未來氣候情境下渭河流域陜西段非點(diǎn)源污染負(fù)荷響應(yīng)

劉吉開, 萬 甜, 程 文, 任杰輝, 陳 瑤

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048; 2.中國(guó)科學(xué)院 青藏高原研究所, 北京 100101)

近年來，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，全球氣候變暖成為當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1]，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)在第五次評(píng)估報(bào)告中指出[2]：氣候變化正在全世界范圍內(nèi)發(fā)生，全球氣溫變暖是毋庸置疑的趨勢(shì)，由此導(dǎo)致的降雨量和氣溫的變化必然會(huì)對(duì)水體污染產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[3]。水體污染通常分為點(diǎn)源污染和面源污染(即非點(diǎn)源)[4]，其中非點(diǎn)源污染因具有模糊性、潛伏性，信息獲取較難、危害規(guī)模大，研究、管理不好控制等特點(diǎn)[5]，所以對(duì)其監(jiān)測(cè)和處理工作較為復(fù)雜，再加上非點(diǎn)源污染的統(tǒng)計(jì)資料少而且不好收集，所以對(duì)非點(diǎn)源污染效果定量的預(yù)測(cè)變得十分困難[6]。而降雨和地表徑流是非點(diǎn)源污染發(fā)生的主要驅(qū)動(dòng)因素，氣候變化對(duì)降雨溫度的影響將直接作用于水環(huán)境中污染物遷移轉(zhuǎn)化過程[7]。因此，探討氣候條件變化對(duì)流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響可以為流域綜合治理措施提供理論依據(jù)，具有重要的實(shí)踐意義。模型模擬是非點(diǎn)源污染的量化和防治研究的有效方法。長(zhǎng)期的非點(diǎn)源污染防治過程中產(chǎn)生了大量的模擬非點(diǎn)源污染的模型，如：SWMM模型、STORM模型、AGNPS模型、SWAT模型等，不同的模型有各自的機(jī)理和適用的范圍[8]。其中，SWAT(soil and water assessment tool)模型是目前非點(diǎn)源污染模擬中應(yīng)用最廣、最具代表性、前景最廣闊的一種模型[9-10]。近年來，SWAT模型已成功應(yīng)用到我國(guó)黑河、灃河和渭河等在內(nèi)的很多流域[11-12]，并取得了很好的模擬效果。渭河是黃河的第一大支流，養(yǎng)育了陜西64%的人口，集中著陜西省65%的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值[13]，渭河流域陜西段的非點(diǎn)源污染控制對(duì)渭河的污染控制有舉足輕重的作用。因此，本研究將以渭河流域陜西段為研究區(qū)，采用SWAT模型，通過對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證，在保證模型良好模擬效果的前提下，以近10 a來的氣象資料為基礎(chǔ)，對(duì)未來30 a氣溫和降雨等氣候因子變化下渭河流域陜西段徑流及非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行模擬，探討氣候變化對(duì)該流域徑流及水體中氮、磷年均負(fù)荷的影響，以期對(duì)未來氣候變化情境下渭河流域非點(diǎn)源污染的預(yù)測(cè)和防治提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

渭河發(fā)源于甘肅省鳥鼠山，東至陜西省潼關(guān)縣最后匯入黃河，是黃河最大的支流，也是陜西關(guān)中最大的河流，渭河陜西段灌溉了關(guān)中兩岸9.33×105hm2多良田，養(yǎng)育著陜西64%的人口，對(duì)于推動(dòng)陜西社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。渭河干流在陜境內(nèi)，流長(zhǎng)502.4 km，流域面積67 108 km2，占陜境黃河流域總面積的50%。全河多年平均徑流量1.04×1010m3，其中陜境產(chǎn)流6.27×109m3；每年輸入黃河泥沙達(dá)5.80×108t，約占黃河泥沙總量的1/3。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及來源

SWAT模型需要的數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[14-16]?？臻g數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程圖(DEM)、土地利用圖、土壤類型圖；屬性數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地管理數(shù)據(jù)、點(diǎn)源污染負(fù)荷。表1為模型數(shù)據(jù)庫(kù)所用的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

