基于SWAT模型的黑水河流域非點源污染控制方案研究

徐凌云

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司,上海 200335)

隨著工業(yè)點源污染控制水平的提高，非點源污染成為了流域水環(huán)境污染的主要原因，而流域內(nèi)的土地利用是非點源污染的主要影響驅(qū)動因子。土地利用通過各種直接或間接參與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的物質(zhì)能力轉(zhuǎn)換與流動，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其組分如水、大氣等產(chǎn)生巨大的影響。不適當?shù)耐恋乩梅绞胶娃r(nóng)田管理模式會導(dǎo)致土壤侵蝕和過量的N、P隨地表徑流流失[1-2]，從而形成流域內(nèi)的大面積非點源污染，引發(fā)水體水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的惡化。非點源污染負荷的防治是提高流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要舉措之一，目前對非點源污染負荷的研究應(yīng)用最廣泛的是美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究局(ARS)開發(fā)的SWAT模型[3-4]，該模型在非點源污染負荷的測算與時空分布[5-7]、污染防控或管理措施的效果評估[8-11]、污染源的識別與控制[12-14]、關(guān)鍵污染區(qū)域與污染時間的識別[15-17]等多方面均得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用SWAT模型建立四川省黑水河流域非點源污染負荷預(yù)測模型，模擬流域泥沙及污染物空間分布及不同控制措施情景下流域非點源污染負荷的變化情況，探討流域不同土地利用方式與非點源污染之間的定量關(guān)系，為流域土地利用規(guī)劃和非點源污染負荷的控制提供實際解決方案。

1 研究區(qū)域概況

黑水河是金沙江左岸一級支流，位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)，介于東經(jīng)102°20′～102°53′、北緯28°7′～26°48′，發(fā)源于昭覺縣瑪果梁子，自北向南流經(jīng)昭覺、普格、寧南3縣，于寧南縣東南部葫蘆口注入金沙江(圖1)。流域總面積3 591 km2，干流全長173.0 km，天然落差1 931 m，平均比降11.05‰，河口處多年平均流量為80 m3/s，徑流量25.25億m3。目前黑水河流域土地利用方式主要有林地、坡耕地、耕地、建設(shè)用地、裸地、水域及水利設(shè)施用地等，其中坡耕地和耕地主要沿黑水河、則木河、西洛河及其兩側(cè)支溝的河谷地帶分布。根據(jù)對黑水河流域的初步調(diào)查分析，威脅流域內(nèi)水文、水質(zhì)及自然生態(tài)系統(tǒng)的主要因素包括地表徑流污染、采石挖沙、農(nóng)田施肥及水產(chǎn)畜禽養(yǎng)殖等。

2 模型建立及率定驗證

2.1 基礎(chǔ)資料

a)DEM數(shù)據(jù)。采用流域30 m×30 m的DEM數(shù)據(jù)。DEM圖中可以看出，黑水河流域北高南低，地貌多以山嶺和河谷相間，河谷到分水嶺高差較大，在700～4 000 m，沿河支溝發(fā)育。

b)土地利用。根據(jù)黑水河流域1∶250 000的土地利用圖，結(jié)合SWAT模型的模擬要求，將土地利用類型重新劃分為5類。其中林地面積最大，占總面積的52.26%，其次是草地和旱地，分別占31.25%和13.81%，水田占比2.47%，裸地占比0.21%，為了研究不同控制措施的效果，忽略占比較小的采石挖沙、居民點、工礦養(yǎng)殖等土地利用類型。

c)土壤數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)采用第二次全國土地調(diào)查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)，包括土壤厚度、土壤顆粒組成、持水率等基本信息，土壤類型采用收集到的1∶250 000土壤類型空間分布圖。土壤屬性部分在HWSD數(shù)據(jù)庫里查詢得到，部分采用模型默認值，另一部分利用SPAW軟件計算或者公式法計算得到屬性值。

