基于WASP模型的太湖流域上游茅山地區典型鄉村流域水質模擬?

陳文君，段偉利，賀 斌，陳 雯

（中國科學院南京地理與湖泊研究所，中國科學院流域地理學重點實驗室，南京210008）

基于WASP模型的太湖流域上游茅山地區典型鄉村流域水質模擬?

陳文君，段偉利，賀 斌??，陳 雯

（中國科學院南京地理與湖泊研究所，中國科學院流域地理學重點實驗室，南京210008）

池塘、河渠、水庫是鄉村流域水環境的重要組成.基于WASP模型，綜合運用現場調查、GIS空間分析、污染負荷估算等方法，構建茅山地區李塔陳莊鄉村流域的水質模擬模型.結果表明，主要水質指標的污染程度從高至低依次為總氮（TN）、總磷（TP）和高錳酸鹽指數、氨氮.TN全年在不同水體中達到劣Ⅴ類的比例在52%～100%，而池塘、河渠的污染程度較為接近.夏、冬季，超過TP劣Ⅴ類限值的河渠占2%～6%，池塘占8%～14%，而流域中部鄉村周邊的池塘明顯更為嚴重.負荷輸入是模型主要不確定性因素，細化種植模式能夠提高總體模擬效果，而禽畜散養與農村生活造成的污染則分別對池塘、河渠的水質影響更為明顯.本研究建立了鄉村流域多種水體在面源污染影響下的水質聯系，能夠為鄉村水環境治理提供決策參考.

WASP；鄉村流域；茅山地區；面源污染；池塘；河渠

鄉村發展早于城鎮，是一種以農業為基本經濟活動，人口分散、生態宜居為特征的聚落形態.然而，過量的灌溉施肥、禽畜散養，以及農村生活帶來的污水、垃圾，一方面影響了鄉村自身水環境，增加了人畜患病風險［1］，另一方面也使得鄉村流域成為下游湖庫富營養化問題的源頭，威脅區域供水安全［2］.對這類具有廣域、分散、隨機特征的面源污染的識別與治理，是我國當前鄉村轉型的重要任務，而對流域內多種受納水體的水質監測與模擬能夠為鄉村水環境的優化提供直接有效的決策參考［2-5］.

WASP模型是美國環保署（EPA）推薦的地表水質模擬工具，相對于SWAT、HSPF、AnnAGNPS等流域管理模型［6］，它提供了多種污染物及其組成成分在受納水體中遷移轉化的細致模擬；而相對于CE-QUAL-W2、QUAL2K、EFDC等其他水質模型［7］，它具有操作簡明、可配置性強、復雜程度適中等優點.針對鄉村流域的水質模擬問題，國內外已有不少學者基于WASP模型開展了機理性與應用性研究.如Wagenschei等［8］分析了德國近郊WeisseElster河不同河段對氮素污染的消減效應，認為夏季低流量期間，底泥反硝化作用能夠達到浮游植物吸收量的3倍.Hosseini等［9］研究了加拿大農業灌區South Saskatchewan河的參數敏感性，認為浮游植物生長速率對水質的影響最為顯著，而它在夏季和冬季分別受到總磷含量和光照強度的限制.王飛兒等［10］采用室內實驗獲得的沉積物總磷釋放通量修正了太湖苕溪入湖河道的水質模擬，并指出該通量與流速呈現指數增長關系.Lai等［4］將流域管理模型IWMM與WASP集成，認為臺灣南部山區農業與畜牧業比例較高的子流域對河流水質的影響最為不利，同時污染負荷在夏季豐水期會進一步提高.此外，Yen［5］、史鐵錘［11］、Liang［12］等學者將WASP模型應用于TMDL管理模式，通過估算水環境容量，求解各個河段的污染物消減率.現有的研究大多將河道作為鄉村流域的水體代表，分析不同季節的水質時空變化及影響因素，但是從鄉村水環境的視角出發，與人類活動緊密相關的水體還包括池塘、水渠等，這在我國水量充沛的東南地區顯得尤為明顯.此類水體同樣受到面源污染的直接影響，并且存在水文路徑復雜等特征，是鄉村流域水質模擬過程中不應忽略的部分［3，13-14］.

茅山山脈坐落于鎮江市和常州市的交界，是太湖湖西水系和秦淮河東支水系的發源地與分水嶺.山脈總體呈南北走向，占地面積71.2 km2，最高海拔372.5 m.該地區包含大面積丘陵腹地，林木蔥郁，溪流縱橫，鄉村星羅棋布，是長江下游典型的山地-平原過渡帶.然而，周邊茅東、李塔、馬埂等水庫水源地的水質近年來呈現逐步惡化的趨勢，引起社會多方面的關注.同時，茅山地區水環境組成復雜，如何基于有限的斷面監測數據，有效分析流域內多種水體的水質狀況，及其對下游水庫的影響，是以往水質模擬較少涉及的問題.本研究基于WASP模型，綜合運用現場調查、GIS空間分析、污染負荷估算的方法，構建了茅山地區典型鄉村流域的水質模擬模型，以期為“美麗鄉村”建設及湖庫源頭的水環境優化治理提供科學的決策支持.

