大沽河流域氮磷關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別及環(huán)境整治措施研究——基于SWAT模型氮磷排放數(shù)量核算的應(yīng)用.pdf

1、自2006年開始實(shí)施國家陸源污染物總量控制管理以來，青島市同步實(shí)施了陸源污染物減排措施，但黃海尤其是膠州灣水質(zhì)并沒有同步改善。造成污染物減排與水質(zhì)改善嚴(yán)重脫節(jié)的一個(gè)主要原因是現(xiàn)行的青島市陸源污染物排海通量核算只局限于工業(yè)等點(diǎn)源，沒有囊括農(nóng)業(yè)等非點(diǎn)源。大沽河流域占青島市陸域面積的45％，是膠州灣陸源污染物的最大來源。因?yàn)榉屈c(diǎn)源和點(diǎn)源的構(gòu)成、分布、相互作用等復(fù)雜原因，只有將兩者納入同一個(gè)計(jì)算構(gòu)架如分布式非點(diǎn)源模型中，才能詳盡地描述大沽河流域

2、氮、磷排放數(shù)量分布、構(gòu)成和關(guān)鍵源區(qū)等。因此，本論文研究目的是針對(duì)大沽河流域氮、磷污染物總量控制管理中，排放數(shù)量核算方法不完備的突出問題，給出基于SWAT模型的既符合非點(diǎn)源時(shí)空變化規(guī)律，又與點(diǎn)源密切聯(lián)系的陸源污染物排放核算方法，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)揭示大沽河流域氮、磷排放數(shù)量、分布和關(guān)鍵區(qū)，并初步提出大沽河流域氮、磷的環(huán)境整治的措施。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　1.大沽河流域氮磷排放數(shù)量現(xiàn)場監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析
　　2011年9月進(jìn)行的

3、大沽河流域現(xiàn)場監(jiān)測(cè)表明，大沽河流域無機(jī)氮、磷排放量與排放密度較大的區(qū)域都位于大沽河流域中上游地區(qū)。2012年7月～8月進(jìn)行的大沽河上游小流域監(jiān)測(cè)表明，氮、磷排放與降雨量、降雨頻次以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān)。基于全國第一次污染源普查數(shù)據(jù)的排放數(shù)量統(tǒng)計(jì)表明，大沽河流域的工業(yè)源、生活源、服務(wù)業(yè)源、農(nóng)業(yè)源的總氮和總磷的比例分別為：5.18%、2.93%和17.12%、12.39%和0.55%、0.66%和77.15%、84.02%。各污染源的排放

4、密度空間差異明顯。
　　2.基于SWAT的大沽河流域氮磷污染物排放數(shù)量模擬計(jì)算
　?。?）構(gòu)建SWAT模型數(shù)據(jù)庫與子流域劃分。數(shù)據(jù)庫包括數(shù)字高程（DEM）、土地利用、土壤類型、氣象數(shù)據(jù)、污染源等數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用SWAT時(shí)，將流域內(nèi)工業(yè)、城鎮(zhèn)生活點(diǎn)源疊加到相應(yīng)子流域的河道中；將畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活非點(diǎn)源以化肥施用的形式疊加到相應(yīng)子流域的耕地中。在數(shù)字高程的基礎(chǔ)上，將大沽河流域一共劃分了35個(gè)子流域。
　?。?）模型校準(zhǔn)、驗(yàn)證與

5、模擬計(jì)算。通過歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及本論文現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SWAT模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，評(píng)價(jià)指標(biāo)決定系數(shù)（R2）和Nash-Suttcliffe系數(shù)(Ens)都在0.5以上，表明SWAT模型對(duì)大沽河流域的模擬計(jì)算具有較好適用性。SWAT模型模擬計(jì)算表明，2002年～2012年期間，有機(jī)氮、無機(jī)氮和總氮年平均排放量分別為：324.2t、2271.0t和2595.2t；有機(jī)磷、無機(jī)磷和總磷年平均排放量分別為：20.4t、385.9t和406.3t；月

