基于SWAT模型的釜溪河流域非點源污染負荷模擬研究*

劉 偉 李逢港 李沁芮 杜 孟 汪嘉楊

(成都信息工程大學資源環境學院,四川 成都 610225)

水是人類賴以生存的基礎自然資源,是制約社會經濟發展的重要因素。隨著社會經濟和城鎮化提速發展,水資源需求量日益增長,生態問題頻頻發生,水污染問題日益嚴重[1-2]。如何有效控制水污染已成為人們關注的重點[3-4]。非點源污染大多由氮、磷等營養物質和土壤顆粒等組成,在產生并排放后,經有效降雨和徑流運載等一系列遷移轉化過程進入水體[5]。其形成是一個復雜且隨機的多因素影響過程,具有廣泛性、模糊性和滯后性等特點[6],使得準確量化非點源污染的“源”和“匯”存在一定難度。非點源污染關乎流域水環境與水生態安全,成為流域水環境研究中共同關注的熱點[7-8]。

國內外研究人員針對非點源污染及防治做了大量研究。部分學者對非點源污染來源開展了研究,得出農業對非點源污染的貢獻最大,主要包括農業種植、農村生活源、畜禽養殖[9-10]。SWAT模型在長時間尺度和復雜水文條件下模擬具有較大優勢,被廣泛應用于河流、湖泊、水庫非點源污染模擬[11-16]。有研究表明,SWAT模型還能與管理措施聯用,有效評估管理措施對非點源污染的削減效果[17-19]。

釜溪河是沱江七大支流中長度最長、流域面積最大、人口最多的一級支流,也是四川省污染較為嚴重的河流之一,水體長期呈污染狀態,面臨嚴重的非點源污染問題[20]。近年來,釜溪河流域水質有所好轉,但碳研所斷面氨氮濃度常高于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅴ類標準限值,難以穩定達標[21]。以往研究主要針對釜溪河水環境現狀,分析流域水質污染規律。本研究通過構建釜溪河流域SWAT非點源污染模型,開展流域非點源污染負荷模擬研究,在此基礎上設置8個情景,評估各方案對非點源污染負荷的削減效果,提出非點源氮磷污染控制對策,為釜溪河流域及其他流域開展非點源污染綜合治理提供科學依據和技術支撐。

1 研究區概況

釜溪河流域地處四川盆地南部,介于104°18′E至105°1′E、29°6′N至29°45′N之間,釜溪河屬于沱江下游右岸一級支流。流域面積3 472.00 km2,主要包括威遠河、旭水河、長灘河及鎮溪河等支流,見圖1。流域屬于亞熱帶濕潤氣候,年平均氣溫18 ℃,年平均降水量在1 000～1 080 mm之間,集中在6～9月,年平均流量42.4 m3/s。流域碳研所斷面水質難以穩定達標,水質波動大,雷公灘斷面水質達標困難。截至2021年,釜溪河流域農村人口為157.48萬人,農村生活污染源分布廣泛,生活污水較難集中處置,主要通過土地漫流進入河流。同時流域耕地面積廣,農業非點源污染物排放強度大[22-23]。

圖1 釜溪河流域示意圖Fig.1 Sketch map of the Fuxi River Basin

2 研究方法

2.1 模型構建方法

2.1.1 SWAT模型簡介

SWAT模型由美國農業部農業研究中心開發,是綜合系統理論和技術產生的分布式模型,包括水文循環、土壤侵蝕和污染負荷子模塊,可在長時間尺度上對不同管理措施影響下徑流、氮磷等營養物質輸移進行模擬和預測[24]。

2.1.2 模型數據庫構建

模型數據庫主要由空間及非空間數據組成,空間數據用于表達位置、方向,非空間數據又叫屬性數據,起補充說明作用[25]。用于SWAT模型建立、率定和驗證的數據來源見表1。考慮氣象數據的可得性,故模擬時段為2008—2018年,其中2008—2010年為模型預熱期、2011—2015年為率定期、2016—2018年為驗證期。

