基于SWAT模型的清江流域宜都段不同土地利用模式下非點源污染分析

劉晶晶,張 博,孫小沛

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

目前引起水體富營養化的最主要污染源是非點源污染，非點源污染已成為當前中國經濟健康發展和生態文明建設的重要制約因素[1]。非點源污染的影響因子非常多，其中，土地利用跟人類社會的生產、生活有著緊密的關系，土地利用不合理、農田管理模式不科學會導致土壤結構破壞，土壤涵養營養元素的能力降低，過量的營業元素流失。深入了解土地利用模式變化情況下非點源污染負荷的變化，具有非常重要的意義。本文運用了SWAT(Soil and Water Assessment)模型模擬了研究區域的非點源污染負荷量，定量分析非點源污染負荷量對土地利用模式的響應情況。近年來，中國越來越多地使用SWAT模型定量模擬非點源污染負荷，并取得了一定的成果，王曉燕、秦耀民等[3-4]分別在密云水庫、黑河流域驗證了SWAT模型的適用性及對不同土地利用模式的模擬研究。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

清江干流自南向北穿過利川、恩施、巴東、長陽、宜都市等10個縣市，在宜都市陸城街辦匯流入長江。本文研究區域為清江流域宜都段，位于湖北省西南部，地勢西南高、東北低，地貌以丘陵為主，海拔最高和最低為1064.60 m和38.00 m，屬亞熱帶季風氣候，降雨量充足，年平均溫度16.7 ℃，包括紅花套鎮、高壩洲鎮、五眼泉鎮、姚家店鎮、聶家河鎮、潘家灣鄉、王家畈鎮、陸城街辦7個鄉鎮和1個街道辦事處。

根據研究區主要河段水質監測斷面的實測水質數據，2003—2010年間清江流域宜都段水質呈惡化的趨勢，通過實地調研，主要非點源污染源為農田徑流、生活污水、畜禽養殖和網箱養殖4個部分。近年來，化肥農藥的用量逐年增加，畜禽養殖、網箱養殖規模不斷擴大，這些都加劇了研究區域的非點源污染。經過對研究區域的100份村民調查問卷分析，在有數據的問卷中，村民的生活污水有50%沒有處理直接倒掉，47%用作灌溉或養殖用途；人畜糞便的處理方式中，有42.5%的村民將人畜糞便全部用作農家肥，50.5%用在沼氣池，可以發現，研究區域中非點源污染物大部分在排放前未得到有效處理。

通過建立SWAT模型對研究區域的污染負荷情況進行模擬能很好地了解研究區域污染源和污染物的分布規律，同時，基于非點源污染源幾乎都與土地利用方式密切相關，研究不同土地利用情景下污染負荷的變化規律對研究區域土地規劃的決策起到指導作用。

1.2 SWAT模型構建

SWAT模型構件需要的基本數據包括空間數據、土壤參數數據、氣象參數數據、農業管理模式等，簡要介紹如表1。

在SWAT模型建模過程中，首先通過對數字高程模型進行處理，通過高程參數確定柵格精度下的徑流流向，從而生成河網，劃分子流域。以子流域為單位，對子流域內部的土地利用模式和土壤參數進行疊加分析，從而將每一個子流域劃分為不同的水文響應單元(HRU)，每個水文響應單元都僅具有單個土壤類型和土地利用模式。HRU即為SWAT模型模擬的最小單元，最終形成的模擬結果都以各個HRU的結果表示。

表1 SWAT模型構建的基本數據表

通過氣象數據及農業管理數據的輸入，SWAT模型對每個HRU分別進行模擬。需要指出的是，可以通過設定集水面積的閾值來控制子流域的數目，而HRU的數量可以根據限制土地利用模式和土壤類型的面積閾值來確定。本研究中取最小集水面積閾值為5%，土地利用面積閾值為5%，土壤類型面積閾值為10%，最終劃分為33個子流域，122個HRU，見圖1。

