基于SWAT模型的尼山水庫流域面源污染特征分析

矯桂麗,劉洪林,孫秀玲,尹兒琴,姜瑞雪

基于SWAT模型的尼山水庫流域面源污染特征分析

矯桂麗1,劉洪林1,孫秀玲2,尹兒琴3*,姜瑞雪3*

1. 山東省水文局, 山東 濟南 250002 2. 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院, 山東 濟南 250061 3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018

本研究通過對尼山水庫流域進(jìn)行實地調(diào)查和資料收集，利用SWAT模型估算了尼山水庫流域面源污染負(fù)荷，分析了面源污染的時空分布特征，識別了尼山水庫流域面源污染關(guān)鍵污染區(qū)域和關(guān)鍵污染源。結(jié)果表明：2015–2018年，流域總氮、總磷入庫負(fù)荷平均值為264.74 t/a和43.1 t/a，雨季（6–8月）總氮、總磷入庫負(fù)荷分別占總?cè)霂熵?fù)荷的93.23%、87.90%；尼山水庫流域總氮和總磷高流失區(qū)集中在張莊鎮(zhèn)、尼山鎮(zhèn)，其次為田黃鎮(zhèn)西南部和圣水峪鎮(zhèn)北部；肥料流失是造成尼山水庫流域面源污染的主要的人為因素，其中氨氮、總氮、總磷分別占總量的34.52%、39.85%和52.95%。

尼山水庫; 面源污染; SWAT模型

近年來，農(nóng)業(yè)種植和農(nóng)村生活引起的面源污染對水資源和水環(huán)境的影響逐漸凸顯。由于面源污染發(fā)生和傳輸?shù)奶厥庑裕媚Ｐ烷_展面源污染負(fù)荷量化、時空分布規(guī)律研究及污染區(qū)和污染源的識別對面源污染的防控至關(guān)重要[1,2]。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型基于物理機制，可有效模擬多種物理化學(xué)過程，且集成遙感及地理信息系統(tǒng)，運行速度快，效率高，SWAT模型在流域污染物模擬方面的有效性已得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛證實[3-5]。

尼山水庫位于曲阜市尼山鎮(zhèn)劉樓村，泗河支流小沂河的上游，是一座集防洪、灌溉、工業(yè)和城市供水、旅游等綜合利用的大型水庫，總庫容1.128億m3，流域面積258.57 km2。流域內(nèi)多年平均降雨量750 mm，雨季多集中在6–8月份，流域內(nèi)多年平均氣溫13.7 ℃，多年平均最大風(fēng)速11.4 m/s。流域內(nèi)主要土地利用類型為耕地和林地，分別占流域總面積的56.44%和21.48%，農(nóng)作物主要為小麥、玉米等。流域內(nèi)包括5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，人口約7.23萬。

本文旨在探討SWAT模型在尼山水庫流域的適用性，并利用率定后的SWAT模型估算該流域面源污染負(fù)荷，分析面源污染的時空分布特征，識別尼山水庫流域面源污染關(guān)鍵污染區(qū)域和關(guān)鍵污染源，這將為尼山水庫流域的面源污染的防控和水資源保護(hù)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 SWAT模型構(gòu)建

1.1.1數(shù)據(jù)庫構(gòu)建構(gòu)建SWAT模型所需的基本數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型圖（DEM）、土地利用圖、土壤類型分布圖等，屬性數(shù)據(jù)包括土壤的物理化學(xué)屬性、氣象、水文、水質(zhì)及污染源數(shù)據(jù)等。本研究的DEM圖來自地理空間數(shù)據(jù)云，精度為30 m；土地利用圖基于2019年7月高分1號衛(wèi)星遙感影像（空間分辨率為8 m）經(jīng)非監(jiān)督分類結(jié)合目視解譯獲得，其中耕地與林地占比較大，分別為56.44%和21.48%，農(nóng)村居民點和草地次之，分別占7.83%和8.32%，水域和裸土地分別占4.57%和1.36%；土壤類型分布圖（1:100萬）來自寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。土壤基本屬性數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）；氣象數(shù)據(jù)包括日降雨、氣溫、風(fēng)速、相對濕度等來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和當(dāng)?shù)厮木帧８鶕?jù)第二次全國污染源普查和實地調(diào)查，將農(nóng)業(yè)種植污染、農(nóng)村生活污染和畜禽養(yǎng)殖污染識別為流域內(nèi)的人為面源污染源。農(nóng)業(yè)種植污染源采用污染源普查數(shù)據(jù)，農(nóng)村生活污染源和畜禽養(yǎng)殖污染源采用排污系數(shù)法計算獲得[6]。

