基于SWAT模型的清江長陽段非點源污染及其控制方案研究

高 正，黃介生，曾文治，伍靖偉(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

非點源污染如今已成為我國水體富營養(yǎng)化的主要污染源[1]，進而影響整個流域生態(tài)環(huán)境。清江長陽段非點源污染的污染物來源主要為農(nóng)業(yè)施肥、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水等。隨著近年來長陽地區(qū)對點源污染的控制水平不斷提高，非點源污染逐漸成為清江污染的主要來源。分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是目前應用較廣的研究非點源污染的模型之一，王曉燕[2]等在密云水庫北部流域使用SWAT模型模擬了流域非點源污染，陳媛[3,4]等研究了SWAT模型在庫區(qū)流域的適用性并模擬了不同土地利用情景對非點源污染的影響，謝慧[7]等應用SWAT模型在三峽庫區(qū)進行了非點源污染控制分區(qū)的劃分，上述若干研究成果正驗證了SWAT模型在非點源污染模擬方面的有效性。

清江長陽段境內(nèi)多山區(qū)，降雨豐富，水土流失較為突出，同時近年來為解決庫區(qū)移民生計問題大力發(fā)展網(wǎng)箱養(yǎng)殖，亦在一定程度上導致水質(zhì)惡化。本研究在清江長陽段應用SWAT模型進行非點源污染研究，通過模擬不同污染控制方案下的污染負荷變化情況，研究分析各方案對水體污染物削減效果，為制定水環(huán)境治理規(guī)劃提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

清江長陽段地處湖北省西南部，位于東經(jīng)110°22′～110°20′，北緯30°12′～30°46′，東西長94.5 km，南北寬63 km，總面積3 430 km2。研究區(qū)屬于鄂西山地與江漢平原交界地帶，境內(nèi)山巒起伏，溝壑縱橫，東高西低，為丘陵起伏的半山區(qū)，最高點為崩子尖，海拔2 259 m，最低點為向溪口，海拔48.7 m。

清江長陽段主要河段為清江干流及其支流，流域涉及長陽8鎮(zhèn)(龍舟坪鎮(zhèn)、磨市鎮(zhèn)、都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)、資丘鎮(zhèn)、漁峽口鎮(zhèn)、榔坪鎮(zhèn)、賀家坪鎮(zhèn)、高家堰鎮(zhèn))3鄉(xiāng)(大堰鄉(xiāng)、鴨子口鄉(xiāng)、火燒坪鄉(xiāng))，境內(nèi)有大型水庫一座，為隔河巖水庫，上距水布埡大壩92 km，下距高壩洲大壩50 km，水庫正常蓄水位200 m，總庫容34億m3。

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與河流相對位置、大壩位置與水質(zhì)監(jiān)測斷面情況見圖1。

圖1 研究區(qū)域監(jiān)測點分布與子流域劃分

1.2 SWAT模型的建立

SWAT是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心歷時30余年開發(fā)的適用于較大流域的分布式水文模型，可以用于模擬計算地表水與地下水的水質(zhì)水量，能以日為步長，按照土地利用類型、土壤類型與坡度將流域分為若干水文響應單元(HRU)，能夠較大地提高模擬精度。其模擬分為陸地過程與受納水體過程2部分，陸地過程可以控制每個HRU內(nèi)主河道的徑流、泥沙、營養(yǎng)物的輸入量，受納水體過程則能夠模擬徑流、泥沙、營養(yǎng)物等從河網(wǎng)到流域出水口的輸送運移[1]，因此非點源污染負荷的模擬、河道污染物遷移轉(zhuǎn)化機理模擬以及湖泊水庫水體水質(zhì)模擬等也是SWAT模型的重要功能。

SWAT模型建立需要的輸入數(shù)據(jù)主要為空間數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)等，簡要介紹如下。