1 WASP模型

WASP模型包括河流水動力模塊（HYNHYD）和水質模塊，后者又包含富營養化模擬（Eutrophication）和有毒物質模擬（Toxicant）兩個部分.本研究主要關注灌溉施肥、禽畜散養、農村生活造成的面源污染問題，采用WASP 7.5模擬池塘、河渠，直至下游水庫入庫區域的各項水質指標，包括溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、硝態氮與亞硝態氮（NO-x-N）、高錳酸鹽指數（CODMn）.因此，該過程涉及WASP模型的水動力和富營養化兩個模塊，其原理框架如圖1所示.

WASP模型采用動力箱式結構模擬水質組分運移，并假設在概化單元內部水流變化均勻，水質濃度均一，基本方程如公式（1）所示.在此基礎上，水動力模塊根據圣維南方程、曼寧公式、伯努利方程，求解水流連續性方程，如公式（2）所示，并在實際應用中采用歐拉有限差分法（EULER）進行離散求解.富營養化模塊以浮游植物動力學反應為核心，構建融氧平衡、氮循環、磷循環，其中各生物化學過程的具體公式見文獻［15］.由于WASP 7.5暫不包含COD計算模塊，因而參照前人研究［16］，基于DO、碳化需氧量、NH3-N、NO-x-N訓練人工神經網絡模型，間接獲得CODMn的物質濃度.

式中，A為橫截面面積（m2）；C為水質組分濃度（g／m3）；t為模擬時間步長（d）；x為距離某斷面沿流程方向的距離（m）；U為該方向上的對流速度（m／d）；E為該方向上的擴散系數（m2／d）；SL為面源污染負荷（g／（m3·d））；SB為上游、下游、水底、大氣的邊界負荷（g／（m3·d））；SK為源匯轉化速率，正值為源，負值為匯（g／（m3·d）），Q為流量（m3／d）；α、β分別為動能、動量修正系數，由平均流量對應的水體寬度、坡降、糙率確定.

圖1 WASP模型原理框架［15］Fig.1 Framework ofWASPmodel

2 模型框架構建

2.1 研究區概況及樣品采集

李塔陳莊鄉村流域位于茅山山脈南端，面積約5 km2，年均氣溫15.2℃，年均降水912 mm，集中于6-9月.這里三面環山，上游是太湖、秦淮水系的分水嶺，中游為陳莊自然村，下游是李塔水庫，屬于較為封閉、典型的鄉村流域（圖2）.陳莊周邊池塘、河渠眾多，居民以經濟作物種植、禽畜散養為主要收入來源，化肥、農藥施用量較大，同時城市取水排水管網暫未覆蓋，現代化程度較低.李塔水庫是茅山地區重要的飲用水水源地，興利庫容1.1×106m3，其東北支流是水量和污染物質的主要來源.

對該流域上游至下游的典型水體進行逐月采樣分析，時間跨度從2013年1月至2015年12月.其中，1?！?＃監測點覆蓋流域主干河道，4?！?4＃位于陳莊周邊池塘，5＃于李塔水庫的入庫區域.經實測，各池塘及水庫監測區域的平均深度約為0.8～2.3 m，因此選取平均深度的一半，水流穩定的位置進行采樣.此外，在主干河道、池塘出流、水庫入流的主要斷面使用便攜式流速儀逐月測算流量，并架設微型氣象站收集逐日降雨、光照、溫度、風量等信息.

2.2 水系調查與概化

水系提取與概化的現有方法主要基于多種DEM匯流算法，并兼顧河道水力特征以及污染源分布，生成一系列彼此連接的模擬單元（Segment）［8-11，17］.由于鄉村流域包含多種水體，并受到村民建房和田間改造的影響，因此結合GIS空間分析與實地調查，對池塘、河渠、水庫入庫區域進行一維概化（圖3）.首先，采用Arc-GIS水文分析，從5 m分辨率的DEM（1∶10000數字地形圖）中提取流域邊界，同時，結合Envi影像特征提取獲得的池塘分布，開展野外調查勘測，糾正水體范圍，并標示主要河渠及其連通關系.然后，在現有概化原則的基礎上，增加以下三點內容：①鄉村周邊池塘均表達為主要入水口至匯流出水口的單個模擬單元，如不存在明顯入水口，則以地勢較高處為起點；②池塘出水口、田間水渠等次要水系均以連接至主干河道的單個單元表達；③水庫入庫區域區分為河道段、過渡段、水庫段3個單元，以反映鄉村流域對水庫水質的影響.最后，基于地形分析和實地勘測獲得各單元的長寬、坡降、糙率等計算參數.

