基于SWAT模型的阿什河流域非點源污染控制措施

馬 放,姜曉峰,王 立*,李光明,李 哲(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業大學宜興環保研究院,江蘇 宜興 214205)

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基于SWAT模型的阿什河流域非點源污染控制措施

馬 放1,2,姜曉峰1,2,王 立1,2*,李光明1,2,李 哲1,2(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業大學宜興環保研究院,江蘇 宜興 214205)

摘要：以阿什河流域為研究區,建立了SWAT模型,并通過情景模擬技術分別模擬了退耕還林.等高種植、化肥減量與植被過濾帶等非點源污染控制措施及其綜合效果.結果表明:通過坡耕地退耕還林,可減少1.03％～5.35％的非點源TN負荷與0.94％～8.09％的非點源TP負荷;通過等高耕作,可減少0.51％～2.77％的非點源TN負荷與0.49％～4.54％的非點源TP負荷;通過20％的化肥減量可減少0.65％～6.52％的非點源TN負荷與0.01％～2.95％的非點源TP負荷;20m的植被過濾帶可減少42.62％～69.51％的非點源TN負荷與80.09％～86.27％的非點源TP負荷.通過綜合管理措施,可減少34.90％～54.36％的TN負荷與35.32％～60.89％的TP負荷.為達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅳ類水體TN與TP的濃度標準,2006～2010年尚需削減45.87％～82.53％的點源TN負荷與35.58％～66.85％的點源TP負荷.

關鍵詞：SWAT模型；非點源；情景模擬；污染控制；阿什河流域

* 責任作者, 副教授, wli@hit.edu.cn

已有研究表明,僅僅依靠對點源污染進行防控,并不能從根本上解決流域尺度的水環境問題[1-2].目前,越來越多的國家開始關心非點源污染在水質惡化過程中所扮演的角色[3-4].有研究表明,在一些流域內,非點源污染已經超過點源污染,成為水環境質量下降的主要原因[5-6].當今,隨著農業科技的發展與日益增長的糧食需求,越來越多的商用化肥被投入到農田中,使得隨地表徑流進入水環境的營養物也日益增加[7].非點源的控制措施可分為源頭控制(如人工濕地與植被緩沖帶等)與末端治理(如保護性耕作、覆蓋作物種植管理與土地利用管理等)兩大類[8].王曉等[9]基于SWAT模型,研究了丹江口水庫流域不同等級坡度下控制流域非點源污染的最佳措施.趙鵬等[10]以溪河流域為研究對象,用情景分析法,預測了不同河岸帶修復策略對非點源污染的削減作用,結果發現河岸帶對TN和TP的削減能力具有較大的空間差異性,TN的去除率為23.36％～ 30.72％,TP的去除率為27.19％～39.86％.

阿什河流域是我國重要的糧食生產基地之一,近年來隨著區域經濟與糧食產量的不斷增長,流域的水體污染也日趨加重,已經被《松花江流域水污染防治“十二五”規劃編制大綱》列為“哈爾濱市污染最為嚴重的河流”.隨著阿什河流域點源治理工作的不斷推進,非點源污染問題逐漸顯露了出來,流域面臨著重要的農業生產壓力和非點源污染風險,當地迫切需要有關非點源污染控制措施的研究.目前,當地制定的阿什河流域的非點源污染控制措施均為基于輸出系數法,或定性研究,科學依據不足,尚缺少基于物理模型的定量化研究.

在此背景下,本研究構建了阿什河流域的SWAT模型,對阿什河流域的非點源污染進行了定量化估算,基于此對流域內的非點源污染類型進行了識別,并基于識別結果,利用情景模擬技術對流域的非點源污染措施進行了研究,以期為阿什河及其他相似條件流域的非點源污染控制工作提供科學依據.

