基于SWAT模型的紹興市非點源氮關鍵源區識別

劉珮勛，付佳偉，皮家駿，劉成林

(1.江西省水利科學研究院，江西南昌330029;2.南昌大學建筑工程學院，江西南昌330031)

0 引 言

隨著城市點源污染的削減和城市化進程的加快，城市非點源污染逐漸成為城市水環境保護面臨的首要問題[1]。通過研發城市非點源污染的分布式模型識別關鍵源區(Critical Source Areas，CSAs)，將有限資源優先投入CSAs進行重點治理，提高城市非點源污染的治理效率[2]，成為當前研究的熱點問題。國內外學者對此展開了一系列的探索[3- 5]。Singh等[6]在阿拉巴馬州沿海的Fish流域研究了土壤數據分辨率對泥沙流失關鍵源區的影響；Niraula等[7]利用SWAT模型和GWLF模型在美國阿拉巴馬州東部的Saugahatchee流域開展了關鍵源區識別研究；葛懷風等[8]將SWAT模型引入海河干流天津段污染關鍵源區識別中，利用10年系列數據構建SWAT非點源模型，識別了各種類型污染物對關鍵源區的貢獻率。以上研究多集中在農業區或城市的小型集水區，對大尺度城市非點源污染與關鍵源區的識別罕有報道。可見，大尺度城市非點源污染的定量技術研究仍然是亟待解決的難題。

本研究以紹興市非點源污染為例，采用SWAT分布式水文模型和流域邊界確定法，將紹興市的非點源污染問題轉化為流域非點源污染問題，模擬并識別非點源氮污染的關鍵源區，旨在為城市非點源污染的控制提供科學依據。

1 研究內容

1.1 研究區概況

紹興市位于浙東、浙西山地丘陵與浙北平原交接地帶，東經119°53′03″～121°13′38″、北緯29°13′35″～30°17′30″之間。地貌類型多樣，西部、中部和東部多山地和丘陵，北部為紹虞平原，平均海拔5～10 m，地勢總體由西南向東北傾斜。其中，山地、丘陵占紹興市總面積的56.7%，平原、盆地占37.8%。最高點為會稽山脈主峰東白山，海拔1 194.6 m；最低點在諸暨湖田地區，海拔僅3.1 m。地表河流交錯，布滿小型湖泊。紹興市屬亞熱帶季風氣候區，四季分明、溫暖濕潤、降水相對集中，暴雨徑流導致的非點源污染問題嚴重。多年平均降水量為1 438.9 mm，空間分布不均，降水年際變化大，最多年降水為最少年的3倍，平均年降水156.2 d。研究區地理位置見圖1。

圖1 研究區地理位置

1.2 數據來源及前處理

本研究所需數據包括空間數據與屬性數據2個部分。采用史料收集、野外監測和室內分析相結合的手段獲取數據，數據來源及基本信息見表1。基于ArcGIS平臺，將不同空間圖件(DEM、土壤圖、土地利用圖)進行投影變換，統一轉化為ALBERS等積圓錐投影，使之為空間數據的疊加分析和SWAT模型所用。

表1 數據來源及基本信息

1.3 研究方法

1.3.1 WED方法

為解決大尺度城市非點源污染的定量問題，制作紹興市所在流域地形圖和電子水系圖，采取流域邊界確定方法(Watershed Edge Determined，WED)，將城市非點源污染定量問題置于流域的視角下，勾勒出含紹興市在內的較為完整的自然流域。通過地形參數的提取、河網的生成、出口點的添加、土壤及土地利用的加載，以1992年～2011年共20年的降雨數據為驅動，初步構建了研究區域SWAT模型，并將研究區劃分為 39個子流域和423個水文響應單元。同時，以2011年的水質監測數據對模型進行校準與驗證。紹興市所在流域地形和電子水系見圖2。在該區域開展非點源污染的SWAT分布式模擬，并采用GSM方法分析紹興城市的非點源氮污染。

圖2 紹興市所在流域地形和電子水系

1.3.2 SWAT模型

SWAT模型以水量平衡為基礎驅動力，水文循環過程包括陸地與河道演算2個階段。在陸地演算階段，其水量平衡方程為

(1)

式中，SWt為土壤最終含水量；SW0為土壤前期含水量；t為時間步長；Rday為第i天降雨量；Qsurf為第i天的地表徑流；Ea為第i天的蒸發量；Wseep為第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和側流量；Qgw為第i天地下水含量。

土壤中的非點源氮通過地表徑流和泥沙移入河道，其定量計算公式為

(2)

式中，N0為隨泥沙輸移進入地表徑流的有機氮負荷量；Co為地表10 mm土層中有機氮濃度；S為日模擬泥沙產量；Ah為水文響應單元的面積；εN為氮富集系數。

圖4 氨氮與總氮的擬合曲線

SWAT模型采用分布式參數模擬方法，對研究區域的非點源污染進行定量模擬和計算。首先，在單個水文響應單元(Hydrological Response Units，HRUs)中進行模擬計算，解決空間異質性問題，從而實現污染物流失和遷移的分布式模擬；其次，對每個子流域的信息進行匯總，模擬污染物負荷在河道、水庫等水體中的分配和遷移，河道水質模型部分采用QUAL2E模型計算[9]；最后，輸出子流域和HRUs尺度的非點源污染數據，實現SWAT模擬的全過程。SWAT模型中非點源氮的遷移與轉化過程見圖3，其具體的遷移轉化過程詳見文獻[10]。