2.3 污染源調查與負荷估算

圖2 研究區域及監測點分布Fig.2 Study area and distribution of sampling sites

圖3 鄉村流域水系概化Fig.3Water system generalization in the rural watershed

輸出系數法是面源污染負荷估算的主要方法，由于直接建立污染源與受納水體間的關系，具有操作簡便、數據依賴性低、結果精度較好等優點［18］.因此，采用改進的Johnes模型［19］，結合GIS空間分析與污染源實地調查，估算各模擬單元在不同月份和降雨條件下接收灌溉施肥、禽畜散養、農村生活帶來的負荷輸入，公式如下：

式中，Li為第i種污染物某日的總負荷量（kg）；Eij為第j種污染源在這種污染物上的產污系數（kg／d），對應種植品種、禽畜類型、生活污水或垃圾；αj為這種污染源的實際入河系數，受降雨和地形因素的影響；Aj為這種污染源的規模，對應土地面積、禽畜數量、人口數量；βj為該規模隨月份的變化系數.

首先，調查各類污染源的規模、分布以及產污與入河系數.從Pleiades衛星2015年獲取的0.5 m全色影像中提取用地類型，結果包含水田689175m2、旱地448022m2、茶園163430m2、苗圃564286m2、村莊135124 m2（圖4A）.根據研究區氣候條件，水田、旱地均采用早晚兩季的種植模式，其播種至收割期分別為4月中旬至7月下旬，以及8月上旬至10月下旬；茶樹、苗木則全年種植.基于野外調查獲得15處雞、鴨、羊群的散養位置，以及6處生活垃圾堆放點（圖4B）.采用問卷走訪獲得常駐人口、各群的禽畜數量及其變化周期.人口變化系數在12-3月取值1.2～1.6，禽畜數量變化在秋季和冬季取值0.3～0.6.生活污水排放量與各點的垃圾堆放規模分別依據村莊面積分布與人口數量變化進行空間分配.綜合調查周邊區域污染負荷相關文獻［20-23］，以及農業部全國污染源普查資料［24］，獲得上述各污染源的產污系數，以及入河系數的參考范圍，結果如表1所示.

圖4 污染源調查與負荷估算Fig.4 Investigation and load estimation of the pollution sources

表1 污染源產污與入河系數Tab.1 Producing and loss rate of the pollution sources

然后，將各污染源的產污負荷逐一劃分至河段模擬單元.受DEM數據精度和時效性的影響，單純通過匯流算法提取的水系分布相比上述概化結果存在一定差異，因而將后者作為ArcGIS水文分析的輸入，對鄉村流域內部集水域進一步劃分（圖4C）.對于單一集水域仍包含多個模擬單元的情況，按照實際水體范圍的外邊界長度等比例劃分，近似確定每個模擬單元對應的匯流面積.已有研究表明，非點源污染的實際入河量與當日降雨、地形坡度之間存在良好的相關關系［25］，因此入河系數的實際取值依據全年日降雨量和各集水域坡度對上述參考范圍進行劃分，并設定在汛期暴雨、坡度最大的情況下取上邊界值，在旱季無雨、坡度最小的情況下取下邊界值.

2.4 初始條件與邊界條件

模擬時段與水質監測的時間跨度相同，并采用5min作為步長，以確保流量較小時相鄰單元間的水量交換能夠正常執行.初始條件設定為首日獲取的平均深度、實測流量、水質濃度.邊界條件包括外部負荷、氣象邊界、水量邊界.外部負荷針對上述三類污染源，忽略降水、大氣沉降的輸入效應.由于鄉村流域位置相對偏遠，難以對各個典型斷面進行流量連續監測.這里基于多元線性回歸模型，確定實測值與前期累計降雨、用地類型之間的關系［26］，間接獲得逐日流量變化.

3 模擬結果與分析

3.1 模型參數率定

基于2013-2014年逐月采集的水質樣本數據，采用機理分類、經驗估值、自動試錯、人工調優的方法率定WASP富營養化模擬的主要參數.首先通過DO和CODMn率定DO與浮游植物模塊，然后采用TN、NH3-N、NO-x-N以及TP分別率定氮循環與磷循環模塊，最后不斷微調參數取值，并重復前兩步直到似然函數的評價結果達到最優.其中，參數的迭代調整與優化估值基于Ostrich工具［27］；似然函數采用線性回歸擬合程度（R2）、Nash-Suttcliffe效率系數（Ens）、平均相對誤差（MRE）進行評價，具體計算公式參照前人研究［11，28］.