表1 模型所需的空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)

2.2 子流域及水文響應(yīng)單元的劃分

用高程圖(DEM)對(duì)流域水系進(jìn)行提取，然后設(shè)定河道閾值以及流域出口，進(jìn)行流域子流域的劃分。子流域劃分是非點(diǎn)源污染模型模擬的第一步，直接影響最終模擬結(jié)果的精確性[17-18]。本研究在劃分子流域時(shí)，將子流域劃分的閾值定為60 000 hm2，選擇華縣作為流域總出口，將研究區(qū)域劃分為35個(gè)子流域，總出口在10#子流域。河網(wǎng)及子流域的劃分如圖1所示；依據(jù)子流域輸出報(bào)表，設(shè)置土地利用面積閾值為0%，土壤類型閾值為5%，坡度閾值為5%，經(jīng)計(jì)算，SWAT模型將全流域35個(gè)子流域共劃分為634個(gè)水文響應(yīng)單元。

圖1 研究流域子流域劃分

2.3 參數(shù)率定及驗(yàn)證

由于渭河華縣站的實(shí)測(cè)流量是整個(gè)渭河匯水面積得到的流量，而渭河陜西段只是其中的一部分，渭河干流是由林家村站進(jìn)入陜西省，所以渭河陜西段的實(shí)測(cè)流量是由渭河華縣站的流量減去林家村站的流量得到，以2006—2011年的的實(shí)測(cè)資料與模擬資料作為率定與驗(yàn)證的基礎(chǔ)，2006—2008年作為率定期，2009—2011年作為驗(yàn)證期。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，以總磷總氮為指標(biāo)，采用LH-OAT分析法對(duì)SWAT模型進(jìn)行敏感性分析，參數(shù)的選擇及校正結(jié)果詳見表2。完成敏感性分析后，采用模型中SCU-UA算法對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行率定和驗(yàn)證，當(dāng)模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差r<20%，決定系數(shù)R2>0.6，Nash-suttcliffe模擬效率系數(shù)Ens>0.5，說明二者吻合較好，可以滿足要求。表3為SWAT模型徑流、泥沙和總氮、總磷率定和驗(yàn)證結(jié)果。結(jié)果表明：實(shí)測(cè)值與模擬值之間的擬合度較好，反映出SWAT模型與渭河陜西段適應(yīng)的比較好，可以適用于渭河陜西段。

表2 SWAT模型校正參數(shù)閾值

表3 SWAT模型參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

注：r，R2，Ens分別為相對(duì)誤差，決定系數(shù)和Nash-suttcliffe模擬效率系數(shù)。

3 未來氣候變化情景下的非點(diǎn)源污染響應(yīng)

3.1 未來氣候變化情景

氣候變化情景中主要考慮氣溫和降水的變化，《氣候變化2013:自然科學(xué)基礎(chǔ)》提出，2016—2035年全球地表溫度可能會(huì)升高0.3～0.7 ℃，降水也會(huì)在不同地區(qū)出現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì)，到2050年可能增加5%～7%。秦大河也在《未來100年全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖》中提到，到2020—2030年全國(guó)氣溫將上升1.7 ℃，到2050年全國(guó)氣溫將上升2.2 ℃，變暖幅度由南向北增加，不少地區(qū)降水也會(huì)出現(xiàn)增加趨勢(shì)[19]設(shè)置未來2020,2030和2050年的溫度和降水變化情況詳見表4。

表4 未來氣候變化情景

3.2 徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)

