不同降雨条件下汾河流域（临汾段）氮磷污染负荷变化分析
延雪花¹ 杨雯钰² 信欣² 戴有学¹

1.山西省临汾市气象局，山西临汾 041000

2.成都信息工程大学，四川成都 610225

摘要：本文以汾河流域临汾段为研究区域，基于气象监测数据分析了近三年降雨量和水质（氮、磷）的变化特征，并利用SWAT模型模拟了氮、磷输出负荷的空间分布特征及其对降雨的响应关系。结果表明：（1）研究区降雨量和水质存在明显的季节变化特征，夏秋季节降雨量较大，水质状况好转，而冬春季结果相反，这主要与洁净雨水的稀释作用有关；（2）流域内污染主要来源于畜禽养殖和城镇生活污水，重点污染区域集中在尧都区、襄汾县、洪洞县和曲沃县；（3）降雨径流将陆面污染物冲刷进入河流，TN、TP负荷与降雨量之间存在明显的正相关。基于研究结果，结合研究区实际情况，提出了流域氮磷污染削减的措施，为科学管控汾河流域提供指导。

关键词：汾河流域；降雨；氮磷污染负荷；SWAT模型

中图分类号：X524

1 研究背景及研究区概况

汾河是黄河的第二大支流，涉及临汾市11个县区，约占全市总面积的30%。汾河流域处于中纬度大陆性季风气候区^[1]，多年平均降雨量为509 mm，多年平均气温在6 ~ 13℃。年际降雨量变化大并且年内分布不均匀，冬季干旱少雨，夏季雨水充沛，7-9月降水较为集中，占全年降雨量的80%以上。流域土地利用以耕地、林地为主，占流域面积的80%左右。

多年来，汾河是山西省人民生产生活用水的主要来源^[2]，其水质质量关系到整个流域水质安全。降雨形成的地面径流是造成污染物转移并引起河道污染加剧的直接媒介。

然而，目前关于汾河流域（临汾段）污染负荷与降雨之间内在关系的研究报道极少。因此，本文分析了近年来汾河流域（临汾段）水质变化特征及其与降雨量之间的相关关系，并利用SWAT模型识别污染物输出的关键区域，揭示了氮、磷污染负荷与降雨之间的响应关系，为汾河流域水污染控制及水质质量提升提供科学依据。

2 基础数据来源及研究方法

水质数据来源于2013 -2021年临汾市地表水监测结果，选取TN和TP两个指标进行分析。气象资料源于山西省气象局2013年至2021年间逐日观测数据，包括降雨、湿度、日照时数等，选用尧都、侯马、洪洞和霍州站四个站点的数据用于研究。污染源核算数据来源于2022年临汾市统计年鉴、相关调查资料。构建SWAT模型所需的主要数据有空间数据和属性数据。空间数据包括DEM、土地利用等数据；属性数据包括气象、污染源等数据。

3 研究结果与讨论

3.1 降雨量及径流变化特征

研究区2019-2021年间全年的降雨量和径流量见图1。近三年年降雨量在455.7mm~839mm范围内，夏季（6-8月）降雨量为180.9mm~472.9mm，占全年降雨量的28.41%~70.48%，秋季（9-11月）降雨量为75.1mm~589.2mm，占全年降雨量的11.19%~58.31%，表明汾河流域临汾段年降雨量呈明显的季节变化特征。降雨主要集中在夏秋季节，而冬春季降雨量较少。2019~2021年间，流域全年的月平均径流量为211.41m³/s~522.24m³/s，其中7~9月月均径流量为68.9%m³/s~145.3m³/s，占全年径流量的13.61%~44.88%。从二者的年内变化特征可以看出，径流量与降雨量之间呈正相关关系，2019~2021年逐年降雨量逐年提高，导致全年径流量依次增大。此外，降雨主要集中于夏、秋季节，也是引起夏秋季节径流量远高于冬春季节的原因。

图1 汾河流域临汾段年度降雨量和径流变化

3.2 水质变化特征

图2显示了2019-2021年间研究区流域水体TN、TP变化，可知水体总体氮磷污染程度在逐年减轻，但TN超标情况仍然严重，年内超标月份占比83.33% ~ 100%，且浓度值大大超出了国家地表水质量V类标准；相较于TN，TP超标比例更低、污染程度更低。从时间分布上看，研究区域汾河的TN和TP呈现出季节性变化规律，以冬和春季污染最为严重，TN和TP浓度分别可达17.4 mg/L和0.74 mg/L，夏秋季节浓度较低。4月起降雨量开始增多，TN和TN的浓度出现波动下降，直至雨季之后，降雨量逐渐减小，TN、TP浓度逐渐回升。研究表明，降雨具有稀释和侵蚀两种作用，降雨量较小时，表现为稀释作用，而降雨量较大时产生地表径流，则表现为侵蚀作用，携带污染物进入水体^[3]。研究区处于干旱与半干旱地区，总体降雨量相对较少，自然降水作为汾河的主要水量补给来源，冬春季节极少的降水甚至无法产生径流，无法供给足够的水环境容量，加之河流水流缓慢，因而冬春季节河道稀释作用不明显，大量污染物无法快速净化，从而导致汾河流域临汾段水质恶化^[4]。夏秋季节降雨相对较为充沛，尽管产流初期会将大部分营养盐冲刷进入河道，但中后期洁净雨水径流会对污染物起稀释作用，随着降雨的持续进行，河流水环境容量增加，污染物的降解作用增强，降低了水环境中的氮磷浓度^[5]。

