SWAT模型在梁子湖流域農業面源污染研究中的應用

一、引言

2015年3月18日通過了《全國農業可持續發展規劃》后，農業部部長韓長賦主持召開部常務會議，強調要把農業面源污染防治作為一項重要工作來抓，作為轉變農業發展方式的重大舉措，作為實現可持續發展的重要任務來實施。要確保實現“一控兩減三基本”（嚴格控制農業用水總量，減少化肥、農藥施用量，地膜、秸稈、畜禽糞便基本資源化利用）目標。要明確思路措施，通過推進農業清潔生產和標準化生產、發展現代生態循環農業、節水農業，加強農業面源污染綜合防控示范區建設等途徑推進防治工作。因此可見，農業面源污染問題已經引起高度重視，有效治理面源污染更是迫在眉睫。

由于面源污染具有分散性和隱蔽性，隨機性和不確定性以及不易檢測性和空間異質性等特點，定量化研究面源污染問題比較復雜且難度較大，但由于治理農業面源問題是發展生態農業的重中之重，因此國內有不少研究者對此問題作過研究。國內翟玥，尚曉，沈劍等 [1]利用驗證后的SWAT模型定量分析云南洱海流域內各區域的農業面源污染源結構，識別洱海流域重點農業污染源和農業污染村鎮。李玉慶，張文賢等 [2]通過在前郭灌區布置不同氮磷施用量及不同灌水量的田間試驗，在不同位置提取水樣，測定水樣中的氨氮、硝氮、磷酸鹽和化學需氧量，研究了地表水中農業面源污染物的遷移轉化規律與遷移轉化特征。劉偉，周娟 [3]運用博弈論的理論和方法構建農業面源污染控制中政府、農資經銷商和農戶博弈模型，分析其純策略納什均衡并求出混合策略納什均衡解。唐浩，熊麗君，黃沈發等 [4]綜述了農業面源污染防治相關領域的研究進展，對農業面源污染控制領域未來重點研究方向進行了展望，并提出了需要從技術、經濟、管理等各個層面控制面源污染的相關建議。眾多研究中，傳統的野外實測法已經逐漸被SWAT模型模擬研究法取代，含有GIS技術的SWAT模型對面源污染問題可以提供更加精確和有效的防控措施。所以，本文利用SWAT模型對梁子湖面源污染問題進行分析，并提出相應的政策建議，以期為對改善梁子湖水質和科學制定面源污染政策提供一定理論依據。

二、梁子湖面源污染現狀

梁子湖東連鄂州、西接武漢、南銜咸寧，距武漢、鄂州、黃石、咸寧四城市均在50公里以內，全湖42萬畝，流域面積3265平方公里，是湖北省面積第二大、蓄水量第一大的淡水湖。據湖北省政府網站知，梁子湖武漢水域沿岸共有9個鄉鎮街、125個行政村，常住人口約為12.1萬，這些常住人口大多主要從事農業耕種和水產養殖。該流域共有耕地115萬畝，占流域面積的37%。根據《梁子湖生態保護規劃》知，梁子湖主要入湖污染物總氮、總磷和COD的有效環境容量分別為1972噸/年、99噸/年和13061噸/年，而2008年入湖量分別為2101噸、196噸和9943噸，即總氮超過環境容量7%、總磷超過98%、COD尚有一定剩余。到2014年，如果不加以嚴格控制，總氮、總磷和COD的入湖量將分別達到2435噸、227噸和11526噸，總磷超出環境容量1.3倍，總氮超過0.23倍。

2014年湖北生產總農用氮、磷、鉀化學肥料12090186.91噸，同比上升了1.91%。根據流域內四市區經濟社會發展趨勢預測，2014年梁子湖流域生產總值將比2009年增加75%以上，若不能嚴格控制新增污染項目，預計全流域廢水排放量將增加約35%，對梁子湖環境保護將構成嚴重威脅。隨著梁子湖流域的人民生活水平提高，生存與環境的矛盾已經演化成沿湖經濟發展與湖泊環境保護的正面沖突，特別是房地產和旅游開發也正在向湖岸延伸。2014年全區共接待游客200萬人次，同比增長26%；實現旅游綜合收入12.5億元，同比增長25%。如果化肥使用量按照這樣遞增的速率，同時伴隨人口數量增加、城鎮化進程的推進以及梁子湖流域在工農業生產、旅游業的快速發展，居民生活污染物排放必然會急劇增加，梁子湖水質面臨嚴峻挑戰。

根據《2014年湖北省環境質量狀況》知，2014年梁子湖水質總體為優，營養狀態級別為中營養，總磷、化學需氧量、氨氮等主要污染物均未超標，八個測點水質全部符合Ⅱ類標準，水質功能區達標率為100%。與2013年相比，鄂州水域入湖口點位水質有所好轉，其余測點水質無明顯變化，梁子湖總體水質保持穩定。但梁子湖70%水域按Ⅱ類水質保護，30%水域按Ⅲ類水質保護，目前局部水域水質已達IV類甚至V類，污染態勢不容樂觀，水生態系統功能十分脆弱。為改善梁子湖這種水質現狀，不讓梁子湖淪為第二個“滇池”，面源污染治理的任務更是刻不容緩。