(1)數(shù)字高程地形圖(DEM)：精度為90 m，來自于寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心，用于在SWAT中自動提取水系，利用其地形數(shù)據(jù)進行子流域劃分。

(2)土地利用圖：來自全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)，以2010年為基準年，是由國家基礎(chǔ)地理信息中心在“863”重點項目的支持下研制出的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

(3)土壤類型圖：來自世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)，比例尺1∶100萬分類到亞類。各類土壤的分層數(shù)、各層顆粒組成、有機質(zhì)含量等土壤理化性質(zhì)來自《長陽土壤志》和中國土壤數(shù)據(jù)庫。由于我國采用的土壤各層顆粒組成為國際制，還需要轉(zhuǎn)換為美制標準方可使用。土壤密度、田間有效持水量、飽和水力傳導系數(shù)等參數(shù)通過美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的土壤水特性軟件SPAW進行計算。

(4)氣象數(shù)據(jù)：主要包括全年的日最高/低氣溫、日降水量、相對濕度、太陽輻射量等基本數(shù)據(jù)。本文使用的氣象數(shù)據(jù)來自宜昌氣象站資料，時間序列為1980-2013年。

(5)水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)：2011-2013隔河巖水庫逐日入庫、出庫流量，來自清江公司；2011-2013年水質(zhì)(氨氮、總氮)每兩月監(jiān)測數(shù)據(jù)，來自長陽地區(qū)環(huán)保部門。水質(zhì)監(jiān)測斷面為位于清江長陽段入水口處的桅桿坪監(jiān)測斷面以及隔河巖壩下的貓子灘監(jiān)測斷面。

(6)其他數(shù)據(jù)：清江長陽段主要農(nóng)作物為玉米、馬鈴薯、高山蔬菜等，氮肥主要為尿素，磷肥主要為過磷酸鈣，復合肥為磷酸二銨；畜禽養(yǎng)殖方面以散戶養(yǎng)殖為主，存欄量數(shù)據(jù)來自《長陽統(tǒng)計年鑒》；水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，長陽地區(qū)以網(wǎng)箱養(yǎng)殖為主，相關(guān)產(chǎn)量與飼料投放量由當?shù)厮a(chǎn)部門提供；工業(yè)、生活污水依據(jù)《長陽統(tǒng)計年鑒》的分析、計算，統(tǒng)計后數(shù)據(jù)以年均日負荷常量的形式輸入模型。

在SWAT模型中輸入上述各數(shù)據(jù)后，利用DEM數(shù)據(jù)自動生成水系，并生成子流域，子流域數(shù)目依照定義的限值最小集水面積決定，其中根據(jù)子流域內(nèi)土地利用、土壤類型以及坡度的閾值，生成由單一土壤、土地利用和坡度組成的水文響應單元(HRU)。本研究中最終劃分為53個子流域，853個水文響應單元，子流域的劃分見圖1。

1.3 SWAT模型的率定與驗證

SWAT模型的參數(shù)調(diào)整與驗證是模擬計算中的重要步驟，通過對模型參數(shù)進行調(diào)整來提高模擬的精確度，本文對清江流域長陽段的徑流、氨氮、總氮3個指標依次進行校驗，利用SWAT-CUP軟件結(jié)合手動調(diào)參對模型的模擬參數(shù)進行調(diào)整，所調(diào)整的主要參數(shù)見表1。

為評價模擬結(jié)果，本研究模型先使用2011-2013年隔河巖水庫的日出庫流量數(shù)據(jù)確定徑流參數(shù)，再依據(jù)2011-2013年位于隔河巖壩下的貓子灘監(jiān)測斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)率定氨氮、總氮指標，得到相關(guān)參數(shù)。2011-2012年數(shù)據(jù)作為率定，2013年數(shù)據(jù)作為驗證，使用貓子灘監(jiān)測斷面所在的16號子流域模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比。

