基于SWAT模型的湯河流域面源污染時空分布研究

崔杰石

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新110000）

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基于SWAT模型的湯河流域面源污染時空分布研究

崔杰石

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新110000）

摘要：本文運用SWAT模型模擬湯河面源污染時空分布，并定量分析氣候變化對湯河面源污染的影響。研究結(jié)果表明：SWTA模型適用于湯河流域面源污染模擬，氣溫變化、降雨量變化都會引起湯河總氮和總磷的變化。研究成果為湯河面源污染模擬及污染控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：SWAT模型；面源污染時空模擬；氣候變化情景模式；湯河流域

流域面源污染模擬一直是國內(nèi)外水污染模擬的難點和重點，面源污染由于缺乏面源污染監(jiān)測信息以及時空分布復(fù)雜性的特點，面源污染模擬效果一直難以達(dá)到滿意的模擬精度。由于地理信息技術(shù)和計算機水平發(fā)展，分布式水文水質(zhì)耦合模型為流域面源污染模擬提供一個有效的模擬平臺，其中由美國學(xué)者研究的分布式水文模型SWAT模型具有模型需求參數(shù)較少、操作簡單的特點，被國內(nèi)外許多學(xué)者在不同流域的面源污染模擬進行相關(guān)運用。在國內(nèi)面源污染模擬研究也較多，但是還未在湯河流域的面源污染模擬中進行過相關(guān)運用，湯河流域內(nèi)有湯河水庫，該水庫是遼陽市、鞍山市這兩大城市居民主要水源。本文引入在國內(nèi)運用較好的SWAT模型，模擬湯河流域的面源污染時空分布。此外，考慮到氣候變化對流域水循環(huán)各個要素都將產(chǎn)生一定的影響，影響流域水環(huán)境各種污染物的遷移和轉(zhuǎn)化，因此在氣候變化大背景下，設(shè)定4種氣候變化情景模式分析氣候變化下湯河流域面源污染響應(yīng)。

1　研究方法及資料處理

1.1 研究區(qū)域概況

湯河流域?qū)儆谔雍幼蟀兑患壷Я鳎l(fā)源于遼寧省遼陽縣吉洞峪滿族鄉(xiāng)粉城墻村，又名湯河?xùn)|支，流經(jīng)遼陽縣、遼陽市弓長嶺區(qū)，在遼陽縣小屯鎮(zhèn)雙廟村注入太子河。流域面積1422km2，河流長度87km，河流平均比降2.82‰，多年平均年降水量763.0mm，多年平均年徑流深239.8mm，流域平均寬度為16.3km。

圖1　研究流域水系圖

1.2 研究方法

SWAT模型為水量水質(zhì)耦合的模型，模型可模擬不同形式下總氮、總磷的遷移轉(zhuǎn)化過程，模型具體模擬原理可見參考文獻［9］，本文運用SWAT模型模擬湯河流域2000～2010年面源污染時空分布，并結(jié)合流域內(nèi)二道河子實測2000～2012年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析SWAT模型在湯河流域面源污染模擬的適用性，并通過設(shè)定4種氣候變化情景模式，定量模擬不同氣候變化情景模式對湯河流域總氮和總磷的影響，并對比氣候變化前后流域總氮和總磷的變化率。

1.3 模型輸入資料準(zhǔn)備

圖2　研究流域遙感地理數(shù)據(jù)

模型需要輸入的數(shù)據(jù)包括：流域下墊面信息數(shù)據(jù)（數(shù)字高程數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)）、水文數(shù)據(jù)（降水、流量、含沙量）、氣象數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（河道斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)）。其中：（1）流域數(shù)字高程數(shù)據(jù)下載于中科院地理研究所提供的數(shù)據(jù)共享平臺上全國1km× 1km的數(shù)字高程數(shù)據(jù)。結(jié)合流域邊界獲得研究區(qū)域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，見圖2，見參考文獻［10］；（2）土地利用/覆被數(shù)據(jù)。根據(jù)中科院地理所在數(shù)據(jù)共享平臺上提供了全國分辨率為1km×1km的土地利用/覆被數(shù)據(jù)［11］，結(jié)合流域邊界運用相關(guān)軟件提取研究流域的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖2，對于SWAT模型而言，在土地利用/覆被數(shù)據(jù)，還應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行重分類，以滿足SWAT模型的數(shù)據(jù)格式要求，具體分類方法可詳見參考文獻［6］；（3）土壤類型信息數(shù)據(jù)。收集流域內(nèi)1∶100，0000土壤類型數(shù)據(jù)，結(jié)合流域邊界獲取研究流域土壤類型分布圖，見圖2。此外，模型還需要土壤化學(xué)屬性數(shù)據(jù)，對流域6種不同土壤類型進行了采樣，測定了不同類型土壤的化學(xué)屬性數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。（4）水文數(shù)據(jù)。收集湯河流域內(nèi)二道河子水文站2000～2012年實測流量數(shù)據(jù)和流域內(nèi)4個降雨站點2000～2012年實測降水?dāng)?shù)據(jù)；（5）氣象數(shù)據(jù)。收集湯河流域內(nèi)遼陽氣象站2000～2012年氣象要素數(shù)據(jù)，氣象要素數(shù)據(jù)主要用來計算流域的潛在蒸散發(fā)。（6）水質(zhì)數(shù)據(jù)。收集了湯河流域內(nèi)二道河子水質(zhì)監(jiān)測點2000～2012年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。（7）農(nóng)業(yè)耕種措施數(shù)據(jù)。結(jié)合當(dāng)?shù)貙嵉剞r(nóng)業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，建立模型農(nóng)業(yè)耕種措施數(shù)據(jù)庫，包括耕種時間、施肥時間、施肥量數(shù)據(jù)。

