南亞熱帶小流域農業面源污染負荷的SWAT模型模擬研究

何卿姮， 黃智剛， 鄧淑冰， 潘榮慶， 劉小梅， 郭 豪， 黎靜宜

(廣西大學，廣西南寧 530004)

在世界范圍內面源污染已成為地下水和地表水污染的主要來源[1-3]，因化肥農藥使用量高、土地利用不合理、畜禽糞便無序排放等原因產生的農業面源污染是面源污染治理的重中之重。美國和歐洲的一些發達國家，都因為施用化肥農藥過量而造成河流中的氮磷含量超標[4-5]。水污染問題已經成為全球現階段首要解決的環境污染問題。我國的非點源污染情況也不容樂觀，近幾年非點源污染呈上升趨勢[6]。

黨的十九大報告強調了關于環境污染治理的問題，面源污染問題成為當下環境污染研究的重點[7]。目前國內眾多學者嘗試應用模型方法來應對非點源污染的預防和治理[8-10]，其中SWAT(Soil and water assessment tool)模型因其適用范圍廣、操作相對其他模型較為簡單的特點，自國外引入國內后迅速得以推行和使用。李亞嬌等把較為典型的4種非點源污染數學模型SWAT、GLWF、SPARROW、HSPF進行比較，闡明了SWAT模型的復雜程度在這4個模型中屬于中等程度，更容易被廣泛應用[11]。該模型更多地應用在中大型尺度的流域上，如黃河[12]、長江[13-14]及各類中大型流域、三峽庫區[15-16]等；相關學者應用SWAT模型結合RS和GIS的空間數據展開非點源污染主要影響因素分析，如氣候變化、土地利用[17-19]的影響效果；SWAT模型還可模擬不同削減措施下流域污染負荷變化[20-21]。于明鑫運用SWAT模型設立果園、封禁治理、保土耕作及水平梯田等治理措施各自的減流減沙效應，結果發現水平梯田較其他措施減沙效果更為顯著[22]。廣西作為甘蔗種植大省，甘蔗地經常遭到擾動翻新的情況，相關研究發現，甘蔗種植模式會影響土壤侵蝕的發生及不同程度的氮磷營養物流失[23]，加之農戶對甘蔗地過度施肥導致氮磷流失到水體，農業面源污染現象日趨嚴重。由于國內學者將SWAT模型運用在蔗區小流域農業面源污染方面鮮有研究，本研究以南亞熱帶小流域為研究區，將SWAT模型應用在小尺度蔗區流域，分析預測農業面源污染來源情況，為后續小流域面源污染預防與治理提供參考及建議，對揭示水循環規律和水土流失治理也有重大意義。

1 研究區概況

研究區選用那辣小流域(107°39′E，22°20′N)，位于廣西壯族自治區扶綏縣境內，流域面積3 km2，最終匯流到客蘭水庫(圖1)。那辣流域是南亞熱帶典型農業小流域甘蔗集約化種植區，亞熱帶濕潤季風氣候，以山麓丘陵為主要地形條件，平均坡度在 4°～35°，年平均氣溫20.8 ℃左右，平均海拔約為 1 200 m，年降水量在1 400 mm左右，夏日高溫多雨，冬日暖和潮濕，雨熱同期。土壤類型以赤紅壤為主，主要的土地利用類型為水稻田、甘蔗地、林地、建設用地、水域這5大類；農業種植作物主要是甘蔗、水稻等。為追求更好的經濟效益，流域在2018年開始實行甘蔗集約化種植模式，在原有小塊甘蔗地基礎上，大面積開墾農用地和林地改種甘蔗，甘蔗種植面積迅速擴增，甘蔗生產約占研究區所有土地利用面積的74%。

2 研究方法

2.1 模型原理

SWAT模型是基于物理過程的分布式水文模型，以日為步長進行長時間序列計算，基于物質循環和水文循環的宏觀尺度上的模型。該模型模擬的水文過程分為水文循環的陸地階段(即產流和坡面匯流部分)和水文循環的匯流階段(即流域陸面部分產生的徑流、泥沙、營養物等在河道的遷移轉化過程)，整個水分循環系統遵循水量平衡規律，其水量平衡表達式為：

式中：SWt為土壤最終含水量；SW0為土壤初始含水量；t為計算時段；Rday為第k天降水量；Ea為第k天的蒸發量；Wseep為第k天土壤剖面底層的滲透量和側流量；Qsurf為第k天的地表徑流量；Qgw為第k天地下水含量。