表1 SWAT模型輸入數據及來源Table 1 Input data and source for SWAT model

2.1.3 模型率定與驗證

利用SWAT-CUP軟件進行參數敏感性分析,借助不確定性適應算法(SUFI-2)中t檢驗值、p值對模型參數進行率定[26]。利用相關系數(R2)、納什系數(Ens)等評價指標評價模型適用性[27]。由于R2側重于評價相關性,僅采用R2無法對系統誤差進行識別;Ens側重于評價擬合度,僅采用Ens會導致部分值較小的模擬誤差被忽略,因此,為提高模型在流域的適用性,本研究同時采用上述兩個指標進行模型率定和驗證,當R2≥0.6且Ens≥0.5時,模型模擬準確性較好,模擬結果可以接受[28]。

2.2 情景設置與評估

考慮釜溪河流域的實際情況與非點源污染負荷特征,將模型現狀設為情景1,同時設置化肥削減、改變耕作方式、增加植被緩沖帶或植草水道等情景,見表2。在SWAT模型中,通過改變參數和變量來構建不同情景,利用非點源污染負荷削減率作為評價指標,削減率指各情景下非點源污染負荷削減量與基礎情景非點源污染負荷的比值[29]。

表2 情景及相關參數設置Table 2 Scenarios and related parameters setting

3 結果與分析

3.1 模型構建結果與分析

3.1.1 SWAT模型構建結果

在SWAT模型中,以流域DEM為基礎,將土地利用、土壤數據進行提取和重分類,得出釜溪河流域土地利用類型(分為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地及未利用土地),其中耕地占比最大。土壤類型分為艷色高活性淋溶土、不飽和雛形土、石灰性疏松巖性土、人為堆積土、簡育高活性強酸土等。以釜溪河入沱江干流處為研究區出口,將整個流域劃分為15個子流域、309個水文響應單元。各子流域水文響應單元見表3。

3.1.2 SWAT模型率定與驗證

月均徑流模擬值與觀測值的對比結果見圖2。由圖2可知,多年月均徑流擬合效果較好,率定期R2=0.77,Ens=0.71,驗證期R2=0.73,Ens=0.69,符合模型的精度要求。流域總氮、總磷負荷模擬值與觀測值如圖3、圖4所示,模擬值與觀測值的相關性和擬合度較好,率定期鄧關斷面總氮負荷R2=0.72,Ens=0.65;總磷負荷R2=0.75,Ens=0.62;驗證期總氮負荷R2=0.73,Ens=0.68;總磷負荷R2=0.71,Ens=0.63;模型模擬結果均符合精度要求。綜上,采用SWAT模型對釜溪河流域非點源污染負荷模擬具有精確性和合理性。模型敏感性參數見表4。

圖2 率定期與驗證期徑流模擬結果Fig.2 Simulation results of runoff in calibration and validation period

注:月份序號中的1為2011年1月,96為2018年12月,其余類推;圖4同。

圖4 率定期與驗證期總磷負荷模擬結果Fig.4 Simulation results of total phosphorus load in calibration and validation period

3.2 模擬結果與分析

3.2.1 時間分布特征

根據模型運行結果統計流域內非點源污染負荷(總氮、總磷負荷)的月均值,結果見表5。總氮、總磷負荷隨時間變化較為明顯,雨季的總氮、總磷負荷明顯高于旱季。除9月外,整體呈先上升后下降的趨勢,1月至3月總氮、總磷負荷均呈較低狀態;4月至6月總氮、總磷負荷出現上升,原因可能是該時間段作物處于生長期,施肥量大,且氮、磷等營養元素容易隨降雨遷移入河;7月至8月作物逐漸生長,葉面積增大,氮、磷不易被降雨沖刷入河;9月由于新一輪作物耕作,施肥量有所增長,導致污染負荷上升,10月至12月污染負荷變化程度較小。

表5 月均非點源污染負荷模擬結果Table 5 Monthly average non-point source pollution load simulation results

3.2.2 空間分布特征

以15個子流域為基本單元,結合ArcGIS軟件分析2011—2018年總氮、總磷年平均負荷空間分布特征,結果如圖5、圖6所示。流域干流處的子流域總氮負荷較其他子流域高,主要包括11、13、14號子流域,該區域地勢較為平緩,人口密集,且位于流域下游,所以總氮負荷較大。下游處的子流域總磷負荷高于上游子流域,13、14、15號子流域的總磷負荷在流域中較大,可能是因為磷肥不易被植物吸收,導致磷素在河道中累積,同時14號子流域為整個釜溪河流域的出水口,磷隨著水流匯集在此處。

