湖北省洪湖流域非點源污染模擬評價

仲 宇，夏智宏，張麗文，宋 蕾，余永安，王振剛

（1.南京航天宏圖信息技術有限公司，南京 210012；2.武漢區域氣候中心，武漢 430074；3.江蘇華高軟件技術有限公司，南京 211300）

人類活動造成湖泊流域水質下降，影響了區域社會經濟發展和用水安全［1］。針對SWAT 模型的水文物理過程時空變化描述和運算效率高的特性［2］，本研究重點還原湖北省洪湖流域歷史污染過程，以期為湖泊流域治理提供決策支持及科學依據，實現流域水質變化及運移的科學監測及分析。

1 研究方法與數據

1.1 研究區概況

洪湖流域位于湖北省南部，縱越荊門、潛江和荊州三市，坐落于長江與東荊河之間。流域海拔落差大，上游海拔在100～209 m，中下游流域海拔僅30 m 左右［3］。流域水系自北向南，下游即為面積達348.2 km2的洪湖湖泊［4］（圖1），為湖北省大型淡水湖，是國家級自然保護區、國際重要濕地，其生態環境在長江中下游大型淺水湖泊中具有代表意義［5］。

圖1 洪湖流域概況

1.2 研究方法

主要利用SWAT 模型方法［6-9］對洪湖流域水質擴散過程進行模擬，并與統計分析等數學方法相結合，探索洪湖流域水質情況及其變化歸因。

1.3 研究數據

研究中需要使用基礎地理信息數據、氣象驅動數據等來建立并驅動SWAT 模型，并利用水文、水質的實測數據對模型模擬結果進行模擬質量評估，研究所采用的各數據來源如下。

1.3.1 基礎地理信息數據 流域基礎地理信息數據主要包含DEM（Digital Elevation Model）數據、土地覆蓋類型及土壤類型。DEM 來源于美國國家航空航天局發布的數字高程模型（https：//search.asf.alaska.edu/#/），其空間分辨率為12.5 m。

土地覆蓋類型數據來源于武漢大學發布的中國土地覆蓋數據（CLCD，China Land Cover Dataset）（https：//doi.org/10.5281/zenodo.5210928）（圖2a）。為適應SWAT 模型非點源模擬的需要，根據土地覆蓋類型空間分布，基于當地的具體情況，依據權重比將土地覆蓋類型再劃分為6 類。其中，耕地面積最大，占總流域面積的86.32%；濕地和水體共占總流域面積的13.50%；裸地、草地、林地類型呈零散分布，占比較低，約為0.18%。

土壤類型數據來源于世界土壤數據庫（HWSD，Harmonized World Soil Database）發布的全球30 m 分辨率土壤數據（http：//www.fao.org/geonetwork/srv/en/main.home）（圖2b）。HWSD 土壤類型數據在洪湖流域共覆蓋了21 種類型，考慮到模型運行速率等原因，為了優化模型性能將土壤類型進行再分類，最終在洪湖流域實現7 類土壤類型覆蓋。

1.3.2 氣象數據 洪湖流域的驅動氣象數據源于湖北省氣象局氣象觀測站點數據，共11 個氣象站點，空間分布詳情見圖1。包含變量分別為降水量、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數、相對濕度、氣壓、平均風速。

此外模型還需要太陽輻射數據，考慮到輻射站點和輻射數據的匱乏，參考清華大學Hybrid 模型估算流域輻射數據如氣壓、氣溫、相對濕度、日照時數和風速等［10，11］，算式如下。

式中，Rsw表示短波輻射（J/m2），Rsw，clr表示晴空下的短波輻射（J/m2），τc表示云層的輻射透過率，n是日照時數，N是最大日照時數。

1.3.3 水文水質數據 研究中能夠獲取并用到的實測數據主要有徑流數據和水質數據，分別來源于洪湖市水文局和荊州市生態環境局。監測站點信息見表1，空間分布見圖1。其中福田寺水文站的徑流數據受人工影響較大（圖3），只有2016 年呈現出降水-徑流較好的相關性，故選用2016 年整年的徑流流量數據，時間分辨率為逐日。同時選取了2020年運糧湖同心隊和排水閘兩個水質斷面的水質監測逐日數據。

