北方高寒地區(qū)非點(diǎn)源污染模擬研究

周 欣，雷興元

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

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北方高寒地區(qū)非點(diǎn)源污染模擬研究

周 欣，雷興元2

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

受農(nóng)業(yè)化肥過量施用及生活污水、有害氣體過量排放的影響，大量污染物隨降水?dāng)U散到流域不同的低洼地帶，同時(shí)通過土壤的滲透作用擴(kuò)散到地下，對(duì)地表及地下水資源造成了嚴(yán)重的污染，寒區(qū)由于冬季長(zhǎng)達(dá)半年的特殊氣候特點(diǎn)，冬季的污染物擴(kuò)散速度減慢，這對(duì)污染物的隨機(jī)性擴(kuò)散模擬造成了很大的影響，文章采用運(yùn)用美國(guó)農(nóng)業(yè)部開發(fā)的SWAT模型及美國(guó)地質(zhì)勘探局開發(fā)的LOADEST模型，通過對(duì)流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算及建立完整的地理、土壤、土地利用、水文氣象和農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染進(jìn)行了模擬研究。模型模擬效果證明SWAT模型適用于北方高寒地區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模擬。

阿什河流域；SWAT模型；LOADEST模型；污染物模擬；空間分析

0 引 言

目前，世界各地受環(huán)境影響，許多河湖受到了不同程度的污染，造成了大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。非點(diǎn)源污染的發(fā)生具有廣泛的隨機(jī)性，其擴(kuò)散主要依賴于降水，當(dāng)降水發(fā)生時(shí)，隨著坡面的傾斜角度向不同的方向流動(dòng)，匯入不同的低洼地帶，并隨著土壤空隙深入到地下，高濃度污染時(shí)甚至?xí)?duì)地下水產(chǎn)生污染。SWAT模型(Soilandwaterassessmenttool)具有較強(qiáng)的物理機(jī)制，它能夠利用遙感影像提供的空間信息模擬多種不同的水文物理化學(xué)過程[1]。SWAT模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部(UnitedStatesDepartmentofAgriculture，USDA)農(nóng)業(yè)研究中心(AgriculturalResearchService，ARS)JEFFArnold等[2]開發(fā)的半分布式流域水文模型，模型在氣候變化對(duì)區(qū)域水資源的影響、非點(diǎn)源污染、不同灌溉制度下對(duì)作物產(chǎn)量的影響中獲得了廣泛的應(yīng)用[3]。多數(shù)學(xué)者對(duì)不同流域的污染物的遷移過程進(jìn)行了模擬，但少有學(xué)者在高寒地區(qū)開展研究，本文利用LOADEST模型對(duì)污染物進(jìn)行插值獲得月污染物通量，進(jìn)而采用SWAT對(duì)月污染物通量進(jìn)行模擬，研究其在寒區(qū)非點(diǎn)源污染模擬中的適用性[4]。

1 研究區(qū)概況

阿什河流域全長(zhǎng)51km，境內(nèi)流域面積565km2，阿什河的干流河道實(shí)際長(zhǎng)度為257km，直線長(zhǎng)度為133km，彎曲系數(shù)1．93。其支流較多，流域匯集大、小支流79條，河道總長(zhǎng)度為1277．86km，河網(wǎng)密度為0．36km/km2。

2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)采用美國(guó)馬里蘭大學(xué)土地覆被數(shù)據(jù)土壤數(shù)據(jù)采用世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫(kù),高程數(shù)據(jù)采用中科院地理空間數(shù)據(jù)云90m數(shù)字高程數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)氣象及降水?dāng)?shù)據(jù)采用阿什河流域及周邊地區(qū)2個(gè)氣象站與8個(gè)雨量站的逐日數(shù)據(jù)。流量采用距離研究區(qū)最近的阿城水文站2009年1月1日到2015年10月31日的日流量數(shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)采用項(xiàng)目區(qū)4個(gè)匯水口2014-2015年的總氮、總磷瞬時(shí)污染物濃度數(shù)據(jù)，通過LOADEST模型插值后計(jì)算得出月污染物濃度負(fù)荷，通過建立的SWAT模型對(duì)日流量及月污染物濃度負(fù)荷進(jìn)行模擬[5]。匯水口的編號(hào)記為：H01、H02、H03、H04。

3 各污染物負(fù)荷回歸方程的建立

本文基于LOADEST統(tǒng)計(jì)模型，采用連續(xù)的日流量數(shù)據(jù)和有限的、離散的水質(zhì)數(shù)據(jù)，建立總氮和總磷污染物負(fù)荷回歸方程，確定模型中各個(gè)水質(zhì)參數(shù)回歸方程中的相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行回歸檢驗(yàn)分析。LOADEST模型的計(jì)算原理見圖1，本研究采用2015年1月-2015年12月的LOADEST模型TN、TP估算結(jié)果進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)的污染物模擬，LOADEST模型估算結(jié)果見表1-2.

