有限資料條件下基于SWAT模型的泗合水流域非點源污染模擬

馮麒宇, 胡海英, 劉俊達

(1華南理工大學 土木與交通學院, 廣州 510640; 2中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司, 長沙 410000)

隨著社會經濟的迅速發展，水資源、水環境問題日益突出。非點源污染具有隨機性、廣泛性、潛伏性和滯后性等特點，是影響水體質量的重要污染源。目前國內外學者對非點源污染的研究大都采用機理模型法[1]。國外應用廣泛的非點源污染機理模型有SWAT[2-5]、HSPF[6-9]和Ann AGNPS等[10-12]。但是目前我國許多流域都缺乏常規水質觀測資料，這使模型參數的率定產生不確定性，影響了非點源污染模型的應用效果。SWAT模型適用性較好，可用于缺資料地區，在國內外許多流域得到廣泛地應用。Gerald Whittaker等[13]對西北太平洋非點源污染問題進行了研究，指出SWAT模型與經濟管理模型的聯合有助于環境和政策方針的分析；Gitau等[14]利用SWAT模型在Arkansas無資料流域進行水文模擬，結果較好；胡連伍等[15]利用SWAT模型對豐樂河流域的水文和水質進行了模擬和校核；吳碧瓊等[16]在西充河流域利用SWAT模型構建了流域非點源污染模擬方案；胥彥玲等[17]利用水量、泥沙和水質資料對SWAT模型進行參數率定，結果表明模型在黑河流域適用效果較好。

華南地區尤其是珠江三角洲地區，河網密集，社會經濟發展迅猛，快速城鎮化和人口增長，導致水環境問題日益突出。本研究以廣東省江門市潭江泗合水小流域為典型研究對象，基于8場降雨事件的水質、水量同步監測數據，構建泗合水流域的非點源污染SWAT模型，探討機理模型在華南地區有限水文水質資料流域的應用問題。研究中利用平均濃度法[18]估算得到非點源污染年負荷，從年、月兩種尺度對SWAT模型進行參數率定。最后分析得到流域非點源污染時空分布規律并進行情景模擬，其成果可為珠江三角洲地區水資源保護和水污染控制提供參考依據。

1 研究方法

1.1 區域概況

泗合水流域地處廣東省鶴山市雙合鎮境內，位于東經112°25′—112°36′，北緯22°34′—22°44′。泗合水流域面積為131 km2，地表起伏變異大，植被生長良好，森林覆蓋率為81.5%。流域屬亞熱帶季風氣候，季風顯著，風暖濕潤，春夏季雨熱相宜。流域內雨量充沛，多年平均降水量為1 661.1 mm，降水量年際變化大。流域多年平均蒸發量和徑流量分別為877.7 mm和1.145 3億m3。流域內土壤類型以麻赤紅壤和頁赤紅壤為主，土地利用類型以林地和耕地為主，主要分布在流域中下游以及河網附近水資源豐富區域。經調查流域內農作物以水稻和粉葛為主，施用化肥主要為氮肥和磷肥。本流域屬天然流域，區域內無污染企業，可排除點源污染對流域污染負荷的影響。

1.2 數據采集

為估算泗合水流域非點源污染負荷用于SWAT模型參數的率定和驗證，在該流域出口處設立徑流觀測和取樣斷面。野外監測試驗共獲取了8場降雨事件的降雨量、水位、徑流量和各污染物輸出濃度的同步監測數據。8場降雨事件均發生在汛期的5—9月，每次降雨事件降雨前對河水先采樣一次。降雨開始后不久流域產流時測流并同步采樣，一般一小時采集一次，降雨后期雨量變小則逐步延長采樣間隔時間。采集的水樣當場密封、編號，并于24 h內及時送回實驗室進行污染物測定。

