基于SWAT 模型的白洋淀流域總氮負(fù)荷模擬研究

趙志杰

（河北省保定水文水資源勘測局，河北 保定 071051）

SWAT模型是一種流域尺度、基于過程的分布式機(jī)理模型，自20世紀(jì)90年代開發(fā)以來，在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)和水量的模擬評估、非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算、情景分析與預(yù)測、環(huán)境氣候變化對區(qū)域水循環(huán)的影響等。國內(nèi)SWAT模型的研究和應(yīng)用從2000年前后開始，研究領(lǐng)域包括水質(zhì)和水量的定量模擬，土地利用變化和氣候變化的水文響應(yīng)等［1］，現(xiàn)已普遍用于徑流、泥沙和非點(diǎn)源污染的模擬。有學(xué)者運(yùn)用SWAT模型對太湖流域氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的輸移進(jìn)行模擬研究［2］，分析因人類活動形成的點(diǎn)源和面源污染對氮磷的貢獻(xiàn)值。

在氣候變化和人類活動的雙重影響下，白洋淀流域生態(tài)環(huán)境問題日益突出，上游山區(qū)水土流失嚴(yán)重，下游水質(zhì)惡化、濕地銳減。尤其是位于流域出口的白洋淀，受入淀徑流減少及點(diǎn)源和面源污染的影響，正面臨湖面萎縮、水體富營養(yǎng)化、生物多樣性受損等生態(tài)環(huán)境問題［3-5］。本文在白洋淀水質(zhì)現(xiàn)狀評價的基礎(chǔ)上，以營養(yǎng)元素總氮為指示因子，用SWAT模型分析白洋淀流域污染負(fù)荷影響因素，模擬各類污染源的貢獻(xiàn)值及分布，為流域水生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)提供依據(jù)。

1 流域概況

白洋淀流域位于海河流域中部，地跨晉、冀、京三省市，流域面積31199km2。

白洋淀上游分為南北兩支，其中南支面積占流域總面積的67%，北支面積占33%。南支源自恒山南麓，有磁河、沙河、潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河；北支發(fā)源于太行山東麓，包括拒馬河、北易水、中易水、白溝河等河流，北支通過白溝引河匯入白洋淀。

白洋淀流域?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)型大陸性半干旱氣候，多年平均降水量560.7mm，多年平均地表徑流量20.28億m3。土地利用類型主要包括林地、耕地、城鎮(zhèn)及居民點(diǎn)、裸地、水域5類，種植結(jié)構(gòu)以小麥、玉米為主。由西南向東北方向植被覆蓋度逐漸升高，土地覆被類型由草地、灌木林逐漸過渡到林地。土壤類型主要包括褐土、潮土、粗骨土、棕壤等12種，其中褐土面積占流域的60%。

白洋淀淀區(qū)主要在安新縣境內(nèi)，其余部分在雄縣、容城、高陽及任丘等縣市，水域面積366km2，為華北平原最大的淡水湖，淀內(nèi)分布有大小淀泊143個。近年來，由于區(qū)域降水量減少，上游用水量增加，下游接納城市污水及農(nóng)業(yè)面源的徑流，導(dǎo)致白洋淀水域面積逐漸減小，湖水和底泥的營養(yǎng)物質(zhì)含量增高，目前正處于沼澤化和衰亡的過程中。

2 白洋淀水質(zhì)現(xiàn)狀評價

2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)及方法

白洋淀水質(zhì)評價現(xiàn)狀年為2010年，評價項(xiàng)目選用pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、銅、氟化物、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、硫化物、總磷、糞大腸菌群共18項(xiàng)，評價標(biāo)準(zhǔn)采用GB3838—2002 《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，評價方法為單項(xiàng)指標(biāo)法，評價代表值采用年均值，并以Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值為界限，統(tǒng)計主要超標(biāo)物質(zhì)及超標(biāo)倍數(shù)，同時進(jìn)行富營養(yǎng)化評價。

2.2 水質(zhì)現(xiàn)狀評價結(jié)果

白洋淀2010年共設(shè)13處水質(zhì)監(jiān)測斷面如圖1，評價結(jié)果表明：13處監(jiān)測斷面中，全年平均Ⅳ類水質(zhì)7處，Ⅴ類水質(zhì)1處，劣于Ⅴ類水質(zhì)5處，沒有Ⅲ類及優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)如表1。在空間分布上，污染物呈現(xiàn)由西向東，由北向南逐漸減少的趨勢，淀區(qū)西部和北部污染比較嚴(yán)重，東部區(qū)域水質(zhì)稍好。水體主要污染物為氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等。

白洋淀各監(jiān)測斷面中安新橋、大張莊富營養(yǎng)化程度最嚴(yán)重，為重度富營養(yǎng)化；采莆臺和棗林莊斷面富營養(yǎng)化程度較低，為輕度富營養(yǎng)化；其他9處斷面為中度富營養(yǎng)化?？傮w上看，白洋淀水體的富營養(yǎng)化程度相當(dāng)嚴(yán)重。

