基于SWAT的流域水環境控制單元劃分及管控策略

武 力，劉 慧 瑩，向 超，王 敦 球，陳 喆

(1.桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004； 2.桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004； 3.湖南省永州水文水資源勘測局，湖南 永州 425000； 4.永州經濟技術開發區環境保護局，湖南 永州 425000； 5.廣西師范大學 生命科學學院，廣西 桂林 541006； 6.廣西師范大學 珍稀瀕危動植物生態與環境保護教育部重點實驗室，廣西 桂林 541006)

0 引 言

水環境控制單元劃分可以將復雜的流域環境問題分解至不同的控制單元，實現目標和措施的逐級管控。它起源于美國，也被稱為TMDL(Total Maximum Daily Load)，即按照水功能分區，將整個流域劃分成不同的控制單元，并提出管控措施[1-3]。近年來，自從中國“水十條”提出了水環境分區管控，全國被劃分為1 784個控制單元，其中長江經濟帶(加青海省)被劃分為860個管控單元，各省、市進一步細化控制單元，形成水環境分區“一張圖”，開展精細化管理，使水環境控制單元的管控研究越來越受到國內學者的關注。中國關于水環境控制單元的研究，一般都是以自然分水嶺、行政邊界、控制斷面水質、水體類型為研究對象劃分控制單元，從而為水質目標管理提供了實施單元和水質管控措施[4-6]。徐天予根據行政區域、土地利用等因素及其環境功能區劃等研究了苕溪流域水環境控制單元劃分，并結合農業面源污染的特點提出了管控措施[7]；張澤模等將遵義市湘江河流域劃分為3個控制單元，并分別進行水質監控與管理[5]。隨著水環境管控的研究深入，學者們提出控制單元劃分要以模型的模擬結果為參考。目前，常用的水文模型主要有HSPF模型、AGNPS模型、L-THIA模型和SWAT模型等，其中SWAT模型應用非常廣泛[8-10]。因此，基于模型建立“流域-區域-控制單元-污染源”水環境管理層次體系成為研究的主要方向[11-13]。與此同時，還有部分學者引入了區域生態環境敏感性理論，如張蕾根據生態功能區劃分原則，研究了東遼河流域水生態功能分區，劃分了各控制單元，使其劃分結果更為合理[14]。根據永州市“三線一單”編制成果，永州市共劃定環境管控單元82個，其中，優先保護單元30個，重點管控單元28個，一般管控單元共24個，但是未單獨有針對性地劃分水環境控制單元[15]。本文根據自然匯水特征進一步劃分水環境控制單元，且在考慮生態敏感性基礎上，增加永州境內湘江流域的基本控制單元，具有更強的實用性，而且運用具有權威性的生態紅線劃分結果，識別各控制單元的生態功能，在突出生態優先原則下，探討了一種新的劃定控制單元的方式，構建水環境分區管控體系，對以農林生態系統為主的長江流域生態環境管控起到了示范作用。

1 研究區域概況和研究方法

1.1 研究區域(永州境內湘江流域)

本文研究區域位于湘江的上游，如圖1所示。永州市位于湖南省南部，地處湘江上游，地理位置為東徑111°06′～112°21′，北緯24°39′～26°51′，湘江是永州市境內流域面積最大的水系。湘江的西源發源于廣西壯族自治區靈川縣的海洋山，東源發源于湖南省藍山縣野狗嶺，流經江華瑤族自治縣、道縣、雙牌縣、永州市零陵區，匯集西河、大錫河、嶺東河、蚣壩河、永明河、宜江、寧遠河、賢水于永州市零陵區萍島會湘江西源后水量大增，再納蘆洪江、石溪河、祁水和白水等較大支流，最后在祁陽縣唐家嶺九洲進入衡陽常寧縣境，在永州市市內河長515 km，占總長的54.3%。永州境內湘江流域屬中亞熱帶大陸性季風濕潤氣候區，兼有溫光豐富的大陸性季風氣候和雨量充沛、空氣濕潤的海洋性氣候特征。長期年均降水量在1 280～1 530 mm，年平均氣溫介于17.6～18.6 ℃。水稻土、紅壤和黃壤是主要的土壤類型，多年平均日照時數為1 384～1 688 h。

1.2 研究方法

本文通過SWAT模型進行非點源氮、磷污染模擬，運用具有權威性的生態紅線劃分結果，利用ArcGIS提取分析、疊加分析等功能，識別各控制單元的生態功能，考察生態敏感性，采用定量與定性評估相結合的方法，將整個流域劃分為三級控制單元。