WASP模型將水質參數限定為全局靜態常量，但是鄉村流域池塘、河渠、水庫入庫區域的底泥耗氧差異是影響溶解氧、浮游植物數量，進而制約污染物降解的重要因素［13，29］，因此將三類水體的底泥耗氧速率進行區分.此外，已有研究表明，季節變化對部分參數具有顯著影響［8-9］，因而將基本常數以外、敏感性較強的可變系數區分至四季（春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月、冬季12-2月），以進一步優化率定效果.具體做法是將模擬過程人工分割，采用腳本語言按需調用預先設定的wif工程文件，實現水質參數隨模擬單元和季節變化的特征.率定結果如表2所示，其他未列出參數采用模型默認值.

表2 WASP模型主要參數率定結果Tab.2 Calibrated values for the key parameters ofWASPmodel

率定期內各季節在6種水質指標上的樣本數量均為90，以春季為例的擬合效果如圖5所示.其中，各指標的線性擬合斜率處于0.8～1.1之間，R2與Ens基本在0.75以上.DO、NH3-N、NO-x-N在浮游植物的基礎上進行率定，同時影響因素相對TN、TP較少，擬合結果總體更優.誤差分析顯示，DO、TN、NO-x-N、CODMn的MRE小于0.25，TP與NH3-N基本小于0.30，其他3個季節的結果類似.依據《水文情報預報規范（GB／T 22482-2008）》，水質預測的許可誤差為實測值的30%，因此本模型可以作為李塔陳莊鄉村流域水質模擬的有效工具.

圖5 6種水質指標的率定結果Fig.5 Calibrated results for the six water quality indicators

3.2 模型驗證分析

為了進一步確定模型的可靠性，采用以上參數率定成果，對研究區2015年池塘、河渠、水庫入庫區域的水質狀況進行模擬驗證.對于監測覆蓋的15個水體單元，DO、TN、TP、NH3-N、、CODMn模擬值與實測值的MRE分別為0.18、0.25、0.37、0.33、0.19、0.26.因此，根據水質預測的誤差要求，模型用于鄉村流域各類水體的水質模擬總體具有較好精度.

選取上游、中游、下游的3個典型監測斷面，以DO與氮素污染為例，分析年際范圍內的水質變化（圖6）.其中，5＃為茶園周邊池塘、2＃為陳莊鄉村河流出口、15＃為李塔水庫過渡段.結果顯示，DO在5＃全年相對較低；在2＃波動最大，并于夏季出現明顯降低趨勢.TN在3個斷面的變化與禽畜散養數量及水稻兩季種植的趨勢對應，在春季和夏季達到全年較高濃度，冬季養殖數量及降雨減少時有所降低；此外，15＃相對5＃、2＃在波動幅度和濃度范圍上都略小.NH3-N在5＃全年變化平穩且濃度較高，在2＃、15＃的變化趨勢與TN近似，但是冬季受到人口數量增加的影響，濃度有所升高.濃度在5＃、15＃全年相對較低，在2＃有所升高.以上驗證表明，4項指標的模擬趨勢與實際監測基本吻合，模型能夠反映鄉村流域一定時間跨度上的水質變化.

依據《江蘇省地表水環境功能區劃（2010-2020）》，李塔水庫水質保護目標為Ⅲ類.為了量化面源污染對鄉村流域自身水環境及下游水庫的影響，將各模擬單元的輸出結果與原始水體的shape圖形要素動態關聯，形成不同時段水質模擬的空間可視化分析.分別選取春、夏、秋、冬季中期的典型模擬數據，并在《地表水環境質量標準（GB 3838-2002）》規定的水質分類基礎上增加Ⅴ類超標、Ⅴ類超標2倍以上這兩類，對TN、TP、NH3-N、CODMn四類主要指標進行分層設色渲染，結果如圖7所示.在此基礎上，統計各水質類別所占池塘的面積比例，以及河渠的長度比例，結果如圖8所示.

流域內不同水體的TN濃度在一年中達到劣Ⅴ類的比例在52%～100%，且池塘、河渠的受污染程度總體較為接近，但靠近上游茶園，以及被稻田、鄉村包圍的池塘明顯濃度較高；在流域出口區域，4個季節均嚴重超標，特別是春、夏季為下游水庫注入Ⅴ類超標2倍以上的污染水體.流域中部鄉村周邊的水體在夏季和冬季期間出現劣Ⅴ類的TP污染，其中池塘占8%～14%，河渠占2%～6%，同期造成下游水庫TP濃度局部超標.NH3-N與CODMn目前總體達標，但是CODMn在春、夏、冬季，同樣于上述中部區域形成Ⅳ類污染，對下游水庫構成潛在威脅.

