基于SWAT模型的典型區域高標準農田綜合管理方案模擬與優化

盧江海，孔瓊菊，徐解剛，鄧 升，萬怡國，衛 琦

（1.江西省水利科學院，南昌 330029；2.江西省鄱陽湖流域生態水利技術創新中心，南昌 330029；3.宜興市水利局，江蘇 宜興 214200；4.河海大學農業科學與工程學院，南京 210098）

0 研究背景

高標準農田建設是我國“藏糧于地、藏糧于技”戰略的重要抓手[1]，是推動農業轉型升級、確保國家糧食安全的戰略性舉措[2,3]。因此，加快高標準農田建設對于完善灌排系統、解決農田面源污染、提高水資源利用效率具有重要現實意義。

近幾年，隨著我國對高標準農田建設的大力推進，田間灌排體系得到不斷完善，土地流轉也隨之加快，傳統的農業生產與經營方式不斷被解構，農業種植模式越來越多樣化[4]。高標準農田建設大面積推廣的同時，也伴隨著化肥、農藥的不合理使用，這也引起了農田氮磷流失、水體富營養化的加劇，并最終導致流域生態環境的破壞。而且，高標準農田建設還沿用傳統種植模式和相關規范標準進行灌溉排水系統設計，未考慮高標準農田建設與種植模式變化之間的匹配關系。灌排體系和種植結構二者之間如何進行優化構建，以減少流域農業面源污染的排放，是亟需要考慮的問題。

以往關于高標準農田建設影響的研究主要集中在耕地質量提升、灌排條件改善方面[5,6]，例如，張天恩等[5]研究表明，高標準農田建設有效改善了灌排條件，提升了耕地質量等級，其中灌排指標對耕地質量等級提升的作用最大，貢獻率達51.85%。易鐵坤[6]研究發現開展高標準農田建設后，項目區內水田的國家自然質量等指數提高了426、國家利用等指數提高了116，國家經濟等指數提高38，耕地質量得到有效提升。綜上,目前主要針對高標準農田建設對耕地質量和灌排條件改善開展了較為成熟的研究，而在灌排體系與種植結構優化構建方面還研究不足。本研究通過對不同輪作模式和高標準農田建設下流域排水特性進行研究，旨在以減少面源污染排放為目標、對農田灌排體系與農業種植結構進行優化調整，預期研究結果將對高標準農田范圍面源污染防控有重要意義。

因此，本論文以高標準農田建設下的芳溪湖流域為研究對象，以該區域2019-2020年連續2年的徑流和水質（總氮、總磷和產沙）監測數據為基礎，率定并驗證SWAT模型的適用性，研究高標準農田建設比例、灌溉排水體系建設、不同輪作模式等對流域排水水量、水質的影響，探究高標準農田建設綜合管理優化方案，研究結果對于指導高標準農田灌排體系構建、鄱陽湖流域面源污染防控具有重要指導意義。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

本研究選取以南昌縣境內相對封閉的芳溪湖流域為典型研究區域，該流域面積約30.80 km2，區域灌溉水源為贛撫平原灌區西總干渠二干三分渠和二干五分渠，區域產流和排水流向芳溪湖內。該區域屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，日照充足。多年平均降水量為1 624.4 mm，降雨日年平均為147.3 d，夏為雨季，占全年總降水量近50%，春、秋次之，冬季最少。年平均氣溫17.6 ℃左右。該流域范圍已經開展了高標準農田建設，田間工程設施完善、基礎較好，區域的水稻以雙季稻為主，其他農作物主要包括蔬菜、瓜果等經濟作物。研究區域的位置示意圖見圖1。

圖1 研究區域位置示意圖Fig.1 Location of the study area

1.2 研究方法

本研究采用的SWAT 模型是由701 個方程和1 013 個中間變量組成的一個結構非常復雜的模型系統，模型主要包括水文過程模型、土壤侵蝕模型和污染負荷模型3個子模型[7,8]。流域水文循環過程采用SWAT模型的水文過程子模型進行模擬和計算[9,10]，土壤侵蝕運用MUSLE模型來模擬泥沙生成，污染負荷采用OUAL2E 模型計算。在評價SWAT 模型的模擬效果時，一般用相對誤差Re、決定系數R2和Nash-Suttcliffe 系數Ens來作為判斷依據[11]。