6、均變化都表現(xiàn)為“倒V”型的形式，豐水期的總氮和總磷分別占年均排放量的75.6%和84.3%；枯水期總氮和總磷僅僅只占年均排放數(shù)量的1.5%和1.2%。
　　3.大沽河流域氮磷關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別及其污染特征分析
　　（1）大沽河流域氮磷排放空間分布與構(gòu)成。2002年～2012年平均排放密度計(jì)算結(jié)果表明，大沽河流域35個(gè)子流域的總氮和總磷排放密度呈現(xiàn)出明顯的空間差異，總氮和總磷排放密度較大的地區(qū)分布在大沽河上游、小沽河、五沽河以及流浩

7、河等地區(qū)。全流域總氮和總磷排放密度平均值為1661.8Kg/km2和74 Kg/km2。污染構(gòu)成分析表明，人類生產(chǎn)活動(dòng)的總氮和總磷占全流域總氮和總磷排放的69%和58%，其中化肥流失和畜禽養(yǎng)殖廢物排放分別占了人為來源總氮的49.9%和29.6%，總磷的41.4%和40.3%。這說明，大沽河流域主要的總氮和總磷污染源是由人類生產(chǎn)活動(dòng)所形成的非點(diǎn)源，特別是種植業(yè)化肥流失、畜禽廢棄物排放等。
　?。?）大沽河流域氮磷關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別。SWA

8、T模擬計(jì)算表明，大沽河流域土壤侵蝕較小，87%的區(qū)域小于500 t/（km2·a），屬微度侵蝕，其余13%為500～2500 t/（km2·a），屬輕度侵蝕。與總氮侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表明，大沽河流域27.4%的區(qū)域總氮排放密度大于2000Kg/（km2·a），屬于氮的關(guān)鍵排放源區(qū)，關(guān)鍵排放源區(qū)的總氮排放量占了全流域總氮排放量的36.1%。大部分關(guān)鍵排放源區(qū)的氮來源于耕地種植業(yè)區(qū)，其土壤類型主要是潛育土和淋溶土。結(jié)果顯示，大沽河流域不存在磷

9、的關(guān)鍵排放源區(qū)。進(jìn)一步根據(jù)大沽河流域35個(gè)子流域?qū)Υ蠊梁雍涌诳偟涂偭棕暙I(xiàn)率分析可知，五沽河地區(qū)貢獻(xiàn)率都是最大的，可以看成是影響膠州灣水質(zhì)的關(guān)鍵影響源區(qū)。
　　4.大沽河流域環(huán)境整治措施模擬評(píng)價(jià)及整治措施方案
　　根據(jù)《大沽河流域保護(hù)與空間利用總體規(guī)劃》設(shè)置和模擬評(píng)價(jià)了六種措施對(duì)大沽河流域氮、磷污染整治的效果。結(jié)果表明，化肥削減整治、畜禽養(yǎng)殖整治，特別是退耕還林整治是大沽河流域有效的氮、磷污染環(huán)境整治措施方案。分別實(shí)施化肥削

10、減50%、畜禽排放削減70%和在大沽河中上游丘林區(qū)退耕還林30%三種措施時(shí)，大沽河流域氮的關(guān)鍵源區(qū)都基本消失，而控制工業(yè)排放或農(nóng)村污水排放，則效果較差。實(shí)際情況下，結(jié)合六種措施，關(guān)鍵源區(qū)將全部消失，大沽河總氮入海通量減少近80%，總磷減少近70%，整治措施效果明顯，也有望明顯改善膠州灣水質(zhì)。
　　本文的科學(xué)創(chuàng)新點(diǎn)主要是基于SWAT模型的大沽河流域非點(diǎn)源和點(diǎn)源疊加的氮、磷排放數(shù)量的核算，并在此基礎(chǔ)上科學(xué)全面地識(shí)別了大沽河流域氮、磷關(guān)