圖6 典型斷面水質模擬值與實測值的趨勢變化Fig.6 Time series for water quality simulations and observations in typical sections

以上分析表明，李塔陳莊鄉村流域主要水質指標的污染程度從高至低依次為TN、TP、CODMn、NH3-N，其中TN全年均對下游水庫水質保護目標構成嚴重影響.結合圖6中氮素指標的濃度范圍可知，全流域的TN組成中所占比例較高，這說明相比禽畜散養和鄉村生活造成的NH3-N污染，苗圃、旱地施用的硝態氮肥是TN超標的重要原因［31］.流域內池塘與河渠的受污染程度總體較為接近，但在TP指標上，池塘明顯更為嚴重，尤其在夏季豐水期，鄉村周邊池塘的TP濃度相對較高.推測這是由于浮游植物對無機磷的吸收率低于氨氮，同時較大的底泥耗氧速率以及較低的流速使得磷素相比氮素更易于在池塘內部沉積［14，32］.大多已有研究認為鄉村流域的多池塘系統對地表徑流中的磷素具有滯留作用［3，13］，以上結果也能夠為該結論提供定量化的依據.針對上述污染特征，鄉村流域水環境優化的首要任務在于削減灌溉施肥造成的氮素淋失，并對禽畜散養和農村生活關聯緊密的池塘進行重點治理.

3.3 污染負荷不確定性分析

不確定性客觀存在于水質模擬的整個過程，最終造成模擬值與實測值之間的誤差，而對主要不確定因素的理解與分析是提高模型可靠性的必要環節［33］.本研究采用的WASP模型側重于污染物在水體中的遷移轉化，不包含陸面上的產生、滲透、流失等機理過程［15］.因此，將改進的Johnes輸出系數模型，以及周邊區域同類污染源的產污、入河經驗系數作為邊界條件，估算各模擬單元接收的負荷輸入.該方法可行性高，但并未考慮各類污染源的時空異質性.例如，水稻、茶樹、苗木等農作物在不同生長階段、不同天氣狀況時的施肥量有所不同［2］；禽畜在不同發育階段的產污量具有較大差異，而散養模式又使得排污區域存在一定隨機特征［34］；部分居民近年來開始嘗試農家樂等經營活動，造成局部生活污水和垃圾不定期增多.

此外，鄉村流域水環境是由大小池塘、田間水渠、主干河道、下游水庫等組成的復雜系統，其內部水文路徑在不同時期具有明顯差異［3，13］.當前受觀測條件的限制，僅以主要池塘、常年存在徑流的河渠作為面源污染的受納單元，忽略了其他次要水體對污染物的接受與降解，以及暴雨期間水土流失造成營養物質快速損失的情況.以上因素均為模型外部負荷的準確評估帶來困難，因而不可避免的需要在率定期依據經驗對入河污染物的種類與分布進行調整，為水質預測帶來較大的不確定性.

圖7 4種水質指標的空間分布與四季變化Fig.7 Spatial distribution and seasonal variations for the four water quality indicators

為了評估負荷輸入對水質模擬造成的影響，采用3種情景，分別將灌溉施肥、禽畜散養、農村生活帶來的入河污染物增加10%，并以2015年氣象、水量條件為邊界，連續運行模型20年以達到穩定狀態.相比驗證期，池塘、河渠、水庫入庫區域在TN、TP、NH3-N、CODMn四類指標上的變化結果如圖9所示.根據箱線圖的均值比較可知，增加化肥施用量對水質指標的總體影響最為明顯，其TN、TP、NH3-N的變化均大于其他兩種情景；增加禽畜數量對CODMn的影響最為顯著；人口數量的增加對模擬結果的影響較小，而對TP指標的改變又最為微弱.比較各指標的變化幅度在三類水體中的分布可知，池塘相比河渠對于禽畜數量的增加更為敏感，河渠則更易受到人口數量增加造成的污染，但是兩種水體在化肥施用量改變后的區別則不明顯.此外，水庫入庫區域由于水動力減弱及水生植物的攔截凈化，在三類情景中均表現出最小的增量，這也說明當水庫水質超標時，上游鄉村流域已經更為惡化.上述不確定性分析表明，耦合農業種植模式及養分流失機理對于提高水質模擬的準確率最為有效，而對禽畜散養規律，以及農村生活、經營活動的細化建模能夠分別提高池塘與河渠水域的模擬效果.

