式輸入河流的重金屬遷移過程，且僅僅是通過質(zhì)量守恒方程來確定重金屬的運(yùn)移并不涉及重金屬各種形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。Meng等[10]基于SWAT模型，開發(fā)了重金屬流域行為模擬模型SWAT-HM模型，初步實(shí)現(xiàn)了流域尺度長時(shí)間的重金屬行為模擬。SWAT-HM用Fortran語言編寫，并集成到了SWAT的源代碼中。如圖2所示，重金屬轉(zhuǎn)化模塊將Zn和Cd的形態(tài)分為液相溶解態(tài)、固相活潑態(tài)和固相不活潑態(tài)，主要考慮重金屬兩相三態(tài)間的吸附反應(yīng)和老化反應(yīng)。液相溶解態(tài)和固相活潑態(tài)之間的分配以吸附平衡反應(yīng)模擬，其中的固液分配系數(shù)Kd與土壤pH值和有機(jī)物含量SOC建立關(guān)系[18]，以考慮重金屬固液分配的空間分異性。固相活潑態(tài)和固相不活潑態(tài)之間以可逆的老化反應(yīng)模擬，反應(yīng)速率與土壤pH有關(guān)[19]。廢礦石中每日風(fēng)化產(chǎn)生的重金屬以活潑態(tài)形式進(jìn)入土壤表層，風(fēng)化速率參考文獻(xiàn)[20]數(shù)值。遷移模塊包括陸面過程和河道過程。陸面過程主要考慮重金屬隨地表徑流、壤中流、下滲流以及侵蝕泥沙的遷移過程；其中，液相溶解態(tài)重金屬可隨地表徑流、壤中流和下滲流遷移，而固相活潑態(tài)和不活潑態(tài)重金屬只隨侵蝕泥沙搬運(yùn)。河道過程主要考慮重金屬沉降、再懸浮、擴(kuò)散和掩埋等過程。在河道中，底泥層分為淺層底泥層和深層底泥層，底泥層之上假設(shè)為充分混合水層。吸附在泥沙上的重金屬隨泥沙發(fā)生沉降和再懸浮，溶解相重金屬由于擴(kuò)散作用在水層和底泥層之間發(fā)生運(yùn)移，底泥中的重金屬則通過掩埋過程向深層遷移。

圖2 流域重金屬遷移轉(zhuǎn)化模型（SWAT-HM）示意圖Figure 2 Graphical descriptions of the watershed heavy metal transport and transformation model（SWAT-HM）

1.4 情景生成方法

SWAT-HM可以與氣候變化情景匹配，實(shí)現(xiàn)氣候變化情景下流域重金屬行為的響應(yīng)模擬。本研究中瀏陽河上游流域氣象因子變化情景具體設(shè)置如表2所示。氣象因子中主要考慮降水和氣溫的變化，S0為現(xiàn)狀情景，記作 O；S1、S2、S3、S4為降水量變化20%、10%、-10%、-20%，分別記作P+20、P+10、P-10、P-20；S5、S6、S7、S8為氣溫變化2、1、-1、-2 ℃，分別記作T+2、T+1、T-1、T-2。為判別降雨和氣溫的影響顯著性，本研究將降雨氣溫的變化量（+0.2、0.1、0、-0.1、-0.2）與流域蒸散發(fā)、地表徑流和各形態(tài)重金屬輸出量分別進(jìn)行Pearson線性關(guān)系檢驗(yàn)（顯著性水平P=0.05）。

