洱海典型灌區(qū)小流域土地利用類型對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙及非點(diǎn)源氮磷流失影響規(guī)律模擬

童曉霞，王一峰，許文盛，劉紀(jì)根，張平倉

(1.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院,武漢 430010；2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

0 引 言

洱海作為云南省內(nèi)第二大高原湖泊，是大理社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是大理州各族人民的“母親湖”。近年來，隨著洱海流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，洱海水質(zhì)出現(xiàn)惡化趨勢(shì)，總氮(TN)和總磷(TP)污染逐年上升。隨著對(duì)工業(yè)廢水和城市生活污水等點(diǎn)源污染的有效控制，非點(diǎn)源污染(又稱面源污染)尤其是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已經(jīng)取代點(diǎn)源成為洱海水體污染的最重要來源，非點(diǎn)源污染的負(fù)荷比重在逐步上升[1]。洱海北部3條河流是洱海污染物的主要來源，從源頭開展非點(diǎn)源污染的研究對(duì)于洱海水生生態(tài)環(huán)境的保護(hù)至關(guān)重要[2]。

目前針對(duì)非點(diǎn)源污染的研究，分布式水文模型SWAT是應(yīng)用較為廣泛的模型之一，它可對(duì)土地利用、氣象、地形、土壤等數(shù)據(jù)的變化做出響應(yīng)，該模型的適用性與有效性在國內(nèi)外若干應(yīng)用研究中都得到很好的驗(yàn)證[3-15]。

已有研究表明，土地利用是影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙及非點(diǎn)源污染排放的重要因素[16-22]，研究不同土地利用類型對(duì)流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙及非點(diǎn)源污染物排放的影響規(guī)律，可為科學(xué)調(diào)整流域土地利用規(guī)劃、合理制定土地利用管理措施從而有效防控流域非點(diǎn)源污染提供科學(xué)決策依據(jù)。

目前，在洱海流域關(guān)于SWAT模型的模擬研究有為數(shù)不多的應(yīng)用實(shí)例[23-26]，鮮見針對(duì)不同土地利用類型的流域非點(diǎn)源氮、磷流失規(guī)律研究。

本文選取洱海北部的典型小流域，基于SWAT模型構(gòu)建研究區(qū)分布式水文模型，旨在弄清不同土地利用類型對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙及非點(diǎn)源氮、磷流失的影響規(guī)律，為洱海流域非點(diǎn)源污染防控提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文選取具有較好封閉性的北部洱源縣作為研究區(qū)進(jìn)行建模分析。研究區(qū)總面積125 151 hm2，橫跨洱源縣的牛街鄉(xiāng)、三營鎮(zhèn)、茈碧鄉(xiāng)、鳳羽鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)、鄧川鎮(zhèn)和大理市的上關(guān)鎮(zhèn)(具體位置見圖1)。該區(qū)域面積占洱海流域總面積的48.8%，且總氮、總磷入湖量比其他區(qū)域大的多，具有較好的代表性[27]。研究區(qū)空間位置見圖1。

圖1 研究區(qū)空間位置示意圖Fig.1 The spatial location of study area

2 模型構(gòu)建及驗(yàn)證

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料

在構(gòu)建研究區(qū)的分布式水文模型時(shí)，需向SWAT模型輸入研究區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料主要包括空間圖像資料、屬性數(shù)據(jù)資料兩大類[15]。

本文所采用的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，分辨率為30 m。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心全球變化參量數(shù)據(jù)庫的Globcover 2009數(shù)據(jù)產(chǎn)品。土壤類型數(shù)據(jù)來源于“寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”所提供的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(V1.1)。中國境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第二次全國土地調(diào)查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)。本文所用的氣象數(shù)據(jù)取自大理氣象站1991-2014年的日觀測數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)根據(jù)洱源縣農(nóng)產(chǎn)品種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)施肥的調(diào)查資料獲得。

對(duì)這些數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析處理，建立SWAT模型空間及屬性數(shù)據(jù)庫，根據(jù)研究區(qū)DEM和河網(wǎng)分布進(jìn)行子流域及子流域內(nèi)水文響應(yīng)單元(HRU)劃分，得到研究區(qū)34個(gè)子流域，174個(gè)水文響應(yīng)單元，見圖2。

圖2 研究區(qū)子流域劃分示意圖Fig.2 The subbasins of research area

2.2 模型模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于模型的模擬效果評(píng)價(jià)，一般采用相對(duì)誤差Re、相關(guān)系數(shù)R2和Nash-Suttcliffe效率系數(shù)Ens來作為判斷依據(jù)，其表達(dá)式分別見式(1)～式(3)，模型模擬效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