圖8 池塘、河渠中不同水質類別的構成比例Fig.8 Ratios of differentwater quality classifications in ponds and rivers

盡管存在上述污染負荷的不確定性，基于WASP的水質模型仍然為李塔陳莊鄉村流域的水質分析提供了一種整體性的框架，建立了池塘、河渠、下游水庫在多種面源污染影響下的水質聯系，從而為施肥方式調整、畜禽集中圈養、池塘生態改造等水質優化措施的制定提供定量化的預先評估.后續研究一方面擬完善陸面產污、入河機理過程，提高負荷輸入精度；另一方面將結合局部污染治理的原位實驗，在成本、效益分析的基礎上，探求鄉村流域水環境治理方案的優化組合與時空配置.

圖9 基于情景模擬的污染負荷不確定性分析Fig.9 Uncertainty analysis for pollution loads based on scenario simulations

4 結論

1）基于WASP模型，構建了適用于茅山地區鄉村流域的水質模擬模型.綜合運用現場調查、GIS空間分析、污染負荷估算的方法，建立了池塘、河渠、水庫入庫區域在面源污染影響下的水質聯系，所得結果為我國東南濕潤區鄉村流域多種水體的水質分析提供了一種整體性的框架.

2）李塔陳莊鄉村流域主要水質指標的污染程度從高至低依次為TN、TP、CODMn、NH3-N.不同水體的TN濃度一年中達到劣Ⅴ類的比例在52%～100%，池塘、河渠的污染程度較為接近，而在TN組成中占有較大比例.流域中部鄉村周邊在夏、冬季產生劣Ⅴ類的TP污染，其中河渠占2%～6%，池塘占8%～14%，后者明顯更為嚴重.鄉村流域水環境優化應以削減灌溉施肥造成的氮素淋失為重點，并對禽畜散養和農村生活關聯緊密的池塘進行治理.

3）負荷輸入是鄉村流域水質模擬的重要不確定性因素.耦合農業種植模式及養分流失機理對于提高TN、TP、NH3-N的模擬效果最為有效，但池塘、河渠的區別則不明顯.細化禽畜散養規律對CODMn的影響最為顯著，同時池塘相比河渠更為敏感.農村生活對水質影響相對較小，但河渠更易受到影響.

致謝：本研究得到李塔村村委會的支持，吳華武、趙愷彥、張海霞、楊超杰、孟慧芳、張小強、劉向南協助了野外調查與水質監測，中國科學院南京地理與湖泊研究所“湖泊-流域基礎數據庫”提供了部分地理數據，特此致謝.

［1］ Yu Xiaoman，Xue Bing，Geng Yong etal.Issues and outlook onruralwater environmental in China.Agro-Environmentand Development，2013，（1）：10-13.［于曉曼，薛冰，耿涌等.中國農村水環境問題及其展望.農業環境與發展，2013，（1）：10-13.］

［2］ Wu Yonghong，Hu Zhengyi，Yang Linzhang.Strategies for controlling agricultural non-point source pollution：Reduce-retain-restoration（3R）theory and its practice.Chinese Society ofAgricultural Engineering，2011，27（5）：1-6.［吳永紅，胡正義，楊林章.農業面源污染控制工程的“減源-攔截-修復”（3R）理論與實踐.農業工程學報，2011，27（5）：1-6.］

［3］ Yin CQ，Shan BQ.Multipondsystems：A sustainable way to control diffuse phosphorus pollution.AMBIO，2001，30（6）：369-375.

［4］ Lai YC，Yang CP，Hsieh CY etal.Evaluation of non-pointsource pollution and riverwater quality using amultimedia twomodel system.Journal ofHydrology，2011，409（3）：583-595.

［5］ Yen CH，Chen KF，Sheu YT et al.Pollution source investigation and water quality management in the carp lake watershed，Taiwan.CLEAN-Soil，Air，Water，2012，40（1）：24-33.

［6］ Xie H，Chen L，Shen Z.Assessment of agricultural bestmanagement practices using models：Current issues and future perspectives.Water，2015，7（3）：1088-1108.

［7］ Zhu Yao，Liang Zhiwei，LiWei et al.Watershed water environment pollution models and their applications：A review. Chinese Journal ofApplied Ecology，2013，24（10）：3012-3018.［朱瑤，梁志偉，李偉等.流域水環境污染模型及其應用研究綜述.應用生態學報，2013，24（10）：3012-3018.］

［8］ Wagenschein D，Rode M.Modelling the impact of rivermorphology on nitrogen retention—A case study of theWeisse Elster River（Germany）.Ecological Modelling，2008，211（1）：224-232.

［9］ Hosseini N，Chun KP，Lindenschmidt KE.Quantifying spatial changes in the structure of water quality constituents in a large prairie river within two frameworks of a water qualitymodel.Water，2016，8（4）：158.