2.2 數據獲取

以SWAT2012為研究工具，收集那辣流域空間和屬性數據庫，包括流域DEM高程圖、土地利用類型、土壤類型、氣象數據、水文水質監測數據等資料，進行模型構建及模擬運行。本研究用到0.5 m空間分辨率的DEM數字高程圖，利用 ArcGIS 10.2提取流域范圍并建立流域地形基礎；土地利用和土壤數據庫用于構建研究區下墊面數據庫；氣象數據源于中國氣象數據網，逐日降水數據采用研究區氣象站；水文水質數據由流域內水文站點監測得到(表1)。

表1 構建模型的基本資料

2.3 SWAT模型構建

首先導入DEM數據，設置集水面積，提取河網并自動劃分子流域，模型最終劃分出21個子流域；隨后將研究區重分類好的土地利用類型、 土壤類型圖添加到SWAT模型，并對土地利用、土壤類型和坡度分級分別設置面積閾值(20%、20%、20%)，形成47個水文響應單元(HRU)，每個HRU對應1種土地利用、土壤類型和坡度等級。隨后輸入氣象數據、農田管理措施等屬性數據及設置模型模擬時間，即初步構建好研究區的SWAT模型。由于模型的初始參數并不都適用于研究區的實際情況，需要對模型率定與驗證，在合理范圍內不斷調整參數，使得模擬值和實測值越趨吻合，盡可能減少與實測值的誤差。利用本研究區水文站的月徑流、總氮、總磷實測數據進行模型的校準和驗證。選用相關系數(R2)、Nash Sutcliffe模型效率系數(Ens)作為評價指標，驗證結果優于Ens、R2的限定閾值(Ens>0.6，R2>0.5)[24]，說明該模型在流域適用性良好，可用于研究區的模擬研究。其表達式分別見公式(1)、公式(2)。

(1)

(2)

2.4 模型率定與驗證

設置研究區模擬時間為3年(2018年1月1日至2020年12月31日)，徑流量、總氮、總磷的率定期為2018—2019年，驗證期為2020年。徑流校準采用逐月平均流量監測數據，在SWAT-CUP軟件中采用SUFI-2算法進行率定和驗證，以及參數靈敏性分析，有關參數的選取由參考文獻[25-26]及查閱資料得到，將參數多次迭代計算得到的率定期模型評價指標結果見表2，敏感性參數排行及最佳取值見表3、表4。根據前面提到的評價標準，該模型適用于本研究流域，可用于后續的模擬分析。由于獲取到的總氮、總磷水質監測數據為水環境中的指標濃度， mg/L；模型的校準和驗證采用的是污染物月平均總負荷，kg；因此需對實測數據總氮和總磷負荷量轉化，計算公式如下：

表2 率定期和驗證期評價結果

表3 徑流敏感性參數排行及范圍

表4 氮磷敏感性參數取值范圍及最佳取值

L=C×F×S×10-3。

式中：L為月平均總負荷量，kg；C流域監測實測指標濃度， mg/L；F為流域監測斷面實測月平均徑流量，m3/s；S為時間，s。

3 面源污染負荷時空分布規律

3.1 空間分布規律

利用構建好的SWAT模型模擬研究區的面源污染狀況，得到各子流域的輸出強度分布見圖2。從2018—2020年期間污染物流失總量上看，流域中總氮流失總量最高的是10、14、15號子流域，總氮年平均流失負荷約為6 000 kg/年；其次是13、16、18號子流域，總氮年流失負荷為4 300 kg/年。流域總磷年均流失負荷最高的是10、13、14、15、16、18號子流域，總磷年均流失負荷平均為40kg/年；其次是8、17號子流域，年均總磷流失負荷為17 kg/年左右。總氮、總磷污染最為嚴重的區域都分布在靠近流域出口的10、14、15號子流域，水系東部的上游子流域的污染較輕。在預防面源污染的發生時，應著重管控河道下游靠近流域出口的水質，同時也要從源頭預防，減少氮磷污染的發生。