1.3 SWAT模型構建

SWAT模型稱為分布式流域水文模型(Soil and Water Assessment Tool model)，由3個子模型構成，子模型分別為水文過程模型、土壤侵蝕模型和污染負荷模型，主要應用于徑流、泥沙、營養物和農藥等物質的模擬。本文將數據庫所需空間數據和屬性數據(具體數據見表1)輸入SWAT模型，進行DEM圖像識別和流域集水面積計算，提取河網，劃分子流域，將土地利用類型、土壤類型和坡度劃分的閾值均設定為10%，10%和15%，模型模擬時段為2000年1月至2019年12月，以月為步長，開展非點源氮、磷污染模擬。

表1 SWAT模型數據庫建立所需參數Tab.1 Required parametes in esablishment of SWAT model

1.4 SWAT模型率定與驗證

為了避免模型運行初期較多變量為零而引起的誤差，本文選取前5 a作為模型的預熱期以提高模型精度，在上游、下游分別選取了道縣站和冷水灘站的徑流、氨氮和總磷數據進行校準，完成參數率定與結果驗證。在空間上，從上游到下游依次校準；在校準對象上，先校準流量再校準氨氮和總磷。道縣站將2005～2017年作為率定期，冷水灘站將2012～2017年作為率定期，兩個站均將2018，2019年作為驗證期。模型選取選擇確定性系數R2(coefficient of determination)和納什系數Ens(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)作為模型評價指標，一般認為，只要同時滿足R2>0.6和Ens>0.5，模擬的所得結果可以接受[16]。由表2和圖2可知：模型兩個站的徑流、氨氮和總磷的確定性系數R2>0.68，納什系數Ens>0.61，其率定期與驗證期模擬值與實際值趨勢基本符合，可見SWAT模型在永州境內湘江流域具有較好的適用性。

表2 模型模擬試驗區的評價結果Tab.2 Evaluation results of model simulation in test area

2 控制單元的劃分原則與步驟

2.1 劃分原則

(1) 科學性原則。以構建區域生態安全格局為目標，采取定量評估與定性判定相結合的方法劃定。

(2) 整體性原則。統籌考慮自然生態整體性和流域系統性，結合山脈、河流、地貌單元、植被等自然邊界以及流域生態廊道的連通性。避免生境破碎化，加強跨區域間生態保護紅線的有序銜接，將重要生態廊道重點管理。

(3) 生態優先的原則。在劃定管控單元時，應將流域作為一個大系統，綜合考慮上下游、左右岸、干支流，統籌兼顧達到水資源的開發利用與保護并重。在劃定管控的范圍和類型時，應以生態功能以及其敏感性為重點，優先保護。

2.2 劃分步驟

本文基于自然匯水特征、水體類型、生態紅線劃分和非點源氮、磷污染負荷分布的結果，采用定量與定性評估相結合的方法，將整個永州境內湘江流域劃分為三級控制單元。三級控制單元是通過構建SWAT模型，依據自然匯水特征，將流域劃分為115個子流域，即115個三級控制單元；二級控制單元是依據水體地域類型的分類進行劃分，進一步劃分為湘江干流、蘆洪江、石期河、寧遠河等36個二級控制單元；一級控制單元在二級控制單元的基礎上，依據非點源氮、磷污染負荷分布的結果進行劃分。李哲根據各子流域非點源污染負荷的分布強度由高到低，將各子流域劃分為優先控制區、重點控制區、基本控制區、一般控制區，管控要求逐漸放寬[11]。本研究在此基礎上，優先考慮了生態敏感性，對劃分標準進行調整，將基本控制單元列為最優先管控的控制單元，其生態功能類別齊全且重要，生態敏感區面積占比大。四類控制單元管控要求從嚴到松依次為基本控制單元、優先控制單元、重點控制單元、一般控制單元。一級控制單元劃分標準見表3。

表3 永州境內湘江流域一級控制單元劃分標準Tab.3 The classification standard of the first-level control unit of Xiangjiang River Basin in Yongzhou City

3 結果與討論

3.1 三級水環境控制單元劃分

三級控制單元是通過構建SWAT模型，利用ArcSWAT進行DEM圖像識別和計算流域集水面積，在將土地利用類型、土壤類型和坡度劃分的閾值均設定為10%，10%和15%的基礎上，得到流域總面積為18 633.6 km2，流域被劃分為115個子流域，每1個子流域劃分為1個水環境控制單元，共劃分115個水環境控制單元，其分布結果如圖3所示。