［10］ Wang Feier，Li Jia，Li Ya'nan etal.Modification ofWASPmodel based on release of sediment phosphorus.Acta Scientiae Circumstantiae，2013，33（12）：3301-3308.［王飛兒，楊佳，李亞男等.基于沉積物磷釋放的WASP水質模型改進研究.環境科學學報，2013，33（12）：3301-3308.］

［11］ Shi Tiechui，Wang Feier，Fang Xiaobo.Regionalmanagement strategy integrated with WASP model on water quality for river-network plain located in Huzhou District，Taihu Lake Basin.Acta Scientiae Circumstantiae，2010，30（3）：631-640.［史鐵錘，王飛兒，方曉波.基于WASP的湖州市環太湖河網區水質管理模式.環境科學學報，2010，30（3）：631-640.］

［12］ Liang S，Jia H，Yang C etal.A pollutant load hierarchical allocationmethod integrated in an environmental capacitymanagement system for Zhushan Bay，Taihu Lake.Science of the Total Environment，2015，533：223-237.

［13］ Qiang FU，Yin CQ，Shan BQ.Phosphorus sorption capacities in a headstream landscape-The pond chain structure.Journal of Environmental Sciences，2006，18（5）：1004-1011.

［14］ Sun Qingye，Ma Xiuling，Yang Guide et al.Studies on nitrogen，phosphorus and organicmatter in ponds around Chaohu-Lake.Environmental Science，2010，31（7）：1510-1515.［孫慶業，馬秀玲，陽貴德等.巢湖周圍池塘氮，磷和有機質研究.環境科學，2010，31（7）：1510-1515.］

［15］ Wool TA，Ambrose RB，Martin JL et al.Water quality analysis simulation program（WASP）.User's Manual，Version，6.2006.

［16］ Zhang Zhiming.Study on theWASPmodel based on uncertainty analysis［Dissertation］.Beijing：Capital Normal University，2013：34-35.［張質明.基于不確定性分析的WASP水質模型研究［學位論文］.北京：首都師范大學，2013：34-35.］

［17］ Wu Tingfeng，Zhou E，Cui Guangbo et al.Study on the impact of river net generalization density on water quantity and qualitymodeling of river systems.Yellow River，2006，28（3）：46-48.［吳挺峰，周鍔，崔廣柏等.河網概化密度對河網水量水質模型的影響研究.人民黃河，2006，28（3）：46-48.］

［18］ Johnes PJ.Evaluation and management of the impact of land use change on the nitrogen and phosphorus load delivered to surface waters：The export coefficientmodeling approach.Journal ofHydrology，1996，183（3）：323-349.

［19］ Chen H，Teng Y，Wang J.Load estimation and source apportionmentof nonpoint source nitrogen and phosphorus based on integrated application of SLURPmodel，ECM，and RUSLE：A case study in the Jinjiang River，China.EnvironmentalMonitoring and Assessment，2013，185（2）：2009-2021.

［20］ Gao Bo，Yan Xiaoyuan，Jiang Xiaosan et al.Research progress in estimation of agricultural sources pollution of the Lake Taihu region.JLake Sci，2014，26（6）：822-828.DOI：10.18307／2014.0602.［高波，顏曉元，姜小三等.太湖地區農業源污染核算研究進展.湖泊科學，2014，26（6）：822-828.］

［21］ Li Cuimei，Zhang Shaoguang，YaoWenping etal.Study on agricultural nonpoint source pollution load of Taihu Lake Basin in Suzhou.Research ofSoiland WaterConservation，2016，23（3）：354-359.［李翠梅，張紹廣，姚文平等.太湖流域蘇州片區農業面源污染負荷研究.水土保持研究，2016，23（3）：354-359.］

［22］ Xie Fei，Cao Lei，Wang Zhen et al.Estimation of pollutant production and discharge from livestock and poultry industries in Taihu Lake Region.Bulletin ofSoil and Water Conservation，2014，34（2）：128-133.［謝飛，曹磊，王震等.江蘇省太湖地區畜禽業產排污測算.水土保持通報，2014，34（2）：128-133.］

［23］ Zhou Feng.Quantitative estimation and calculation of nitrogen and phosphorus pollution from sewage in rural areas of Taihu Lake Basin［Dissertation］.Nanjing：Nanjing Normal University，2013：17-20.［周鋒.太湖流域農村生活污水氮磷排污定量化測算研究［學位論文］.南京：南京師范大學，2013：17-20.］

［24］ China Agricultural Key Laboratories Network ed.Manual of producing and discharging coefficient for livestock and poultry from the firstnational census of pollution sources（restricted data），2009：7-8.［農業部科技教育司.第一次全國污染源普查畜禽養殖業源產排污系數手冊（內部資料）.北京：中華人民共和國農業部，2009：7-8.］

［25］ Li Y，Wang C，Tang H.Research advances in nutrient runoff on sloping land in watersheds.Aquatic Ecosystem Health＆Management，2006，9（1）：27-32.