1 數據與方法

1.1 研究區概況

阿什河流域位于黑龍江省哈爾濱市轄區內(126°40′20″E～127°43′33″E,45°5′30″N～45°50′28″N).流域面積3545km2,流域總人口約123.2萬,共包含9個街道與18個鄉鎮.流域海拔范圍為109～833m,坡度為范圍為0～67.3％,但流域內土地整體較為平坦,坡度大于25％的區域只占總面積的8.94％.流域冬季氣候寒冷,多年平均氣溫3.4℃,最冷月1月份平均氣溫-19.8℃ ,極端最低氣溫-40℃ .每年11月中旬至次年4月上旬為冰封期.流域內全年降雨量不均,降雨大多集中于7～8月份,此間降雨量約占全年的47.3％左右,最大降水量1032mm,最小降雨量383.5mm,多年平均降雨量為580～600mm.

1.2 基礎數據獲取與處理

運行SWAT模型需要大量的基礎數據.本研究中,數字高程模型(DEM)數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站;土壤圖及土地利用圖來源于黑河計劃數據管理中心寒區旱區科學數據中心;河網圖來源于國家基礎地理中心.降雨,溫度,相對濕度,風速及太陽輻射等氣候數據來源于SWAT官方網站及中國氣象科學數據共享服務網.流量數據來源于水利部阿城水文站;水質監測與點源負荷來源于哈爾濱市環境監測中心站;施肥負荷來源于《哈爾濱統計年鑒》[11].詳細數據信息如表1所示.

表1　SWAT模型數據信息Table 1 Information of SWAT input data

1.3 研究方法

一般來說,大空間尺度下的非點源污染研究,多采用數值模擬的方法,或者稱為模型.根據馬鑫等[12]對1900～2012年間Web of Science中的SCIE和CPCI-S引文數據庫的統計,目前應用最廣泛的非點源污染模型主要有以下4個:HSPF, ANSWERS,AGNPS和SWAT,合計占到總發文量的20.2％.而在這4種模型中,SWAT占52％,占據絕對的優勢.需要說明的是每種模型都有一定的限制和使用條件,阿什河流域是高寒農業區,以下將根據研究區的特點進行模型選擇.首先,在功能上,上述4種模型都符合要求,均為長期連續模型且可以模擬N、P非點源污染.但ANSWERS模型沒有考慮降雪的融積過程,因此不適宜在阿什河流域應用;AGNPS則沒有考慮污染物平衡,且不適用于空間尺度較大的流域模擬,模擬流域一般不超過200km2,而阿什河流域超過了3000km2; HSPF模型不具備模擬水田的瓦管排水的能力[13],其對管理措施的模擬也不盡完善,且對N、P等營養元素的模擬效果則較SWAT略差[14]; SWAT模型在阿什河流域的問題則為不合適在平原區應用.由此可知,沒有盡善盡美的模型,只能在一定范圍內選擇最合適的模型.本研究選擇了美國農業部開發的SWAT模型進行非點源污染的定量化計算.關于平原區的適應性問題,采用手繪河網校正的方式,取得了令人滿意的結果.

SWAT是一種物理模型,目前已被廣泛用于水土流失防控,非點源污染控制以及流域管理等方面,是非點源污染研究中應用最廣泛的模型之一[15-17].Sun等[18]將SWAT模型應用于海河流域,優化了流域內冬小麥與玉米的灌溉措施,提高了農業用水的利用率.孫麗娜等[19]借助SWAT模型和CLUE-S模型研究了吉林省東遼河流域土地利用變化對非點源的影響,結果表明不同土地利用條件對泥沙、溶解態氮、有機氮、TN、溶解態磷、有機磷和TP均有顯著影響.Wu等[20]利用SWAT模型對珠江三大支流之一,東江流域的點源與非點源權重進行了分析,結果表明除礦物質磷外,其他營養鹽污染中非點源污染已經成為其主要來源.

由于阿什河流域以農業為主的特征,決定了其非點源污染主要來自于農田.因此,本研究的控制措施也均聚焦于農田,同時考慮SWAT的模擬能力,分別設置了退耕還林、等高耕作、化肥減量與植被過濾帶4種控制措施.