表1 模型參數(shù)及調(diào)整

SWAT模擬結(jié)果的評價標準為相關(guān)系數(shù)R2與納什系數(shù)Ens，前者越接近1，則表明實測值與模擬值吻合程度越高，后者大于0.5時，可以認為模擬效果較好。表2給出了SWAT模型模擬徑流、氨氮、總氮的率定期與驗證期的模擬效果，由表可見模擬效果較為理想。

表2 模型率定與驗證效果表

2 模型的應用與分析

2.1 降水與地表產(chǎn)流、營養(yǎng)鹽負荷相關(guān)性分析

在完成模型校驗的基礎(chǔ)上，對模型模擬結(jié)果進行分析。以隔河巖壩下貓子灘斷面所在的16號子流域為例，由圖2研究徑流、氨氮、總氮隨著降雨呈現(xiàn)較強的相關(guān)性，每年的汛期降雨量峰值也是對應徑流、氨氮、總氮的峰值。具體而言，2011-2013年3 a徑流、氨氮、總氮與降雨量的月平均相關(guān)系數(shù)分別達到0.52、0.52和0.54，氨氮與徑流的相關(guān)系數(shù)達到0.93，總氮與徑流的相關(guān)系數(shù)達到0.98。由此可見，污染負荷與降雨存在一定的相關(guān)性，與徑流的相關(guān)性則更為明顯。

圖2 貓子灘斷面降雨、徑流、污染負荷隨時間變化情況

2.2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)流產(chǎn)沙與污染負荷的空間分布

通過SWAT模型劃分的子流域與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的關(guān)系，計算得到2011年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)流、泥沙、總氮的產(chǎn)量分布情況，按照自上游到下游的順序排列，如圖3所示。由圖3可見，清江長陽段上下游的月均產(chǎn)水量并未表現(xiàn)出較大差異，基本維持在相近水平，但泥沙產(chǎn)量與總氮產(chǎn)量均呈現(xiàn)上游向下游逐漸減少的趨勢，這主要是因為上游鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地形較為陡峻，坡度較大，相同徑流量侵蝕的泥沙量也更多，相應的污染負荷的產(chǎn)量也越大。中部地區(qū)的泥沙產(chǎn)量有一個峰值，主要是由于中部地區(qū)火燒坪、鴨子口、都鎮(zhèn)灣地區(qū)種植高山蔬菜比較多，因此耕地較密集，更容易產(chǎn)生水土流失。下游地區(qū)地形相對平坦，因此位于下游的龍舟坪與磨市的污染負荷量最小。賀家坪與高家堰是位于清江支流丹水上的2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，雖然地形也多屬于山地，但是耕地相對較少，因此泥沙負荷雖然比龍舟坪與磨市大，但是整體污染負荷在11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中仍屬于相對較低的水平。

圖3 研究區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)流、泥沙與污染負荷變化情況

3 不同污染控制措施對長陽段污染的影響分析

3.1 污染控制措施設置

根據(jù)清江長陽段的實際情況，本研究提出3種污染控制措施，分別為減少20%的化肥使用量、取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖和設置過濾帶3類，其中設置過濾帶方案分為2、5、10 m 3種級別，除基準情景外，共設置8種情景，5種單獨措施情景，3種組合措施情景。具體設置如下。

(1)Q0?；鶞是榫埃阂?011年為基準年，不采取任何措施。

(2)Q1～Q3。分別為設置2 m過濾帶、5 m過濾帶、10 m過濾帶，不采取其他組合措施。

(3)Q4。削減20%化肥用量，不采取其他組合措施。

(4)Q5。取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖，不采取其他組合措施。

(5)Q6。組合措施1：設置2 m過濾帶，削減20%化肥施用量，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖。

(6)Q7。組合措施2：設置5 m過濾帶，削減20%化肥施用量，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖。

(7)Q8。組合措施3：設置10 m過濾帶，削減20%化肥施用量，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖。

