基于SWAT模型的濕地系統非點源污染模擬研究*

劉建奇 張曉惠 劉紅磊 盧學強 聞 鐵 陳 晨

(1.天津工業大學環境與化學工程學院，天津 300387；2.天津市環境保護科學研究院，天津 300191；3.天津臨港園林建設有限公司，天津 300452)

SWAT模型是由美國農業部農業研究中心(USDA-ARS)開發的一種非點源污染負荷計算模型，用于計算不同氣候條件、土壤類型以及管理措施下的各種土地利用形式的非點源污染物負荷模擬與評估[1-2]。SWAT模型主要基于SWRRB，集合了GREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO等模型的優點，且模型自推出以來，不斷地進行軟件升級與組建更新，迄今為止已在美國眾多國家項目中得到廣泛應用，其有效性得到了國外許多研究者以及研究項目的證明[3]。

近年來，我國學者對SWAT模型的應用主要集中在流域徑流、環境變化下水文氣候效應的模擬研究上，研究者先后在陜西禿尾河[4]、山東黃水河[5]、甘肅金塔河[6]、青海湟水[7]、黑龍江黑河[8]、太湖[9]進行了流域徑流模擬研究。研究表明，模型對基流與表面流模擬效果良好，對月時間尺度敏感性更高。目前，我國各流域內土地利用形式及其管理措施復雜且多樣化，缺乏長系列水質監測數據，因此SWAT在非點源污染模擬中的研究工作難以深入[10]。本研究以天津臨港生態濕地公園為研究區，模擬土地覆被為多年生禾本植物和一年生草本植物條件下的氮、磷遷移與流失過程，探索SWAT模型在濕地系統對非點源氮、磷污染物的模擬，為我國非點源污染控制以及農業管理提供參考依據。

1 模型模擬原理

SWAT模型屬于流域分布式水文物理模型，由1 013個變量、701個方程構成，對流域內部水體運動、泥沙運移以及污染物遷移轉化等多種水文循環物理過程進行模擬，其開發目的是在具有多種土壤類型、土地利用形式和管理措施的復雜流域，預測長期土地管理措施對水、泥沙以及農業污染物的影響。模型以相對均質的水文響應單元為模擬單元，模擬河道中水流、泥沙、藻類、有機氮、氨氮、有機磷、可溶性磷、亞硝酸鹽、硝酸鹽、礦物質磷、BOD、DO、農藥、重金屬等不同水質指標的濃度變化過程[11-13]。

模型運行完全基于物理過程，而不是通過回歸方程對輸入輸出關系的簡單描述，通過輸入流域內氣候、土壤性質、地形、植被以及施肥、灌溉等管理措施的詳細信息，可進行連續時間的模擬，其優點在于定量化評價不同植被條件與管理措施對水質和其他變量的相對影響，對沒有監測資料的流域也可進行模擬[14-15]。

研究區面積不大，但是地形以及植被類型較復雜，而且研究區建成時間不久，對其徑流與非點源污染開展的監測時間較短，缺乏長系列的水質監測數據。因此，基于SWAT模型對研究區進行模擬具有其他方法沒有的一些優勢。

2 研究區概況

臨港生態濕地公園(見圖1)位于天津市臨港經濟區內，于2012年11月建成，北起長江道，南至珠江路，西鄰海濱大道，東至渤海十路，總占地面積約63 hm2，是一座以水處理為主題兼具景觀效果的國內唯一一座大型工業區內的生態公園，工程總投資2.65億元人民幣[16]。該公園建設前為淺海灘涂，加之上游地區污染物下泄和自然環境的變遷，區域環境質量逐步惡化。構建河道式人工濕地處理系統作為生態廊道系統的源或庫，不但節約了水資源，而且大規模的生態濕地工程和河湖水系的構建也大大改善了臨港經濟區的生態環境質量。該公園水系面積約17 hm2，其中調節塘2.1 hm2，水平潛流濕地4.7 hm2，淺水表流濕地及主體湖區(平均水深約0.5 m，最大水深約2.0 m)10.2 hm2。陸地面積46 hm2，其中綠化面積大約37 hm2，喬、灌、藤、花、草相結合構成多層次、多品種植被綠地景觀[17]。