用于SWAT模型構建和參數率定的基礎數據包括空間和屬性數據。空間數據庫主要包括數字高程模型(DEM數據)、土壤類型圖、土地利用類型圖以及流域水系圖等。屬性數據庫包括水文數據庫、氣象數據庫、土壤屬性數據庫和農業管理措施數據等[19]。其中DEM數據來源于國家地理信息中心，分辨率90 m；土地利用數據來源于廣東省國土資源廳(2006)，對其重分類后劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地5種類別；土壤類型主要分為麻赤紅壤和頁赤紅壤，根據土壤資料參照SWAT模型土壤數據庫建立方法[20]計算得到土壤理化屬性；模型所需氣象數據包括氣溫、太陽輻射、風速、相對濕度數據，由鄰近流域陽江氣象站監測得到；泗合水流域周邊設置的雨量站有布尚、棠密、吉塘、板村和雙橋，降雨資料由雨量站監測所得；流域出口處設置有雙橋水文站，徑流數據由測站監測獲得；流域的作物可概化為水稻和粉葛兩種。SWAT模型通過流域—子流域—水文響應單元(HRU)的空間離散方法反映子流域內不同土地利用方式和土壤類型的空間組合情況[21]。設定泗合水子流域劃分的集水面積閾值為4 km2，生成23個子流域。設定土地利用類型、土壤類型、坡度類型分別占子流域面積3%，5%，5%以上部分參與生成HRU，最終生成127個水文響應單元。

1.3 平均濃度法

基于若干場降雨事件水文、水質監測資料計算流域年非點源污染負荷。假定單次降雨事件污染物平均濃度為Cj，Cj可表示為：

(1)

式中:WL為該次降雨事件攜帶的負荷量(g)；WA為該次降雨事件產生的徑流量(m3)；QTi為Ti時刻的實測流量(m3/s);CTi為Ti時刻的污染物濃度(mg/L);QBi為Ti時刻的枯季流量(m3/s);CBi為Ti時刻的枯季污染物濃度(mg/L)；n為該次降雨事件監測次數;Δti=(ti+1-ti-1)/2。

多次降雨事件污染物的加權平均濃度為Cm，將其近似作為年地表徑流污染物的平均濃度。Cm可表示為：

(2)

非點源污染年負荷量為Wn，可表示為：

Wn=Ws·Cm

(3)

式中:m是降雨事件次數；Ws為年地表徑流總量(m3)；Cj為第j場暴雨產生的非點源污染平均濃度；WAj為第j場暴雨產生的徑流量(m3)。

2 模型適用性分析

2.1 徑流參數率定及驗證

模型徑流參數率定主要以流域出口雙橋水文站流量過程擬合度作為判別標準，選取Nash-Sutcliffe系數和相對誤差作為評價指標。根據資料收集情況，選定2010—2012年為率定期，2013—2014年為驗證期，模型運行成功后基于SUFI-2算法對徑流計算所采用的共計28個參數進行敏感性分析[22]。通過參數自動率定1 000次，得到年徑流率定及驗證結果見圖1。從對比結果可得，率定期和驗證期年徑流相對誤差為4.4%～17.3%。月徑流過程實測值與模擬值對比見表1。結果顯示，月徑流率定期和驗證期結果相對偏差均小于10%，Nash系數較高，分別為0.83，0.92。結果表明SWAT模型在泗合水流域的徑流模擬效果較好。

圖1 實測和模擬年徑流量對比表1 月徑流率定與驗證

2.2 水質參數率定及驗證

模型徑流參數校驗完成后，進一步對水質參數進行率定及驗證。利用平均濃度法根據8場降雨事件水文污染物監測數據估算流域非點源污染年負荷。根據估算得到的流域2011年污染負荷數據采用試錯法對影響模型泥沙、總氮、總磷輸出的模型參數進行率定，并根據2014年污染負荷數據對模型參數進行驗證。率定及驗證成果見圖2和圖3。從污染物負荷率定及驗證結果可以看出，泥沙、總氮、總磷年負荷模擬誤差均控制在30%以內，說明SWAT模型能夠較好地反映泗合水流域非點源污染變化情況，可用于該流域非點源污染的描述及預測。

圖2 年污染負荷率定

圖3 年污染負荷驗證

3 結果與分析

3.1 污染物時空變化特征

應用SWAT模型對泗合水流域泥沙、總氮、總磷負荷進行模擬和計算，分析得出2010—2014年汛期污染物輸出總量占全年的比例。從表2可以看出，流域內全年非點源污染負荷分布不均，80%以上都集中在汛期(4—9月)。2012年、2013年流域非點源污染負荷年內分布與降雨量分布對比見圖4。可以得出流域泥沙、氮磷污染物年內各月分布與降雨量分布較同步，降雨對非點源污染輸出起著重要作用，這與國內許多研究是一致的[23-24]。非點源污染物在日常非降雨條件下積累在地表，降雨時通過徑流沖刷遷移進入水體，降雨過程中的雨滴濺擊和徑流沖刷搬運是水土流失的基本動力。

