基于SWAT模型的清涼山水庫氮磷入庫通量研究

張 狄

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003)

氮、磷等營養元素是生態系統物質循環中重要的組成部分，然而人類活動排放的過量營養物質會破壞其循環的平衡，導致富營養化問題。水中氮磷污染主要分為點源和非點源(或面源)兩大類，其中非點源污染是中國主要的水體污染方式，同時也是流域氮磷污染的主要來源[1]，2020年發布的《第二次全國污染源普查公報》中指出，中國農業非點源污染排放的總氮和總磷分別占2種污染物總量的47%、67%[2]。因此，研究氮、磷營養元素的非點源污染過程有助于流域的水環境保護。

陸源非點源氮磷污染對海洋、湖泊和水庫等“匯集區”的影響主要通過河道運輸來實現，因此河流物質運移通量對于流域水環境研究十分重要[1]。20世紀70年代以來，美國農業部陸續開發了CREAMS(Chemicals,Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems)、GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)、EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)等模型，并將CREAMS模型的日降雨水文模塊、GLEAMS模型的殺蟲劑模塊、EPIC模型的作物生長模塊合并，開發出了以日為時間步長、劃分子流域計算的SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型。20世紀90年代，SWRRB模型與河道演算ROTO(Routing Outputs to Outlet)模型整合，成為SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型。SWAT模型歷經多個版本的發展和完善，適用性不斷提高，并增加了敏感性分析、自動率定和不確定性分析等功能，現已成為適用于復雜流域的基于物理機制的分布式水文模型，在流域水文過程、非點源污染與農業管理措施的模擬上均有較好的效果[3-8]。

SWAT模型在國內非點源污染研究中得到了較好的應用。桂峰等[9]利用SWAT模型模擬太湖流域上游氮磷入湖通量，發現有3個入湖口的氮磷貢獻率達到20%以上，以此確定流域外源營養物質管理和控制的重要區域。Liu等[10]利用SWAT模型模擬香溪河流域氮磷負荷，結合人口密度與水質要求進行流域關鍵源區識別。薛菲等[11]建立萬安典型農業小流域的SWAT模型對非點源氮磷輸出進行模擬，結果基本反映了流域內非點源污染風險區的情況，證明SWAT模型同樣適用于面積為10 km2左右的小流域。近年來SWAT模型在南方山區流域的應用逐步從徑流模擬拓展到泥沙、污染物模擬。翟午琛[12]構建SWAT模型模擬東江流域河源段非點源氮磷污染負荷，發現不同土地利用的溶解態氮磷污染負荷占比較大。黃國如、陳曉麗等[13-14]利用SWAT模型識別飛來峽庫區流域非點源污染優先控制區，發現氨氮、總氮濃度較高的區域分別位于主河道地區、上游農業耕種區。鄭宇[15]通過改進土壤數據庫構建、SWAT-CUP率定驗證等建模過程，模擬韓江流域非點源污染，結果表明研究區水質呈惡化趨勢，寧江流域為總氮污染關鍵區。

梅州市梅江河流域清涼山水庫是梅州城區重要水源地之一，其水質直接影響梅州市居民的用水安全。相關數據顯示，清涼山水庫水質尚可，但總磷、總氮、氨氮等指標不達Ⅱ類水標準，且庫內曾出現過藍藻水華，這與輸入庫區的氮磷營養鹽密切相關。因此，研究清涼山水庫入庫氮磷具有重要意義。本文構建SWAT模型對清涼山水庫流域的水文過程與入庫氮磷通量進行模擬，探究流域內徑流與氮磷營養鹽的時空變化規律，以期為當地控制氮、磷污染負荷提供科學依據。

1 區域概況

清涼山水庫位于廣東省梅州市梅江區西陽鎮，水庫壩址位于梅江一級支流白宮河中游石壁背村，水庫集雨面積約為94.1 km2(圖1)。水庫流域內地形以河谷盆地、丘陵和山地為主，土壤多為頁紅壤與頁赤紅壤，且多在凝灰質礫巖、板巖和砂頁巖等母質風化上發育而成[16]，入庫支流主要有新田水和溪田水。水庫流域內農業種植以水稻、茶葉、水果為主，化肥施用以氮肥為主，其次為復合肥。流域內無工業生產。流域年平均降雨量1 525.6 mm[17]，徑流由降水補給，汛期(4—9月)降雨量約占全年70%～80%，徑流量約占全年的65%～80%。

