清水河流域農業非點源污染模擬及特征分析

郝桂珍，宋鳳芝，徐 利，朱貴有

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.張家口市水務局，河北 張家口 075000)

近年來，隨著流域污染防治工作的不斷深入，農業非點源已成為國內外水環境的首要污染源。從全球范圍來看，由污染導致退化的12 億hm2耕地中，農業非點源污染導致的耕地退化約占12%[1]；我國《第一次全國污染源普查公報》顯示，農業源排放的TN、TP分別占其排放總量的57.19%和67.27%。國內外的實踐研究表明，模型能夠模擬流域復雜的污染過程、分析非點源污染負荷的時空分布特征，是量化和管控非點源污染最直接有效的方法[2]，因此自國外引進以來便在國內迅速得到推行。相關研究表明[3,10]，SWAT模型在我國北方和南方流域都具有良好的適用性，例如王中根等[3]對海河流域的研究是SWAT模型在我國大型流域的成功應用；李爽等[4]利用SWAT模型對南四湖流域的非點源氮、磷污染進行了定量模擬和時空分布特征分析；秦云[5]利用SWAT模型模擬及預測了梁子湖流域的非點源污染，并基于模型分析提出了非點源污染控制措施。

本文以清水河流域為研究對象，構建SWAT模型對流域內的非點源污染進行模擬。基于模型模擬結果統計流域的非點源總氮(TN)、總磷(TP)污染負荷，并從時間、空間和降水等方面分析非點源污染特征，以掌握清水河流域的非點源污染狀況，為流域的污染控制和管理提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 清水河流域概況

清水河流域位于冬奧舉辦城市張家口。2017年1月，習總書記視察河北省張家口市時做出重要指示，強調張家口要加強生態建設，樹立生態優先意識，建成首都水源涵養功能區和生態環境支撐區，這是深入實施京津冀協同發展戰略的重大舉措。冬奧會的舉辦，更是代表中國向世界展示山清水秀、生機盎然、欣欣向榮的美麗中國形象，因此該流域的環境形象是向世界展示中國走綠色可持續發展道路的樣板。

該流域內的清水河是海河流域永定河水系洋河的主要支流。如圖1所示，清水河發源于張家口市崇禮區樺皮嶺南麓，流經清三營、獅子溝、白旗、西灣子、高家營等五個鄉鎮，至張家口市匯入洋河，全長109 km，上游分為東溝、正溝和西溝三大支流。

1.2 清水河水質現狀

為保證冬奧期間的用水安全，張家口市已對污染企業進行關閉或停產整治[7]，點源污染得到有效控制。因此，為進一步提高水環境質量，有必要對流域內的非點源污染進行分析研究。

2 流域非點源污染模型的應用

2.1 SWAT模型概述

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是20世紀90年代中后期Jeff Arnold博士為美國農業部農業研究局(United States Department of Agriculture- Agricultural Research Service，USDA-ARS)開發的流域尺度模型[10]。該模型是一種基于地理信息技術(Geographic Information System，GIS)的分布式流域水文模型，由水文、土壤侵蝕與泥沙運輸、營養物遷移轉化三個模塊構成，不僅可以進行長期連續的模擬，而且計算效率較高，被廣泛應用于非點源污染的預防和治理。因此，本次應用該模型對清水河流域農業非點源污染進行模擬。

2.2 SWAT模型構建

借助Arc GIS平臺構建清水河流域SWAT非點源污染模型。SWAT模型作為一個分布式水文模型，在應用于流域非點源污染模擬及控制時，所需數據包括數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、土地利用數據、土壤數據、水文氣象數據和農業管理數據等，將這些基礎數據轉換為模型所需的格式，建立SWAT模型基礎數據庫，數據來源及說明見表1。