3 基礎數據

3.1 地理空間數據

收集研究區數字高程模型(DEM)(1∶250 000)、土地利用圖(1∶10 000)、土壤類型分布圖(1∶100 000)，文件數據格式均為ESRI grid柵格格式，坐標系為WGS_1984_UTM_Zone_50N坐標，柵格單元為30 m×30 m。DEM用于提取子流域以及河流信息等，注意在模擬時應對DEM數據進行洼地填充處理；土地利用圖一般通過高清晰遙感影像解譯獲取，根據解譯的地表覆被類型判定地表水的蒸騰和運移情況；土壤類型分布圖通過與土地利用圖以及DEM疊加劃分流域水文響應單元。

圖1 臨港生態濕地公園簡圖Fig.1 Map of Lingang Wetlend Park

3.2 屬性數據

模型構建前首先建立研究區土壤數據庫、研究區氣象數據庫，內置于SWAT模型數據庫中。

土壤參數主要包括土層厚度、有機碳、土壤層有效含水量、土壤飽和導水率、土壤容重以及不同土層黏土、粉土、沙土含量等。本研究中土壤數據庫采用聯合國糧農組織(FAO)公開的和諧世界土壤數據庫(HWSD)與華盛頓州立大學開發的土壤水特性模型SPAW相結合的方法建立，數據源為第2次全國土地調查中國科學院南京土壤研究所提供的1∶1 000 000土壤數據，采用的土壤分類系統主要為FAO-90[18-19]。

氣象數據庫內置在SWAT數據庫中，可根據多年逐月氣象資料模擬生成逐日氣象資料，主要用于彌補氣象數據的缺失，其主要輸入數據有月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、最高氣溫標準偏差、最低氣溫標準偏差、月平均降雨量、平均降雨天數、降雨量標準偏差、降雨偏度系數、月內干日日數、月內濕日日數、露點溫度、月平均太陽輻射量。數據來源為SWAT官網下載數據(溫度、降雨量、濕度、風速、輻射)，結合pcpSTAT模型計算得出[20]。收集的雨量站資料為2000年1月至2015年9月的塘沽站日降雨量、日氣溫最高和最低數據資料。

3.3 實測數據

研究區進、出口水質數據為實測數據，實測時間為2012年10月至2015年9月，其中2012年10月至2014年9月數據用于模型參數校準，2014年10月至2015年9月數據用于模型驗證。臨港生態濕地公園綠地管理數據包括施肥、灌溉為3年記錄統計數據。

4 SWAT模型建立

4.1 模型構建

4.1.1 基礎數據的搜集

建立SWAT模型所需要的基礎數據包括研究區DEM、土地利用圖、土壤類型分布圖、土壤屬性數據和水文氣象數據等。

4.1.2 模型數據庫建立

建立模型數據庫即制作可直接導入到SWAT模型中利用的數據。依據2013年TM遙感影像，獲取landuse柵格數據并導入模型，得出研究區不同土地覆被類型的面積比(見表1)。根據HWSD，獲取landsoil柵格數據通過建立土壤類型檢索表導入模型，得出研究區不同土壤類型的面積比(見表2)。

表1 研究區不同土地覆被類型的面積比

表2 研究區不同土壤類型的面積比

4.1.3 數據庫導入模型并運行

定義土地覆被閾值為5%，土壤類型閾值為20%，坡度閾值為20%，導入模型并運行，流域共劃分為12個水文響應單元。繼續加載模型所需要的水文站、雨量站等水文氣象數據，運行模型。