2 結(jié)果與討論

2.1 SWAT-HM模型建立與驗(yàn)證

本研究首先基于數(shù)字高程模型（DEM）提取流域水系，加載的DEM經(jīng)過預(yù)處理后，設(shè)定最小子流域閾值為15 km2，進(jìn)行子流域劃分，設(shè)定雙江口為總流域出口，另外載入3個(gè)點(diǎn)源坐標(biāo)位置，最終將整個(gè)流域共劃分為79個(gè)子流域。然后根據(jù)各子流域內(nèi)部的坡度、土地利用類型和土壤類型疊加生成水文響應(yīng)單元（Hydrologic response unit，HRU），共 生 成 1354個(gè)HRUs。流域水文、水環(huán)境模型的參數(shù)率定和驗(yàn)證是模擬計(jì)算中的重要一環(huán)，本研究采用SUFI2方法對(duì)SWAT-HM模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，按照以下順序進(jìn)行：先確定徑流參數(shù)，接著確定泥沙參數(shù)，最后確定重金屬模塊的相關(guān)參數(shù)。各類參數(shù)率定與不確定性分析均采用常見的SUFI2算法[21]開展，水文和泥沙校驗(yàn)結(jié)果可參見文獻(xiàn)[10]，圖3a和圖3b分別為溶解相重金屬Zn和Cd濃度的模擬實(shí)測對(duì)比，本研究中將河道中溶解態(tài)重金屬的實(shí)測數(shù)據(jù)分成兩部分，一部分用于模型率定，一部分用于模型驗(yàn)證?？梢钥吹?，在不同河段總共137個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)中，85.9%（Zn）和86.1%（Cd）的模擬濃度分別在實(shí)測濃度的5倍線內(nèi)，94.5%（Zn）和94.2%（Cd）的模擬濃度分別在實(shí)測濃度的10倍線內(nèi)。此外，SWAT-HM在較窄的不確定性（R-factor=0.75～1.05）下包含了足夠多的觀測（P-factor=0.66～0.84），顯示該率定結(jié)果具有一定的可靠性。考慮到流域尺度重金屬模擬的復(fù)雜性和不確定性，該結(jié)果顯示SWAT-HM較好地模擬了瀏陽河上游流域重金屬Zn和Cd的遷移轉(zhuǎn)化特征。

2.2 不同河段Zn和Cd污染評(píng)估

圖4a和圖4b展示了溶解態(tài)重金屬Zn和Cd從2009—2014年共6年模擬結(jié)果，橫坐標(biāo)表示從七寶山礦區(qū)的寶山河源頭到流域總出口沿線的各子流域出口斷面?？梢钥吹?，Zn和Cd濃度在每個(gè)斷面都具有一定的時(shí)間波動(dòng)性，但總體上呈現(xiàn)出上游和下游低，中游礦區(qū)附近顯著升高的特點(diǎn)。對(duì)于Zn來說，中位數(shù)最低值出現(xiàn)在52號(hào)子流域，6年模擬結(jié)果均未超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)（50 μg·L-1），中位數(shù)最高值出現(xiàn)在48號(hào)子流域，6年來分別有745 d和4 d超過Ⅲ類（1000 μg·L-1）和Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)（2000 μg·L-1）。對(duì)于Cd來說，中位數(shù)最低值同樣出現(xiàn)在寶山河源頭52號(hào)子流域，6年模擬結(jié)果均未超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)（1 μg·L-1），中位數(shù)最高值出現(xiàn)在47號(hào)子流域，模擬的6年中都超過了Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)（10 μg·L-1）?？傮w來看，Cd污染程度大于Zn污染，寶山河源頭水質(zhì)較好，流經(jīng)七寶山礦區(qū)后水質(zhì)顯著變差。當(dāng)寶山河與大溪河在44號(hào)子流域匯合后，由于稀釋作用和水沙交互作用，Zn和Cd濃度都顯著降低，均好于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。1985年馬強(qiáng)等[12]和2003年戴塔根等[13]分別對(duì)七寶山礦區(qū)的污染情況進(jìn)行了調(diào)查，不同時(shí)期的對(duì)比結(jié)果表明，各類樣品中重金屬元素都有不同程度的富集。其中寶山河底泥中Cu、Zn、Pb、Cd、As等重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)，在河流底泥峰值河段，水體中Cd和Zn含量均超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）。本研究模擬結(jié)果與馬強(qiáng)等[12]和戴塔根等[13]實(shí)測結(jié)果非常接近，但戴塔根等[13]提到寶山河下游已符合Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，而本研究中寶山河下游如42號(hào)、40號(hào)子流域仍有部分（Zn）和整體（Cd）超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。分析可能原因有（1）模型模擬有偏，低估了稀釋和水沙交換作用，所以模型高估了寶山河下游河段重金屬Zn和Cd的濃度；（2）戴塔根等[13]的結(jié)論源于單次采樣，時(shí)間跨度不足，可能未采集到高污染風(fēng)險(xiǎn)情景下（如久旱初雨）的水樣；（3）寶山河Zn和Cd污染峰值隨時(shí)間向下游推移，因?yàn)榇魉萚13]通過對(duì)比底泥中Cd含量發(fā)現(xiàn)2003年的濃度峰值相比于1985年向下游移動(dòng)了1.2 km。