1.3 SWAT模型效率評價方法

SWAT模擬中，選取相關系數R2和Nash-Suttcliffe系數Eens來評價模型的模擬精度和模型適用性。相關系數R2越接近于1，表明實測值與模擬值越相似。Nash-Suttcliffe系數Eens的計算公式為：

(1)

式中：Q0為實測數據；Qp為模擬值；Qavg為實測數據平均值；n為實測數據個數。當模擬值越接近于實測值，Eens越接近于1；如果Eens小于0，表示使用模擬值比直接使用實測值進行評價的可信度要低。

在模型模擬初期，許多變量的起始值為0(如土壤含水量起始值)，會對模型模擬結果的準確性帶來很大的影響，因此，選取模擬初始時期為模型運行的緩沖期，以合理的模型初始變量進行模擬。

圖1 清江流域宜都段子流域劃分圖

2 結果分析

2.1 模型率定

徑流數據來自清江流域宜都段聶家河水文站的實際觀測月徑流資料，時間為1996—2010年，選取1980—1995年為緩沖年份，確定模型基本參數初始值，選用1996—2005年聶家河水文站的月平均流量資料進行水文參數的率定，選用率定后的參數運用2006—2010年的實測資料對參數進行驗證。

利用SWAT-CUP軟件對模型的模擬參數進行調整，得到1996—2005年率定期R2=0.80，Eens=0.61;2006—2010年驗證期R2=0.78，Eens=0.54，水量模擬結果較為理想,見圖2。

營養物質數據來自清江流域宜都段清江橋斷面2005—2010年的水質數據，選取1980—2004年為緩沖年份，2005—2008年清江橋水質監測斷面的氨氮數據進行參數率定，2009—2010年的數據進行參數的驗證,見圖3。

經過調參，2005—2008年率定期R2=0.79，Eens=0.48，2009—2010年驗證期R2=0.87，Eens=0.32。氨氮較為活潑，率定的結果具有較高的吻合度，因此模型在污染物模擬過程中具有較高的可信度。

圖2 1996—2010年徑流量模擬值與實測值對比圖

圖3 2005—2010年氨氮模擬值與實測值對比圖

2.2 土地利用類型變化情況下污染負荷模擬

本研究中使用的土地利用模式有2種，分別為2009年土地利用模式和2020年規劃土地利用模式。

2種土地利用模式對比分析，2020年，退耕還林政策實施明顯，林地面積占宜都市土地利用的主導地位，城鎮化迅速發展，城鎮及工業用地面積大量增加，同現狀土地利用模式比較，耕地面積減少了47.7%，林地面積增加了82%，城鎮面積擴張了3倍以上,見圖4。

2.2.1 不同土地利用模式下流域徑流變化規律

通過SWAT模型的模擬，將各個鄉鎮單位面積產流量進行比較，由圖5看出紅花套、高壩洲、潘家灣、王家畈這幾個鄉鎮產水量較大，從地勢上看，紅花套和高壩洲位于清江宜都段的上游，潘家灣和王家畈位于清江的支流漁洋河宜都段的上游，4個鄉鎮的地勢較高，較易產生匯流[5]，因此產流量較高。同時，得出兩種土地利用情景下各鄉鎮產流量的變化，各鄉鎮在2020年規劃土地情景下產流量比現狀土地利用情景下消減率達到3%～9%。

圖4 2009年與2020年土地利用情景對比圖

圖5 各鄉鎮年均單位面積產流量圖

2.2.2 不同土地利用模式下流域污染負荷變化規律

圖6 2種土地利用模式下年均污染負荷比較圖

根據SWAT模型的模擬結果，研究區域2020年相對于2009年土地利用模式下的污染負荷顯著降低，硝態氮、銨態氮、有機氮、有機磷、總氮、總磷分別減少了20.16%、34.49%、21.83%、28.05%、23.77%、29.53%(見圖6)。由此可以看出，在其他條件相同的情況下，土地利用的變化對污染負荷數量影響顯著，這是因為土地利用類型的變化帶來了陸地表層植被的截留量和地表蒸發量的變化，林地面積的增加即陸地植被的增加能促進水分和養分的涵養，增加污染負荷的消耗，同時能減少污染負荷隨徑流的流失。同時，在幾個污染負荷指標中，有機氮和總氮的污染負荷所占比例較高，這是由于網箱養殖、生活污水、畜禽養殖是研究區域非點源污染的重要方面，網箱養殖的污染物是魚體殘餌和排泄物，含量主要是蛋白質，生活污水和畜禽養殖污染物中也有一大部分是有機物。

