章凱兵 康俊鋒,2# 付 樂(lè)

(1.江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027)

龍南市位于贛江流域上游區(qū)域，內(nèi)部貫穿有贛江一級(jí)支流——桃江，桃江在龍南市內(nèi)又分出3條二級(jí)支流：渥江、濂江、太平江。龍南市擁有豐富的離子型稀土資源，為當(dāng)?shù)貏?chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但存在稀土資源開(kāi)采后的廢渣監(jiān)管不力現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重的流域水環(huán)境污染[1-2]。當(dāng)前，離子型稀土資源開(kāi)采都是用硫銨原地浸礦提取的，氨氮是產(chǎn)生的主要污染物之一[3]。大量氨氮進(jìn)入水體后使得水中的氮含量劇增[4-5]。《2016年贛州市環(huán)境年報(bào)》顯示，龍南市的水質(zhì)主要超標(biāo)指標(biāo)是氨氮和總氮。因此，準(zhǔn)確高效地模擬龍南市稀土礦區(qū)水環(huán)境中氨氮和總氮的污染負(fù)荷和空間分布對(duì)流域水環(huán)境污染治理具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用經(jīng)驗(yàn)負(fù)荷模型對(duì)流域污染負(fù)荷進(jìn)行模擬[6]。輸出系數(shù)法是經(jīng)驗(yàn)負(fù)荷模型的常用方法之一，經(jīng)過(guò)早期學(xué)者JOHNES[7]的改進(jìn)，具備了資料要求低、應(yīng)用簡(jiǎn)單且實(shí)用的特性，符合我國(guó)水文水質(zhì)、土地利用、氣象和人口等需要長(zhǎng)期觀測(cè)的數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏的情況[8]。事實(shí)上，經(jīng)驗(yàn)負(fù)荷模型主要只計(jì)算了非點(diǎn)源污染負(fù)荷，而忽略了點(diǎn)源污染以及水文條件等的影響，為了更加準(zhǔn)確地模擬流域的水質(zhì)變化，學(xué)者們采用構(gòu)建水質(zhì)模型的方式來(lái)進(jìn)行詳細(xì)模擬[9]。水質(zhì)分析模型(WASP)是使用較為靈活，且內(nèi)置富營(yíng)養(yǎng)化程序的水質(zhì)模型[10]。本研究以贛江流域上游龍南市稀土礦區(qū)為研究區(qū)域，使用輸出系數(shù)法核算氨氮和總氮的非點(diǎn)源污染負(fù)荷，并結(jié)合相關(guān)參數(shù)構(gòu)建WASP，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域的水質(zhì)污染模擬結(jié)果分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 輸出系數(shù)法核算非點(diǎn)源污染負(fù)荷

稀土開(kāi)采用地是一種特殊的土地利用類型，因此在文獻(xiàn)[7]的輸出系數(shù)法污染源類型中添加了稀土開(kāi)采用地。由此，本研究中非點(diǎn)源污染源類型包括耕地、稀土開(kāi)采用地、居民生活和牲畜，其中牲畜又分為畜類和禽類兩個(gè)污染物輸出類型。輸出系數(shù)法核算非點(diǎn)源污染負(fù)荷的公式如下：

(1)

式中：Lj為第j種污染源的非點(diǎn)源污染負(fù)荷，kg/a；Bij為第j種污染源中第i個(gè)污染物的輸出系數(shù)；Aij為第j種污染源中第i個(gè)污染物的輸出量。Bij、Aij的單位根據(jù)實(shí)際情況而定。

隴南市的土壤類型為紅壤，因此其耕地的氨氮和總氮輸出系數(shù)分別取0.32、6.00 kg/(hm2·a)[11-12]。

稀土開(kāi)采用地的氨氮或總氮輸出系數(shù)根據(jù)式(2)[13]計(jì)算得到。隴南市稀土開(kāi)采用地的土壤侵蝕模數(shù)取353.54 t/(km2·a)[14-15]。根據(jù)南方離子型稀土礦區(qū)土壤研究成果[16-17]，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕邓闆r確定隴南市稀土開(kāi)采用地的土壤中氨氮和總氮質(zhì)量分別為0.188、0.197 g/kg 。

RO=S×N

(2)

式中：RO為稀土開(kāi)采用地的氨氮或總氮輸出系數(shù)，kg/(hm2·a)；S為稀土開(kāi)采用地的土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；N為稀土開(kāi)采用地土壤中的氨氮或總氮質(zhì)量濃度，g/kg。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，隴南市居民生活的氨氮和總氮輸出系數(shù)分別取0.15、2.14 kg/(人·a)。

牲畜的非點(diǎn)源污染輸出主要源于糞便。根據(jù)畜類和禽類糞便中的氮含量確定畜類與禽類的總氮輸出系數(shù)分別為0.74 kg/(頭·a)、0.04 kg/(只·a)，氨氮輸出系數(shù)分別為0.14 kg/(頭·a)、0.03 kg/(只·a)[19]。