表2 瀏陽河上游流域氣象情景設(shè)置Table 2 Meteorological scenarios for upper Liuyang river basin

圖3 溶解相重金屬Zn和Cd濃度模擬實(shí)測對(duì)比圖Figure 3 Comparison of simulated and observed dissolved Zn and Cd concentrations in the river

圖4 模型模擬各河段溶解態(tài)Zn和Cd濃度及環(huán)境質(zhì)量評(píng)估（國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002）Figure 4 Model simulation of the dissolved Zn and Cd concentrations in the river and environmental quality assessment（Chinese Environmental Quality Standards for Surface Water GB 3838—2002）

2.3 Zn和Cd輸出通量和形態(tài)分布

如表3所示，流域出口雙江口Zn的年平均輸出通量為90.8 t·a-1，其中溶解相和吸附相分別占30.7%和69.3%。Cd的年平均輸出通量為1.1 t·a-1，其中溶解相和吸附相分別占59.1%和40.9%。楊忠芳等[22]于2007—2008年對(duì)湖南洞庭湖水系的重金屬分布特征及輸送通量進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查研究，計(jì)算得到從湘江進(jìn)入洞庭湖的Zn平均通量為478.90 t·a-1，其中溶解相和吸附相分別占39.90%和60.10%。從湘江進(jìn)入洞庭湖的Cd平均通量為59.58 t·a-1，其中溶解相和吸附相分別占69.32%和30.68%?？梢钥吹剑瑸g陽河上游流域作為湘江流域的子流域，重金屬Zn和Cd在不同形態(tài)中的分布特征具有很強(qiáng)的相似性。從月輸出來看（表3），溶解相和吸附相Zn、Cd最高輸出量都出現(xiàn)在6月，最低輸出量出現(xiàn)在1月。豐水期（4—6月）溶解相Zn、吸附相Zn、溶解相Cd和吸附相Cd輸出量分別占總輸出量的42.7%、77.7%、45.6%和78.9%。從日輸出來看，圖5展示了流域出口重金屬輸出量與徑流量日變化量的對(duì)比分析，模擬結(jié)果表明，溶解相和吸附相重金屬輸出量的大幅提升幾乎全部出現(xiàn)在強(qiáng)降水后流量增加時(shí)，吸附相重金屬輸出量主要由幾次暴雨洪水過程貢獻(xiàn)。

表3 模型模擬溶解態(tài)Zn、Cd和吸附相Zn、Cd的月平均和年平均輸出量（kg）Table 3 Simulated monthly and yearly exports of dissolved Zn，Cd and particulate Zn，Cd（kg）

2.4 不同氣象情景下重金屬行為響應(yīng)

