3.2　氮磷营养盐污染源识别

于桥水库位于州河流域内，州河流域涉及河北省唐山市的遵化市、玉田县，承德市的兴隆县，天津市的蓟州区、宝坻区。河北省占流域面积的75.6％，其中遵化市所占面积最大，25个乡镇和2个林场共1194.9km2土地处于流域内，占流域总面积的55.8％；兴隆县3个乡镇392.5km2，占总面积的18.3％；玉田县面积仅占1.5％。天津市蓟州区和宝坻区面积共523.2km2，占流域总面积的24.4％。

为更好地识别于桥水库及其周边污染源，根据于桥水库所在州河流域的河流水系分布，将州河流域划分为4个子流域，分别为淋河子流域、沙河子流域、黎河子流域和州于（州河、于桥水库）子流域。

3.2.1　点污染源

3.2.1.1　工业污染源

城镇工业、生活废污水通过排污口门排放进入河流称为点污染源，州河流域城镇污水直接排入河流的点污染源为遵化市污水处理厂尾水排放口。根据遵化市环保局的统计资料，2014年遵化市的54家工业企业废水排放量为15.7万t，COD排放量为73.9t，氨氮排放量为1.3t。

根据遵化市水务局编制的《遵化市水资源综合规划》，2005年遵化市共有企事业单位505家，工业用水量为3235万m3。按用水量的80％计算，工业废污水排放量为2956万m3，环保局与水务局两者数据相差近200倍。数据相差大的原因有两个：一是环保局统计数据不全；二是水务局数据是简单推算得出的数据，没有考虑行业用水耗水的差异性。

根据遵化市区生活用水量、工业用水量和污水处理厂收水量估算工业废水排放量以及工业污水排放系数。2010年遵化镇生活用水量为293万t，工业用水量为1075万t，用水总量为1368万t。生活用水的污水排放系数一般定为0.8，因此，2010年生活污水排放量为234.4万t。根据遵化国祯污水处理厂2010年处理的污水总量为1112.4万t，遵化市2010年工业废水排放量为878万t，因此确定工业用水的污水排放系数为0.81。遵化市区水平衡图见图3-1。

3.2.1.2　污水处理厂点源

2009年之前，遵化市没有完善的排水系统，所有生活污水和工业废水均排入沙河、清水河、老爪河及护城河，造成沿河两侧的环境及水体的污染。2009年4月，由安徽国祯环保节能科技股份有限公司总包的遵化市污水处理厂正式通水运行，项目建设面积为7.54hm2，遵化市排水系统服务面积达22.6km2，服务人口19.1万，污水处理能力为8万t/d，其中，包括了日处理4万t污水的中水回用。污水处理为卡鲁赛尔氧化沟工艺，中水采用混凝、沉淀、过滤、消毒工艺。由于用户等问题，中水回用目前未能投入使用。

污水处理厂2010—2012年污染物去除情况见表3-1。

总氮的浓度取2013年两次采样分析结果，平均为11.6mg/L，水量取2012年污水处理量1483.4万t，总氮入河负荷为172t。

3.2.2　面源污染

与点源污染相比，面源污染具有污染发生时间的随机性、发生方式的间歇性、机理过程的复杂性、排放途径及排放量的不确定性、污染负荷的时空变异性、监测模拟与控制的困难性等特点。这些特点决定了面源污染难以监测，难以完全真实计算。目前常用的面源估算方法包括经验法、模型法和次暴雨面源污染负荷定量估算法。其中经验法包括经验估算法（污染负荷当量法）、经验统计公式法和输出系数法（单位面积负荷法），模型法使用GWLF、AGNPS、GREAMS、ANSWERS、SWAT、HSPF、SWMM等模型。本次污染源识别及污染贡献分析根据数据可得性和于桥水库及周边特点，主要采用经验估算法、SWAT模型法和一次暴雨径流过程污染负荷分析法对面源进行了估算。