表1 監測站點信息

圖3 2008—2010 年、2016—2020 年福田寺閘口徑流與降水的季節變化

2 洪湖流域水文過程模擬

2.1 模型構建

將洪湖流域共劃分為136 個子流域，隨后基于土地覆蓋類型和土壤類型的組合對子流域進行水文響應單元劃分，土地利用類型、土壤類型和坡度最小閾值比均定為10%，共劃分了545 個水文響應單元。基于上述基礎地理信息數據、氣象驅動數據共同構建了洪湖流域SWAT 水文模型，模型步長為逐日，空間分辨率為30 m。

建模共確定13 個率定參數，物理意義見表2。其中徑流曲線數Cn2 在［-2，2］區間內，對徑流流量數據有較強的敏感性。

表2 SWAT 模型主要參數物理意義描述

2.2 參數率定

徑流模擬的評價指標主要包括決定系數（R2）以及水文研究中常用的納什效率系數（NSE），算式如下。

式中，N表示時間序列元素總數，Xsi表示模擬值，Xoi表示觀測值，分別表示模擬時段內模擬值和觀測值的平均值。納什效率系數［12］的值通常是不大于1 的，其值越大（越接近1），則表示模型模擬結果越接近真實情況。

洪湖流域SWAT 模型主要針對徑流（圖4）、總磷、總氮（圖5）進行了率定。由圖4 可知，在徑流率定期，2016 年福田寺日徑流模擬結果的納什效率系數NSE= 0.57，決定系數R2= 0.66，較好地再現了2016 年福田寺出水口的徑流逐日變化過程。綜合以上結果，以流域出口徑流作為評價標準，模型在精細的時間尺度上合理地再現了福田寺2016 年的流域徑流過程，并準確刻畫了徑流的季節變化。

圖4 2016 年福田寺逐日徑流觀測和模擬對比

圖5 2020 年運糧湖同心隊、排水閘站點的逐日（不連續）總磷、總氮觀測和模擬對比

圖5 是2020 年運糧湖同心隊、排水閘站點的逐日（不連續）總磷、總氮散點圖對比結果。運糧湖同心隊的水質模擬結果顯示，總磷的決定系數R2=.614 4，總氮的決定系數R2高達0.719 9，表明該模型在流域上游有很好的水質模擬效果（圖5a、圖5b）。而在下游排水閘斷面，模擬總磷與觀測數據的決定系數R2=0.784 0，總氮的決定系數R2為.763 9（圖5c、圖5d）。綜上，以流域水質監測斷面作為評價標準，SWAT 模型也可以很好地復刻該流域的水質演變過程。

3 洪湖流域非點源污染評價

3.1 流域非點源污染空間分布特征

面源污染具有非常顯著的空間相關性，其形成與當地地形、土地利用類型、降雨徑流過程和土壤類型相互作用相互聯系。根據率定后的洪湖流域SWAT 模型，對洪湖流域非點源污染進行模擬，結果見圖6。

圖6 2016—2020 年洪湖流域非點源污染模擬空間分布

流域中河流含沙量大不僅影響水質，同時也會淤塞河道抬高河床而容易造成洪澇災害。洪湖流域泥沙年總產量可達3.26×106t，洪湖水系產沙量為7.16×105t/年，占流域總產沙量的21.96%。其中子流域42、123、101、97、120 的泥沙產量達到了50 t/hm2以上，是洪湖流域較大的泥沙產量子流域（圖6a）。