［26］ He Baogen，Zhou Naisheng，Gao Xiaojiang etal.Precipitation-runoff relationship in farmland nonpoint source pollution research：Amending coeffcient of SCShydrologicmethod.Research ofEnvironmental Sciences，2001，14（3）：17-20.［賀寶根，周乃晟，高效江等.農田非點源污染研究中的降雨徑流關系-SCS法的修正.環境科學研究，2001，14（3）：17-20.］

［27］ Matott LS.OSTRICH：An optimization software tool：Documentation and user's guide.University at Buffalo，2005.

［28］ Tian Y，Huang Z，XiaoW.Reductions in non-point source pollution through differentmanagement practices for an agricultural watershed in the Three Gorges Reservoir Area.Journal of Environmental Sciences，2010，22（2）：184-191.

［29］ Deng Sisi，Zhu Zhiwei.A review ofmethods for sediment oxygen demandmeasurement and its influencing factors.Hydro-Science and Engineering，2013，4：60-66.［鄧思思，朱志偉.河流底泥耗氧量測量方法及耗氧量影響因素.水利水運工程學報，2013，4：60-66.］

［30］ Cheng Junrui，Wang Kan，Feng Xiuli et al.GIS-based water quality simulation and visualization applied in a watershed. Journal ofHydraulic Engineering，2014，45（11）：1352-1360.［程軍蕊，王侃，馮秀麗等.基于GIS的流域水質模擬及可視化應用研究.水利學報，2014，45（11）：1352-1360.］

［31］ Chuan Limin，Zhao Tongke，An Zhizhuang etal.Research advancement in nitrate leaching and nitrogen use in soils.Chinese Agricultural Science Bulletin，2010，26（11）：200-205.［串麗敏，趙同科，安志裝等.土壤硝態氮淋溶及氮素利用研究進展.中國農學通報，2010，26（11）：200-205.］

［32］ Donald DB，Bogard MJ，Finlay K et al.Phytoplankton-specific response to enrichment of phosphorus-rich surface waters with ammonium，nitrate，and urea.PloSOne，2013，8（1）：e53277.

［33］ Lindenschmidt KE.The effectof complexity on parameter sensitivity andmodel uncertainty in riverwater qualitymodelling. Ecological Modelling，2006，190（1）：72-86.

［34］ Xiao YW.Diffuse pollution from livestock production in China.Chinese Journal ofGeochemistry，2005，24（2）：189-193.

Water qualitymodeling for typical ruralwatershed based on the WASPmodel in Mountain Mao Region，upper Taihu Basin

CHENWenjun，DUANWeili，HE Bin??＆CHENWen
（Key Laboratory ofWatershed Geographic Science，Nanjing Institute ofGeography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China）

Ponds，rivers and reservoirs are the basic elements ofwater environment in a ruralwatershed，especially in the humid regions of Southeastern China.The water qualitymodel for Lita-chenzhuang ruralwatershed in Mountain Mao Region is developed based on theWASPmodel.It is a combination among field investigation，GISspatial analysis，pollution loads estimation and so on. The result shows that the order of contamination level of themain water quality indicators are total nitrogen（TN），total phosphorus（TP），permanganate index，and ammonia nitrogen，respectively.For TN concentrations of the year，52%-100%of differentwater bodies are worse than GradeⅤof Environmental Quality Standards for SurfaceWater of China（GB 3838-2002），while the ponds are relatively close to the rivers on the contamination.During summer and winter，2%-6%of rivers and 8%-14%of ponds have exceeded the upper bound of GradeⅤin TP concentrations.Ponds in the center of the watershed and near the village are obviously more contaminated.The pollution loads are themain uncertainty factor of the water quality model.So the refinement on planting patterns could improve the simulation results on thewhole.The pollutants from unfenced livestock and poultry havemore effect on the ponds，while the water quality of the rivers ismore vulnerable to sewage and garbage.This study establishes the links ofwater quality in differentwater bodies，which are affected by non-point source pollution in a typical rural watershed.It is also useful to formulatemitigation measures on ruralwater environment.

WASP；ruralwatershed；Mountain Mao Region；non-point source pollution；ponds；rivers

DOI 10.18307／2017.0407

?2017 by Journal of Lake Sciences

?中國博士后科學基金（2017M611938）、江蘇省博士后科研資助計劃（1601038B）、國家自然科學基金項目（41471460，41130750）和中國科學院科技服務網絡計劃（KFJ-SW-STS-174）聯合資助.2016-09-18收稿；2016-11-14收修改稿.陳文君（1986～），男，博士；E-mail：chenwenjun＠niglas.ac.cn.

??通信作者；E-mail：hebin＠niglas.ac.cn.