三峡水库蓄水后，库区水环境问题备受关注(黄真理等，2006;许书军等，2003; 许其功等，2007;熊超军等，2013).与蓄水前比较，库区干流水质没有明显的恶化趋势，水体理化性质基本保持稳定，但部分支流富营养化问题严重，频繁爆发水华现象(肖铁岩等，2009;郭胜等，2011;朱爱民等，2013;夏志强等，2014;陈聪，2014).非点源氮磷是三峡库区水体富营养化和水华暴发的主要控制性因素(郑丙辉等，2009;梁常德等，2007).非点源污染负荷分布随时间和空间变化较大，具有一定的不确定性，定量化研究具有较大的难度.香溪河是三峡水库坝首湖北境内的第一大支流，自蓄水以来，库湾氮磷浓度严重超标，水体富营养化程度严重，每年均爆发不同频率、不同规模的水华现象.香溪河流域内土地利用复杂，耕种强度大，非点源负荷是主要污染源.目前，对于香溪河流域非点源氮磷定量化研究的结果差异较大(李凤清等，2008;张超，2008;宋林旭等，2011)，且缺少氮磷输出的时空分布信息，其结论不足以指导水体富营养化预测和管理控制工作.基于此，本文针对三峡库区支流水体富营养化及水华问题，以香溪河流域为研究区，构建香溪河流域SWAT模型，进行非点源氮磷不同时空尺度分布式模拟和分析，为有针对性地开展流域非点源污染氮磷流失控制和管理提供基础依据.

香溪河是长江干流三峡库区坝首的第一条一级支流，位于30°57′~31°34′N，110°25′~111°06′E，流域面积3089 m²，年径流量19.56亿m³.主要水系中(图 1)，高岚水系流域面积749 km²，古夫水系流域面积1130 km²，南阳水系流域面积578 km².流域地形高程变化大，形成流域内典型的立体植被特征(图 2a)和土壤类型结构特点(图 2b).流域内人多地少，实践“高投入，高产出”传统的经营模式，在降雨驱动下水土流失和化肥流失引起的环境效应是香溪河库湾水体污染的重要原因.

图1(Fig.1)

图1 流域水系 Fig.1 The map of stream

图2(Fig.2)

图2 研究区土地利用分类(a)和土壤类型(b) Fig.2 The map of l and use(a) and soil types(b)

本文通过构建SWAT模型进行流域非点源氮磷负荷模拟，该模型在三峡库区大宁河、小江等支流均有应用，模拟结果准确可靠(范丽丽等，2008;陈媛等，2012;谢慧等，2014).本研究需要输入的数据量巨大、种类繁多，数据内容主要包括地理空间数据库(地形、土壤、土地利用等专题图)、属性数据库、水文气象数据表及位置表、土壤和土地利用索引表、农耕管理数据、模型校验所需的水文和水质数据等.本文中数据资料来源和基本情况具体见表 1.

表1(Table 1)

表1 建模所需的基本资料 Table 1 The required data for SWAT

表1 建模所需的基本资料 Table 1 The required data for SWAT 名称 数据形式 精度 资料来源 格式 地形 DEM 30 m×30 m 中国资源与环境数据中心 Grid 土地利用 植被图 1 ∶ 100万 中国资源与环境数据中心 shp file 土壤 土壤图 1 ∶ 100万 南京土壤所 .shp file 气象 气象资料表 日均值 兴山气象局 .txt 水文 数据表 日均值 宜昌水文局 .txt 农耕管理 调查表 实地调研 .txt

降雨-径流是水文循环的重要部分，也是非点源污染物输出的主要途径(施练东等，2009).本文利用2000—2006年径流用来率定模型，2007—2009年径流验证模型.率定期径流模拟效率系数为0.653，决定系数为0.784，验证期径流模拟效率系数和决定系数分别是0.86和0.91，表明建立的模型在香溪河流域的模拟结果可靠.

非点源污染随降雨径流输出，雨季是非点源污染产生的重要时段.图 3为2000—2009年月降雨和径流的变化，降雨主要集中在每年的4—9月，径流变化受降雨影响，并与其呈正相关关系，丰水季节流量较大，局部时段受上游水库调蓄影响，改变了天然的径流过程，径流过程滞后于降雨过程.从图 4中发现，TN和TP负荷主要集中在多雨季节(4—9月)，占年度负荷总量的70%以上，呈现出明显的枯丰季节变化特征.图 5显示了2000—2009年汇入兴山水文站监测断面的TN、TP年负荷量和年降雨量，TN和TP负荷大小与降雨量大小变化趋势基本一致，分别在2007年达最大值(TN 3.48×10³ t和TP 0.40×10³ t)，在2005年达到最低值(TN 2.04×10³ t和TP 0.23×10³ t). 降雨量与TN、TP的相关系数分别是0.72、0.33，它们之间的差异主要是下垫面空间和降雨时间差异，导致降雨产流机制和污染流失机制的不同，降雨是非点源污染输出的主要动力，不仅受降雨总量影响，还与降雨强度有关.氮素流失受降雨影响显著，降雨强度大主要随地表径流流失，降雨强度小随壤中流流失;而磷素的流失主要随降雨地表径流流失，在壤中流产流阶段，磷素流失量很小.