從圖6b、圖6c 中可以看出，葉綠素a 和生化需氧量的空間分布呈一定相關性，這是由于水中葉綠素a 含量高，意味著浮游植物數量較多，浮游動物攝食量增大，排泄物增多，造成水中有機質增多，因而生化需氧量也增大。但兩者仍存在一定的差異，如葉綠素a 高濃度主要分布在子流域97、47、42、44、58等，濃度均在0.4 mg/L 以上。生化需氧量在子流域128 濃度最高達到了2 420 mg/L，子流域27、136、25、17 均處于高值。總的來看，自流域中游（即運糧湖同心隊水質站）向下游，靠近河流主干道及洪湖湖泊附近的水體污染相對較嚴重。

水中溶解氧是表征水體自凈能力的指標。洪湖流域中下游溶解氧濃度普遍偏高，上游偏低（圖6d）。

由圖6e、圖6f 可知，洪湖流域總磷產生主要集中在子流域96、100、116、51、52，產出量在4 kg/hm2以上，子流域42 總磷達到了5.34 kg/hm2。流域中游總磷產出最高，洪湖湖泊周邊的子流域總磷產出也偏高。洪湖流域的有機磷空間分布整體與總磷相近，有機磷產生總量約為1 198.94 t，主要集中在子流域43、49、6、116、75、39、69、60，占流域總產量的19.79%，單個子流域有機磷生產量最高達42 t。總的來說，洪湖流域的磷污染現象較輕。

由圖6g、圖6h 可知，洪湖流域總氮分布的空間差異性與總磷相似，其中子流域69 總氮達到了18.08 kg/hm2。該流域有機氮產生總量為9 194.17 t，主要集中子流域與有機磷相似，單個子流域有機氮生產量高達324.04 t，位于子流域43。無論是有機磷還是有機氮，污染嚴重的區域均靠近洪湖流域主干道，流域中游（即運糧湖同心隊水質站）附近的有機磷、有機氮、總磷、總氮污染較嚴重。就整個流域而言，有機氮的產出量是有機磷產出量的7～8 倍，即洪湖流域面源污染以氮污染為主。

3.2 土地利用類型變化對非點源污染的影響

土地利用類型對流域水質帶來了一定的影響。洪湖流域的土地利用類型主要為濕地、耕地與水體，其中水體的自作用可以忽略，圖7 對比分析了陸面產沙量、有機氮、有機磷、礦物磷、硝態氮、可溶磷在不同土地覆蓋（濕地及耕地）下的產出模擬結果。

圖7 不同土地利用類型非點源污染對比

單位面積濕地主要產出泥沙量、有機氮、礦物磷，而單位面積耕地則易造成泥沙量、有機氮、硝態氮的產出。可見單位面積耕地更容易產出更多的有機氮和無機氮（硝態氮），即相比單位面積濕地，單位面積耕地對氮污染的貢獻更大。洪湖流域耕地面積占總流域面積的86.32%，約878 106.85 hm2，面積廣泛的耕地產出大量的有機氮和無機氮，這可能是造成洪湖流域氮污染嚴重的主要因素。除此之外，單位面積濕地對有機磷和礦物磷的產出量均比單位面積耕地產出的高，但考慮到流域內濕地覆蓋面積較小，且根據“3.1”小節看出流域整體磷污染較輕，故不做深入分析。

4 小結與討論

本研究在湖北省洪湖流域進行了SWAT 模型構建，成功率定后進行了初步模擬分析，得出以下主要結論。

1）洪湖流域水系復雜且受較多人為干擾，水文過程不再單純以降水-產流機制為主，而是以工程灌溉為主。由于采用的觀測數據、周期以及數據量有限，可能影響了模型中部分參數的準確性，使模型的精度受到一定的限制。

2）洪湖流域中下游河道主干道兩側產沙量、葉綠素a、有機氮、有機磷、生化需氧量相對較大，溶解氧整體空間分布較高，說明洪湖流域水體自凈能力較強。

3）耕地是造成洪湖流域氮污染的主要因素，未來濕地面積增加可能會引起洪湖流域磷污染加劇。