d)植被覆蓋。SWAT模型使用簡單的植被生長模型來模擬所有的陸地覆蓋類型，模型能夠區(qū)分一年生植物和多年生植物，一年生植物從種植日期開始到收獲日期，或直接積累的熱量單元等于植物的潛在熱量單元；多年生植物全年維持其根系系統(tǒng)，在冬季月份中進行冬眠；當日均空氣溫度超過最小即基準溫度時，重新生長。植物生長模型用來評估水分和營養(yǎng)物質(zhì)從根區(qū)的遷移、蒸發(fā)以及生物產(chǎn)量。SWAT模型中有關(guān)土地利用和植被覆蓋的數(shù)據(jù)通過文件crop.dat進行存儲和計算。

e)氣象數(shù)據(jù)庫。SWAT模型需要的氣象數(shù)據(jù)主要包括流域的日降水量、最高/最低溫度、太陽輻射、風(fēng)速和相對濕度，這些數(shù)據(jù)可以是統(tǒng)計數(shù)據(jù)，也可以通過SWAT模型的天氣模擬程序(天氣發(fā)生器)生成，或者是統(tǒng)計和模擬生產(chǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)合。本次模擬氣象數(shù)據(jù)來自會理、西昌、昭覺3個氣象站連續(xù)8年的資料，包括平均風(fēng)速、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對濕度、太陽輻射以及降水量數(shù)據(jù)等。

f)水文水質(zhì)數(shù)據(jù)。水文水質(zhì)數(shù)據(jù)主要通過實地監(jiān)測、資料收集或購買獲得，用于模型校準驗證的水文、泥沙數(shù)據(jù)為寧南水文站2008—2013年的實測月徑流、年均輸沙量資料，水質(zhì)數(shù)據(jù)采用黑水河河口2008—2013年豐、平、枯水期的實測水質(zhì)。不同控制措施的研究基于2016年土地利用類型，模型輸入條件采用2016年各子流域的污染源月均日負荷、各入流點的日流量以及流域內(nèi)主要水庫的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 模型建立

2.2.1子流域劃分原則

①以黑水河一級支流作為1個集水區(qū)；②規(guī)模較大的一級支流(如西洛河、則木河等)，以黑水河二級支流作為1個集水區(qū)；③為避免產(chǎn)生過小的集水區(qū)或明顯錯誤的破碎集水區(qū)，支流匯口局部區(qū)域并入干流集水區(qū)。根據(jù)以上劃分原則，黑水河流域共劃分25個流域單元(圖1)。

圖1 黑水河流域范圍及子流域劃分

2.2.2水文響應(yīng)單元劃分

本次研究采用每個子流域多個HRUs的劃分方法。根據(jù)土地利用和土壤類型的組合和分布特征，確定土地利用和土壤類型的面積閾值，土地利用的閾值為10%，土壤類型的閾值為20%。對土地利用和土壤類型圖進行疊加，在整個子流域內(nèi)生成138個水文響應(yīng)單元。

2.2.3農(nóng)業(yè)管理模擬

根據(jù)研究區(qū)域的農(nóng)產(chǎn)品種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)施肥的調(diào)查資料，選用流域內(nèi)主要耕作方式：旱地為冬小麥、油菜/夏玉米、馬鈴薯輪作，水田模擬為水稻。具體的施肥量和種植季節(jié)見表1。四川農(nóng)作物農(nóng)藥使用強度按15.7 kg/hm2計算。

表1 區(qū)域主要作物種植情況及農(nóng)藥化肥使用量

2.3 模型率定和驗證

2.3.1模型的參數(shù)設(shè)置

將2008—2010年設(shè)置為率定期、2011—2013年設(shè)置為驗證期；參數(shù)在初始賦值的基礎(chǔ)上通過自動和手動調(diào)參以適應(yīng)流域的實際情況，模型參數(shù)取值見表2。

表2 模擬率定參數(shù)選取及取值

2.3.2模型率定結(jié)果

在SWAT模型中，可以選擇相關(guān)系數(shù)R2、相對誤差Re和Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens來評價模型的適用性[18]。相關(guān)系數(shù)R2=1表示非常吻合，當R2<1時，其值越小反映出數(shù)據(jù)吻合程度越低。Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens=1表示非常吻合，若Ens為負值，說明模型模擬平均值比直接使用實際平均值的可信度更低。一般Ens>0.5，R2大于0.6，Re小于15%時表示精度可以滿足模擬要求。率定及驗證情況見表3。