3.2 時間分布規律

由徑流量與降水量隨時間的變化情況及總氮和總磷月平均負荷變化(圖3、圖4)可以看出，降水與徑流量呈正相關關系，降水與徑流量集中在每年的雨季(4—9月)，同時每年的1—3月、10—12月徑流量都較低，且較為穩定，無明顯波動；河道中總氮、總磷的流失主要發生在每年夏季，隨著降水量變化而呈現豐枯季節變化，分別在2018年達最大值(TN 1 184 kg、TP 9.441 kg)，在2020年、2019年分別達TN和TP的最低值(TN 0.404 1 kg、TP 3.759×10-6kg)。從圖4可以看出，2018—2020年總氮和總磷的變化趨勢一致，其年均流失總量都在逐年降低，且月均流失量峰值也在逐年降低，但是從總氮、總磷占全年污染物流失的貢獻率來看，卻在逐年遞增，總氮、總磷在4—9月的總流失負荷占年度流失負荷的75%以上。

3.3 不同土地利用類型氮磷流失規律

那辣小流域土地利用類型以耕地(水田、旱地)為主，占87.56%；其次是林地，占7.59%；水域、建設用地分別占4.32%、0.54%。在劃分流域的水文響應單元時，將坡度分為0～30°、>30°～70° 2個等級，其中0～30°的子流域占整個流域面積的97.03%；坡度為>30°～70°的土地類型主要是林地，也有少部分耕地。

利用構建好的SWAT模型模擬的2018—2020年的各土地利用類型單位面積總氮和總磷年均負荷見圖5。旱地的總氮、總磷流失量分別占整個研究區流失總量的97.81%、91.67%，坡度高(>30°～70°)的耕地產生的污染負荷相比坡度小(0～30°)的區域污染大；由于城鎮用地所占面積小，氮磷污染總量的貢獻率僅為2%～6%，但總氮、總磷的單位面積流失量都較大；林地氮磷流失極小，分別為TN 0.836 kg/(hm2·年)、TP 0.386 kg/(hm2·年)。在相關研究成果中，同樣得到居民用地的氮、磷流失量最大的結果[27-28]，也認為林地具有較好的水土保持效果[17]。以上分析可知，旱地是整個研究區非點源污染的主要來源，林地具有較好的面源污染防治效果。

4 結論與建議

4.1 結論

經過率定和驗證后的SWAT模型模擬結果良好，可以用于研究區域的非點源污染氮磷數值模擬分析。利用SWAT模型對那辣流域進行農業面源污染的模擬及分析，得到以下主要結論：(1) 那辣流域的時間分布規律表明，主要污染負荷高峰期集中在每年4—9月，降水是造成氮磷流失的關鍵驅動因素；徑流與降水量呈正相關，同時徑流與河道中的總氮、總磷也呈現極顯著正相關關系。(2) 農業面源污染的氮磷流失形態中，硝態氮是氮流失的主要形態，礦物磷是磷流失的主要形態。(3) 研究區非點源污染的空間分布規律表明，研究區非點源污染在空間上表現為流域東部污染較輕，中部一直到靠近流域出口處污染負荷有逐漸加重的趨勢，水系主干道區域的污染負荷高于支流區域。(4) 不同土地利用類型上的氮磷污染負荷狀況表明，城鎮建設用地和旱地是流域內氮磷污染的主要來源，旱地對整個流域的氮磷負荷來源的貢獻最大，雖然城鎮用地的氮磷流失總量小，但其單位面積上的磷污染排放負荷最大，因此也要注意管控城鎮用地的磷排放。

4.2 建議

(1)根據廣西壯族自治區那辣流域作為甘蔗核心種植區的特點，為使經濟效益和生態效益平衡發展，蔗區盡量以種植宿根蔗為主，減少因種植新植蔗對土壤的翻耕和土地擾動而導致氮磷養分流失急劇擴增；(2)完善蔗區的農田管理制度，實行測土配方施肥，在不造成作物減產的情況下減少肥料施用，既可以提高肥料利用率，同時減輕流域水環境污染，這將有利于促進農業發展和水資源的開發利用；(3)改變流域下墊面條件，如水稻田改為梯田、坡度大的(>25°)甘蔗地改種林地；(4)河岸兩側可增加防護欄及種植保持水土、吸附氮磷污染物的植被。

本研究通過SWAT模型實現了該流域氮磷污染負荷的定量模擬，證明了SWAT模型在廣西壯族自治區那辣小流域的適用性，在流域農業面源污染方面的研究中是一個方便快速的水文模擬分析工具。同時，該模型也存在不足之處，流域基礎實測數據較少，需進一步完善，另外該流域沒有涉及不同氣候條件、最佳管理措施等方面的非點源污染流失規律分析，今后還有待進一步研究闡明。