3.3 各类污染源贡献

由表1可知，汾河流域临汾段氮、磷污染以面源污染为主，贡献了78.05%的氨氮和65.85%的TP，其中对氨氮和TP污染负荷贡献最大的均为分散式畜禽养殖，贡献率分别为56.44%和65.65%。点源对氨氮污染的贡献率为21.95%，其中20.82%源于城镇生活污水，城镇生活污水排放带来的TP对总体TP污染负荷的贡献率为27.57%，仅次于面源中的排放的畜禽养殖污。据统计，研究区城镇生活污水带来的氨氮和TP排放量分别可达7094.92t和270.28t，对研究区内的污染负荷贡献位居第二。

图2 近三年逐月水质变化

表1 各类污染源入河量及贡献率

类别	污染类型	NH4⁺-N		TP
类别	污染类型	排放量/t·a^-1	贡献率/%	排放量/t·a^-1	贡献率/%
点源	城镇生活源	1562.54	20.82	329.81	27.57
	工业污染源	63.35	0.84	64.36	5.38
	污水处理厂	21.054	0.28	14.381	1.20
	合计	1646.944	21.95	408.551	34.15
面源	畜禽养殖	4234.95	56.44	785.45	65.65
	农村生活源	1562.54	20.82	2.22	0.19
	农田化肥流失	59.53	0.79	0.22	0.02
	合计	5857.02	78.05	787.89	65.85
合计		7503.964	100.00	1196.441	100.00

3.4 SWAT模型解析

3.4.1 关键污染源区

图3-a显示研究区被划分为31个子流域，总氮和总磷的负荷等级均划分为6级别，二者负荷的空间分布具有相似性。总氮负荷等级较高的子流域有14、15、19、27、28、29和31号7子流域，8号子流域内的总磷负荷也较高，这些子流域分别位于洪洞县、尧都区、襄汾县和曲沃县。

对这4个重点区域的污染来源进行解析（图3-b），发现：尧都区城镇聚集，人口密度大，日常生产生活产生大量的排污废水，成为首要的TN污染源（76.84%），绝大部分TP污染来自于城镇生活污水（43.61%）和畜禽养殖（42.2%）；洪洞县2021年养殖猪78.14×10⁴头、牛9.24×10⁴头、羊77.35×10⁴头以及家禽2319.65×10⁴羽，分散的畜禽养殖产生的排泄物对研究区河流水体TP贡献量巨大，可达119.65 t/a，占TN来源的68.79%，由此带来的TN可贡献 35.4%的负荷量，同时有46.39%的TN负荷来自城镇居民生活污水；襄汾地处汾河流域下游，上游的污染物在此汇集，且襄汾县畜禽养殖规模较大，养殖总量高于洪洞县，大量养殖废水排入河流中，氨氮和总磷排放量位居市内第三，故TN的来源以畜禽养殖和城镇生活污水排放为主，分别占45.18%和38.41%，TP主要源于畜禽养殖污废水排放（75.41%）；襄汾县TN负荷的主要来源为畜禽养殖（45.18%）、城镇生活污水（38.41%）和分散排放的农村生活污水（15.8%），TP负荷主要来源于畜禽养殖污水（75.41%）和城镇居民日常生活产生的污水（13.17%），而农村生活污水对TP的贡献率仅为5.42%。

图3 氮磷负荷输出关键区域及各类污染源贡献

3.4.2 氮磷负荷对降雨的响应

季度总氮、总磷输出负荷表明，2019 ～ 2021年研究区季度TN、TP负荷大小变化趋势相同，均为以秋季负荷最高、冬季负荷最低，三年各季度平均TN负荷为秋季（2023.40 kg/km²）＞夏季（1302.85 kg/km²）＞春季（137.80 kg/km²）＞冬季（52.95 kg/km²），平均TP负荷大小为秋季（718.01 kg/km²）＞夏季（464.44 kg/km²）＞春季（48.93 kg/km²）＞冬季（10.78 kg/km²）（图4），同时，年内季度降雨量和径流量与污染负荷呈现出相同的变化趋势，即集中在夏秋季节，春冬季节次之，表明降雨对水环境中氮、磷负荷量影响明显。当有降雨事件发生时，水环境中TN和TP呈现出明显的上升趋势，随着降雨量的减少，TN和TP负荷呈现下降趋势。此外，降雨规模较大时产生的水量在超过城市排水系统承载能力时，雨水和污水可同时通过城市污水管网排入河道^[6]。上述结果说明降雨引起的径流量变化是导致流域内氮、磷负荷出现季节性差异的关键因素^[7]。