表3 寧南水文站月徑流、泥沙、總氮、總磷率定驗證結(jié)果

由表3可知，率定期的徑流、泥沙負荷和氮磷負荷模擬結(jié)果除了Re略高外，其余指標均在合理范圍內(nèi)，驗證期的模擬效果較好，3個指標均在合理范圍內(nèi)，總體來說，率定期和驗證期的模擬結(jié)果相差不大，均可以接受。本研究采用該模型模擬的模擬結(jié)果較為可信。

3 結(jié)果與討論

3.1 流域產(chǎn)水量及污染負荷空間分布

利用校準驗證后的黑水河流域模型，模擬計算基于2016年土地利用類型的各子流域的產(chǎn)水量及污染負荷(圖2)。

模擬結(jié)果顯示，黑水河流域產(chǎn)水量較小的區(qū)域主要集中在黑水河流域東北部地區(qū)，包括普格縣東部和昭覺縣南部地區(qū)，黑水河流域其他地區(qū)產(chǎn)水量均較大；黑水河流域產(chǎn)沙強度與產(chǎn)水量大小分布基本一致，同時林地分布面積較大的區(qū)域產(chǎn)沙強度小，靠近河流且耕地分布較廣的區(qū)域產(chǎn)沙強度較大；從黑水河流域污染負荷空間分布來看，有機氮和有機磷污染負荷強度空間分布特征基本相同，有機氮和有機磷污染負荷強度最大的區(qū)域主要集中在流域西北部的和流域西南部。

a)月均產(chǎn)流量

3.2 不同土地利用類型的非點源污染負荷

以月為時間步長，計算黑水河流域基于2016年土地利用類型的非點源污染負荷總量和單位面積負荷量，結(jié)果見表4、5。

3.2.1流域總污染負荷

由表4可知，泥沙和氮磷非點源污染負荷的流失與土地利用類型關(guān)系密切，旱地產(chǎn)生的非點源污染負荷量最大，各項污染負荷占比均超過50%，其次為草地，再次為林地，最后為水田，由于水田面積占比較小，其污染負荷的貢獻量也最小。綜上可以看出，不同土地利用類型中非點源污染負荷比例不一，主要受人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的影響。

表4 不同土地利用類型非點源污染負荷

表5 不同土地利用類型單位面積非點源污染負荷

3.2.2單位面積污染負荷

不同土地利用類型下，流域單位面積泥沙負荷從高到低依次為旱地、草地、水田和林地；單位面積有機氮和有機磷負荷從高到低依次為旱地、水田、草地和林地。由此可知，在黑水河流域旱地、水田是非點源污染負荷的主要產(chǎn)出方式，林地具有水源涵養(yǎng)功能，在水土保持和污染物截留等方面發(fā)揮著巨大的作用。

3.3 不同控制措施及效果分析

將單位面積污染物負荷產(chǎn)出高的子流域作為流域的關(guān)鍵源區(qū)，根據(jù)黑水河流域污染負荷空間分布結(jié)果，流域的非點源污染防治的關(guān)鍵源區(qū)主要在流域西北部和西南部，如子流域11、22、24，這些子流域的耕地分布較廣且靠近河流，需要重點關(guān)注。考慮將關(guān)鍵源區(qū)內(nèi)單位面積非點源污染負荷輸出最大的旱地改為水田，將零星的裸地改為泥沙輸出負荷最小的林地以及退耕還林、設(shè)置緩沖帶等措施，模擬實施不同控制措施后流域非點源污染負荷輸出的變化。

3.3.1水田改旱地

在黑水河流域內(nèi)，農(nóng)業(yè)種植中旱地占較大比例，旱地是單位面積非點源污染負荷輸出最大的土地利用類型，而水田的非點源污染負荷輸出略小于旱地。因此，將關(guān)鍵源區(qū)子流域的水田改為旱地，模擬非點源污染負荷，反推通過減少旱地等措施，降低非點源污染負荷。模擬結(jié)果顯示(表6)，通過將水田全部改為旱地，流域泥沙負荷增加了7.75%，有機磷污染負荷增加7.40%，有機氮污染負荷增加9.18%。