表1 數據來源及說明Tab.1 Data source and description

2.2.1 劃分子流域

高精度水系流域的生成有助于提高模型的模擬精度，DEM數據是SWAT模型用來自動提取流域邊界基礎，子流域劃分是模型運行的重要組成部分。考慮到清水河流域的實際情況，以張家口市水文站為流域總出口，將河道閾值設定為4 000 hm2，通過模型調用Arc GIS的水文模塊完成子流域劃分，共生成集水面積1 987.03 km2，并劃分為23個子流域，見圖3(a)。

2.2.2 水文響應單元的劃分

子流域劃分完成后，需進一步在每個子流域內劃分水文響應單元(Hydrologic Response Unit，HRU)，包括土地利用、土壤、地形數據加載及重分類和HRU的定義。

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如圖3(b)所示，SWAT模型將清水河流域的土地利用類型重分為AGRL(耕地)、FRST(林地)、PAST(草地)、WATR(灘地)、URMD(城鎮用地)和URML(城鄉居民點)6類，其中草地、林地和耕地分別占流域總面積的39.50%、31.60%和27.88%，是流域內主要的土地利用類型。

流域內土壤被重分為13種類型，其中滯水高活性淋溶土(LVj)和不飽和雛形土(CMd)是流域內的主要土壤類型，占流域總面積的62.52%。疊加子流域、土地利用和土壤數據，并按模型操作手冊的建議，將土壤最小閾值設置為5%定義HRU，最終將清水河流域劃分為398個水文響應單元。

2.2.3 氣象和土地管理數據庫

利用天氣發生器將崇禮氣象站2007-2016年監測的日氣象數據轉換為SWAT模型計算所需的.dbf格式，構建SWAT模型氣象數據庫；而后依據實地調研和統計年鑒，構建農業管理數據庫。至此，SWAT模型基礎數據庫構建完成。

2.3 模型率定與驗證

2.3.1 敏感性參數選擇

利用SWAT-CUP軟件中的全局敏感性分析(Global Sensitivity)方法，篩選出10個對模型模擬結果影響最大的敏感性參數，以便對模型進行率定及驗證。參數的物理意義和取值范圍如表2所示。

表2 敏感性參數的物理意義和取值范圍Tab.2 The physical significance and value range of sensitivity parameters

2.3.2 模型的率定與驗證

采用張家口水文站的實測徑流數據，利用SWAT-CUP軟件中的SUFI2算法對模型進行率定和驗證。以2007-2009年為預熱期、2010-2013年為率定期、2014-2016年為驗證期，根據納什效率系數Ens和線性回歸系數R2的結果對模型進行適用性評價，監測站點實測值與模擬值擬合結果和校驗結果見圖4。結果表明，模型率定期的Ens和R2分別為0.505、0.660，驗證期的Ens和R2分別為0.674、0.738，均滿足Ens≥0.5、R2≥0.6的精度要求，表明SWAT模型在清水河流域的適用性較好。

3 非點源污染特征分析

3.1 時間分布特征

3.1.1 年際變化特征

對SWAT模型進行率定和驗證后，通過子流域輸出文件(output.sub)中的ORGN、NSURQ、LAT_Q_NO3和GWNO3累加得到非點源TN污染負荷，通過ORGP、SOLP和SEDP累加得到非點源TP污染負荷。如表3所示，2011、2013、2015和2016年的年均非點源污染輸出負荷表現為TN>TP，氮、磷輸出負荷表現為2013年最高、2015年最低，TN、TP的最高輸出負荷量分別為626.32和160.80 t/a，研究區域內TN造成的非點源污染較為嚴重。

表3 清水河流域的年均模擬輸出負荷 t

3.1.2 季節變化特征

如圖5所示，清水河流域非點源污染輸出負荷變化具有明顯的季節性：夏季(6-8月)TN和TP的輸出負荷占全年總負荷的比例均大于60%，是非點源污染產生的高峰期；而冬季是非點源污染產生的低谷期，TN、TP的輸出負荷占比分別為2.31%和0.74%；受降雨量和徑流量的影響，春秋兩季的輸出負荷量有明顯的波動變化，TN的平均輸出負荷分別為7.00%、15.23%，TP的平均輸出負荷分別為1.52%、16.80%。