將9種氣象情景輸入SWAT-HM模型中進(jìn)行模擬計(jì)算，統(tǒng)計(jì)分析9種不同的降水和氣溫情景下的蒸散發(fā)量、地表徑流量以及不同形態(tài)重金屬（以Zn為例，溶解態(tài)Zn和吸附態(tài)Zn）的流域出口輸出量。圖6展示了9種設(shè)定情景下，研究區(qū)水文水質(zhì)的變化特征?？梢钥闯?，蒸散發(fā)量、地表徑流量與流域的氣象因子關(guān)系十分密切。降水量的變化對(duì)蒸騰量、地表徑流量影響顯著（P＜0.05），蒸騰量、地表徑流量都隨降水量的增加而增大。氣溫變化對(duì)蒸騰量和地表徑流量也都有顯著影響（P＜0.05）。蒸騰量隨氣溫的增加而增大，但地表徑流量卻隨溫度的升高而減小。這是因?yàn)闅鉁氐纳?，使流域的蒸騰量（耗水量）增加，因而地表徑流量會(huì)相應(yīng)地降低。不同的氣象因子對(duì)流域水質(zhì)同樣產(chǎn)生影響，其中降水增加會(huì)導(dǎo)致重金屬輸出量增加，這是因?yàn)榻涤甑脑黾訒?huì)導(dǎo)致地表徑流、壤中流和泥沙侵蝕的增加，進(jìn)而使得溶解相和吸附相重金屬的遷移量增加。溫度的變化對(duì)于溶解相重金屬影響不顯著（P=0.93），但溫度變化對(duì)吸附相重金屬有顯著影響（P＜0.05）。溫度升高會(huì)導(dǎo)致吸附相重金屬的降低，這是由于溫度的升高，使地表徑流和泥沙侵蝕量降低，進(jìn)而間接地導(dǎo)致吸附相重金屬的輸出量減少。模擬結(jié)果表明，降雨增加20%會(huì)導(dǎo)致溶解相Zn和吸附相Zn分別增加11.7%和66.7%，溫度升高2℃則會(huì)導(dǎo)致吸附相Zn減少4.5%?？傮w來說，降雨的變化對(duì)重金屬Zn輸出量的影響比溫度明顯，且吸附相Zn對(duì)于降雨和溫度變化的響應(yīng)比溶解相Zn強(qiáng)烈。這也意味著氣候變化導(dǎo)致的氣溫整體上升也許對(duì)重金屬行為影響不大，但其所導(dǎo)致的強(qiáng)降水等極端氣象過程頻發(fā)對(duì)重金屬大范圍遷移擴(kuò)散的影響值得關(guān)注。

2.5 礦區(qū)影響流域重金屬污染防治的啟示

圖5 模型模擬流域出口流量、不同形態(tài)重金屬Zn和Cd輸出量時(shí)間序列圖Figure 5 Simulated temporal sequences of outputs at the watershed outlet，including streamflow，dissolved Zn，Cd and particulate Zn，Cd

圖6 不同氣象情景下蒸散發(fā)、地表徑流、溶解相Zn和吸附相Zn行為的響應(yīng)差異Figure 6 Responses of evapotranspiration，surface runoff，dissolved Zn and particulate Zn behavior under simulated meteorological scenarios