圖3 SWAT模型模擬氮循環示意

2 模型的校準與驗證

選擇氨氮和總氮作為紹興市非點源氮的研究對象。研究表明[11- 12]，模型中氮營養物的敏感參數主要有：作物管理參數、化肥施用參數和土壤參數、化肥施用量和土壤中氮含量。在徑流與泥沙校準與驗證的基礎上，調整以上5個參數對模型進行率定。校準期和驗證期水質監測站點(湯浦匯合口和百官鎮下游)氨氮與總氮的擬合曲線見圖4。

由圖4可以看出，在校準期與驗證期，氨氮和總氮的模擬值均圍繞實測值小幅波動，擬合曲線的走勢大體一致。此外，多數情況下，峰值處模擬值比實測值略大，表明本次建立的SWAT模型對峰值處的模擬偏高。可能是因為，在對模型參數進行調整時，過于考慮較低值的擬合精度，而導致整體上提高了峰值負荷。校準期與驗證期氨氮和總氮模擬值與實測值的相對誤差均低于30%，所建立的SWAT模型滿足研究區非點源污染定量模擬與評價的精度要求，為后續非點源污染的時空演變分析和關鍵源區的識別提供實用模型。

3 結果分析

3.1 非點源污染負荷時間分布特征

利用已建立的SWAT模型，以1992年～2011年紹興市氣象資料為驅動，對研究區的非點源氨氮和總氮負荷進行了模擬，進一步統計分析得到了兩者的年負荷變化(見圖5)，多年月均負荷變化(見圖6)。

圖7 非點源氨氮、總氮負荷強度等級空間分布

圖5 氨氮、總氮年負荷變化

圖6 氨氮、總氮年內月均負荷變化

從圖5、6可以看出，1992年～2011年紹興市非點源氮污染的時間演變特征如下：①氨氮、總氮年水平負荷與地表徑流量曲線走勢相似，具有一致性，表明氨氮、總氮負荷以徑流為載體，并隨徑流量的變化而呈現相似的變化趨勢。②年內月均輸出曲線顯示，月均徑流量、氨氮和總氮負荷與降雨量有很大關系，1月～12月，降雨呈現先增大后減小的趨勢，非點源氮的月均輸出呈現類似的趨勢，且于6月達到峰值水平。③對年內月均輸出統計分析發現，汛期(4月～8月)徑流、氨氮和總氮負荷占全年的百分比范圍分別為37.12%～78.25%、74.28%～92.45%和70.90%～88.25%，汛期的徑流及非點源負荷所占比例極大，反映水土流失及非點源氮輸出主要是由汛期降雨引起，說明強降雨是形成非點源污染的最主要驅動力。

3.2 非點源污染的空間分布與關鍵源區的識別

基于ArcGIS平臺，統計子流域尺度SWAT的模擬結果，利用地統計學分析方法，按照等間隔方法將紹興市非點源氨氮和總氮負荷的強度分為5級。獲得各強度等級空間分布的比例見圖7。非點源氮污染負荷強度等級為5級的區域視為關鍵源區，并將其作為非點源氮污染控制的主要區域。非點源污染負荷強度等級分布比例見表1。

表1 非點源污染負荷強度等級分布比例 %

綜上分析，紹興市非點源氮的關鍵源區具有以下特點：①氨氮和總氮的關鍵源區分別為23.2%和14.5%，說明通過對關鍵源區的非點源氮控制，可以將有限的資源優先投入到污染最嚴重的地區，從而有針對性地控制非點源氮污染。②氨氮與總氮的強度等級空間分布具有一定的相似性，其關鍵源區主要集中在城市居民區和農業區，反映了人類活動產生的非點源氮污染較為嚴重，同時，農業耕作活動以及大量施肥極大影響非點源污染負荷強度。③對比研究區的土地利用狀況可以得到，林地的單位面積非點源污染最低，反映了林地對非點源污染有較好的緩沖和削減效果。通過增加林地面積，如退耕還林或設置林地緩沖帶等，可以有效降低紹興市的非點源氮污染。

4 結 語

本研究以大尺度城市非點源污染的定量難題為出發點，通過將城市面源污染的問題轉化為流域非點源污染問題，利用SWAT實現了非點源污染的定量模擬，分析了紹興市流域非點源氮污染負荷的時空分布特征，并識別了關鍵源區，得出以下結論：

(1)在時間分布上，一方面，年水平和月水平的非點源氨氮與總氮負荷與徑流量存在著較強的一致性，豐水年和枯水年的非點源氮輸出差別很大；另一方面，月水平非點源氨氮與總氮負荷在6月份達到峰值，且汛期(4月～8月)徑流、氨氮和總氮負荷占全年的百分比范圍分別為37.12%～78.25%、74.28%～92.45%和70.9%～88.25%，揭示了汛期強降雨是形成非點源污染的最主要驅動力。

(2)在空間分布上，關鍵源區識別結果顯示，氨氮和總氮的關鍵源區分別為23.2%和14.5%，且主要集中在城市居民和農業密集的區域，揭示了人類活動是非點源氮污染的重要因素，可通過退耕還林或設置林地緩沖帶等措施，有效降低城市的非點源氮污染。

(3)本文結論可為大尺度城市非點源氮的定量模擬提供實用模型，并為非點源污染的削減和控制提供依據。