1.3 數據來源及處理

模型的建立需要搜集DEM 數字高程模型圖、當地的土壤圖、土地利用資料、長系列徑流系列資料、氣象資料、農業管理措施等數據[9]。各部分數據來源及處理方式具體如表1、圖2和圖3所示。

圖2 研究區域位置DEMFig.2 DEM of study area location

圖3 研究區土壤類型圖Fig.3 Soil type in the study area

表1 模型建立所需基礎數據資料Tab.1 Basic data required for model construction

1.4 子流域劃分

將搜集的DEM 數據、土壤數據、土地利用數據進行初步處理后，生成流域內河網、坡度、水文響應單元及子流域等多種數據。其中河網數據需根據衛星遙感圖片和現場踏勘進行修正。選擇流域出口點，然后規定合適的水文響應單元面積閾值便可以進行子流域劃分，得到了9 個子流域51 個水文響應單元。在模型河網生成中，9號子流域與衛星底圖差別最小，模擬效果也最準，本研究選取9號子流域做分析評價，所得到的子流域示意圖如圖4所示。

圖4 研究區子流域示意圖Fig.4 Schematic diagram of the subwatershedsin in the study area

2 結 果

2.1 SWAT模型的參數率定及效果評價

2.1.1 徑流參數率定及驗證

模型校正過程中，參數調節的順序一般為先進行徑流參數調節，然后進行泥沙負荷參數調節，最后進行水質參數調節。由于本項目研究期限只有3 a，實測徑流資料只監測了2019年和2020年連續2年的數據，本研究中，采用2019年實測數據對模型進行率定，并采用2020年實測數據進行驗證。結果分別如圖5所示。

圖5 徑流率定和驗證結果Fig.5 Runoff rate calibration and verification results

徑流率定期Ens為0.86，平均相對誤差為10.97%，決定系數為0.71，模擬結果較好；驗證期Ens為0.88，平均相對誤差為17.21%，決定系數為0.71，符合模擬精度要求。經過參數率定，得到徑流敏感性參數的最終取值，完成徑流參數率定工作。

2.1.2 水質參數率定及驗證

與徑流的率定過程類似，選取實測2019年數據進行率定，2020年數據進行驗證。經過參數調整，得到率定期總氮、總磷模擬值與實測值的相對誤差Re分別為-12.85%、-10.85%，決定系數R2分別為0.93、0.96，效率系數Ens分別為0.85、0.92，驗證期總氮、總磷模擬值與實測值相對誤差分別是-22.15%、9.93%，決定系數分別達0.92、0.93，相關性顯著，Ens分別為0.82、0.64。經過參數率定，得到水質參數的最終取值，完成水質參數率定工作。總體來講，水質部分模擬結果較好，本次水質參數率定驗證結果見圖6和圖7。

圖6 總氮率定和驗證結果Fig.6 Total nitrogen calibration and verification results

圖7 總磷率定和驗證結果Fig.7 Total phosphorus rate calibration and verification results

2.1.3 模型模擬效果評價

以芳溪湖流域2019年、2020年作物各生育期的徑流資料對構建的灌區分布式水文及面源污染模型進行了徑流和水質參數率定和驗證。結果顯示，模型對徑流模擬Nash-Suttcliffe效率系數均在0.86 以上，對水質參數模擬的Nash-Suttcliffe 效率系數在0.64 以上；對于徑流，模型模擬值與實測值徑流相對誤差在17.21%以內，模型模擬結果與實測值的決定系數均0.71；對于水質模擬，模型模擬值與實測值徑流相對誤差在22.15%以內，模型模擬結果與實測值的決定系數在0.92以上。模型模擬效果總體較好，構建的灌區分布式水文及面源污染模型適用于芳溪湖流域，可以利用此模型進行芳溪湖流域的水量平衡分析。