1.2 WASP建模

WASP能夠?qū)Σ煌愋退w(包括河流、河口、湖泊、水庫(kù)等)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特征模擬[20]，本研究利用其富營(yíng)養(yǎng)化程序模擬贛江流域上游龍南市稀土礦區(qū)的氨氮和總氮。

1.2.1 河網(wǎng)概化與分段

本研究河網(wǎng)概化的基本原則：(1)概化后的河網(wǎng)的天然水力特性與實(shí)際水體基本保持一致；(2)河網(wǎng)概化時(shí)主要考慮主干河道，以避免河網(wǎng)支流多且分布復(fù)雜的情況[21]。以ArcGIS軟件的水文分析模塊為工具，根據(jù)龍南市數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理并分析流向與流量，再對(duì)河流柵格矢量化提取河網(wǎng)邊界，最后結(jié)合實(shí)際的水體特征和區(qū)域水功能區(qū)劃(包括河流分支與污染源排放位置、水體特性劇烈變化位置、水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)站位置、河流取水口位置等[22])將贛江流域上游龍南市稀土礦區(qū)河網(wǎng)概化成9段，分別為桃江入境—塘竹子、塘竹子—三江交匯口、三江交匯口—黃坑口、黃坑口—太平江口、太平江口—龍南電站大橋、三江交匯口—龍南高速分界處、龍南高速分界處—程口大橋、三江交匯口—中和大道、中和大道—湯湖，依次記為A、B、C、D、E、F、G、H、I。

1.2.2 模型輸入?yún)?shù)

(1) 河網(wǎng)水力參數(shù)

各河段水力參數(shù)包括河段的深度指數(shù)、坡度系數(shù)、速度指數(shù)和糙率。贛江流域上游龍南市稀土礦區(qū)各河段的速度指數(shù)均可取0.38，深度指數(shù)取0.45，坡度系數(shù)取0.001。糙率與河段的地形有關(guān)，各河段的取值見(jiàn)表1。

(2) 初始條件參數(shù)

初始條件參數(shù)包括各河段的平均深度、水體流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)。

(3) 邊界條件參數(shù)

邊界條件以各河段水體流量為基礎(chǔ)確定水流輸送模式，從而獲得水量邊界和外部污染負(fù)荷邊界。外部污染負(fù)荷分為點(diǎn)源污染負(fù)荷和非點(diǎn)源污染負(fù)荷。

表1 各河段糙率

點(diǎn)源污染主要考慮工業(yè)廢水。龍南市的工業(yè)廢水排放主要在C、 G、 H河段 ，這3個(gè)河段的氨氮和總氮點(diǎn)源污染負(fù)荷見(jiàn)表2。

表2 點(diǎn)源污染負(fù)荷

由1.1節(jié)計(jì)算得到各河段的氨氮(見(jiàn)表3)和總氮(見(jiàn)表4)非點(diǎn)源污染負(fù)荷。

表3 氨氮非點(diǎn)源污染負(fù)荷

表4 總氮非點(diǎn)源污染負(fù)荷

(4) 模型自帶參數(shù)

模型自帶參數(shù)中20 ℃下的硝化速率(k12，d-1)、硝化的氧限制半飽和常數(shù)(kNIT，mg/L)、20 ℃下的反硝化速率(k20，d-1)、20 ℃下溶解有機(jī)氮的礦化速率(k71，d-1)、20 ℃下的硝化速率溫度調(diào)整系數(shù)(θ12)、20 ℃下的反硝化速率溫度調(diào)整系數(shù)(θ20)、20 ℃下溶解有機(jī)氮的礦化速率溫度調(diào)整系數(shù)(θ71)分別根據(jù)本研究中12個(gè)采樣點(diǎn)的氨氮和總氮的水質(zhì)數(shù)據(jù)率定，最終取值見(jiàn)表5。模型其他自帶參數(shù)取默認(rèn)值[23]。

表5 模型自帶參數(shù)的取值

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

水質(zhì)數(shù)據(jù)：12個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)由龍南生態(tài)環(huán)境局?jǐn)?shù)據(jù)中心提供，采樣時(shí)間為2016年1月至2017年5月。

2016年Landsat-8 空間分辨率為30 m的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、龍南市DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。從2016年Landsat-8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中得到稀土開(kāi)采用地和耕地的面積分別為5 608.39、24 318 hm2。

2016年1月至2017年5月的平均深度、水體流量數(shù)據(jù)根據(jù)中國(guó)水文網(wǎng)(http://swgl.mwr.gov.cn/)公布的杜頭、羊信江、居龍灘3個(gè)水文監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)就近取值。

人口、畜禽等其他數(shù)據(jù)來(lái)源于相應(yīng)年份的贛州市統(tǒng)計(jì)年鑒。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

分別根據(jù)氨氮和總氮進(jìn)行模型自帶參數(shù)率定的線性回歸相關(guān)系數(shù)(R2)、平均相對(duì)誤差(ε,%)和一致性指數(shù)(d)見(jiàn)表6。平均相對(duì)誤差低于30%，根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482—2008)，數(shù)據(jù)合格。