圖1 白洋淀水質(zhì)監(jiān)測斷面示意圖

表1 白洋淀水質(zhì)現(xiàn)狀評價結(jié)果

2.3 總氮水平分析

2.3.1 年際變化

根據(jù)白洋淀1991～2010年20年統(tǒng)計結(jié)果可以得出（圖2）：白洋淀多年平均總氮含量為1.3mg/L，平均水質(zhì)級別為Ⅳ類，且年際變化較大。最好水質(zhì)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，平均總氮含量0.54mg/L，水質(zhì)級別保持在Ⅲ類；最差水質(zhì)出現(xiàn)在21世紀(jì)初，總氮含量嚴(yán)重超標(biāo)，大于2.5mg/L，水質(zhì)級別為劣于Ⅴ類。20世紀(jì)90年代中期通過水庫調(diào)水，使入淀水量增多，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)；1993年，1999～2001年及2006年為典型枯水年，降水量大幅度減少導(dǎo)致白洋淀蓄水量降低，在污染負(fù)荷不變的情況下水體中總氮含量顯著升高。

圖2 白洋淀年平均總氮含量及水質(zhì)評價結(jié)果

2.3.2 年內(nèi)變化

對2005～2010年白洋淀水體總氮含量的年內(nèi)變化進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明（圖3）：白洋淀月平均總氮含量1.86mg/L，但年內(nèi)水質(zhì)變化十分劇烈，上半年總氮含量嚴(yán)重超標(biāo)，平均含量達(dá)2.82mg/L，水質(zhì)極差，為劣于Ⅴ類；下半年水質(zhì)好轉(zhuǎn)，其中夏秋季節(jié)水質(zhì)較好，水質(zhì)級別保持在Ⅲ類，7～10月份總氮含量平均為0.67mg/L，冬季水質(zhì)開始呈現(xiàn)惡化趨勢，11～12月份總氮含量平均為1.39mg/L，水質(zhì)級別為Ⅳ類?？傮w來說，流域汛期由于水體對氮素的稀釋作用使得淀區(qū)水質(zhì)較好，非汛期則相反，水量的減少導(dǎo)致氮素濃度顯著升高，水質(zhì)惡化。

圖3 白洋淀月平均總氮含量及水質(zhì)評價結(jié)果

3 白洋淀流域總氮負(fù)荷模擬

影響白洋淀流域總氮負(fù)荷的因素主要有點(diǎn)源污染和面源污染，點(diǎn)源包括城市生活污水和工業(yè)廢水，面源污染主要有化肥農(nóng)藥、人和畜禽糞便、農(nóng)村生活污水、固體廢棄物及水土流失等［6］。

白洋淀為流域的出口，直接入淀的河流大多已干涸，只有源于保定市的府河常年有水入淀，主要是保定市的生活污水，水質(zhì)為劣V類，水中含有大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。本文采用SWAT模型方法，選取總氮為指示因子，以流域出口白洋淀作為研究對象，分析整個流域點(diǎn)源、面源對總氮污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率。

3.1 SWAT模型簡介

SWAT（Soil and Water Assessment Too1）是由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）1994年開發(fā)的流域分布式水文模型。模型開發(fā)的最初目的是為了預(yù)測在大流域復(fù)雜多變的土壤類型、土地利用方式和管理措施條件下，土地管理對水分、泥沙和化學(xué)物質(zhì)的長期影響。它是一種基于GIS基礎(chǔ)之上的分布式流域水文模型，近年來在水資源和水環(huán)境領(lǐng)域中得到快速發(fā)展和應(yīng)用，主要是利用遙感和地理信息系統(tǒng)提供的空間信息模擬不同的水文物理化學(xué)過程，如水量、水質(zhì)及氮磷的輸移與轉(zhuǎn)化過程［7-9］。

3.2 SWAT數(shù)據(jù)庫建立和水文響應(yīng)單元劃分

SWAT模型需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型（DEM），流域 的數(shù)字河流資料，土地利用/覆被（LULC）數(shù)據(jù)，土壤類型及屬性數(shù)據(jù)，氣象站點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)和多年實(shí)測氣象資料，出水口站點(diǎn)的流量、水質(zhì)監(jiān)測資料及流域的自然地理資料等。

SWAT模型通過輸入地形高程（DEM）數(shù)據(jù)，利用模型內(nèi)嵌的地形與河網(wǎng)分析工具，將流域劃分成多個子流域，根據(jù)土壤類型和土地利用數(shù)據(jù)，把每個子流域細(xì)分為多個水文響應(yīng)單元（HRU），進(jìn)行水質(zhì)、水量模擬［10］。

根據(jù)白洋淀流域自然地理特征，將整個流域劃分為34個子流域（圖4）。根據(jù)不同的土地利用類型、土壤類型及坡度分級組合，將白洋淀流域劃分為183個水文響應(yīng)單元（HRU）。以白洋淀作為流域的出水口，并將府河匯入白洋淀處作為點(diǎn)源排放點(diǎn)。