3.2 污染控制措施對污染負荷的影響分析

以2011年研究區(qū)域中16號子流域出口處年污染負荷與21號子流域入口年污染負荷之差作為隔河巖水庫年凈污染負荷增加量，將各種情景下氨氮、總氮及總磷負荷的凈污染負荷增加量與相對基準情景的污染負荷減少比例列出見表3。

表3 各污染控制措施下年污染負荷變化情況

由表3可以看出，Q1～Q5各單獨措施中，只削減20%化肥施用量(Q4)對污染負荷的削減效果最??；只取締網(wǎng)箱的措施(Q5)效果對總磷負荷削減比較明顯，但是對總氮與氨氮負荷削減則相對較差；只設置過濾帶的措施對氨氮、總氮、總磷的削減效果都比較好，其中10 m過濾帶效果最佳。

出現(xiàn)上述情況的原因是：只削減化肥施用量雖然從源頭上減少了污染物的輸入，但是土壤本身的氮磷本底值并未受到控制，仍能隨徑流進入水體，因此減少化肥施用量并不能使污染負荷產(chǎn)生大的削減，最大削減率僅有9.86%；取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖對總氮總磷的污染負荷削減效果較好(其中總磷削減率達到48.52%)，但是對氨氮削減效果較差(僅5.72%)，這是因為氨氮主要來源是工業(yè)等點源污染，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖對點源污染削減效果并不大；設置過濾帶的措施對污染負荷削減效果最為明顯，其中性價比最高的是2 m過濾帶，對各項污染負荷削減率均能到到30%以上，效果最好的是10 m過濾帶，氨氮削減率達48.03%，總氮削減率達95.24%，這是因為過濾帶可以較好地減少水土流失(因污染物多隨泥沙遷移進入水體，因此過濾帶相比減少化肥施用量能更好地攔截土壤中本底氮磷養(yǎng)分的流失)。

Q6～Q8這3種組合措施中，隨著過濾帶寬度的增加，污染負荷的凈增量明顯減少，其中Q8情景下，總氮、總磷的凈增量為負值，污染負荷削減率總氮總磷均大于100%，說明隔河巖水庫對水體中的污染物起到了沉降攔截作用，污染負荷產(chǎn)生量不及水體沉降、消耗量。Q6情景采用2m過濾帶、削減20%化肥使用量及取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖對總氮負荷削減率也達到60%以上，總磷負荷削減率達到107.21%?？紤]到10 m過濾帶較大的占地面積，采用2 m過濾帶的組合措施更為經(jīng)濟。

4 結(jié) 論

(1)本研究應用SWAT模型，進行了清江流域長陽段的污染負荷的模擬分析，結(jié)果表明：SWAT模型可以應用于清江流域長陽段的污染研究，其對徑流、氨氮及總氮的模擬效果基本令人滿意。但是由于模型建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精確度還有待提高，以及SWAT模型內(nèi)部參數(shù)設置偏重于陸域水文模擬，河道演算模塊還有待完善等原因，該模型模擬過程仍需進一步完善。

(2)清江流域長陽段的徑流、污染負荷和降雨在時間變化上存在較強的相關(guān)性，每年汛期，隨著雨量增加，徑流與污染負荷也隨之增大?？臻g上，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自上游向下游產(chǎn)水量基本一致，但是產(chǎn)沙量與產(chǎn)污量卻呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為上游部分的地形較為陡峭，相同地表徑流條件下土壤侵蝕更為嚴重，且中游地區(qū)多種植高山蔬菜，耕地較多，導致產(chǎn)沙與污染負荷相對較大。

(3)在其他條件相同的情況下，單獨的污染控制措施中，設置過濾帶效果最好，削減化肥用量效果最差，這與土壤本底氮磷流失有關(guān)；在不同的組合污染控制措施下，選用10 m過濾帶的組合措施截污效果最好，但2 m過濾帶的組合措施最為經(jīng)濟。

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