2 結果與討論

2.1 模型適用性分析

在建立SWAT模型后,還需進行率定和驗證,證明其適用于所在區域,然后方可將其用于相應的計算.單一評價指標往往難于準確描述模型的表現力,本研究采用相對誤差(RE),決定系數(R2)以及Nash-Sutcliffe效率系數(ENS)等3個指標,用于對模型徑流模擬的適用性做出評價.Moriasi 等[21]給出了水文模型在以月為時間步長時進行徑流與水質模擬時的適用性標準.一般來說,對于ENS和R2≥0.50即可認為是可接受的;對于RE,徑流在±15％

SWAT模型用戶手冊建議有2～5a的預熱期,以減少模型初始化過程中帶來的空值問題.因此,對于徑流,設定率定期為1996～2005年,驗證期為2006～2010年.由于阿什河產沙量比較低,水利部自1954年后就取消了阿什河的泥沙監測,因此本研究進行徑流率定與驗證后直接進行了水質率定與驗證.水質率定與驗證選取的指標為TN與TP,本研究獲取的監測值時間范圍為2006～2010 年.由于我國國情的原因,每年只有8個月的例行監測,分別為1月、2月和5～10月.因此,對于TN 與TP,設定的率定期為2006～2008年,驗證期為2009～2010年.徑流與水質的率定與驗證結果如圖1所示.

圖1　率定與驗證期最佳擬合曲線Fig.1 Best fit curve for calibration and validation

由圖1可知,徑流率定期的RE、R2與ENS分別為6.42％,0.61與0.59,驗證期RE、R2與ENS分別為-12.83％,0.69與0.67;TN率定期的RE,R2與ENS分別為-18.33％、0.64與0.55,驗證期RE,R2與ENS分別為-17.34％,0.59與0.57;TP率定期的RE,R2與ENS分別為-4.32％,0.61與0.56,驗證期的RE,R2與ENS分別為-18.02％,0.67與0.58,符合Moriasi等給出的適用性標準.綜上,SWAT模型適用于在阿什河流域進行徑流,TN與TP的模擬.

2.2 退耕還林

退耕還林是指:將易造成水土流失的坡耕地和易造成土地沙化的耕地,有計劃、分步驟地停止耕種;本著宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草、喬灌草結合的原則,因地制宜地造林種草,恢復林草植被.根據《中華人民共和國水土保持法》[22],禁止在25°以上陡坡地開墾種植農作物.已在禁止開墾的陡坡地上開墾種植農作物的,應當按照國家相關規定退耕,植樹種草;耕地短缺,退耕確有困難的,應當修建梯田或者采取其他水土保持措施.《退耕還林條例》[23]也要求,江河源頭及其兩側、湖庫周圍的陡坡耕地以及水土流失和風沙危害嚴重等生態地位重要區域的耕地,應當在退耕還林規劃中優先安排.但是退耕還林還涉及經濟與倫理等諸多方面的問題,例如糧食產量的降低與當地農民的生計問題等,本研究僅對其對非點源污染的影響方面進行討論.

根據以上法律法規精神,本研究設置的情景為將流域內坡度大于25°的耕地轉換為林地.阿什河流域內坡度大于25°的耕地面積總計為1726hm2,約占流域內耕地總面積的1.02％,面積不大,因此本研究只設置了兩個梯度,即25°以上坡耕地退耕100％與50％兩級,還林的林地類型設為普通林地.模擬結果如圖2所示.

由圖2可知,退耕還林對于削減流域非點源TN與TP污染具有積極作用,其中在豐水年效果更為顯著.退耕面積100％的效果要好于退耕面積50％.總體來說,通過對坡耕地進行退耕還林,在不同水平年可以減少1.03％～5.35％的非點源TN負荷,0.94％～8.09％的非點源TP負荷.TP削減效果要好于TN,這主要是由于TP為沉積性污染,多附著于泥沙等顆粒上,而退耕地全部為坡度25°以上的耕地,水土流失嚴重,因而退耕還林對削減非點源TP污染的效果更為顯著.