2.2 基于率定SWAT 模型模擬的農田灌排體系建設對流域排水的影響

2.2.1 高標準農田建設比例對排水的影響

在SWAT 模型中，修改研究區典型9 號子流域高程為高標準農田建設整治時的挖填方平衡、地塊平整的地形。DEM 修改為該區域原有點高程的加權平均值，分別設置0%、20%、40%、60%、80%、100%共5級高標準農田占現有農田耕地面積比例。

以2019-2020年實際氣候條件為現狀背景，將上述不同的高標準農田建設比例情景輸入SWAT 模型的DEM 中，子流域不予重新劃分，并維持生成的河網為原狀，土地利用方式維持原有的水田、旱地面積比例，并維持水肥管理措施不變，統計分析2019-2020年的平均輸出結果。表2描述了高標準農田建設比例變化情境下，9號子流域平均入湖徑流相對于現狀情景的變化率，通過9號子流域出口處的徑流、總氮、總磷及泥沙的變化率進行評價。

表2 芳溪湖9號子流域不同情景模式子流域出口平均入湖徑流變化%Tab.2 Variation of average inflow runoff at the outlet of the sub watershed under different scenarios in sub watershed No.9 of Fangxi Lake

根據上述結果，進行高標準農田建設后，隨面積的比例增加，徑流減少了1.51%～6.93%，流域出口的總氮減少了2.26%～7.81%，總磷減少了1.83%～8.11%，泥沙排放減少了1.70%～9.27%。但是，在高標準農田建設比例達到60%（情景3）后，隨建設比例的增加，徑流變化率、氮磷和泥沙排放的增加比例減緩。

2.2.2 灌溉排水系統優化對排水的影響

根據模擬方案，5種情景模式都按照《江西省高標準農田面源污染防控工程技術指南（試行）》（以下簡稱《技術指南》）所推薦的塘堰與稻田濕地面積比1∶15 設置塘堰濕地，在此塘堰濕地比例下設置不同的排水溝密度（見表3），情景0為流域現狀且不設置塘堰濕地，研究不同情景模式下子流域9出口處徑流水量水質變化規律。

表3 芳溪湖9號子流域灌排系統不同情景模式設置Tab.3 Different scenarios of irrigation and drainage system in No.9 sub watershed of Fangxi Lake

以2019-2020年實際氣候條件為現狀背景，根據不同情景所采用的河網密度用于表示不同的排水溝密度，DEM 維持現狀不變，子流域不予重新劃分，并維持水肥管理措施不變，統計分析2019-2020年9 號子流域平均輸出結果。在高標準農田建設背景下，設置塘堰濕地面積比為1∶15、不同的排水溝建設密度對流域出口排水水量和水質的影響結果見表4。

表4 不同情境模式9號子流域出口排水水量水質變化%Tab.4 Various in water quality and quantity of outlet drainage of No.9 sub watershed under different scenarios

根據上述模擬分析結果，情景1 與情景0 相比，子流域9可以有效減少排水量，徑流減少了5.22%，同時可減少區域氮磷排放，總氮減少了7.81%，總磷減少了7.32%，泥沙減少了6.52%，具有正面效應。當維持現有的塘堰濕地面積比不變，而高標準農田增加河網密度時，隨排水溝密度的增加，子流域內排水溝的總長度也隨之增大，同時流域的徑流總量、氮磷排放量及產沙量會隨之減少。當達到模型DEM 精度下最小的控制單元時，排水溝密度和長度均達到最大，這時，徑流總量減小值可以達到18.9%，且總氮、總磷、泥沙的排放均減小20%以上。說明按照《技術指南》的要求，開展生態溝渠和塘堰濕地建設，可以在削減總排水量的同時，實現流域尺度氮、磷和泥沙的減排[12,13]。

