南湖流域典型支流面源污染负荷时空变化分析与模拟

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2025）06-0052-07

引用格式：，等.南湖流域典型支流面源污染负荷时空变化分析与模拟[J].湖南农业科学，2025（6）：52-58

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2025.006.009

Analysis and Simulation of Spatio-Temporal Variations of Non-Point Source Pollution Loads in Typical Tributaries of the Nanhu Lake Basin

LIUKang¹，YU Peng-yue¹，SUNXin-ping²，ZOUGao-feng³，WU Yi4，ZOUTao5， HUANG Ying1，FEI Jiang-chi1

（1.HunanAcuualUsitC;urallteterfCt PRC; 3.AgricultureandRural Affirs BureauofNingxiang CityChangsha 410699，PRC; 4.Meitanba TounAgricultural Comprehensive Service Center of Ningxiang City， Changsha 410609， PRC; 5. Hunan Tobacco Company Hengyang Company Changning Branch， Changning 42150o， PRC）

Abstract：Thisstudytookthebasinof WangjiaRiver，atypicaltributaryof teNanhuLakebasininYueyangCity，HunanProvince， as theresearcharea.Onthebasisofconducting the monitoringof phosphorus polutants inthe water environment，andfurther consideringtheinfenesofthehydrologicalenvironment，topographyandlandforms，ndlandusetypesofthebasi，tisstudy constructedandoptimizedamulti-salephosphorus source-sinktransportmodel integratingenvironmental informationandspatial remotesensingthrough MIKE21 software，andanalyzedandsimulatedthe spatio-temporalvariationsof phosphorus non-point sourcepolltionloads，soastoprovidereferencefortheprecisepreventionandcontrolofphosporuspollutioninwaterbodie.he monitoringresultsshowedthatthepeakperiodofphosphorusconcentrationfromvarious polutionsources in WangjiaRiver from September2O23toAugust2O24wasconcentratedinwinterandspring.Theaveragetotalphosphorusconcentrationinthewaterbody ofWangjiaRiverwas 0.78mg/L ，and the average total phosphorus concentration in the water body of the catchment area was 0.61 mg/L .Both exceeded the Class ΔV water quality concentration standard in the GB 3838—2O02 Surface Water Environmental Quality Standards.Intemsoftemporalvariation，theaveragetotalphosphorusconcentrationinthewaterbodiesofWangiaRiverandthe catchment area bothshowedthehighest levelsinspring andthelowest levelsinautumn.Intermsofspatial variation，theaverage totalphosphorusconcentrationinthewaterbodyofWangjiaRiverfromtheupperreaches tothelowerreachesshowedatrendoffirst increasingand thendecreasing.The average totalphosphorusconcentrationofthe waterbodyin the middleofthecatchmentarea was higherthanthatonboth sidesinspring，while theopposite trendoccurred inautumn.The average acuracyoftheoptimized model simulation increasedtoabout 70% ，andthe trend of thesimulation results was basically consistent with that of the measured results.

Keywords： non-point source pollution; total phosphorus in the water body;MIKE 21;spatio-temporal variations;Nanhu Lake; Wangjia River

位于湖南省岳阳市的南湖是洞庭湖的主要湖汊之一，其历来是周边渔民们的生存之本，也成为周边大部分生活、生产活动的排污地[1-2]。近年来，在周边区域工业化、城镇化进程加快的背景下，由于环保规划、管理不够到位等，南湖流域出现面源污染加重、生态功能退化等一系列问题[3]。岳阳市环境监测中心数据表明，南湖水体中磷污染程度最高[46]。磷污染问题是我国水体污染防治领域的重要关注点之一[7-8]，磷污染不仅会加速水体富营养化进程，减少生物多样性，也会影响到工农业生产和居民生活。然而，目前磷污染物在南湖流域的迁移动态尚未得到很好的评估，因此，开展南湖流域磷污染程度趋势变化的评价研究具有迫切的现实意义[69]。