3.3 年尺度白洋淀流域總氮負(fù)荷模擬

運(yùn)行SWAT模型的水質(zhì)模塊，模擬2005～2010年白洋淀流域的氮遷移轉(zhuǎn)化過程，計算出流域出水口（即白洋淀）的年總氮負(fù)荷及點(diǎn)、面污染源貢獻(xiàn)率（表2、圖5）。結(jié)果表明：

圖4 白洋淀流域子流域劃分

（1）相對于總氮負(fù)荷的環(huán)境背景值，添加面源或點(diǎn)源排放后，總氮負(fù)荷分別增加了64%和116%，說明農(nóng)業(yè)面源污染和城市、工業(yè)點(diǎn)源排放均對白洋淀淀區(qū)總氮負(fù)荷有很大貢獻(xiàn)，其中點(diǎn)源排放為最主要的氮負(fù)荷來源。目前白洋淀實(shí)際氮負(fù)荷量已超過環(huán)境背景值180%，足見白洋淀水環(huán)境污染程度的嚴(yán)重性。

表2 白洋淀流域年總氮負(fù)荷模擬結(jié)果

圖5 白洋淀流域年總氮負(fù)荷量分布

（2）白洋淀水環(huán)境質(zhì)量仍處于惡化階段，2010年總氮負(fù)荷量是2005年的1.36倍，其中面源負(fù)荷量顯著增加，點(diǎn)源負(fù)荷量相對比較穩(wěn)定。環(huán)境背景值的變化主要受控于流域氣候、徑流的影響，2007年降水豐沛，流域徑流量較大，利于氮素隨徑流的遷移，環(huán)境背景值較高。

（3）多年平均面源負(fù)荷貢獻(xiàn)率為33.8%，呈顯著增加趨勢，平均點(diǎn)源負(fù)荷貢獻(xiàn)率為66.2%，呈相對減少趨勢，說明流域面源污染日益加劇，2010年面源已與點(diǎn)源貢獻(xiàn)水平相當(dāng)。

3.4 月尺度白洋淀流域總氮負(fù)荷模擬

用SWAT模型計算多年月平均總氮負(fù)荷量（表3、圖6）?？梢缘贸觯?/p>

表3 白洋淀流域月總氮負(fù)荷模擬結(jié)果

圖6 白洋淀流域月總氮負(fù)荷量分布

（1）白洋淀流域總氮負(fù)荷的環(huán)境背景值在汛期（7～9月）及汛后一段時間保持較高水平，而非汛期則負(fù)荷量很小。最高負(fù)荷量（9月）是最低負(fù)荷量（6月）的8倍。說明流域氣候、徑流等自然因素對總氮負(fù)荷的影響不容忽視。

（2）同時考慮氣候、水文等自然因素和點(diǎn)、面源污染等社會因素，汛期流域總氮負(fù)荷量遠(yuǎn)高于非汛期。其中由降水、徑流量的波動引起的總氮負(fù)荷變化最為明顯，面源污染次之，點(diǎn)源排放量相對比較穩(wěn)定?？梢娏饔蚩偟?fù)荷的年內(nèi)分配主要取決于氣候、水文條件，負(fù)荷量與降水量、徑流量呈正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)語

（1）白洋淀是華北地區(qū)重要的濕地保護(hù)區(qū)，對調(diào)節(jié)小氣候，維護(hù)華北平原的生態(tài)平衡起著不可忽視的作用。由于自然和人為兩方面因素的影響，白洋淀濕地的水環(huán)境和水生態(tài)都遭到嚴(yán)重破壞。白洋淀各區(qū)域水質(zhì)均受到不同程度的污染，為Ⅳ類、Ⅴ類或劣于Ⅴ類水質(zhì)，水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)及有機(jī)污染物超標(biāo)嚴(yán)重，處于富營養(yǎng)狀態(tài)。

（2）白洋淀流域污染源包括點(diǎn)源污染和面源污染兩大類。流域內(nèi)總氮負(fù)荷主要來自城市生活污水和工業(yè)廢水排放及面源污染，化肥農(nóng)藥、人和畜禽糞便、固體廢棄物及水土流失是面源污染的主要途徑。

（3）采用SWAT模型對白洋淀流域總氮移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行模擬，相對于總氮負(fù)荷的環(huán)境背景值，添加面源或點(diǎn)源排放后，總氮負(fù)荷分別增加了64%和116%。白洋淀流域總氮多年平均面源負(fù)荷貢獻(xiàn)率為33.8%，點(diǎn)源負(fù)荷貢獻(xiàn)率為66.2%。同時考慮氣候、水文等自然因素和點(diǎn)、面源污染等社會因素，汛期流域總氮負(fù)荷量遠(yuǎn)高于非汛期。

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