表6 模型自帶參數(shù)率定效果誤差分析

以超標(biāo)嚴(yán)重的氨氮為例，選取4個(gè)位于流域重要位置的采樣點(diǎn)(1#、5#、8#、10#)分析模擬值和實(shí)測(cè)值的關(guān)系。由圖1可見(jiàn)，氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值差異較小，說(shuō)明該模型模擬結(jié)果能反映研究區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)的污染指標(biāo)變化趨勢(shì)，可以應(yīng)用于贛江流域上游龍南市稀土礦區(qū)的水質(zhì)模擬。

圖1 氨氮模擬值和實(shí)測(cè)值的關(guān)系Fig.1 Relationship between ammonia nitrogen simulated values and real sample values

2.2 模型自帶參數(shù)的靈敏性分析

分析模型自帶參數(shù)變化±20%時(shí)，質(zhì)量濃度為0.55 mg/L的氨氮和質(zhì)量濃度為3.40 mg/L的總氮模擬值變化，從而分析靈敏度(見(jiàn)表7)。對(duì)于氨氮而言，參數(shù)靈敏度排序?yàn)椋簁12>k71>k20>θ20>θ71>θ12>kNIT；對(duì)于總氮而言，參數(shù)靈敏度排序?yàn)椋簁12>k71>k20>θ20>θ12>θ71>kNIT。

表7 模型自帶參數(shù)的靈敏度

2.3 不確定性分析

由于非點(diǎn)源污染負(fù)荷核算不確定性較大，因此本研究參考陳文君等[24]的研究方法，將對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)較大的稀土開(kāi)采用地、耕地、居民生活進(jìn)行靈敏度分析，情景分別假設(shè)稀土開(kāi)采用地、耕地、居民生活的污染程度提高10%，模擬運(yùn)行20年，選擇一級(jí)支流桃江的3個(gè)采樣點(diǎn)(2#、6#、7#)分析氨氮和總氮的變化率，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不確定性分析結(jié)果Fig.2 Uncertainty analysis results

由圖2可見(jiàn)，3種情景中耕地污染程度提高10%對(duì)氨氮和總氮的變化率影響程度最大，并且對(duì)總氮的影響程度大于對(duì)氨氮的影響程度。稀土開(kāi)采用地污染程度提高10%對(duì)氨氮的變化率影響程度大于總氮，居民生活污染程度提高10%對(duì)總氮的變化率影響程度更大。為降低模型的不確定性，可以進(jìn)一步準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)稀土開(kāi)采用地面積和耕地面積，細(xì)化人口的調(diào)查。

2.4 模擬結(jié)果分析

參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，本研究將水質(zhì)級(jí)別分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、Ⅴ類超標(biāo)、Ⅴ類嚴(yán)重超標(biāo)7類，其中Ⅴ類嚴(yán)重超標(biāo)水域是指劣Ⅴ類中超標(biāo)1倍以上的水域。利用空間分析工具統(tǒng)計(jì)氨氮和總氮的各類水域長(zhǎng)度占比(見(jiàn)表8)。

表8 氨氮和總氮的各類水域長(zhǎng)度占比

由表8可見(jiàn)，氨氮濃度達(dá)到Ⅲ類及以上的水域長(zhǎng)度占比達(dá)到53%，總氮濃度達(dá)到Ⅲ類及以上的水域長(zhǎng)度占比達(dá)到75%。氨氮濃度達(dá)到Ⅲ類及以上的水域長(zhǎng)度占比比總氮低，渥江和濂江的氨氮污染狀況最嚴(yán)重，其次是桃江，太平江氨氮污染狀況較輕?？偟彩窃阡捉湾ソ奈廴緺顩r最嚴(yán)重，桃江和太平江上總體污染程度相對(duì)較輕。

3 結(jié)論與建議

(1) 用WASP對(duì)贛江流域上游龍南市稀土礦區(qū)的水中氨氮和總氮進(jìn)行模型自帶參數(shù)率定，平均相對(duì)誤差低于30%，符合GB/T 22482—2008要求，氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值的差異也較小。

(2) 對(duì)不確定性較大的非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行不確定性分析，耕地污染程度提高10%對(duì)氨氮和總氮的變化率影響程度最大，并且對(duì)總氮的影響程度大于對(duì)氨氮的影響程度。

(3) 氨氮濃度達(dá)到Ⅲ類及以上的水域長(zhǎng)度占比達(dá)到53%，總氮濃度達(dá)到Ⅲ類及以上的水域長(zhǎng)度占比達(dá)到75%?？傮w而言，渥江和濂江的氮污染比較嚴(yán)重，桃江和太平江的氮污染程度相對(duì)較輕。

(4) 耕地、稀土開(kāi)采用地和居民生活的非點(diǎn)源污染是造成龍南市稀土礦區(qū)水質(zhì)污染的重要原因，建議加強(qiáng)對(duì)農(nóng)民的科學(xué)施肥指導(dǎo)，完善稀土開(kāi)采的監(jiān)管政策，提高人們的環(huán)保意識(shí)。