3.1.3 各子流域月變化特征

研究區域內23個子流域在2011、2013、2015和2016年不同月份TN和TP輸出負荷累計值如圖6所示。可以看出，各子流域非點源TN和TP的輸出負荷變化特征非常相似，5、6、16、20號子流域累計輸出負荷量較大，而23、17號子流域輸出量較小。總體看來，汛期的輸出負荷明顯大于非汛期，所有子流域在汛期(6-8月)的輸出負荷占比超過總負荷的50%，可見，降雨量對非點源污染負荷有較大影響。

3.2 空間分布特征

根據子流域輸出文件，分別作研究區內非點源TN、TP輸出負荷強度(kg/hm2)的空間分布圖。如圖7和圖8所示，各子流域TN、TP的輸出負荷強度變化范圍分別為0.038～0.469和0.002～0.136 kg/hm2，其年均值分別為0.193、0.043 kg/hm2。2011年非點源TN、TP輸出負荷主要集中在5、6、10、12、14號子流域，普遍達到0.246和0.053 kg/hm2；2013年非點源TN和TP 輸出負荷主要集中在2、3、5、6、10、12、14號子流域，普遍達到0.393和0.106 kg/hm2；2015年非點源TN和TP 輸出負荷主要集中在1、2、3、5、6、14號子流域，普遍達到0.274和0.054 kg/hm2；2016年非點源TN和TP 輸出負荷主要集中在2、3、5、6、7、10、12、14號子流域，普遍達到0.314和0.068 kg/hm2。可見，2013年的輸出負荷強度最高。

清水河流域地形東北高、西南低，河流順地勢流淌，地形差異使得流域內河網密度分布不均，在東溝和西溝區域中河網較密集，耕地和草地也集中分布在河流兩岸坡度較小的平原和丘陵區；植被量由東溝至西溝逐漸減少，水土流失現象逐漸加重。非點源污染負荷強度較高的2、3、5、6、7、10、12、14號子流域約占流域總面積的30.24%，而TN、TP輸出負荷量分別約占總負荷量的50.41%和51.40%，是研究區域非點源污染負荷流失的關鍵源區。關鍵源區集中分布在東溝和西溝水系兩側，主要土地利用類型為耕地和草地，由于水土流失和翻耕、施肥等農業管理措施的影響，導致了較高強度的污染流失；其次，在正溝水系周圍也具有較高的輸出強度，該區域林地的植被覆蓋度較高，植物根系對營養物質的固定作用較好，有效緩了降雨徑流的沖刷和污染物的流失。

3.3 污染負荷與降水的關系

3.3.1 時間變化關系

為進一步探究清水河流域非點源污染輸出負荷變化與降水的關系，如圖9所示，統計流域2011、2013、2015和2016年的月均降雨量及非點源污染逐月輸出負荷量。由圖9可見，研究區域非點源TN、TP負荷的變化趨勢基本一致，年際變化較大，并呈現出中間高、兩頭低的形狀變化，最高值均出現在6-8月。降雨量的形狀變化特征與其相似，峰值出現在6-8月，是研究區域的汛期。污染物年內總變化統計如表4所示，污染物在汛期(6-8月)的輸出量占比較高，TN、TP污染負荷分別占全年總量的75.07%和79.56%，降雨量和徑流量在汛期占全年總量的比重也超過50%。在農業管理措施中，6-8月是流域內作物種植、施肥的重要時期，化肥積累量大；而汛期降雨量豐富，徑流量也較大，降雨徑流的沖刷和運移對流域內非點源污染物影響較大。