圖6 總磷年平均負荷分布Fig.6 Distribution of annual average total phosphorus load

3.2.3 關鍵源區識別

采用流失強度指數法識別流域關鍵源區,以總氮、總磷單位面積流失強度作為評價指標,采用自然裂點分級法對各子流域氮、磷流失強度進行等級劃分,分級標準見表6。依據分析結果,將流失強度高的子流域作為流域非點源污染首要治理區域。釜溪河流域總氮、總磷關鍵源區劃分結果見圖7、圖8。

表6 關鍵源區評價指標等級劃分Table 6 Classification of evaluation indicators for key source areas

圖7 總氮流失強度等級Fig.7 Intensity level of total nitrogen loss

圖8 總磷流失強度等級Fig.8 Intensity level of total phosphorus loss

由圖7、圖8可知,流失強度高的子流域分布在威遠河和干流所在區域,8、9、11號子流域的總氮流失強度為重度流失,3、13、14號子流域總氮為較重流失,6個子流域面積之和占流域面積的28.56%,但總氮負荷占比為70.85%。8、9、11、13、14、15號子流域的總磷流失較為嚴重,6個子流域占整個流域29.21%,但總磷負荷占比為74.29%。綜上,研究區域內非點源污染關鍵源區為8、9、11、13、14號子流域,5個子流域面積占比僅21.99%,但輸出的總氮負荷占比為62.30%,總磷負荷占比為60.54%,占比均超過一半。

3.3 不同情景評估結果分析

各情景下關鍵源區(8、9、11、13、14號子流域)非點源氮、磷污染負荷的削減效果見表7。由表7可知,各情景削減率表現為情景8(10 m植被緩沖帶)>情景7(5 m植被緩沖帶)>情景6(植草水道)>情景5(殘茬覆蓋)>情景3(化肥減施10%)>情景4(免耕)>情景2(化肥減施5%)。從單個情景來看,情景6、情景7和情景8對總氮、總磷負荷削減效果較好,總氮負荷削減率分別為16.41%、22.94%、30.31%,總磷負荷削減率分別為53.78%、61.58%、67.20%。其次為情景3、情景5,總氮、總磷負荷削減率均大于10%,情景2、情景4總氮負荷削減率在10%以下。從類別看,情景6～8(工程措施)的削減效果均優于情景2～5(非工程措施),這是由于工程措施可以讓污染負荷迅速降低,而非工程措施通常實施起來周期較長,污染負荷削減緩慢。

表7 關鍵源區各情景下的削減效果Table 7 Reduction effects under different scenarios in key source areas

4 結 論

(1) 通過構建釜溪河流域SWAT模型,將研究區劃分為15個子流域和309個水文響應單元,月尺度上徑流、總氮、總磷率定驗證結果均達到R2≥0.6且Ens≥0.5,說明模型模擬值與觀測值有較高一致性,模型在釜溪河流域適用性較好。

(2) 對流域非點源污染負荷特征進行分析,時間上,總氮、總磷負荷集中在雨季,主要受到耕種施肥和雨水沖刷等的影響;空間上非點源污染負荷具有一定差異性,下游大于上游,主要由地勢及水流匯集決定。由于8、9、11、13、14號子流域的總氮負荷占流域總量的62.30%,總磷負荷占比為60.54%,因此確定這5個子流域為釜溪河流域非點源污染首要治理區域。

(3) 對各情景下非點源污染負荷削減效果進行評估,各情景削減率表現為情景8(10 m植被緩沖帶)>情景7(5 m植被緩沖帶)>情景6(植草水道)>情景5(殘茬覆蓋)>情景3(化肥減施10%)>情景4(免耕)>情景2(化肥減施5%)。建議可針對流域實際情況進行分區治理,采用不同措施,在非點源污染負荷流失強度較大的地區可試點采用植被緩沖帶,同時在農業種植較多的區域采取削減化肥使用、殘茬覆蓋和生態循環等自然措施,以此來削減非點源污染負荷。