(1)

(2)

(3)

一般情況下，可以認(rèn)為Re<10%，R2>0.79，Ens>0.59時(shí)，模型的模擬效果較好，參數(shù)較為可靠，可以用于實(shí)際模擬應(yīng)用。

表1 模型模擬效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The evaluation standard of model simulation efficiency

2.3 模型參數(shù)率定及驗(yàn)證結(jié)果

模型參數(shù)率定所需的實(shí)測數(shù)據(jù)通過野外觀測試驗(yàn)獲取，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況及SWAT模型對(duì)研究區(qū)子流域劃分的結(jié)果可確定徑流、泥沙及水質(zhì)觀測點(diǎn)，觀測時(shí)段主要集中在汛期。

本文選取煉城站(彌苴河上游)2001-2004年的月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，2005-2006年月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。參數(shù)率定采用自動(dòng)調(diào)參與手動(dòng)調(diào)參相結(jié)合的方法，經(jīng)多次迭代后得到煉城站率定期及驗(yàn)證期月徑流量模擬值和實(shí)測值的擬合結(jié)果，見圖3。表2為對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。可知，表2中率定期及驗(yàn)證期的徑流評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，說明基于研究區(qū)構(gòu)建的分布式水文模型模擬值與實(shí)測值吻合較好。因此，該模型適用于研究區(qū)的徑流模擬，能較好地模擬徑流過程。

圖3 徑流率定及驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 The calibration and the verification results of runoff parameters

表2 煉城站徑流模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab.2 The evaluation index value of runoff simulation of Liancheng

徑流率定之后要進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的率定。利用彌苴河上江尾河監(jiān)測點(diǎn)(N25.96°E100.13°)2013年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)域總氮、總磷排放進(jìn)行率定。查閱文獻(xiàn)可知，本文所用的SWAT模型率定期及驗(yàn)證期模擬效果均滿足模擬精度要求[28]，故本文中根據(jù)已有資料，只做率定。利用自動(dòng)調(diào)參與手動(dòng)調(diào)參相結(jié)合的方法，經(jīng)反復(fù)調(diào)參得到總氮總磷模擬過程和實(shí)測值的對(duì)比圖見圖4?？偟?、總磷模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表3，可見，除總磷R(shí)e略大于10%外，其他指標(biāo)值均達(dá)到模擬效果良好的標(biāo)準(zhǔn)，總體來講，水質(zhì)模擬結(jié)果能滿足精度要求，模型適用于研究區(qū)的水質(zhì)模擬。

圖4 總氮、總磷率定結(jié)果(2013年)Fig.4 The calibration results of TN and TP

表3 總氮總磷率定效果評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab.3 The evaluation index value of TN and TP simulation

3 結(jié)果分析

3.1 不同土地利用類型產(chǎn)流能力模擬分析

SWAT模型劃分HRU(水文響應(yīng)單元)時(shí)，為減少HRU數(shù)量，減少模型計(jì)算量，將子流域中低于10%面積占比的土地利用類型轉(zhuǎn)化為其他面積占比大的土地利用類型。研究區(qū)有5種土地利用類型，在模型模擬計(jì)算時(shí)，主要考慮林草地、旱地、水田3種土地利用類型。HRU劃分前后研究區(qū)土地利用變化情況見表4。

表4 HRU劃分前后研究區(qū)土地利用變化情況表Tab.4 The change of area proportion of land use due to HRU division

通常認(rèn)為，非點(diǎn)源污染流失規(guī)律受水文循環(huán)過程的影響和支配[29,30]。在研究不同土地利用類型的產(chǎn)沙及氮磷流失規(guī)律前，首先應(yīng)對(duì)不同土地利用類型的產(chǎn)流能力進(jìn)行分析。采用現(xiàn)有的農(nóng)田管理措施和土地利用布局，進(jìn)行2001-2014年多年徑流模擬。模型中，每一個(gè)HRU與一種土地利用類型相對(duì)應(yīng)，HRU匯入主河道的水量之間存在如下關(guān)系：

WYLD=SURQ+LATQ+GWQ-TLOSS

(4)

式中：SURQ表示時(shí)間步長內(nèi)從HRU匯入主河道的地表徑流；LATQ表示從HRU匯入主河道的側(cè)向流量；GWQ表示從HRU匯入主河道的地下徑流；TLOSS表示HRU穿過河床時(shí)的損失量。由于HRU穿過河床時(shí)的損失量相較其他水量很小，而且從模擬結(jié)果看不同土地利用的損失量相差不大。本文選取年均地表徑流(SURQ)、年均側(cè)向流量(LATQ)、年均基流(GWQ)，年均產(chǎn)水量(WYLD)作為主要研究指標(biāo)。不同土地利用的多年平均產(chǎn)流能力結(jié)果見圖5。