图3(Fig.3)

图3 月降雨和月流量的变化 Fig.3 The variation of precipitaiton and runoff

图4(Fig.4)

图4 流域出口每月TN和TP负荷变化 Fig.4 TN and TP load export from outlet

图5(Fig.5)

图5 年降雨量及流域出口TN、TP年负荷 Fig.5 TN and TP load export from outlet and precipitation

根据2000—2009年共10年的模拟结果，每年汇入古夫河、南阳河、高岚河的TN分别是1.01×10³、0.43×10³、1.17×10³ t，TP分别是139.9、46.5、117.6 t，TN贡献率为高岚水系>古夫水系>南阳水系，TP贡献率为古夫水系>高岚水系>南阳水系.单位面积平均负荷TN和TP均为高岚水系>古夫水系>南阳水系.主要原因是高岚流域地表坡度、耕种强度和耕地面积比例较大，水土流失导致农业化肥流失较多，南阳水系发源与神农架林区，森林覆盖良好，降雨引起的污染输出负荷较小.根据TN和TP负荷模拟结果的空间分布(图 6)可知，香溪河流域TN和TP单位流失量较大值出现在高岚和古夫流域，较小值出现在海拔较高的林区，TN和TP输出负荷强度变化空间差异较大，差异系数分别是0.34和0.58，流域内TN和TP平均源强(面积加权)分别为16.73 kg · hm^-2 · a^-1和1.32 kg · hm^-2 · a^-1，TN最大值和最小值分别是29.39 kg · hm^-2 · a^-1和3.86 kg · hm^-2 · a^-1，TP最大值和最小值分别是4.90 kg · hm^-2 · a^-1和0.54 kg · hm^-2 · a^-1，氮磷负荷空间分布变化规律基本一致.结合土地利用、土壤类型、地形坡度专题图，因高岚流域地表坡度、耕种强度和耕地面积比例较大，水土流失导致农业化肥流失较多，南阳水系发源与神农架林区，森林覆盖良好，降雨引起的污染输出负荷较小.

图6(Fig.6)

图6 流域内各支流TN、TP输出强度的空间分布(图中数字为子流域编号) Fig.6 The space distribution of TN and TP load export from 35 branches

从化学形态上，TN分为有机氮(ORG-N)、硝态氮(NO₃^--N)、铵态氮(NH₄⁺-N)、亚硝氮(NO₂^--N)4种形态，TP分为矿物磷(MIN-P)和有机磷(ORG-P)两种形态.图 7为2000—2009年香溪河流域非点源氮磷的各形态输出变化.由图 7可知，TN以NO₃^--N流失为主，其次是ORG-N、NH₄⁺-N、NO₂^--N；从各形态氮素的输出变化过程看，季节变化明显，丰水季节受降雨影响，维持在较高的水平，枯水期基本处于稳定不变状态，除NO₃^--N外，其他形态氮素含量极低.这可能与氮素的存在形态及输出迁移驱动力有关，土壤胶体带负电荷，与ORG-N和NH₄⁺-N结合稳定，在没有降雨径流驱动作用下很难流失，NO₃^--N带负电，且易溶于水，迁移能力强，即使在没有降雨地表径流作用下，同样会随浅层地下水进入河道.与氮素相比，磷的迁移能力较弱，迁移数量少，主要以MIN-P为主.从MIN-P和ORG-P的输出变化过程看，输出负荷丰枯期变化明显，枯水期各形态均处特低水平.

图7(Fig.7)

图7 香溪河流域出口氮素、磷素各形态输出年尺度负荷模拟变化 Fig.7 The variation of annual nitrogen and phosphorus fraction load in Xiangxi Basin outlet

基于2000—2009年月尺度模拟结果，进行氮磷各形态之间的相关性分析，结果表明，TN与各形态氮磷显著相关，TP与MIN-P的相关系数r为0.8634，ORG-N与ORG-P的相关系数r为0.9839，NH₄⁺-N与NO₂^--N的相关系数r为0.9732，具体各指标之间的相关系数及显著性见表 2.

表2(Table 2)

表2 氮磷相关性分析结果 Table 2 The correlation analysis results of nitrogen and phophorus fraction

表2 氮磷相关性分析结果 Table 2 The correlation analysis results of nitrogen and phophorus fraction TN ORG-N NO3--N NH4+-N NO2--N TP ORG-P MIN-P TN 1 ORG-N 0.6801* * 1 NO3--N 0.9045* * 0.4119 1 NH4+-N 0.8035* * 0.4277 0.7559* * 1 NO2--N 0.8422* * 0.4326* 0.8187* * 0.9732* * 1 TP 0.9238* * 0.8241 0.7684* * 0.8183 0.8484* 1 ORG-P 0.5623* * 0.9839* * 0.2803 0.2615 0.2684 0.7165* * 1 MIN-P 0.8634* * 0.4395 0.8654* * 0.9545 0.9902 0.8596 0.2775* 1 注：*p<0.05，* *p<0.01.

通过构建适合香溪河流域特征的SWAT模型，进行了不同时空尺度非点源氮磷及形态负荷输出模拟，模拟结果表明：

1)输出控制的重点支流是高岚河流域和古夫流域，尤其是耕地面积比例较大的水月寺、黄粮、榛子、古夫4个乡镇，以及库湾周边.

2)降雨是非点源污染的驱动力，负荷大小与降雨量呈正相关，TN和TP输出负荷主要集中在4—9月的丰水期，入库贡献率分别是84.1%和89.4%，符合非点源污染产生规律.

3)TN以NO₃^--N流失为主，TP以MIN-P流失为主，TN和各形态氮磷相关性显著，TP与MIN-P、ORG-N与ORG-P、NH₄⁺-N与NO₂^--N显著相关，相关系数r高达0.9以上.