圖1 LOADEST統(tǒng)計(jì)模型基本構(gòu)成圖

1月2月3月4月5月6月H01TNTP月負(fù)荷15.397027.669055.897097.7550338.1830278.774095%置Lower3.987011.691020.462031.5940106.821096.9170信區(qū)間Upper54.198059.3900169.8040234.7060493.5270462.7950月負(fù)荷1.69102.61703.79908.016018.036018.367095%置Lower0.36000.96001.68503.29005.37905.6970信區(qū)間Upper5.94007.69009.807019.181052.905051.2670H02TNTP月負(fù)荷30.697091.3077173.2807303.0405730.4753591.837295%置Lower4.465438.580363.432297.9414230.7334205.7548信區(qū)間Upper60.7018195.9870526.3924727.58861066.0183982.5138月負(fù)荷1.89398.636111.776924.849638.957838.993195%置Lower0.40323.16805.223510.199011.618612.0947信區(qū)間Upper6.652825.377030.401759.4611114.2748108.8398H03TNTP月負(fù)荷23.095531.985476.0199111.4407381.8086398.925695%置Lower5.980513.514827.828336.0172120.6009138.6882信區(qū)間Upper81.297068.6548230.9334267.5648557.1920662.2596月負(fù)荷2.53653.02535.16669.138220.362626.283295%置Lower0.54001.10982.29163.75066.07298.1524信區(qū)間Upper8.91008.889613.337521.866359.729773.3631H04TNTP月負(fù)荷12.163624.625446.953588.9571257.0191192.354195%置Lower3.149710.405017.188128.750581.184066.8727信區(qū)間Upper42.816452.8571142.6354213.5825375.0805319.3286月負(fù)荷1.33592.32913.19127.294613.707412.673295%置Lower0.28440.85441.41542.99394.08803.9309信區(qū)間Upper4.69266.84418.237917.454740.207835.3742

表2 2015年7-12月份項(xiàng)目區(qū)各月份污染物負(fù)荷

續(xù)表2 2015年7-12月份項(xiàng)目區(qū)各月份污染物負(fù)荷

4 SWAT模型的建立

土地利用是SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)建立的重要數(shù)據(jù)之一，其影響著降水在路面的流動(dòng)過程，對(duì)水文過程模擬有重要影響，本文首先將DEM數(shù)據(jù)加載進(jìn)arcswat軟件中，設(shè)定最小匯水面積閾值為500km2，劃分出37個(gè)子流域，并計(jì)算流域地形參數(shù)，采用最終劃分的流域分水線提取出流域包含的土地利用數(shù)據(jù)。由于國(guó)內(nèi)目前沒有完整的不同土地利用數(shù)據(jù)參數(shù)，因此本文通過索引表建立土地利用數(shù)據(jù)與SWAT模型自帶的landcover/plant土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)之間的聯(lián)系，采用模型默認(rèn)的參數(shù)。重分類后的呼蘭河流域土地覆被對(duì)應(yīng)的SWAT土地利用代碼為WATR、FRSE、FRSD、FRST、HAY、PAST、AGRL、URHD。本文將土壤分為兩層即0-30cm和30-100cm，土壤最大可壓縮量SOL_CRK取為0.5，土壤層的有機(jī)碳含量采用土壤有機(jī)質(zhì)含量乘以0.58，土壤各層的黏土含量、壤土含量、砂土含量及礫石含量可從HSWD數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取，地表反射率設(shè)置為0.01，土壤最大可伸縮量取為1，土壤的濕容重SOL_BD、土壤的有效含水量SOL_AWC、飽和滲透系數(shù)SOL_K由SPAW軟件計(jì)算出結(jié)果。

5 非點(diǎn)源污染模擬結(jié)果

研究區(qū)4個(gè)匯水口污染物模擬結(jié)果的相關(guān)性分析圖見圖2-9。從圖中可以看出，非點(diǎn)源污染模擬效果較好，說明SWAT模型在高寒地區(qū)非點(diǎn)源污染模擬具有加好的適用性。

圖2 H01匯水口TN模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)分布圖

圖3 H02匯水口TN模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)分布圖

圖4 H03匯水口TN模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)分布圖

圖5 H04匯水口TN模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)分布圖

圖6 H01匯水口TP模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)分布圖

圖7 H02匯水口TP模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)分布圖

圖8 H03匯水口TP模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)分布圖

圖9 H04匯水口TP模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)分布圖

6 結(jié) 論

本文采用美國(guó)地質(zhì)勘探局(UnitedStatesGeologicalSurvey，簡(jiǎn)稱USGS)開發(fā)的LOADEST模型對(duì)瞬時(shí)污染物進(jìn)行線性回歸，從而獲得月污染物數(shù)據(jù)，然后采用SWAT模型研究了其在北方高寒地區(qū)非點(diǎn)源污染模擬中的適用性，研究結(jié)果表現(xiàn)模擬效果較好，可將SWAT模型作為高寒地區(qū)非點(diǎn)源污染模擬的水文模型。

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1007-7596(2017)04-0019-04

2017-03-06

周欣(1980-)，女，遼寧岫巖人，高級(jí)工程師；雷興元(1989-)，男，黑龍江青岡人，助理工程師。

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