2.3 基于率定SWAT 模型模擬的不同輪作模式對流域排水的影響

不同輪作模式下，因耕作方式、降雨強度、降雨量、降雨歷時、土壤類型、作物類型及作物葉面積指數、施肥水平等因素尤其是施肥不同，對農田氮磷損失及環境潛在影響都具有差異性。在本項目田間試驗的基礎上，為研究流域尺度不同的種植結構模式對流域徑流水量水質的影響，模型中設置了3種種植模式，其中旱作分階段作物系數設置為：空心菜生長初期0.40、生長中期1.00、生長末期0.80；小白菜生長初期0.35、生長中期0.97、生長末期0.67；土豆生長初期0.72、生長中期1.10、生長末期0.61。具體模式、茬口安排、作物施肥量設置見表5。

表5 不同種植模式情景設置Tab.5 Scenario settings of different planting patterns

現狀情景0 種植結構為65.30%的面積為水稻田（雙季稻），12.52%為水面，其他為旱作物種植地和居民用地等。其他3 種模擬情景以2019-2020年實際氣候條件為現狀背景，維持原有的DEM、土地利用、土壤類型、子流域劃分等參數不變，修改農業管理措施，不同種植結構情景模式9號子流域出口排水水量水質結果分析如表6所示。

表6 不同種植結構情境9號子流域出口排水水量水質變化%Tab.6 Changes in water quality and quantity of outlet drainage in No.9 sub watershed under different planting structure scenarios

由上述結果，當全部調整為情景1旱作模式時，與現狀情景0 相比流域徑流增加了12.51%，總氮排放增加了13.83%，總磷排放增加了15.22%，泥沙排放增加了14.3%，排水總量最大，同時帶來了更多的總氮、總磷和泥沙流失；當全部調整為情景2 水旱輪作模式時，與現狀相比流域徑流增加了6.52%，總氮排放增加了8.35%，總磷排放增加了9.45%，泥沙排放增加了7.54%；當全部調整為情景3 水作模式時，與現狀相比流域徑流減少了3.53%，總氮排放減少了5.32%，總磷排放減少了8.48%，泥沙排放減少了7.35%，水作模式下，流域排水量最小，總氮、總磷和泥沙流失量也最小。

2.4 基于率定SWAT 模型模擬的高標準農田建設綜合管理方案優化

在高標準農田建設比例、灌溉排水系統優化、種植結構等模擬基礎上，選取各項最優的指標[14]，確定考慮不同的高標準農田建設比例、灌溉排水系統優化調整、種植結構優化的綜合管理方案，以子流域9號為例，研究綜合管理措施對流域出口徑流水量水質的影響。

綜合管理措施設置：9號子流域內高標準農田建設比例為60%（兼具經濟性和較佳的減污效果）；設置塘堰濕地面積比（6.67%，1∶15），同時子流域內排水溝密度為1.029 km/km2，排水溝面積比為3 346.36 m2/km2，子流域9 河網總長度6.363 km，利用排水溝和塘堰濕地收集排水，并凈化水質；種植模式為：早稻-晚稻-休耕；施肥量不變。在綜合管理措施情景下，相比于現狀未進行高標準農田改造建設，流域排水量減少了24.59%，總氮、總磷及泥沙分別削減38.57%、38.39%和36.36%（見表7）。

表7 最優綜合管理方案下9號子流域出口徑流水量水質削減Tab.7 Reduction of runoff and water quality at the outlet of sub watershed No.9 under the optimal comprehensive management scheme

3 討 論

高標準農田建設面積比例的變化對流域徑流排水密切相關。例如，凌九州等[15]通過研究高標準農田建設對儀征丘陵區水資源利用影響，結果發現高標準農田建設能有效提高地區農業水資源承載力，效益提升能達到73.4%左右，其中坡改梯工程貢獻為6.4%，高標準農田土地平整將丘陵區坡地改造為適宜耕作的水平梯田，有效的增加了農田攔截雨水的能力，提高了當地雨水資源利用率。本研究中，隨著高標準農田建設面積比例提高，流域徑流也隨之減少，其原因可能是由于土地平整后，使得坡度減少，河道或排水溝可以有更多的蓄水容積，從而導致總排水量減少；同時土壤水由于減少了水力梯度，也導致了徑流的基流降低，并最終引起子流域排水量減少，與上述研究成果較為一致。此外，本研究還發現總氮、總磷、泥沙的含量均隨徑流的減少而降低（表2），這可能與排水過程的減緩有關。總之，上述結果表明開展高標準農田建設，可以提高農田的防洪標準（排水減少說明子流域存蓄洪水增加，降雨利用率提高），同時實現節水減排。