圖1 清涼山水庫流域

2 數據來源與SWAT模型構建

2.1 DEM數據

采用中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)提供的30 m分辨率DEM數據。清涼山水庫流域高程范圍為187～1 263 m，平均高程為522 m。

2.2 土地利用分布數據

采用國家地球系統科學數據共享服務平臺發布的全球30 m土地覆蓋數據集FROM-GLC，結合衛星影像進行目視解譯方法得到，空間分辨率為30 m。清涼山水庫流域主要土地利用類型有水田、旱地、林地、園地、草地、水庫、茶園等，以林地為主，占流域總面積的90%以上(圖2)。

圖2 清涼山水庫流域土地利用與土壤類型分布

2.3 土壤類型分布數據

采用HWSD數據庫數據，分辨率為1 km，結合SPAW軟件計算得土壤屬性數據。清涼山水庫流域內土壤類型主要有6類(圖2)。

2.4 氣象水文數據

氣象數據來源于水庫雨量站、中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)等，包括2005—2018年逐日降水量、最高最低氣溫等。水文數據來源于清涼山水庫提供的2005—2018年逐日入庫徑流數據。水質數據來源于水文部門提供的2013—2018年每年1、8月庫心處總氮、總磷濃度監測數據。

2.5 子流域與水文響應單元劃分

根據DEM數據，將清涼山水庫流域劃分為25個子流域(圖3)，并按土地利用與土壤類型生成209個水文響應單元。其中，1號子流域出口代表壩址處，6、11號子流域出口分別為西部溪田水、東部新田水匯入庫區的控制斷面。

圖3 清涼山水庫流域子流域劃分

3 模型率定與驗證

3.1 入庫徑流流量模擬

基于SWAT-CUP軟件中的SUFI-2算法對入庫徑流進行率定與驗證，以2005—2007年為預熱期，2008—2013年為率定期，2014—2018年為驗證期進行月尺度徑流模擬，采用決定系數(R2)、納什系數(Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient，NSE)檢驗模擬結果的精確度。當NSE(或R2)≥ 0.5，則認為結果可行；當NSE(或R2)≥ 0.75，認為結果很好[18-19]。選取12個調控各水文循環過程的主要參數見表1。

表1 水文模擬主要參數

入庫徑流模擬結果與實測入庫流量基本吻合，率定期R2=0.91，NSE=0.86；驗證期R2=0.87，NSE=0.80，說明模型精度可靠，適用于該流域，見表2、圖4。

表2 清涼山水庫流域水文模擬結果

圖4 清涼山水庫流域月徑流模擬結果

根據徑流模擬結果，清涼山水庫流域多年平均年降水量為1 516.7 mm，入庫流量為2.77 m3/s，徑流系數為0.56，其中基流占總徑流比例為0.42；深層地下水補給量為72.51 mm，占降水量的5%(圖5)。模擬結果符合梅江流域、東江流域等廣東濕熱地區的水文特性[20-21]，說明結果合理，符合實際物理過程。

圖5 清涼山水庫流域內水平衡情況示意(mm)

3.2 入庫氮磷通量模擬

基于徑流模型進行營養鹽通量模擬，受限于實測數據，本文僅進行模型率定，以決定系數R2評價模擬結果。營養鹽模擬的主要參數見表3。

表3 營養鹽模擬主要參數

清涼山水庫流域總氮模擬R2=0.61，總磷模擬R2=0.53，通量模擬值與實測值在同一數量級，兩者的季節變化較吻合(圖6)。

圖6 清涼山水庫流域氮磷通量模擬結果

4 結果與討論

4.1 總氮、總磷入庫通量時空分布特征

模擬得到2008—2017年清涼山水庫多年平均總氮入庫通量為33 030.3 kg/a，多年平均總磷入庫通量為2 282.0 kg/a。經新田水的總氮、總磷入庫通量19 882.7、1 275.4 kg/a高于經溪田水的總氮、總磷入庫通量12 977.5、956.9 kg/a(表4)。