圖2　退耕還林模式下的非點源TN與TP削減效果Fig.2 Reducing effect of NPS-TN and NPS-TP under returning farmland to forest mode

2.3 等高耕作

退耕還林會涉及糧食產量與經濟問題,從這個角度考慮,若不削減農田面積,則需要一定的農田管理措施.等高耕作是保護性耕作措施的一種,也稱為橫坡耕作,其最常見的表現形式為梯田.從基本原理可知,其主要是通過減緩坡度的方式來減少水土流失量,進而減少非點源污染.SWAT模型中內置的“Operation”模塊可以實現這一功能,本節將通過設置梯田的方式,考察等高耕作對非點源TN與TP的削減效果.

設置TERR_P(等高耕作水土保持因子)設置為0.5,TERR_CN(等高耕作徑流曲線數)初始值設置為60,TERR_SL(等高耕作平均坡長)設置為20,將以上參數寫入.ops文件中,然后運行模型即得到等高操作所對應的非點源TN與TP污染.模擬結果如圖3所示.

圖3　等高耕作模式下的非點源TN與TP削減效果Fig.3 Reducing effect of NPS-TN and NPS-TP under terracing mode

由圖3可知,等高耕作對于削減流域非點源TN與TP污染具有積極作用,但作用較為有限.通過等高耕作,在不同水平年可以減少0.51％～2.77％的非點源TN負荷,0.49％～4.54％的非點源TP負荷.TP削減效果要好于TN,原因同退耕還林一致.總體來看,等高耕作的削減效果要差于退耕還林,其優點主要是不需要以降低糧食產量為代價.

2.4 化肥減量

化肥是農業非點源污染的主要來源之一,從源頭控制的思想來看,減少化肥使用量是降低非點源污染的根本措施.生物肥料是近幾年新興起的一種技術,狹義的生物肥料,是通過微生物生命活動,使農作物得到特定的肥料效應的制品,也被稱之為接種劑或菌肥,它本身不含營養元素,不能代替化肥.廣義的生物肥料是既含有作物所需的營養元素,又含有微生物的制品,是生物、有機、無機的結合體它可以代替化肥,提供農作物生長發育所需的各類營養元素.

在不影響產量的狀況下,生物肥料可以替代一定量的傳統化肥[24].廣東省農科院土肥所開發的水稻專用BB肥可比普通化肥減少25％的使用量而不影響產量[25].吳正景等[26]在溫室條件下種植番茄,在不影響產量的情況下,使用樹脂包膜尿素減少了15％的化肥用量.考慮技術移植的各種復雜影響因素,以及大規模使用時的空間效應問題,實際中往往難以達到理想效果.基于以上考慮,同時參考課題組在與本研究區相近的拉臨河流域的實驗結果[27],將化肥替代量設為10％.將新的施肥負荷寫入.mgt文件中,得到化肥減量后的非點源TN與TP負荷,如圖4所示.

圖4　化肥減量模式下的非點源TN與TP削減效果Fig.4 Reducing Effect of NPS-TN and NPS-TP under Fertilizer Reducing Mode

由圖4可知,通過10％的生物化肥替代后,在不同水平年可以減少0.65％～6.52％的非點源TN負荷及0.01％～2.95％的非點源TP負荷.TN削減效果要好于TP,并且TP削減率體現出了明顯的逐年上升趨勢.TN削減也體現了這一趨勢,但沒有TP顯著.這主要是由于TP是沉積性的,作物對磷肥的利用率較低,每年施用的磷肥得不到有效利用而沉積于土壤中,逐年累積起來,因而磷肥的削減效果需要較長時間方能顯現;TN中的NO3--N穿透性較強,這部分氮多通過穩定的基流帶入流域中,即TN的累積性沒有TP強,因而TN的削減效果見效要比TP快.孫金華等[28]使用AnnAGNPS模型,對太湖流域雪堰鎮平原區進行了化肥減量的情景模擬,研究發現削減30％的化肥量,可以減少18.08％的非點源TN與4.30％的非點源TP,與本研究的結論相一致.

2.5 植被過濾帶

植被過濾帶,也稱為植被緩沖帶,可以理解為一種將污染源與受納水體隔離開的植被帶[29].植被過濾帶被認為是控制非點源污染最有效的方法之一,并且具有成本低廉、兼具生態效益等優點[30].美國在1978年即將植被過濾帶列為流域管理的“最佳管理措施”(Best Management Practices, BMPs)之一,在加拿大,植被過濾帶已被列入“Ontario省農場環境規劃和水土管理BMPs”之中,英國和其他歐洲國家也提倡使用植被過濾帶[31-32].