3.2.2.1　经验估算法

面源污染包括农村生活污水和垃圾、畜禽养殖、化肥和农药，利用经验系数，估算总氮、总磷、COD和氨氮等污染物的入河量。

经计算，流域面源总入河量为COD 5887.3t、氨氮526.5t、总氮1665.8t和总磷463.0t。流域各县市面源污染入河情况见表3-2。

以子流域为单元统计分析于桥水库及周边面源污染情况，4个子流域中，黎河子流域的污染贡献最大，COD、氨氮、总氮和总磷的污染物入河量均占全流域的40％左右。各子流域面源污染入河情况见表3-3。

农村畜禽养殖污染物是面源污染的主要来源，占各类污染物入河量的62.8％～84.9％。各类污染源污染物入河量见表3-4和图3-2。

3.2.2.2　基于SWAT模型的于桥水库面源污染评价

（1）模型概述。SWAT是由美国农业部（USDA）农业研究中心的Jeff Amonld博士1994年开发的。模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。SWAT模型是以日为时间步长进行长时间段模拟的分布式流域水文模型，主要是利用遥感和地理信息系统提供的空间信息作为模型的输入，以模拟多种不同的水文物理化学过程，如水量、水质，以及杀虫剂的输移与转化过程。

本研究通过调查和收集于桥水库及周边地形、气象、地面覆盖、土壤、水质、水库、农业管理措施等资料，采用SWAT模型估算流域面源污染负荷，研究流域面源污染的空间和时间分布规律，为于桥水库外源氮、磷营养盐污染控制具体措施部分提供参考。

（2）数据来源及处理。构建适用于研究区的SWAT模型，需要的基本资料包括空间数据和属性数据两大类。其中空间数据包括于桥水库及周边数字高程模型（DEM）数据、土地利用类型图、土壤类型图、河流水系图以及水文站、雨量站、水质监测点、气象站点位信息；属性数据信息包括土壤物理、化学属性信息，化肥施用、点源污染等调查统计资料，引水、取用水资料以及水文站、雨量站、水质监测点、气象站观测数据等。空间数据均为近年数据，属性数据为2009—2013年数据。

（3）面源子流域划分。SWAT模型建立时，由于流域平原区域面积较大，而根据DEM自动提取子流域较为困难，因此必须加载河流水系图，对提取的河流进行校正。根据DEM自动计算出流域内的水流方向及汇流累积量；在参考模型推荐的子流域最大、最小划分阈值的前提下，反复设定阈值并对比河网生成效果，最终选定4000hm2，考虑模型校验方便，添加了水文、水质站点作为出水口后，共划分得到了32个子流域，分布如图3-3所示。

（4）模型初次运行。由于在模型运行初期，许多变量如土壤含水量初始值为零，这往往不符合土壤的实际情况，对模型的模拟结果将产生很大影响，因此，本研究中将2009年作为模型的启动期，即“模型预热期”，以形成模型稳定的初始参数，然后将2010—2013年数据系列划分为校准期和验证期。

（5）面源污染负荷估算。经过率定和校准的SWAT模型用来模拟重现2010—2013年于桥水库入库污染源负荷变化。于桥水库以上黎河、沙河、果河、淋河的入库污染源负荷见表3-5，从中可以看出，污染负荷与降雨强度存在正相关。入库上游流域在降水较多的2012年，污染负荷也相应较大。

（6）入库面源污染空间变化规律。模拟期为2010—2013年，时间跨度不是很大，各支流2010—2013年面源污染负荷变化见图3-4，果河对于桥水库总氮、总磷的贡献量均较大。

（7）入库面源污染时间变化规律。根据模型模拟结果，对流域汛期和全年的面源污染负荷情况进行统计分析，找出其年内的时间变化规律。由于面源污染物流失一般发生在降雨和地表径流产生期间，因此，汛期入库的污染负荷也占有较大比例。以黎河2010年为例，如图3-5所示，流域汛期总氮和总磷污染负荷分别占全年的74％和72％，其余河流类似。