由圖5可知: 不同土地利用類型總產(chǎn)水量的產(chǎn)流能力由強(qiáng)到弱依次為林草地、水田、旱地，其中，地表徑流的產(chǎn)流能力為水田>旱地>林草地，側(cè)向流的產(chǎn)流能力為林草地>旱地>水田，地下徑流的產(chǎn)流能力為林草地>水田>旱地。究其原因，地表植被種類及植被覆蓋度會(huì)顯著影響地表產(chǎn)流及入滲過程，植被覆蓋度越高，降雨入滲能力越強(qiáng)，而地表徑流產(chǎn)流越少[31]，因此林草地地表徑流產(chǎn)流最少而地下徑流產(chǎn)流能力最強(qiáng)，水田大多位于地勢(shì)平緩地帶，對(duì)降雨有一定的蓄滯作用，因而入滲能力大于旱地，地下產(chǎn)流能力也強(qiáng)于旱地。

圖5 不同土地利用多年平均產(chǎn)流能力模擬結(jié)果示意圖Fig.5 The Simulation results of multi-year average runoff generation capacity of different land-use

3.2 不同土地利用類型產(chǎn)沙及氮磷流失規(guī)律模擬分析

研究區(qū)不同土地利用類型的產(chǎn)沙量、總氮、總磷流失量多年平均模擬值及不同土地利用類型對(duì)產(chǎn)沙量、總氮、總磷流失量的貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果見表5。由表5可知，旱地的產(chǎn)沙量、總氮、總磷流失量最大，對(duì)研究區(qū)產(chǎn)沙、總氮、總磷負(fù)荷總量的貢獻(xiàn)率分別為77.44%、57.00%、54.75%；其次是水田，貢獻(xiàn)率分別為21.88%、36.57%、39.64%，旱地和水田的總氮、總磷流失貢獻(xiàn)總和達(dá)到了90%以上。雖然林草地的面積占比最大，達(dá)71.46%，但產(chǎn)沙量、總氮、總磷流失量均最小，貢獻(xiàn)率僅分別為0.68%、6.42%和5.60%。

表5 不同土地利用類型的產(chǎn)沙量及總氮、總磷流失量表Tab.5 The sediment yield and TN and TP of different land use type

根據(jù)不同土地利用類型的面積及其對(duì)應(yīng)產(chǎn)沙量及氮磷流失量，可以得到各土地利用類型單位面積產(chǎn)沙及氮磷流失負(fù)荷，結(jié)果見表6。由表6可知，單位面積產(chǎn)沙量及總氮、總磷流失量由大到小均呈現(xiàn)出旱地>水田>林草地的規(guī)律。

表6 單位面積產(chǎn)沙及氮磷流失負(fù)荷Tab.6 The per area load of sediment, TN and TP of different land use type

綜上可知，水田和旱地的侵蝕產(chǎn)沙及非點(diǎn)源氮磷流失是研究區(qū)侵蝕產(chǎn)沙和非點(diǎn)源氮磷流失的主要來源，水田和旱地的侵蝕產(chǎn)沙及農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷流失防控是研究區(qū)非點(diǎn)源污染防控的重點(diǎn)。合理調(diào)整流域土地利用類型格局，對(duì)有效防控流域侵蝕產(chǎn)沙及非點(diǎn)源氮磷流失有重要意義。

4 結(jié) 語

(1)經(jīng)過參數(shù)率定及模型驗(yàn)證后的SWAT模型，模擬效果良好，可以用于研究區(qū)的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷流失規(guī)律數(shù)值模擬研究。

(2)不同土地利用類型總產(chǎn)流能力由強(qiáng)到弱依次為林草地>水田>旱地，其中，地表徑流產(chǎn)流能力為水田>旱地>林草地，側(cè)向流產(chǎn)流能力為林草地>旱地>水田，地下徑流的產(chǎn)流能力為林草地>水田>旱地。

(3)不同土地利用類型產(chǎn)沙量、總氮、總磷排放總量及單位面積排放量均呈現(xiàn)旱地>水田>林草地的規(guī)律。

(4)旱地和水田的氮、磷排放是灌區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染的主要來源，選擇合理的農(nóng)田管理措施，有效控制旱地、水田的氮、磷排放是防控灌區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染的關(guān)鍵。

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