三、SWAT模型在梁子湖流域農業面源污染中的應用

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美國農業部（USDA）的農業研究中心Jeff Amonld博士1994年開發的。隨著科學技術的進步，SWAT模型經過不斷改進、完善，由雛形SWRRB搖身變成多功能的分布式流域水文模型，可以模擬降雨徑流過程、氣候對水文影響、營養物質以及殺蟲劑的輸移與轉化過程等水文物理化學過程，SWAT模型中污染物負荷模塊是模擬主渠道中各個子流域所含營養物質量以及確定通過流域河網流出的總負荷量的總過程，有連續時間序列模擬特性的SWAT模型對于面源污染物遷移過程的模擬具有較強的適用性。

由于模型涉及面較廣，各個模塊對數據要求較多，對于污染物負荷模塊，主要數據不僅需要空間數據還需要屬性數據，例如：地形、土壤、氣象相關數據、施肥時間和數量以及作物類型等，在巨多數據需求中，由于梁子湖區域部分數據采集難度較大，因此本文具體介紹SWAT模型應用于面源污染問題的操作方法。

（一）數據收集與處理

模型的精準度由數據收集的準確性以及數據處理的合理性決定，因此數據收集與處理是模型建立的關鍵環節。在空間數據的收集方面，可以通過國家基礎地理信息數據得到水系圖和地形高程圖，還可以通過土壤研究所獲得土壤圖，另外需要格外注意的是要將土壤圖和土地利用類型圖進行重分類；對于一些屬性數據的收集，可以通過氣象局獲得有關氣象數據，也可以通過實地調查獲取種植時間和作物施肥量信息、梁子湖流域內人口數量、畜禽養殖情況和居民生活污染物排放等數據。這些數據都要經過處理，變成SWAT模型能識別的數據類型。

（二）子流域劃分以及HRU的分配

數據處理后輸入SWAT模型中，模型中TOPAZ軟件會自動對收集的數據分析，并在已知的子流域閥值下，有相同氣象數據、地形特征等的流域就會被歸為同一子流域，接著模型會根據相同的土壤類型和土地利用類型劃分出相對應的水文響應單元HRU。最后，模型會展現出梁子湖流域有m個子流域和n個水文響應單元。梁子湖流域的大小、輸入的空間數據詳細程度決定了用來模擬子流域的數目m。

HRU分配原則決定了各個子流域的HRU之間互不影響，因此，只要計算每單個HRU的的污染負荷，然后將各HRU的污染負荷值相加就可以確定梁子湖流域的總共污染物負荷量。當同時模擬某個子流域的不同HRU的運行過程時，子流域內水溫循環的陸地階段也會自動進行模擬，而且也會匯總各子流域內所有的HRU負荷，子流域的凈負荷可以通過流域河網進行演算。

（三）模型參數敏感性分析及模型率定驗證

盡管SWAT模型是一個物理基礎模型，但是由于模型在設定參數方面跟實際污染物遷移過程肯定有一定出入，所以想要保證模型應用的精確性，敏感性分析這一環節必不可少，通過變動參數值，主要是變動模擬過程中較為敏感的數值，進而減少得到模型率定的工作量。想要得到模擬值與實際數據最接近的一組參數值，率定工作就顯得尤為重要，在進行率定操作時，將過去幾年完整的數據分別輸入模型中進行調試，并將所得模擬數據與實際數據進行對比，在此過程基礎下，將模型各個參數相對調整，得到最優的一組參數值。

四、政策建議

（一）大力發展農業循環經濟，引進先進農業技術

面源污染的三個主要途徑分別是：農藥化肥的過度使用、任意排放生活污水、畜禽養殖業的污染物。這三個主要途徑中，如果在大力推廣農業循環經濟、引進先進農業技術的情況下，最少可以控制兩個主要源頭。農業循環經濟能將畜禽養殖業的污染物再利用變成可用資源，最終變廢為寶，最后不僅能產出清潔能源沼氣，還能產出有機肥沼渣，對面源污染的控制有較好的作用。引進先進農業技術，教會農民科學種田，讓農民不再為了追求經濟利益而高投入化肥量，而是根據SWAT模型模擬得出的科學數據，改善農田灌溉方式，遵循農作物的養分需求量，采取不同的施肥量與時間，得到高產出的回報與良好的生態環境。

（二）健全農業面源污染治理法規

雖然對于農業面源污染治理有一系列法規文件，但《梁子湖生態環境保護規劃》對湖泊功能定位、保護治理目標等明顯滯后形勢發展的需要，且梁子湖流域跨越4個市，由10多個部門管理，如果10多個部門不能合作管理，該規劃在治理方面很難起到真正作用。因此，健全梁子湖流域的治理法規尤為重要，只有合理制定法規，才能真正防治農業面源污染問題。

（三）加大環保宣傳力度，提高農民環保意識

給農民科普當今時代是環境與經濟協調發展的時代，在追求個人經濟利益時，不可以對環境置之不理，科普水流域水質污染嚴重將會影響人類飲水質量及身體健康等知識，幫助農村居民了解農村環境存在的問題、發展趨勢及其危害，喚起農民的生態意識和可持續發展意識，增強全民生態環境保護的責任感和使命感，讓農民自覺做到保護環境、自覺參與治理面源污染的行動中。只有這樣才能建設一個“生產發展、生活寬裕、鄉風文明、村容整潔、管理民主”的社會主義新農村，才能高效治理農業面源污染問題。

（注：本文系湖北水事研究中心項目階段性成果，項目名稱：農田面源污染物遷移數學模型研究，項目編號：2013B007）