圖4 2012-2013年月均污染負荷輸出分布

表2 2010-2014年汛期污染輸出總量占全年比例

2010—2014年期間泗合水流域總氮負荷輸出范圍介于13.05～65.61 kg/hm2，總磷負荷輸出范圍介于1.66～10.66 kg/hm2。泗合水各子流域總氮、總磷負荷空間分布見圖5。從圖5可知，泗合水流域總氮和總磷污染負荷空間分布較相似，污染負荷主要分布在流域下游和上游東北部區域。流域下游人口密度大，人類活動影響顯著，污染負荷輸出較大；流域上游東北部村落富集，耕地比例較大，因此污染負荷輸出也較大。非點源污染流失的關鍵源區主要分布在農業和坡耕地區[25]。農業坡耕地區土壤中的非點源污染物極易在降雨沖刷作用下隨徑流進入到河流造成水體污染，其中坡度對泥沙和非點源污染物遷移有重要影響。此外，城鎮居民建筑用地和工礦用地單位面積的貢獻率也不容忽視。

圖5 2010-2014年總氮、總磷負荷空間分布

提取每一水文響應單元不同土地類型的污染負荷，得到耕地、林地、建筑用地、草地4種土地利用類型的非點源污染貢獻率見圖6。可以看出，泥沙、有機氮、有機磷和無機磷流失規律一致，流失強度由小到大分別為林地、建設用地、草地、耕地。硝基氮流失強度由小到大分別為：林地、建設用地、草地、耕地。溶解磷流失強度由小到大分別為草地、耕地、林地、建設用地，但數量上4種土地類型差別并不大，溶解磷流失強度普遍偏低。總體上說，由于周期性農業耕作和施肥活動的影響，單位面積耕地對泥沙侵蝕和氮磷污染負荷的貢獻率最大。林地對于污染物質流失有較好的削減效果，單位面積林地非點源污染流失強度最小[25]。

圖6 污染負荷流失強度對比

3.2 情景分析

各種土地類型對流域污染負荷的貢獻不同，泗合水流域耕地對流域泥沙、總氮和總磷負荷的產出貢獻較大。研究表明，耕地是流域氮磷污染的主要來源，流域退耕還林措施使得流域內坡耕地面積減少，林地面積增加，林草植被通過根系涵養水源，提高土壤的抗蝕性[26]。下面我們調整變換不同土地類型參數來模擬退耕還林情景，得到各年污染控制效果見表3。可以看出在2010—2014年期間，實行退耕還林措施將使流域徑流量、泥沙、氮、磷負荷分別減少3.2%，35.8%，46.1%，35.8%。通過設置氮肥施用量減少50%、磷肥施用量減少50%兩種情景來模擬施肥量減少對污染控制的影響，得到結果見表4。可以看出，施肥量減少對流域產沙和徑流幾乎沒有影響，減少50%氮肥，可降低總氮負荷18.1%；減少50%磷肥，可降低總磷負荷8.9%。由此可見，在流域內實施退耕還林措施和減少化肥施用量能有效控制非點源污染輸出負荷[27]。

表3 退耕還林對2010-2014年污染輸出的影響

表4 施肥措施對2010-2014年污染輸出的影響

4 結 論

(1) 以廣東省江門市潭江泗合水流域為例，分析有限水文、水質資料條件下平均濃度法在SWAT模型參數率定中的應用問題。水質參數率定及驗證結果表明利用平均濃度法對SWAT模型進行參數率定能使其具有較高的適用性。

(2) 流域內全年非點源污染負荷分布不均，80%以上集中在汛期的4—9月。流域泥沙、總氮和總磷年內各月分布與降雨量分布非常一致，降雨對非點源污染輸出起著重要作用。

(3) 流域總氮、總磷污染負荷空間分布較相似，表現出明顯的區域性。流域下游受人類活動影響，污染負荷較大，流域上游東北部區域村落富集以及耕地比例較大，污染負荷較大。

(4) 不同土地利用類型泥沙流失強度差異顯著，由低到高依次為：林地、建設用地、草地、耕地，有機氮、有機磷、無機磷流失規律與泥沙一致，硝基氮與溶解磷則有所不同。

(5) 降低施肥量和實施退耕還林措施可有效降低典型農業非點源污染物的輸出。實行退耕還林措施，流域泥沙、TN和TP負荷依次減少35.8%，46.1%和35.8%；減少氮肥和磷肥施用量50%，TN和TP負荷分別減少18.1%和8.9%。