1.1.2 流域空間離散化流域空間離散化主要包括子流域劃分與水文響應(yīng)單元（HRUs）劃分。子流域的劃分采用SWAT模型的水系生成和流域分割功能，通過提取數(shù)字高程模型的地形地貌并參考數(shù)字河網(wǎng)水系獲得，本研究區(qū)域共被劃分為57個子流域，平均流域面積4.28 km2，最小流域面積0.02 km2，最大流域面積19.22 km2，如圖1所示。子流域再按土地利用狀況、土壤特性和坡度劃分成1069個HRUs。

圖1 子流域劃分圖

表1 參數(shù)率定和驗證結(jié)果

1.1.3 模型參數(shù)率定與驗證本研究采用自動率定與手動率定相結(jié)合的方法對敏感性參數(shù)進(jìn)行率定和驗證，先進(jìn)行徑流參數(shù)再進(jìn)行營養(yǎng)鹽參數(shù)的率定和驗證[7]。由于尼山水庫缺乏歷年入庫河流流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，因此模型的校準(zhǔn)與驗證采用2019年的實測數(shù)據(jù)。選取夫子洞大橋站、顏母大橋站作為徑流和營養(yǎng)鹽參數(shù)率定與驗證站點。在模型自帶的SWAT-CUP分析模塊對徑流和氮、磷負(fù)荷敏感性分析的基礎(chǔ)上，重點對與徑流相關(guān)的7個參數(shù)（CN2、ESCO、ALPHA_BF、GW_DELAY、SOL_Z、SOL_BD、SOL_AWC）、與總氮和氨氮相關(guān)的4個參數(shù)（CND、SDNCO、ERORGN、NPERCO）和與總磷相關(guān)的2個參數(shù)（RPERCO、PHOSKD）進(jìn)行手動率定[8]，利用納什系數(shù)（NS）和決定系數(shù)（2）評價模型的模擬效果，評價結(jié)果見表1。由表1可見，在模型率定期和驗證期，夫子洞大橋站和顏母大橋站的徑流、氨氮、總氮和總磷的2均大于0.6，NS均大于0.5，表明SWAT模型對尼山水庫徑流和營養(yǎng)鹽的模擬效果較好[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 面源污染時間分布

2.1.1 年內(nèi)分布

圖2 降雨、徑流及氮磷入庫負(fù)荷年內(nèi)分布

圖3 降雨、徑流及氮磷入庫負(fù)荷年際分布

尼山水庫流域降雨、徑流及氮磷入庫負(fù)荷年內(nèi)分布見圖2。由圖2可知，尼山水庫流域2015–2018年月均營養(yǎng)鹽負(fù)荷變化與降雨徑流變化趨勢基本一致，1–5月呈緩慢上升，6–8月達(dá)到峰值，9–12月逐漸降低。尼山水庫流域2015–2018年流域總氮、總磷入庫負(fù)荷平均值分別為264.74 t/a和43.1 t/a，雨季（6–8月）總氮、總磷入庫負(fù)荷分別占總?cè)霂熵?fù)荷的93.23%和87.90%，說明降雨是影響尼山水庫流域氮磷負(fù)荷的重要因素。此外流域地表徑流氮磷流失還受土壤類型、肥料施用及人為管理措施等各種因素的影響[10]。尼山水庫流域在10月份種植小麥并施用基肥，次年3月左右施用追肥，在此期間降雨量較小，氮磷在土壤中累積；5–6月份種植玉米并施基肥，7–8月進(jìn)行追肥，磷肥在玉米種植時一次性加入，進(jìn)入雨季后大量氮磷隨徑流排入河道，造成入庫河流氮磷濃度急劇增大[11]。

2.1.2 年際分布尼山水庫流域2015–2018年氮磷負(fù)荷年際分布特征見圖3。由圖3可見，2015–2018年降雨量為507.89～629.11 mm，最大值出現(xiàn)在2017年，最小值出現(xiàn)在2015年，整體呈M型趨勢變化。2015年–2018年總氮入庫負(fù)荷為180.74～334.88 t/a，平均為264.74 t/a，總磷入庫負(fù)荷為20.78～61.81 t/a，平均為43.14 t/a。氮磷負(fù)荷年際變化與徑流量變化趨勢一致，最大值均出現(xiàn)在2017年，最小值位于2015年。