3.2.2.3　一次暴雨径流过程污染负荷分析

选取2012年的一次暴雨过程，对暴雨期的径流过程、水质过程进行了监测。黎河、沙河、淋河的暴雨径流数据分别采用前毛庄、水平口、淋河桥水文站监测结果，3条河的水质监测断面分别采用黎河桥、沙河桥和果河桥断面。本次暴雨从2012年7月20日持续到8月15日，每日采集水样一次，对污染指标进行分析。分析指标包括总氮、总磷、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮。

利用暴雨期水质水量监测数据，计算出各支流暴雨期污染负荷后，经叠加得到污染负荷入于桥水库过程见图3-6。

从图中可以看出，污染物负荷与径流成正相关，在8月2日达到最大负荷量。

由表3-6可见，本次暴雨共入库水量9258.7m3，入库总氮2178.3t、总磷118.6t、CODMn 914.8t、氨氮94.8t。由于降雨强度较大，冲刷能力强，污染负荷以面源为主。

3.2.2.4　面源综合分析

采用经验系数估算法、SWAT模型模拟法和一次暴雨径流水质水量实测法3种方法分析了面源污染负荷。结果见表3-7。

采用经验估算法对面源污染物入河量的计算仅考虑流域农村人口数量、畜禽养殖数量、农药化肥施用量等社会经济统计数据和各类污染源产生污染物的入河系数，忽略了降雨和地表植被覆盖以及地表水、地下水之间的相互联系。和其他方法计算结果相比，入河负荷的氮磷比偏小，这主要是在计算过程中对总磷和总氮采用了相同的入河系数，而实际上含磷污染物易与土壤相结合，较总氮而言，更不易入河。当取相同入河系数时，造成总磷入河量偏高，总磷的入河系数尚需要进一步实验研究。经验系数估算法的优势在于易于计算，且可以分析各乡镇污染物的主要来源，明确治理方向。

暴雨径流实测法计算该次降雨造成的污染物入河量结果相对精确，能体现整场降雨冲刷对河流污染的过程，但无法分析污染来源。

SWAT模型能较好模拟不同降雨和下垫面条件下面源污染物入河的时空过程，但对数据完整性要求较高，如本次模拟，水量数据充分，为日过程，模拟效果好，而水质数据少，且不连续，对模拟精度有一定影响。但从结果来看，能体现出不同来水条件下的面源入河差距，水量偏大的2012年入河负荷明显高于其他年份。

3.2.3　内源分析

沙河口网箱养鱼面积超过6万m2，年产鱼845t。有关研究表明（王立明等，2008），每千克鱼投饵2.5kg，饵料平均含氮5％，含磷1％，饵料中的氮和磷35％被鱼吸收通过捕捞而被带出水体，另65％未被吸收的氮和磷进入库区。进入库区的氮、磷中，氮85％溶入水中，15％沉入水底；磷20％～30％溶入水中，其余沉入水底。因此，可以估算出每年由网箱养鱼产生的污染物负荷量约为：总氮58t、总磷4t。

3.2.4　各类污染源污染贡献分析

根据2012年点源（污水处理厂出水）、面源（经验估算法结果）和内源污染物负荷计算结果，分析各类污染源的污染贡献。

流域主要污染源为面源，各类污染物贡献率为87.87％～97.68％。内源各类污染物贡献率最低，为0.84％～3.06％；点源的污染贡献率为1.48％～9.07％。各类污染源情况见表3-8和图3-7。

3.2.5　于桥水库各入库支流污染负荷分析

通过分析于桥水库2012年和2013年两年污染物负荷平衡可知，引滦来水总磷污染负荷对于桥水库的贡献比例分别为39％和83％，总氮污染负荷比例分别为33.4％和43％。2012年属于丰水年，2013年属于平偏枯年份，因此引滦来水污染随当地来水减少而增多。2012年和2013年于桥水库各支流污染物入库负荷百分比详见图3-8和图3-9。