表4 清涼山水庫氮、磷營養鹽入庫通量模擬

汛期總氮、總磷入庫通量分別占全年的61.5%、75.0%，大于非汛期，最大入庫通量均出現在6月，與賀斌等[22]對廣東省面源污染分布規律的研究較一致。總磷通量與徑流的相關性高于總氮通量(圖7)。用多年平均逐月總氮、總磷通量與徑流量計算得總氮、總磷濃度，其與月降水之間的關系見圖8。總氮、總磷濃度在年內呈現季節差異，汛期濃度低于非汛期，總磷濃度的年內變化相對較小。總氮、總磷濃度均在3月出現峰值，入汛后濃度開始下降，總氮濃度在6月達到谷值后在較低水平波動，總磷濃度在10月份達到谷值。這可能與降雨徑流的稀釋作用、當地農業耕種在不同季節施加的肥料種類等有關。

a)總氮通量

b)總磷通量

a)總氮濃度

b)總磷濃度

4.2 總氮、總磷負荷空間分布與來源分析

模擬得到清涼山水庫各子流域多年平均產水量、氮磷負荷空間分布見圖9。清涼山水庫流域產水量較高的區域主要分布于流域中部和東部，西部區域產水量明顯小于東部。這是因為流域中東部主要分布著顆粒較細或土層較薄的土壤類型，導致該地區下滲率較小，產水量較高。

圖9 清涼山水庫流域多年平均產水量與氮磷負荷分布

清涼山水庫流域氮磷負荷較大的區域主要分布在流域中部。多年平均總氮負荷為0.59～19.68 kg/hm2，14號子流域總氮負荷最高，其次為7、18、23號子流域，分布于流域中部和北部；總磷負荷的空間分布特征與總氮負荷基本一致，多年平均總磷負荷變化范圍為0.11～0.75 kg/hm2，總磷負荷最高的子流域為8、14、16號子流域，其次為18、20、23號子流域，集中于流域中部。

總氮負荷與土地利用類型有關，總氮負荷較大的區域與耕地集中分布的區域有所重疊，各子流域的總氮負荷與子流域中耕地占比成正相關(R=0.67，p<0.01)(圖10)。中國種植業的化肥施用以氮肥為主，施用強度較大，利用率較低[23-24]，大量未被吸收的氮素隨降雨徑流流失，導致該地總氮負荷增大。

圖10 總氮負荷與耕地占比關系

磷負荷與土壤類型有關，各子流域的總磷負荷與子流域土壤中鐵質強淋溶土占比成正相關(R=0.90，p<0.01)(圖11)。磷的顆粒親和沉積性使其主要存在于土壤或沉積物中，隨降雨徑流的沖刷作用輸入河道[25-26]。鐵質強淋溶土富含黏土和粉砂，土壤顆粒較細，更容易吸附并攜帶磷素隨徑流輸入河道中，使得該地總磷負荷增大。

圖11 總磷負荷與鐵質強淋溶土占比關系

不同土地利用類型對氮磷負荷的貢獻比例不同(圖12)。耕地對總氮負荷的貢獻最大(75%)，其次為草地(16%)，其余土地利用類型產生的總氮負荷均小于10%，說明清涼山水庫中氮素主要來源于農業耕種，其中氮肥的施用可能是重要的影響因素。總磷負荷對土地利用的敏感性相較總氮更弱，對總磷負荷貢獻最大的土地利用為林地(47%)，其次為耕地(36%)。清涼山水體中磷素主要來自自然源，然而農業活動帶來的磷輸入同樣不容忽視。

圖12 清涼山水庫流域各土地利用對氮磷負荷貢獻率

5 結論

運用SWAT構建適用于清涼山水庫流域氮磷入庫通量模擬的模型，模擬2008—2017年徑流過程和氮磷通量，結果如下。

a)清涼山水庫多年平均總氮入庫通量為33 030.3 kg/a，多年平均總磷入庫通量為2 282.0 kg/a，經新田水的總氮、總磷入庫通量為19 882.7、1 275.4 kg/a高于經溪田水的總氮、總磷入庫通量12 977.5、956.9 kg/a。

b)汛期的氮磷入庫通量大于非汛期，水體中總氮、總磷濃度均在入汛前達到峰值，總磷濃度的年內變化更小。這與降雨徑流的稀釋作用、氮磷運移的物理機制相一致。

c)總氮、總磷負荷較大的區域主要分布在流域中部地區，總氮負荷集中于農田占比高的地區，總磷負荷集中于鐵質強淋溶土占比高的地區。流域中氮素的主要來源是農業化肥施用，磷素的主要來源可能是自然源。