3.3.2 相關性分析

為進一步探究清水河流域內非點源輸出負荷與降雨量的關系，利用SPSS 19.0軟件對研究區域的降雨量、徑流量和非點源TN、TP污染負荷進行相關性分析，如表5所示，徑流量的形成與降雨量呈正相關關系，其Pearson相關性為0.650；非點源污染負荷與降雨量、徑流量的相關性均>0.7，在0.01水平上顯著相關。可見，降雨量和徑流量對非點源污染的產生和遷移至關重要。

表4 清水河流域汛期指標及占全年比例Tab.4 The index of Qingshui river basin in flood season and its proportion for the whole year

表5 各值相關性分析Tab.5 Correlation analysis of each value

研究區域各子流域在模擬期內的非點源污染輸出負荷與降雨量的相關系數空間分布如圖10所示，總體上看，降水作為污染物流失的驅動因子，非點源污染輸出負荷均與降水呈正相關。非點源TN輸出負荷與降水相關性較強的區域主要集中分布在正溝、西溝兩側和東溝上游，其中相關性最高的區域為2、4、5、14號子流域，相關系數為0.769～0.857，因此降水是導致該區域內非點源污染的流失主導因素。各子流域的非點源TP輸出負荷與降水相關性的空間分布與TN有部分差別，如3、6、15、16號子流域的TP輸出負荷與降水的相關性明顯弱于TN。耕地是這些區域中的主要土地利用類型，并且多為坡度較小的平原和丘陵區，水土流失現象較嚴重；農業生產施用的磷肥進入土壤后較難溶解，而溶解的部分容易被土壤膠粒吸附形成較穩定的物質，不易被釋放和移動，而氮素易被淋洗而被徑流攜帶流失，因此使得該區域的氮磷輸出負荷與降水和相關系數存在一定的差異。

相關系數高的區域，非點源污染物的流失與降水密切相關，高降雨量及強降水都會引起污染物的大量流失。此外，結合非點源污染負荷的空間分布可知，該區域自身非點源污染負荷強度較高，會加重非點源污染。因此，非點源污染物與降水相關性較高的區域一定要加強管理，特別是要嚴格控制農業種植區的化肥施用量和施用強度，合理施肥；草地及林地區應合理建造植被過濾帶，以加強水土保持效果，削減徑流量，減少非點源污染物的流失。

4 結 論

利用SWAT模型對清水河流域進行非點源污染模擬及特征分析，主要結論如下：

(1)研究區域農業非點源污染的時間分布特征表明：在年際變化上，2011、2013、2015和2016年的年均非點源污染輸出負荷均表現為TN>TP，TN、TP的最高輸出負荷量分別為626.32和160.80 t/a，TN造成的非點源污染較為嚴重；在季節變化上，非點源污染輸出負荷具有明顯的季節性，夏季和冬季分別是其產生的高峰期和低谷期；此外，各子流域的年累積負荷量在6-8月份占比超過總輸出負荷的50%，呈現出汛期明顯大于非汛期的特征。

(2)研究區域農業非點源污染的空間分布特征表明：2、3、5、6、7、10、12、14號子流域TN、TP輸出負荷量分別約占總負荷量的50.41%和51.40%，是非點源污染負荷流失的關鍵源區，這些區域集中分布在東溝和西溝水系兩側，主要土地利用類型為耕地和草地。

(3)根據非點源污染負荷的時空分布特征，進一步探究污染輸出負荷與降雨量的關系，結果表明：在時間上，流域內的非點源TN、TP的逐月輸出負荷與月均降雨量均呈現出中間高、兩頭低的形狀變化，汛期(6-8月)TN、TP污染負荷分別占全年總量的75.07%和79.56%，降雨量和徑流量的比重也超過50%；相關性分析表明，各子流域的污染輸出負荷與降雨量呈正相關關系，輸出負荷與降水相關性較強的區域集中分布在正溝、西溝兩側和東溝上游，該區域內非點源污染物的流失與降水密切相關，高降雨量及強降水都會引起污染物的大量流失。

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