4.2 參數率定與驗證

SWAT模擬時參數眾多，本研究選取徑流模擬敏感參數(見表3)進行率定。

表3 徑流模擬敏感參數率定

參數率定時，需要考慮的關鍵因素包括流域總水量平衡、暴雨徑流時間遲滯或錯位以及流量過程線的形狀。本研究采用納什模擬系數(Ens)、日平均徑流相對誤差(Er)以及決定系數(r2)評價模擬結果[21]，具體見式(1)至式(3)。其中，Ens用于衡量徑流量模擬值與實測值間的擬合程度，當其越接近于1時，表明兩者的擬合度越高，通常認為Ens>0.5時滿足模型模擬要求；Er評價徑流量模擬值與實測值間的偏離程度，值越小表明模擬值與實測值越接近；通常認為r2>0.6時滿足模型模擬要求。

(1)

(2)

(3)

圖2 降雨徑流模擬校準Fig.2 Calibration of rainfall for runoff simulation

圖3 降雨徑流模擬驗證Fig.3 Validation of of rainfall for runoff simulation

4.3 公園綠地管理

研究區公園綠地作物以喬灌木為主，除本地物種白蠟、臭椿、國槐、連翹、馬藺外，還引入金葉皂角、美國紅櫨、流蘇、抱印槐等，為保證綠地植物的正常營養供給，每年都會定期對其進行施肥、灌溉，而施肥將會產生一定程度的面源污染。目前，面源污染是造成周邊水體污染、水質惡化的主要原因之一，面源污染的產生過程主要包括降雨徑流、土壤侵蝕、地表溶質溶出及土壤溶質滲透4個過程，其產生量與施肥、灌溉具有很強的相關關系。研究發現，施肥量越大，灌溉強度越大，與施肥時間越接近，非點源污染流失的量也越大。

結合濱海地區水文氣候條件，綠地每年需進行兩次灌溉，灌溉時間為春(返青水)、冬(凍水)兩季，采用分時節水灌溉方式，3 d內灌水量體積比為6∶2∶2，以防止水肥流失。施肥種類包括長效肥和速效肥，春季施加長效肥，夏季施加速效肥，以滿足植被不同時期的用肥需求。根據2013—2015年公園綠地水肥管理模式，在SWAT管理模塊中導入以上公園綠地施肥、灌溉管理數據，建立研究區SWAT非點源模型，對進入水體的氮、磷量進行測算。

5 結果與分析

5.1 公園綠地非點源污染測算

以2014年為例，全年降雨量為756 mm，年徑流量143萬m3。根據SWAT模型模擬，臨港生態濕地公園氮、磷流失量分別為41、1.83 kg。由表4可見，非點源氮、磷流失量與降雨量正相關，即隨著降雨量的增加，非點源氮、磷流失量增加。春季非點源氮、磷流失量低是由于降雨量少，而8月非點源氮、磷流失量達到最大值，與降雨量和夏季速效肥的施加有關。

表4 研究區非點源氮、磷流失量

圖4 研究區進、出口TN、TP對比Fig.4 Contrast of TN and TP in the output and input of the study area

5.2 濕地系統納污能力分析

對公園水體進、出口進行水質監測，監測時間為2014年1—12月，為加大汛期水質監測頻次，1—3、11—12月每月監測一次，4—6、9—10月每月監測兩次，7—8月每月監測4次，研究區進、出口TN、TP對比見圖4。

由圖4可以看出，公園水體出口水質遠優于入口，濕地對污染物的降解能力顯著。通過計算得出，2014年臨港生態濕地公園氮、磷降解量分別為5 764.38、2 070.79 kg。

6 結 語

(1) SWAT模型在臨港生態濕地公園的徑流模擬情況基本良好。目前，國內大多數研究認為SWAT模型在大流域、地形起伏大的山地、丘陵地區的適應性更強，但模型效率系數影響因素并不是單一的，因此對模型的適用性探索以及模擬結果的驗證仍需大量的研究工作。

(2) 研究以非點源污染測算模型SWAT為處理工具，對臨港生態濕地公園非點源污染狀況進行了模擬計算，并結合2014年監測數據對濕地公園污染物降解能力進行了評估，為濕地公園的水質標準提供了參考依據。

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