表6 水田改旱地情景下污染負荷的變化情況

3.3.2裸地改林地

在黑水河流域內(nèi)，存在部分裸地，裸地是產(chǎn)沙、產(chǎn)污量較大的一種土地利用類型，將關(guān)鍵源區(qū)內(nèi)裸地改為水土保持能力和污染物截留能力最好的林地，模擬在此情景下對流域內(nèi)非點源污染的削減效果。模擬結(jié)果顯示，通過將裸地全部改為林地，對泥沙和有機氮、有機磷均有一定的削減效果，其中泥沙污染負荷削減率為0.33%；有機氮污染負荷削減率為0.30%；有機磷污染負荷削減率為0.28%。

表7 裸地改林地情景下污染負荷的削減效果

3.3.3退耕還林

將流域內(nèi)坡度大于15°的耕地采取退耕還林措施，模擬退耕還林對流域出口處非點源污染的削減作用，模擬結(jié)果顯示(表8)，流域出口泥沙及有機污染負荷的輸出量均有一定削減效果，其中泥沙負荷削減率達到33.06%、有機氮污染削減率為18.82%、有機磷污染削減率為13.03%。

表8 退耕還林情景下流域出口污染負荷的削減效果

3.3.4設(shè)置緩沖帶

緩沖帶是指利用永久性植被攔截污染物或有害物質(zhì)的條帶狀、受保護的土地[19]。通常在水體岸邊設(shè)置緩沖林帶，保護建立在河湖、溪流和溝谷沿岸的各類林帶或灌木帶，可以有效攔截農(nóng)業(yè)面源污染，減少污染物向水體的排放。SWAT模型可以模擬緩沖林地對泥沙、有機污染物負荷的消減作用。

對關(guān)鍵源區(qū)子流域分別采取設(shè)置10、5 m寬植被緩沖帶措施，模擬不同寬度緩沖帶對流域內(nèi)非點源污染的削減作用。模擬結(jié)果顯示(表9)，5 m植被緩沖帶對泥沙和有機磷、有機氮的削減率分別為49.35%、59.17%、59.16%；10 m植被緩沖帶對泥沙和有機磷、有機氮的削減率分別為60.69%、72.67%、72.67%。

表9 不同寬度緩沖帶情景下污染負荷的削減效果

3.4 討論

結(jié)合以上4種不同控制措施情景模擬，以及相應(yīng)措施對非點源污染負荷削減效果，發(fā)現(xiàn)設(shè)置植被緩沖帶和退耕還林對非點源污染負荷削減效果比較明顯。其中10 m植被緩沖帶削減效果要比5 m植被緩沖帶的削減效果增加10%～15%，而同樣寬度下，植被緩沖帶對有機磷和有機氮的削減效果相當，退耕還林及旱地改水田情景模擬下，對有機氮的減負效果要好于有機磷，由于流域內(nèi)裸地面積占比較小，采取裸地改林地后可以一定程度上降低非點源污染負荷，但效果不明顯。若組合以上情景措施，對流域非點源污染負荷的削減效率將會更高。

4 結(jié)論

a)建立了適用于黑水河流域SWAT模型，其中校驗期間參數(shù)En、R2均在合理范圍內(nèi)，Re大部分也滿足小于15%的要求；利用校驗后的模型模擬了黑水河流域產(chǎn)水、產(chǎn)沙及產(chǎn)污負荷的空間分布，黑水河流域的非點源污染防治的關(guān)鍵源區(qū)主要是流域西北部和西南部的子流域，應(yīng)重點關(guān)注。

b)對流域關(guān)鍵源區(qū)實施4種不同控制措施，模擬發(fā)現(xiàn)4種控制措施可以不同程度的削減流域內(nèi)非點源污染負荷，其中植被緩沖帶、退耕還林的削減效果較好，分別達到了50%和15%左右。研究結(jié)果可以直接指導(dǎo)黑水河流域非點源污染負荷控制方案的制定，也可以為其他流域的非點源污染負荷控制研究提供參考。

c)除了本文中提出的改變土地利用方式的控制措施，還可以通過其他工程措施和管理措施來改善流域的水文水質(zhì)環(huán)境，如加強城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、應(yīng)用農(nóng)業(yè)最佳管理措施等，具體的措施如拆除部分水電站、將坡耕地改造為梯田、科學(xué)種植，合理施肥，減少化肥和農(nóng)藥的使用量等。