3.2 三級水環境控制單元氮、磷污染特征分析

3.2.1氮、磷污染輸出強度空間分布特征分析

整個永州市湘江流域總氮和總磷的輸出強度空間分布情況如圖4所示。總氮和總磷污染輸出負荷較大的控制單元主要分布在湘江干流及蘆洪江流域，其總氮和總磷輸出強度分別達到10～20 kg/hm2和0.8～1.5 kg/hm2。瀟水上游、貝江流域、嶺東河、中河(江華)、大錫河等流域控制單元98～103等區域受污染程度小，其總氮輸出強度小于10 kg/hm2，總磷輸出強度小于0.8 kg/hm2；北部流域湘江干流上游的控制單元35、湘江干流下游的控制單元21和39等和蘆洪江支流的控制單元2和3等區域以及南部流域控制單元96等區域受污染程度大，其總氮輸出強度大于15 kg/hm2，總磷輸出強度大于1.2 kg/hm2。由此可知，北部控制單元3和39的總氮和總磷輸入量和輸出量均很高，南部控制單元96的總氮和總磷輸出量很高，是該流域的氮、磷治理關鍵源區。

3.2.2主要污染源特征分析

永州境內湘江流域的總氮和總磷輸入量前6位從高到低情況如表4和表5所列。總氮和總磷的控制單元最大輸入量分別為796.01 t和88.49 t，總氮輸入量前3位依次為控制單元3，72和39，總磷輸入量前3位依次為控制單元3，39和104，故控制單元3和控制單元39為總氮、總磷的輸出量最集中的區域。控制單元3位于祁陽縣西北部，包括城鎮點源13個，其中包括集中污水處理廠2座，規模以上畜禽養殖場143家，種植業源、畜禽養殖源、城鎮點源總氮和總磷輸入量占比分別為68.49%，19.89%，11.62%和56.25%，38.22%，5.54%，其主要污染源來自于種植業源、畜禽養殖源和城鎮點源的復合污染，以種植業源與畜禽養殖源為主。子流域39位于零陵區東北部，包括城鎮點源6個，規模以上畜禽養殖場80家，種植業源、城鎮點源、畜禽養殖源總氮、總磷排放量占比分別為74.52%，0.11%，25.37%和49.28%，0.27%，50.45%，其主要污染源來自于畜禽養殖源和種植業的復合污染。從永州境內湘江流域主要污染源特征來看，與3.2.1節分析結果基本一致。

表4 永州境內湘江流域總氮排放量及占比情況Tab.4 Total nitrogen emissions and its proportion of Xiangjiang River Basin in Yongzhou City

表5 永州境內湘江流域總磷排放量及占比情況Tab.5 Total phosphorus emissions and its proportion of Xiangjiang River Basin in Yongzhou City

3.3 二級水環境控制單元劃分

依據永州市湘江干流、一級和二級支流命名以及地域分類，115個子流域可以進一步劃分為湘江干流、蘆洪江、石期河、寧遠河等36個二級控制單元，如圖5所示。

3.4 二級控制單元生態敏感性分析

根據永州市生態紅線劃定的結果，通過ArcGIS提取分析、疊加分析等功能，可以識別永州市湘江流域各個二級水環境控制單元的主導生態功能類別、生態敏感區類別以及生態紅線面積占比情況。整個流域主導生態功能為水源涵養區、水土保持區、生物多樣性保護區、生態敏感區四大類，其中，生態敏感區類別包括地質公園、森林公園、濕地公園、風景名勝區、自然保護區、水產種質資源保護區等。由圖6可知：黃花河流域、煙江流域、祁水流域、蘆洪江流域南部、冷江流域、橫江流域、永江流域、石溪江流域、社江流域、牟江流域、麻江(雙牌)流域、單江流域、昌木套河流域、茆江流域、大壩河流域以及永明河西南部，生態紅線面積占比很少，面積占比率為0～9.79%，生態紅線主要集中分布在蘆洪江流域南部和黃花河流域；蘆洪江流域北部、白水流域、石期河流域、紫溪河流域、寧遠河流域、中河(雙牌)流域、濂溪河流域、錨子頭河、九嶷河流域和永明河中部流域，生態功能類別較少，生態紅線面積占比較大，面積占比率為10.00%～27.87%，生態紅線主要集中分布在紫溪河流域和寧遠河流域，生態敏感類別包含“三區兩園”所有種類；湘江干流中下游流域、龍江橋流域、桴江流域、西河流域、宜江流域、永明河西部流域、蚣壩流域以及嶺東河流域生態功能類別多，生態紅線面積占比大，面積占比率為30.00%～47.08%，生態紅線主要集中分布在湘江干流中、下游流域、嶺東河和永明河西部流域，生態服務功能為水源涵養和生物多樣性保護功能，其生態敏感區種類除“三區兩園”外，還包含了全市所有的水產種質資源保護區；湘江干流上游流域、貝江流域、中河(江華)流域、大錫河流域、凌江流域、麻江(江華)流域、永明河東部流域，生態功能類別齊全，生態功能包括“三區兩園”、水產種質資源保護區、湘江源頭保護區等重要生態功能，生態紅線面積占比最大，面積占比率為50.00%～82.4%，生態紅線在整個區域分布廣泛，其中凌江流域和中河(江華)流域生態紅線面積占比分別達到了81.24%和82.24%。