SWAT2009中使用的過濾帶算法源自White 和Arnold,其只對泥沙、營養物細菌和殺蟲劑有影響,而不影響地表徑流量.并且SWAT不考慮過濾帶的植物構成,配比與形狀等因素,只考慮長度、寬度與坡度的影響.本研究中長度由農田形狀決定,坡度由DEM進行計算,因此只對緩沖帶寬度的不同進行討論.

關于植被過濾帶的寬度效果目前尚沒有統一的結論[33].李偉等[34]的研究表明,由狗牙根構成的植被過濾帶寬度分別為0.5m,1.0m,1.5m和2.0m時,對TN的去除率分別為8％,42％,56％和59％,對TP的去除率分別為20％,77％,86％和89％.Lee等[35]的研究表明,由柳枝稷構成的7.1m寬的植被過濾帶,對地表徑流中的泥沙,TN與TP的去除率可以達到95％,80％與78％.李懷恩等[36]的研究發現,10m寬的草地植被過濾帶對地表徑流中TN與TP的去除率分別為70％和85％. Dosskey等[37]的研究發現,30m的植被過濾帶方能過濾掉徑流中所有的硝態氮,但Haycock等[38]的研究卻表明,5～8m的寬度就足夠了.以上研究結果顯示,對于多數植被過濾帶系統,10m即可提供足夠好的效果,提高寬度不僅需要更高的成本,還可能存在岸邊距離不足的狀況.因此,本研究的設置的植被過濾帶寬度分別為3m,5m,10m和20m.模擬結果如圖5所示.

圖5　植被過濾帶模式下的非點源TN與TP削減效果Fig.5 Reducing Effect of NPS-TN and NPS-TP under Filter Strips Mode

如圖5所示,植被過濾帶對削減流域非點源TN與TP污染具有積極作用,且效果顯著.寬度為3m,5m,10m和20m的植被過濾帶對非點源TN與TP的去除率分別可達14.60％～33.72％, 18.93％～ 41.28％, 27.77％～53.74％, 42.62％～69.51％和45.40％～49.07％,52.87％～57.11％,65.05％～70.17％, 80.09％～86.27％.植被過濾帶的寬度與污染物去除率成正比,即植被過濾帶越寬,污染物去除的越多, 且TP的削減效果好于TN.以上研究與李世鋒等[39]及李懷恩等[40]的研究結果一致.這主要是由于模擬中MINP(礦物質磷)的含量較高,即顆粒性磷的含量較高,而SWAT模型中的植被過濾帶只考慮了截留作用,并未考慮其中的生化反應,因此,TP的截留作用要好于TN.由圖5可見,TN的截留波動性要大于TP,這主要是由于TN中的NO3--N與NH4+-N皆為溶解性氮,但是SWAT2009并未考慮植被過濾帶對徑流的截留作用.因此,TN的截留與降雨的關系更密切,由圖5(a)亦可看到非點源TN在污染負荷高的年份擁有更高的去除率,而非點源TN染負荷高的年份則恰是降雨量高的年份.

2.6 綜合措施

多種控制措施同時應用可以最大程度的將非點源污染危害降至最低.由上述研究可知,植被過濾帶的削減效果遠好于退耕還林、等高種植及化肥減量.由于非點源TN與TP的累積效應,退耕還林與化肥減量見效較慢,但其屬于源頭控制措施,長遠來看是改善流域水質的必須措施.植被過濾帶由于采取了直接截留污染物的方式,因此效果最好,是快速改善流域水質的重要措施.基于以上分析,本研究設置最終的綜合管理措施為“25°以上耕地100％退耕還林”+“25°以下耕地等高種植”+“化肥減量5％”+“20m植被過濾帶”.由于獲取的點源負荷數據只包含2006～2010年時段,故綜合措施效果亦只分析這五年.實施綜合措施后,流域總出口的TN與TP負荷及削減效果如圖6所示.