当前主流的2种评价流域污染程度趋势变化的方法是进行实地勘探和构建水质模型。基于实地勘探的评价方法通常需要大量的观测数据，而观测对时间和资源的要求较高。因此，通过构建水质模型对水体污染负荷进行模拟分析成为国内外学者的研究重点。如Wang等[1o使用水质分析模拟程序（WaterQualityAnalysisSimulationProgram，WASP）研究污染物排放总量和地理分布特征；Venishetty等[11]使用土壤与水评估工具（SoilandWaterAssessmentTool，SWAT）对流域内污染物负荷进行评价分析。这几种模型主要针对长时段的流域综合模拟，但针对小流域以及排污口分布模拟的模块应用则较为单一。相比于上述几种模型，MIKE模型在污染物传输过程模拟以及污染物空间分布输出方面具有一定优势。如Lu等[12]利用MIKE耦合模型模拟流域内沉积物和农业面源污染物的分布情况；王思雅等[13]基于MIKEZERO2020软件建立水文、水质信息耦合模型，对郁江贵港河段水位、流量以及污染物在水体中的迁移、扩散、衰减情况进行模拟。这些研究通过MIKE模型在极大程度上对流域内污染物传输过程进行了模拟，但没有综合考虑地形地貌、土地利用类型等因素对模型精准度造成的影响。

因此，该研究以南湖流域典型支流王家河流域为研究区域，在开展水环境磷污染物监测的基础上，进一步考虑流域水文环境、地形地貌、土地利用类型等因素的影响，通过MIKE21软件构建多尺度、环境信息与空间遥感融合的磷素源-汇传输模型并对模型进行优化，对磷素面源污染负荷的时空变化进行分析与模拟，以期建立洞庭湖流域磷污染物精准溯源和传输路径高分辨解析范式，揭示水体磷素面源污染负荷的时空演变规律，为水体磷污染精准防控提供依据。

1 材料与方法

1.1 南湖流域概况

南湖所处的岳阳市属中亚热带向北亚热带过渡的湿润季风性气候。南湖因南津港大堤的修筑而与洞庭湖相分隔，仅在出口处有1个与洞庭湖相通的控制性闸口，成为典型的半封闭城市内湖泊，湖水补给主要依赖湖面降水、集雨区径流水和城市污水。南湖现有水面面积约为 13.78km² ，湖岸线总长约为28.2km^[14] ，且均属于城市区域;南湖平均水深约为 3m 最大水深约为9m，集雨面积约为150km2[1，15]。 。

1.2 试验设计

1.2.1研究区域及监测点布设课题组于2023年9月—2024年8月在湖南省岳阳市岳阳楼区南湖流域开展水体磷素污染情况监测，以南湖流域的主要支流之一——王家河流域为研究区域，将监测点主要布设在王家河和汇水区及其周边区域。王家河位于南湖流域东北区域，河流由东北向西南汇入南湖；汇水区位于南湖流域东部区域，与王家河下游相连。如图1所示，该研究根据王家河两侧和汇水区污染源类型及排污口情况共布设8个污染源监测点，分别为南津古渡溢流口（S1）、木桥市政生活污水排口（S2）王家桥河小区溢流口（S3）、锦绣河山小区溢流口（S4）、牛栏坡排口（S5）、王家桥河长山临时泵站排口（S6）、吉祥园林塘溢流口（S7）、畔湖湾社区排污口（S8）；根据王家河的长度和水文情况划分采样断面、设置采样垂线，从王家河的上游到下游加密布点，沿途共布设25个排放路径监测点，分别为W1＼～W25；根据汇水区情况，在汇水区布设20个加密监测点，分别为H1＼～H20。

1.2.2样品采集及分析测定该研究中的样品采集、运输、保存及质量控制方法按照HJ/T91—2002地表水和污水监测技术规范、HJ495—2009水质采样方案设计技术规定和SL219—2013水环境监测规范等执行。该研究采用GB11893—89水质总磷的测定钼酸铵分光光度法测定水体总磷，将样品检测统一为3次重复，采用Excel、Origin、MIKE21、Arcmap软件进行数据计算与统计分析。

1.3 水质模型模拟

1.3.1 水动力模块模拟 水动力模块基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定。此即流体低速流动中密度的变化分析仅考虑温度变化产生的影响，而不考虑压强变化产生的影响。二维非恒定平面浅水流方程组如公式（1）～（3）所示[16-19]。