2.2 面源污染空間分布

本研究模擬了2018年尼山水庫面源污染總氮和總磷流失的的空間分布，由圖4和圖5可見，總氮和總磷的流失具有顯著的空間特征。2018年尼山水庫流域單位面積總氮輸出強度為0.01～21.05 kg/hm2，平均值為10.00 kg/hm2，呈現(xiàn)南部高于北部，輸出強度最高的子流域為53、52、32、46、36，其次為45、49、13、41、42等，高流失區(qū)集中在張莊鎮(zhèn)、尼山鎮(zhèn)，其次為田黃鎮(zhèn)西南部和圣水峪鎮(zhèn)北部（具體見圖4）。2018年尼山水庫單位面積總磷輸出強度為0.001～3.42 kg/hm2，平均為1.68 kg/hm2，總體呈現(xiàn)流域西部高于東部，輸出強度較大的子流域為52、53、32、13、46，子流域49、5、10次之，高流失區(qū)同樣集中在張莊鎮(zhèn)、尼山鎮(zhèn)，其次為田黃鎮(zhèn)西南部和圣水峪鎮(zhèn)北部（具體見圖5）。張莊鎮(zhèn)和尼山鎮(zhèn)人口密度大，農(nóng)村生活污染問題突出[12]，田黃鎮(zhèn)西南部和圣水峪鎮(zhèn)北部耕地較多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動強度大[13]。張莊鎮(zhèn)、尼山鎮(zhèn)、田黃鎮(zhèn)西南部和圣水峪鎮(zhèn)北部是污染負(fù)荷分布的集中區(qū)域，也是面源污染控制的重點區(qū)域。

圖4 流域總氮流失空間分布圖

圖5 流域總磷流失空間分布圖

2.3 面源污染貢獻(xiàn)率分析

圖6 流域氮磷污染貢獻(xiàn)率分析

尼山水庫流域內(nèi)的主要面源污染源有肥料流失、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和環(huán)境背景排放等，環(huán)境背景排放主要與土地利用方式、土壤物理化學(xué)性質(zhì)、地形地貌、氣候等因素相關(guān)[6]。利用已率定的SWAT模型對尼山水庫流域內(nèi)的面源污染進(jìn)行了估算，各污染源的氮磷貢獻(xiàn)率如圖6所示。在3類人為面源污染源中，肥料流失造成的污染比重最大，其中氨氮、總氮、總磷分別占總量的34.52%、39.85%和52.95%，其次為農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖，這與尼山水庫流域內(nèi)的經(jīng)濟生產(chǎn)有直接的關(guān)系。尼山水庫流域內(nèi)無典型工業(yè)，以農(nóng)業(yè)種植為主，而農(nóng)業(yè)種植集約化和信息化程度又較低，農(nóng)藥和化肥被大量使用。所以針對尼山水庫流域污染特點，應(yīng)實施農(nóng)藥、化肥減量化措施并優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文以尼山水庫流域面源污染為研究對象，以SWAT模型為工具，估算了研究區(qū)內(nèi)面源污染負(fù)荷，并分析其時空分布特征，確定關(guān)鍵污染區(qū)域及關(guān)鍵污染源，主要結(jié)論如下：

（1）2015–2018年，尼山水庫流域雨季（6–8月）總氮、總磷入庫負(fù)荷分別占總?cè)霂熵?fù)荷的93.23%、87.90%，且總氮、總磷入庫負(fù)荷年際波動受降雨影響較大，說明降雨是影響尼山水庫流域氮磷負(fù)荷的重要因素；

（2）尼山水庫流域總氮和總磷高流失區(qū)集中在張莊鎮(zhèn)、尼山鎮(zhèn)，其次為田黃鎮(zhèn)西南部和圣水峪鎮(zhèn)北部，污染負(fù)荷分布的集中區(qū)域也是面源污染控制的重點區(qū)域；

（3）在肥料流失、農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖3類人為污染源中，肥料流失污染比重最大，其次為農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖，針對尼山水庫流域污染源特點，應(yīng)實施農(nóng)藥、化肥減量化措施并優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)。

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Analysis of Non-point Source Pollution Characteristics of Nishan Reservoir Based on SWAT Model

JIAO Gui-li1, LIU Hong-lin1, SUN Xiu-ling2, YIN Er-qin3*, JIANG Rui-xue3*

1.250002,2.250061,3.271018,

Based on the field investigation and data collection of Nishan reservoir basin, the pollution load was estimated, the characteristic of spatial and temporal distribution was analyzed, and the key pollution area and source was identified by SWAT model. The results showed that average load of total nitrogen (TN) and phosphorus (TP) was 264.74 t/a and 43.1 t/a in 2015-2018. The load of TN and TP accounted for 93.23% and 87.90% in the rainy season (June-August). The high loss area of TN and TP were Zhangzhuang town and Nishan town, followed by the southwest of Tianhuang town and the north of Shengshuiyu town in Nishan reservoir basin. Fertilizer loss was the main human factor of non-point source pollution of Nishan reservoir basin, in which ammonia nitrogen (NH3-N), TN and TP accounted for 34.52%, 39.85% and 52.95%, respectively.

Nishan reservoir; non-point source pollution; SWAT model

X524

A

1000-2324(2021)03-0470-05

2020-04-12

2020-05-26

山東省水文局典型區(qū)域面源污染估算、典型流域污染物通量分析研究項目(HYHA2019-0731SDGP370000201902002236)

矯桂麗(1980-),女,博士,工程師,研究方向為水環(huán)境監(jiān)測及評價. E-mail:44418488@qq.com

Author for correspondence.E-mail:yinerqin@sdau.edu.cn; 34491783@qq.com