設置塘堰濕地和增加河網密度均能有效減少流域范圍徑流、氮、磷和泥沙的排放。例如，武淑霞等[16]研究發現通過結合排水溝渠、池塘、濕地和相應工程措施構建生態攔截技術，能起到對面源污染物進行攔截、吸附、降解的效果，能有效改善和凈化水質，實現農業面源污染防控。楊林章等[17]通過在太湖流域監測發現生態攔截型溝渠對稻田徑流排水中氮磷的平均去除率可達48.36%和40.53%，楊士紅等[18]研究發現通過水生蔬菜濕地-生態溝渠系統進行控制排水可以減少稻田的面源污染，衛琦等[19]研究成果表明，在稻田低洼地帶建設水生作物濕地可以攔截大量稻田的氮素輸出，具有較高的經濟效益。本研究中，當按照面積比1∶15設置塘堰濕地時，流域排水與維持現狀相比，徑流減少了5.22%，總氮減少了7.81%，總磷減少了7.32%，泥沙減少了6.52%，在此塘堰濕地面積比下，隨著排水溝密度的提高，流域的徑流總量、氮磷排放量及產沙量也會隨之減少。與上述研究成果較為一致。

不同輪作模式中，水作模式能有效減少流域徑流、氮磷和泥沙的排放。陳昱等[4]通過小區試驗，對不同種植模式下農田水肥流失規律研究發現，在自然降雨條件下，徑流量表現為旱作模式＞輪作模式＞水作模式，總氮、總磷和硝態氮流失量呈現為旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式。本研究中，對不同輪作模式下的流域排水影響進行了模擬，發現情景3水作模式與現狀條件相比減少了徑流、總氮、總磷和泥沙的排放，同時也是3種模式中徑流、總氮、總磷和泥沙流排放最小的，導致這種結果的原因可能是由于旱作物相比于水稻其施肥量水平更高，如空心菜生長期施肥量為N：400 kg/hm2；P：180 kg/hm2；K：180 kg/hm2，相較于水稻的N：180 kg/hm2；P：67.5 kg/hm2；K：180 kg/hm2明顯偏高，同時由于水稻的產流較旱地作物較少，由于徑流量的減少，同時疊加了較少的施肥量，導致水作模式產生了最少的徑流量和污染物排放，本研究結論與上述成果一致。

4 結 論

（1）參數率定后的SWAT模型模擬效果總體較好，構建的灌區分布式水文及面源污染模型適用于芳溪湖流域，可以利用此模型進行芳溪湖流域的水量平衡分析。

（2）高標準農田建設可以減少流域總排水量，實現節水減排；但當高標準農田建設面積達到或超過60%以后，增加建設面積實現節水減排的效益增速會有所降低，經濟性可能受影響。

（3）適當提高塘堰匯流面積比例，增加生態溝的建設密度和長度，可提高塘堰和排水溝集流、凈化能力，有效減少地表徑流；同時，又可以在一定程度上減少總氮、總磷負荷的排放，既提高了水的利用率，又有效地控制了稻田氮、磷面源污染負荷的排放。

（4）對不同輪作模式下流域排水研究發現，水作模式與現狀相比減少了流域徑流、總氮、總磷和泥沙的排放；相比旱作和水旱輪作模式，水作模式流域徑流量排放最小，總氮、總磷和泥沙流失量也最小。

（5）高標準農田建設綜合管理優化方案，相較于現狀土地利用，可以減少流域出口排水總量24.59%、減少總氮、總磷和泥沙38.57%、38.39%和36.36%。