表1　土壤化學(xué)屬性數(shù)據(jù)

2　模型運用

2.1 總氮和總磷模擬

基模型輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合湯河流域內(nèi)二道河子站2000～2012年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對SWAT總氮和總氮模擬參數(shù)的率定和驗證，結(jié)果見下表和圖。

表2和表3為運用SWAT模型模擬的湯河流域2000～2012年總氮和總磷結(jié)果，從表中可以看出，SWAT模型在湯河流域模擬的2000～2012年總氮和總磷相對誤差均小于20%，模擬的確定性系數(shù)均高于0.65，滿足流域面源污染模擬的精度規(guī)范要求。圖3和圖4為選定的兩個代表年份實測總氮和總磷與模擬的總氮和總磷的過程對比圖，從圖中可以看出，模擬的總氮和總磷與實測的總氮和總磷具有一定的吻合度，模擬的總氮和總磷的峰值與實測總氮和總磷出現(xiàn)的峰值月份吻合。

表2　SWAT模型總氮模擬結(jié)果

表3　SWAT模型總磷模擬參數(shù)率定結(jié)果

2.2 不同氣候模式情景對湯河流域總氮和總磷的影響分析

為定量分析氣候變化下湯河流域面源污染負(fù)荷響應(yīng)，以SWAT模型為模擬分析平臺，選定2011年（2000～2012年降水量最大的年份）為代表年份，運用SWAT模型模擬四種氣候變化情景模式下（見表4）2011年總氮和總磷的變化量以及變化率，從而定量分析氣候變化對湯河流域總氮和總磷的影響。

圖3　代表年份總氮模擬成果圖

圖4　代表年份總磷模擬成果圖

表4　設(shè)定的4種氣候變化情景模式

表5　氣溫變化情景方案下的總氮響應(yīng)

表6　氣溫變化情景方案下的總磷響應(yīng)

從表5和表6中可以看出，在氣候變化情景模式I下（氣溫升高+2℃，降水不變化），2011年湯河流域總氮和總磷含量在氣候變化后，含量分別減少3.15萬t和0.024萬t，變化率為-11.0%和-10.2%，可見氣溫升高，流域總氮含量將減少一定的比例，這主要是因為流域氣溫升高，流域潛在蒸散發(fā)相應(yīng)增加，在降水不變化的前提下，流域地表徑流相應(yīng)減少，而作為總氮和總磷的運移載體，總氮和總磷的含量相應(yīng)減少。而在氣候變化情景模式II下（氣溫降低-2℃，降水不變化），流域總氮和總磷都增加一定的比例，這主要是因為氣溫降低，使得流域潛在蒸散發(fā)增加，使得流域地表徑流增加，作為面源污染運移載體，隨著地表徑流流失的總氮和總磷相應(yīng)減少。而在氣候變化情景模式III下（降水+5%，氣溫不變化），相比于氣候變化前，湯河流域2011年總氮和總磷分別增加28.1% 和26.4%，總氮和總磷均增加的原因是因為降水量增加，流域地表徑流相應(yīng)增加，使得隨著地表徑流流失的總氮和總磷含量相應(yīng)增加。而在氣候變化情景模式IV下，降水減少5%，氣溫不變化，流域總氮和總磷相應(yīng)減少一定的比例，這同樣因為降水減少，使得流域地表徑流深相應(yīng)減少，隨地表徑流流域的面源污染負(fù)荷也相應(yīng)減少，從表中還可以看出，降水量變化引起的總氮和總磷的變化率均要大于氣溫變化引起的總氮和總磷的變化率，可見，降水變化引起的面源污染負(fù)荷影響要大于氣溫變化的影響。

3　結(jié)語

本文結(jié)合SWAT模型模擬湯河流域面源污染時空分布，并基于SWAT模型定量分析4種氣候變化情景模式對流域面源污染負(fù)荷的影響，研究取得以下結(jié)論。

（1）SWAT模型適用于湯河流域面源污染模擬，模型模擬的各年份總氮和總磷年相對誤差小于15%，月尺度過程確定性系數(shù)達(dá)到0.65以上，符合流域非點源污染模擬精度要求，可用來模擬分析不同情景下流域的面源污染負(fù)荷時空分布。

（2）降水量變化將直接影響湯河流域面源污染負(fù)荷含量，且影響率大于氣溫變化引起的湯河流域面源負(fù)荷變化率。

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［11］土地利用數(shù)據(jù)：http：//westdc.westgis.ac.cn/data/1cad1a63-ca8d-431a-b2b2-45d9916d860d/.

作者簡介：崔杰石（1966年—），男，高級工程師。

收稿日期：2015-10-27

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.002

中圖分類號：X522

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-2469（2016）02-0004-03