3.5 一級控制單元劃分及管控策略分析

3.5.1一級控制單元劃分管控目標

在二級控制單元的基礎上，按照一級控制單元劃分標準(表)將各子流域分別劃分為基本水環境控制單元、優先水環境控制單元、重點水環境控制單元、一般水環境控制單元。按照分級管控的原則，基本控制單元應堅持“生態優先，源頭保護”的原則，依法禁止或限制大規模、高強度的開發建設活動，確保生態環境功能不降低。優先控制單元應堅持“治理優先，嚴控增量”的原則，聚焦污染治理，實施綜合施策。重點控制單元應堅持“重點治理，提質增效”的原則，加強污染物排放監管、污染治理和環境風險防控，進一步提升資源利用效率。一般控制單元應堅持“防控結合，綠色發展”的原則，優化空間布局，促進產業轉型升級改造。

3.5.2一級控制單元劃分管控措施

永州境內湘江流域一級控制單元劃分如圖7所示。

(1) 基本控制單元主要位于湘江干流上游流域、貝江流域、嶺東河流域、中河(江華)流域、大錫河流域、凌江流域、麻江(江華)流域、蚣壩流域、錨子頭流域、永明河東部流域。該區域突出抓好以下幾點：① 提質改造現有耕地，敏感區退耕還林還草還濕，嚴格防控農業面源污染；② 加強湘江源保護區與河道生態保護建設；③ 嚴格落實水電開發各項生態保護措施，加強生態環境保護；④ 加強水土流失綜合治理，整鄉整村推進農村河道綜合治理，建設生態清潔型小流域；⑤ 全面推進城鄉環境整治。

(2) 優先水環境控制單元主要位于黃花河流域、煙江流域、祁水流域、蘆洪江流域南部、大壩河流域以及永明河西南部。該區域應堅持“治理優先，嚴控增量”的原則，并突出抓好以下幾點：① 維持現有耕地面積，有效防控種植業污染；② 嚴禁新增規模化畜禽養殖場，做好畜禽養殖污染防治；③ 嚴格落實各項水土保持措施，禁止陡坡地開墾，逐步退出25°以上坡耕地，退耕還林，營造水土保持林、公益林等林區，禁止毀林開荒；④ 推行節水灌溉，適度發展旱作農業，增強區域水土保持能力。

(3) 重點水環境控制單元主要位于蘆洪江流域北部、石期河流域、紫溪河流域、橫江流域、寧遠河流域、冷江流域、龍江橋流域、桴江流域、社江流域、中河(雙牌)流域、濂溪河流域、西河流域和永明河中部流域。該區域應突出抓好以下幾點：① 提質改造現有耕地面積，適當增加高質量耕地，合理防治種植業污染；② 加快城鄉污水處理設施建設和提質增效，補齊污水處理設施短板；③ 嚴格落實水土保持措施。

(4) 一般水環境控制單元主要位于湘江干流中下游流域、牟江流域、單江流域、麻江(雙牌)流域、宜江流域、九嶷河流域、永明河西部流域、白水流域、昌木套河流域以及紫溪河流域。該區域應突出抓好以下幾點：① 進一步完善城鎮污染源治理，嚴格產業準入，走高質量發展道路；② 推進農村環境綜合整治，加快生活污水處理、生活垃圾無害化處置和畜禽糞便綜合利用等設施建設；③ 推廣綠色循環型農業生產方式；④ 水產種質資源保護區全面禁捕，禁止動用一切捕撈工具在禁捕水域從事捕撈生產。

4 結 論

(1) 本文對永州境內湘江流域開展水環境控制單元劃分，構建水環境分區管控體系，整個流域可以劃分為4個一級控制單元、36個二級控制單元和115個三級控制單元，控制單元3，39和96為非點源氮、磷污染關鍵源區。

(2) 依據自然匯水特征、非點源污染分布與生態紅線劃分的結果，可將整個流域劃分為基本控制單元、優先控制單元、重點控制單元和一般控制單元。

(3) 不同控制單元的管控策略采取分類施策，基本控制單元實行“生態優先，源頭保護”原則，管控措施以源頭治理和落實水電開發各項生態保護措施為重點；優先控制單元實行“治理優先，嚴控增量”的原則，管控措施以農業面源污染控制和水土流失防治為主；重點控制單元實行“重點治理，提質增效”的原則，管控措施以城鄉環境整治和面源污染控制為重點；一般控制單元實行“防控結合，綠色發展”的原則，管控措施以嚴格準入，高質量發展為重點，兼顧關注水產種質資源保護。