图4 2019-2021年季度污染负荷与降雨、径流量变化

进一步分析气候变化条件下研究区域总氮和总磷污染负荷变化趋势，通过设定不同降雨量变化情景，驱动率定好的SWAT模型进行模拟。降雨情景设置如下：-10（P1，降雨变化情景编号，下同）、-5（P2）、0（P3）、5（P4）、10（P5）。结果表明在计算的降雨变化范围（-10%～10%）内（4-b），降雨变化与TN、TP负荷变化呈正相关关系，随降雨增加，污染负荷增大，证明污染负荷与降雨量之间的确存在相关关系。月均总氮和总磷负荷（Q）与降雨变化率（ΔP）的相关关系式分别为：Q=1.9109 (ΔP)²+30.881(ΔP)+263.53和Q=0.5334(ΔP)²+9.8072(ΔP)+97.661。

3.5 污染防控措

（1）强化关键污染区内畜禽养殖污水和城镇生活污水处理

为了削减畜禽养殖业排放的污染，应合理布局，规范养殖，建立长效监管机制，减少散养养殖废水排放。同时对集中养殖废水入河前作一定处理，减少养殖废水中氮磷负荷。在城镇生活污染源控制方面，尤其是在尧都区和洪洞县这两个人口基数大、城镇密集的区域，当地政府应加强管网建设，提高污水运行负荷和处理率，以此削减城镇生活污染源排放量。需格外注意强化初期雨水治理以坚守暴雨后期径流量大时对水质风险的影响^[8]。

（2）加强农业种植管理

结合降雨与污染入河负荷的相关性研究，暴雨前施肥容易将营养元素冲刷进入河流，既造成化肥流失，不利于作物生长，又污染河流。因此，政府应加强公众宣传，鼓励农民及时关注天气预报，尽量避免在暴雨前施肥，施肥时间与强降雨事件发生的间隔时间越长，肥料流失比例越小^[9]；并采取深层施肥的方式，避免造成肥料的浪费和河流污染加剧。同时制定合理的农作物轮作措施，充分利用土壤的养分。

（3）完善基础设施建设

重点关注城镇污水处理设施的建造，提高城镇污水处理设施处理能力，修缮、新建污水运输管网。根据污染源以及污水处理设施处理能力的调查和核算，确定污水处理负荷，根据需求新建污水处理厂，并削减尾水污染负荷。同时，加快配套管网的建设，对老旧的管网进行改造，定期对排水管网进行清淤维护，确保管网的运输能力^[10]。

4 结论

（1）汾河流域（临汾段）TN、TP质量浓度表现出对降雨量的负响应变化，即冬春季节雨量小时浓度高，而夏秋季节降雨量增大期间氮磷污染物浓度下降，表明降雨对汾河水环境质量有着重要影响。SWAT情景模拟揭示TN、TP污染负荷与降雨之间存在正相关关系，二者对降雨量的响应关系分别为：Q=1.9109 (ΔP)²+30.881(ΔP)+263.53和Q=0.5334(ΔP)²+9.8072(ΔP)+97.661。

(2)水环境中氨氮和TP主要来源于面源畜禽养殖排放污水和点源城镇生活污染源，畜禽养殖污水对氨氮和TP负荷的贡献率分别为65.65%和27.57%，城镇生活污水对氨氮和TP负荷的贡献率分别为56.44%和20.82%。SWAT模型揭示了污染区域主要集中在尧都区、洪洞县、襄汾县和曲沃县，应开展对关键源区重要污染源的防控与整治。

（3）为了削减污染负荷，应重点对上述关键源区的畜禽养殖污水和城镇生活污水进行治理；加强市政污水管网修缮和建设，提高污水运行负荷和处理效率，同时还需采取合理的种植措施以减少农田化肥流失带来的污染负荷，对污水处理设施进行升级改造或新建，提高污水处理能力。

参考文献

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[9]Mo X Y, Peng H, Xin J, et al. Analysis of urea nitrogen leaching under high-intensity rainfall using HYDRUS-1D[J]. Journal of Environmental Management, 2022,312:114900.

[10]周琴娅.某城区河流水质污染现状即防治措施研究[J].低碳世界, 2021,11(04):45-46.

作者简介：延雪花(1969—),女,汉族,山西晋城人,硕士,临汾市气象局,高级工程师,从事环境气象应用研究。

基金项目：山西省气象局科研项目（No.SXKZDDW20217105）。

不同降雨条件下汾河流域（临汾段）氮磷污染负荷变化分析

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