徑流是非點(diǎn)源污染的主要驅(qū)動(dòng)力，研究區(qū)域徑流變化直接影響非點(diǎn)源污染負(fù)荷的變化，而徑流是氣候條件與流域下墊面綜合作用下的產(chǎn)物，直接受氣候因素的影響，研究表明氣候變化在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上是流域水資源變化的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素因此，要確定研究區(qū)域內(nèi)未來氣候變化的非點(diǎn)源污染響應(yīng)，首先應(yīng)該對(duì)華縣水文站徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行研究，其中基準(zhǔn)期的凈流量為2006—2015年的氣象資料模擬的年徑流量的平均值。由圖2可知，徑流變化與氣溫、降水等氣候因素的關(guān)系密切，2020年在氣溫增加0.5 ℃，降水量增加3%的情況下，徑流量增加了5.6%，2030年在氣溫增加1.7 ℃，降水量增加5%的情況下，徑流量增加了8.5%，2050年在氣溫增加2.2 ℃，降水量增加7%的情況下，徑流量增加了11.9%，這數(shù)據(jù)說明隨著未來氣溫升高降水變多的氣候變化共同作用下，徑流量也會(huì)隨之增大。

3.3 氣候變化情況下的非點(diǎn)源污染響應(yīng)

利用SWAT模型對(duì)氣候變化下的非點(diǎn)源污染進(jìn)行模擬，可得到氣候變化條件下的氮、磷年均負(fù)荷量，其中基準(zhǔn)期的TN，TP年負(fù)荷為2006—2015年的氣象資料模擬的的TN，TP年負(fù)荷平均值。由圖3可以看出，2020年在氣溫增加0.5 ℃，降水量增加3%的情況下，總氮產(chǎn)量增加了7.5%，2030年在氣溫增加1.7 ℃，降水量增加5%的情況下，總氮增加了16.7%，2050年在氣溫增加2.2 ℃，降水量增加7%的情況下，總氮增加了20.9%，未來在氣溫上升，降水增加的氣象變化影響下總氮的產(chǎn)量會(huì)一直處于上升狀態(tài)。由圖3還可看出，2020年在氣溫增加0.5 ℃，降水量增加3%的情況下，總磷產(chǎn)量增加了5.7%，2030年在氣溫增加1.7 ℃，降水量增加5%的情況下，總磷增加了9.8%，2050年在氣溫增加2.2 ℃，降水量增加7%的情況下，總磷增加了13.3%，未來在氣溫上升，降水增加的氣象變化影響下總磷的產(chǎn)量會(huì)一直處于上升狀態(tài)，而且對(duì)比發(fā)現(xiàn)總磷上升的百分率小于總氮的百分率，說明未來的氣候變化對(duì)總磷的影響是小于總氮的。

圖2 流域年徑流量隨氣候變化關(guān)系

圖3 研究流域TN和TP年負(fù)荷負(fù)荷隨氣候變化關(guān)系

4 結(jié) 論

(1) 氣候變化對(duì)流域徑流量影響較大。在未來氣溫升高、降雨增加等氣候變化的共同作用下，徑流量將有所增加：在氣溫增加0.5 ℃，降水量增加3%的情況下，徑流徑流量增加了5.6%；氣溫增加1.7 ℃，降水量增加5%的情況下，徑流量增加了8.5%；在氣溫增加2.2 ℃，降水量增加7%的情況下，徑流量增加了11.9%。

(2) 在未來氣候變化氣溫升高、降雨量增大的影響下，流域年均總氮、總磷負(fù)荷量增加：2020年總氮、總磷產(chǎn)量增加了7.5%和5.7%，2030年總氮、總磷增加了16.7%和9.8%，2050年總氮、總磷增加了20.9%和13.3%，總氮的增長(zhǎng)高于總磷。說明在未來氣溫升高和降雨增多的氣候變化共同作用下，河道徑流量增加，總氮、總磷負(fù)荷增多，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染問題越來越突出。

(3) 今后針對(duì)渭河的非點(diǎn)源污染治理應(yīng)該注重增加沿岸防護(hù)林帶的面積及水系綠化，加強(qiáng)水土流失治理，加強(qiáng)植樹種草、退耕還林，增加地表覆蓋，保護(hù)生態(tài)環(huán)境；減少化肥的施用，調(diào)整不合理施肥，更進(jìn)一步改善重氮肥、輕磷肥現(xiàn)象，推廣使用有機(jī)肥；加強(qiáng)居民生活污水處理，特別是沒有成熟污水收集與處理措施的農(nóng)村地區(qū)。