當(dāng)前重金屬污染研究多采用點(diǎn)和斷面監(jiān)測方法，且主要集中于小尺度重金屬遷移轉(zhuǎn)化過程，對(duì)于重金屬全流域過程以及變化環(huán)境下的重金屬行為響應(yīng)等研究較少。目前國內(nèi)已有大量的礦區(qū)重金屬污染的現(xiàn)狀調(diào)查工作，詳細(xì)的調(diào)查采樣工作需要大量的人力、物力和財(cái)力，通常也只能獲得有限時(shí)空斷面上的污染信息。然而礦區(qū)對(duì)流域重金屬的影響過程具有高度的復(fù)雜性、隨機(jī)性和時(shí)空分異性，構(gòu)建和運(yùn)用重金屬元素遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理模型將是流域系統(tǒng)宏觀尺度重金屬污染防治的重要發(fā)展方向。SWAT-HM以重金屬本身在土壤、水體中的化學(xué)形態(tài)變化機(jī)理和動(dòng)力學(xué)為內(nèi)核，將氣象和水文條件作為驅(qū)動(dòng)因子，從而具備科學(xué)模擬重金屬行為時(shí)空特征的能力；SWAT-HM也由此可用于識(shí)別和研判影響重金屬行為的氣象水文因子。如本研究結(jié)果所示，降雨強(qiáng)度對(duì)于研究區(qū)重金屬輸出量有很大的影響，且對(duì)于吸附相重金屬的影響比溶解相重金屬大[豐水期（4—6月）吸附相Zn和吸附相Cd輸出量分別占總輸出量的77.7%和78.9%]。這表明礦區(qū)的土壤侵蝕防控對(duì)于防止礦區(qū)重金屬污染擴(kuò)散具有很大作用，這也與Gozzard等[23]在英國某Zn礦區(qū)的研究結(jié)論一致。

流域尺度重金屬模擬還存在很大的不確定性，主要包括模型結(jié)構(gòu)、輸入數(shù)據(jù)等方面。模型結(jié)構(gòu)方面，將重金屬簡化為兩相三態(tài)間的轉(zhuǎn)化過程可能忽略了膠體態(tài)存在時(shí)的復(fù)雜過程，SWAT模型中的河段完全混合假設(shè)也不能無條件成立；輸入數(shù)據(jù)方面，在本研究中將4次采樣平均值作為點(diǎn)源的輸入，忽略了點(diǎn)源的時(shí)間變化性，以有限土壤樣點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)作為面源的重金屬輸入，低估了面源的空間分異性。所以，今后應(yīng)該進(jìn)一步開展流域重金屬模型的不確定性分析研究，探討如何在有限數(shù)據(jù)下對(duì)重金屬遷移轉(zhuǎn)化做出合理預(yù)測。此外，今后可將重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程與氣象情景、土地利用和環(huán)境管理等因素綜合分析，用于識(shí)別重金屬污染高風(fēng)險(xiǎn)情景，預(yù)測重金屬污染發(fā)展趨勢，這對(duì)于受重金屬污染影響地區(qū)的流域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、環(huán)境管理和污染防治都具有重要意義。

3 結(jié)論

本研究采用流域尺度重金屬遷移轉(zhuǎn)化模型SWAT-HM對(duì)湖南瀏陽七寶山礦區(qū)影響流域進(jìn)行了適用性評(píng)價(jià)，并探討了不同形態(tài)重金屬對(duì)于不同氣象因子的響應(yīng)特征，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）SWAT-HM能較好地模擬研究區(qū)重金屬Zn和Cd的遷移轉(zhuǎn)化特征，證明該模型可應(yīng)用于礦區(qū)污染流域的重金屬行為模擬，且模擬精度良好。

（2）河道內(nèi)重金屬污染水平與河段相對(duì)污染源區(qū)的距離、稀釋因素等水文過程關(guān)系復(fù)雜，SWAT-HM在研究區(qū)的模擬和實(shí)測表明采用流域模型模擬在定量識(shí)別重金屬污染區(qū)域的河道內(nèi)污染水平方面具有優(yōu)勢。

（3）SWAT-HM在研究區(qū)的模擬表明雖然在年尺度流域輸出重金屬中，溶解相和吸附相比例相差并不大，但豐水期（4—6月）吸附相重金屬輸出量顯著增加，因此土壤侵蝕控制對(duì)于防范礦區(qū)重金屬污染事故具有重要意義。

（4）SWAT-HM的氣象情景分析結(jié)果表明，降雨的變化對(duì)重金屬輸出量的影響比溫度明顯，且吸附相重金屬對(duì)于降雨和溫度變化的響應(yīng)比溶解相重金屬敏感。SWAT-HM或可用于模擬氣候變化情景下的重金屬輸出響應(yīng)模擬研究。