從年均污染物產生量來看，無論是現狀還是2020年的土地利用條件下，清江流域宜都段高壩洲鎮和陸城街辦的污染負荷均為最高，高壩洲鎮和陸城街辦的總氮總磷平均分別達到了其他鄉鎮的2.7倍和2.4倍以上，這是由于宜都市網箱養殖基地主要分布在高壩洲鎮，而陸城鎮作為宜都市的城區，是點源排放點的集中區域。

分析各個鄉鎮在2種土地利用模式下污染物產生量的變化，見表2。紅花套鎮、五眼泉鎮和潘家灣鄉的污染物消減較高，通過2個時期的土地利用情況的比較，這3個鄉鎮的退耕還林效果都較明顯，紅花套鎮耕地面積減少達到68.16%，林地面積增加了2.29倍，潘家灣鄉耕地面積減少了50.4%，林地面積增加了63%，五眼泉鎮耕地面積減少了45.5%，林地面積增加了1.86倍，3個鄉鎮的污染負荷平均消減率分別達到了32.28%、29.42%和28.33%，是8個鄉鎮中最高的。這3個鄉鎮也是林地增加比較明顯的鄉鎮，這進一步說明林地有較好的非點源污染消減作用[.6]。而陸城街辦耕地面積減少達到82%，但是耕地的減少更大程度上換來的是城鎮面積的擴張，耕地和城鎮農村居民用地都是非點源污染敏感區[7]，因此，陸城街辦的污染物消減不是特別突出。

表2 各鄉鎮年均規劃土地利用情景下污染物負荷消減率表

3 結 語

通過以上SWAT模型對清江流域宜都段2009年和2020年規劃土地利用模式下的污染負荷模擬的結果，可得到以下結論。

(1) 林地具有較好的攔截徑流的效應，從而能很好地消減流域非點源污染負荷的產生，隨著林地面積的增加、耕地的減少，流域的非點源污染負荷能得到很好的控制。

(2) 同樣的氣象、水文、土壤、污染源條件下，在2020年土地利用規劃情景中，非點源污染負荷顯著降低，在經濟發展、城鎮擴張的同時，貫徹落實退耕還林政策能得到很好的污染物消減的效果。

(3) 隨著經濟的發展，流域的污染源也會隨之增加，因此在經濟發展、城鎮擴張的同時，要重視流域的環境質量，加強生態環境的保護和修復，做到可持續發展。

參考文獻:

[1] 王宗明,張柏,宋開山,等.農業非點源污染國內外研究進展[J].農業資源與環境科學，2007，23(09):468-472.

[2] 郝芳華,陳利群.土地利用變化對產流和產沙的影響分析[J].水土保持學報，2004,18(03):5-8.

[3] 王曉燕,秦福來,歐洋,等.基于SWAT模型的流域非點源污染模擬—以密云水庫北部流域為例[J].農業環境科學學報，2008，27(03):1098-1105.

[4] 秦耀民,胥彥玲,李懷恩. 基于SWAT模型的黑河流域不同土地利用情景的非點源污染研究[J].農業資源與環境科學，2009，29(02):440-448.

[5] 芮孝芳.關于降雨產流機制的幾個問題的討論[J].水利學報，1996(09):22-26.

[6] 陳媛,郭秀銳,程水源,等.基于SWAT模型的三峽庫區大流域不同土地利用情景對非點源污染的影響研究[J].農業環境科學學報，2012，31(04):798-806.

[7] 張琪,李忠武,曾光明,等.瀏陽河土地利用變化對非點源污染負荷的影響[J].環境工程學報，2009，3(02)；377-380.