由圖6可知,綜合措施對于削減流域TN與TP污染具有積極作用.通過綜合管理措施,在不同水平年可以減少34.90％～54.36％的TN負荷以及35.32％～60.89％的TP負荷.由于污染物的削減主要依靠植被過濾帶的作用,因此TP的削減效果略好于TN.通過計算,經過管理措施后的阿什河流域總出水口TN濃度為5.94～8.99mg/L,TP濃度為0.62～1.14mg/L,依舊遠超《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[41]中Ⅳ類水體要求的TN濃度1.5mg/L,TP濃度0.3mg/L的要求,需進一步對非點源進行削減或者對點源進行削減.由于目前皆為在不影響糧食產量的基礎上對非點源污染進行削減,因此建議對點源進行削減.經計算,為達到Ⅳ類水體中TN與TP的濃度標準, 2006～2010年尚需削減45.87％～82.53％的點源TN負荷與35.58％～66.85％的點源TP負荷.由于枯水期由于非點源負荷較低,因此點源TN與TP削減要求較高的年份主要為枯水年.

圖6　綜合模式下的TN與TP削減效果Fig.6 Reducing Effect of TN and TP under Integrated Management Mode

3 結論

3.1 基于SWAT模型,應用情景模擬技術,對阿什河流域的非點源污染控制措施進行了研究.SWAT模型適用于在阿什河流域進行徑流,TN與TP的模擬.

3.2 阿什河流域非點源污染嚴重,非點源TN負荷約占TN總負荷的32.47％～62.61％,非點源TP負荷約占TP總負荷的32.47％～62.61％的22.30％～57.85％.

3.3 退耕還林,等高種植,化肥減量,植被過濾帶等技術對非點源TN與TP負荷削減具有積極作用,其中植被過濾帶的作用最為顯著.通過以上綜合措施,在不同水平年可以減少34.90％～54.36％ 的TN負荷以及35.32％～60.89％的TP負荷.但為達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅳ類水體TN與TP的濃度標準,2006～2010年尚需削減45.87％～82.53％的點源TN負荷與35.58％～66.85％的點源TP負荷.

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Non-point source pollution control of Ashihe Basin based on SWAT Model.

MA Fang1,2, JIANG Xiao-feng1,2, WANG Li1,2*, LI Guang-ming1,2, LI Zhe1,2(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.HIT Yixing Academy of Environmental Protection, Yixing 214205, China).China Environmental Science, 2016,36(2)：610～618

Abstract：Ashi River Basin was selected as the study area to establish soil and water assessment tool (SWAT) model under the support of the scenario simulation technology to simulate the returning farmland to forest , terracing , fertilizer reduction ,vegetation filtering belt strips,their syntaxic control measures and its comprehensive effect.Results showed that: returning farmland to forest mode could reduce 1.03％～5.35％ of NPS-TN load and 0.94％～8.09％ of NPS-TP load. Terracing mode could reduce 0.51％～2.77％ of NPS-TN load and 0.49％～4.54％ of NPS-TP load. Fertilizer reducing mode could reduce 0.65％～6.52％ of NPS-TN load and 0.01％～2.95％ of NPS-TP load. Filter strips mode could reduce 42.62％～69.51％ of NPS-TN load and 80.09％～86.27％ of NPS-TP load. Syntaxic mode could reduce 34.90％～54.36％ of TN load and 35.32％～60.89％ of TP load. For reaching the water quality goal of ‘Environmental quality standards for surface water’ (GB3838-2002), 45.87％～82.53％ of PS-TN load and 35.58％～ 66.85％ PS-TP load should be reduced yet.

Key words：SWAT Model；non-point source；scenario simulation；pollution control；Ashi River Basin

作者簡介：馬 放(1963-),男,遼寧鐵嶺人,教授,博士,主要從事環境生物技術,流域污染防控理論與技術的研究.發表論文120余篇.

基金項目：國家自然科學基金(51179041);水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07201007);黑龍江省自然科學基金(E201206);城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)自主課題(2014TS05)

收稿日期：2015-07-17

中圖分類號：X522

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)02-0610-09