遼河重污染支流招蘇臺河徑流和泥沙模擬研究

湯 潔，張愛麗，侯克怡，李昭陽，田 雷，林曉晟，王 博

（吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，長春130012）

由于自然因素及人類對水土資源的不合理開發(fā)利用，土壤覆蓋物遭受破壞，在外力作用下易引發(fā)水土流失。我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，水土流失面積已達(dá)到367萬km2，占國土面積的38.2%，每年土壤流失量為50億t［1－2］，總體上呈現(xiàn)強度高、發(fā)展快、成因復(fù)雜、危害嚴(yán)重等特征。水土流失的危害主要表現(xiàn)在降低土壤肥力、泥沙淤積阻礙地表徑流，導(dǎo)致土地荒漠化等，另外，泥沙具有相當(dāng)數(shù)量的黏土礦物和無機、有機膠體，在水體中是很好的吸附劑，多種污染物質(zhì)可附著于泥沙顆粒表面，隨泥沙運移進入河流，帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一個連續(xù)模擬地表徑流、泥沙和非點源污染的分布式水文模型，集成了3S技術(shù)、徑流曲線數(shù)法（SCS）及修正的通用土壤流失方程（RUSLE），SWAT模型以其強大的功能、先進的模型結(jié)構(gòu)及高效的計算，在水文模型中占有重要的地位，已成為現(xiàn)代水文模擬研究的熱點［3］。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的水文模擬研究，并對土地利用、氣候及其他情景變化的水文效應(yīng)進行分析［4－8］，證明了SWAT模型在模擬地表徑流、地下徑流、泥沙的有效性。

招蘇臺河流經(jīng)吉林省四平市，是重要的農(nóng)業(yè)灌溉水源和污染物受納水體。近年來，由于人類無節(jié)制的開發(fā)，地表植被破壞嚴(yán)重，水土流失和水體污染等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。本文應(yīng)用SWAT模型模擬吉林省境內(nèi)招蘇臺河流域的2004—2009年徑流及輸沙量，以期為研究區(qū)水土保持和河流污染治理提供數(shù)據(jù)和管理決策支持。

1 研究區(qū)概況

招蘇臺河發(fā)源于四平市梨樹縣三家子鄉(xiāng)，是遼河的一級支流，由東向西流經(jīng)梨樹縣梨樹鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)等7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在該縣四棵樹鄉(xiāng)流入遼寧省，在遼寧省通江口鄉(xiāng)匯入遼河（圖1）。招蘇臺河流域地理位置位于東經(jīng)124°17′—124°57′，北緯44°13′—44°35′，流域面積1 120km2，吉林省境內(nèi)長度103km。流域處于溫帶和暖溫帶，具有大陸性和季風(fēng)性氣候特征，氣溫低，寒冷周期長。該河徑流量年內(nèi)分布具有明顯的季節(jié)特點，6—9月份為豐水期，徑流量占年徑流量的60%～70%，3—5月和10月份為平水期，11月份進入枯水期，流量顯著減少。

圖1 招蘇臺河流域地理位置及站點

招蘇臺河流域以農(nóng)業(yè)種植和牧業(yè)養(yǎng)殖為支柱產(chǎn)業(yè)，無工業(yè)企業(yè)，流域內(nèi)水體污染以農(nóng)業(yè)面源污染為主，據(jù)2010年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，流域內(nèi)共有耕地856.27 km2，占土地總面積的76.59%，養(yǎng)殖場及養(yǎng)殖小區(qū)202家。梨樹縣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，招蘇臺河2004—2010年多個斷面為劣Ⅴ類水質(zhì)，是遼河流域跨省界河流污染最嚴(yán)重的支流之一。隨徑流和泥沙攜帶進入河流的面源污染物是造成水體污染的重要原因，因此，研究重污染河流徑流和泥沙的運動規(guī)律，對于流域水土保持和水污染治理具有十分重要的意義。

2 模型與數(shù)據(jù)處理

2.1 SWAT模型

SWAT模型由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究局（ARS）基于SWRRB模型開發(fā)的流域尺度模型，屬物理模型，適用于具有不同土壤類型、土地利用和管理方式下的復(fù)雜流域的模擬，可在資料缺乏的地區(qū)建模，模型在美國、加拿大、中國等40多個國家有廣泛應(yīng)用，主要集中在模擬地表水和地下水的水質(zhì)、水量，預(yù)測土地管理措施對大尺度流域的水文、泥沙和非點源污染等方 面［5，9－13］。SWAT 模型主要包 括 水 文過程、土壤侵蝕和污染負(fù)荷三個子模型。水文過程可分為水循環(huán)陸地階段和水循環(huán)水面階段。水循環(huán)陸地階段指的是流域的產(chǎn)流和坡面匯流，控制著每個子流域內(nèi)主河道的水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)等的輸入量；水循環(huán)水面階段也就是河道中的匯流部分，決定了水、沙等物質(zhì)向流域出口的輸移運動。土壤侵蝕子模型使用RUSLE方程計算泥沙的生成量，方程用徑流代替降水因子，改善了泥沙量的預(yù)測。污染負(fù)荷子模型可用來模擬氮、磷污染負(fù)荷及其在河道中的遷移轉(zhuǎn)化過程［10，14］。

2.2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

數(shù)據(jù)庫對SWAT模型的運行至關(guān)重要，模型通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫提取流域、地形、土壤等信息模擬流域的水文特征及物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化。模型模擬所需數(shù)據(jù)主要有空間數(shù)據(jù)、非空間屬性數(shù)據(jù)，以及用于校準(zhǔn)、驗證的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫包括數(shù)字高程模型（DEM）、土地利用圖、土壤類型圖等，其建立和管理均由ArcGIS 10.0軟件完成。所有圖件的地理坐標(biāo)設(shè)為WGS1984，為保證投影后面積的真實性，本研究采用Albers等積圓錐投影。非空間屬性數(shù)據(jù)一般考慮氣象資料和土壤屬性數(shù)據(jù)。SWAT模型數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)來源見表1。

2.3 模型校準(zhǔn)與驗證

本文利用2004—2007年、2008—2009年的徑流、泥沙等水文監(jiān)測數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)與驗證，選用相關(guān)系數(shù)R2、相對誤差Re和Nash－Suttcliffe系數(shù)Ens用于評價模擬值與實測數(shù)據(jù)的吻合程度。R2可通過線性回歸的方法得到，Re和Ens計算公式為：

式中：Q0——實測值；Qp——模擬值；Qavg——實測平均值；n——實測數(shù)據(jù)數(shù)量。模型校準(zhǔn)要求年徑流量Re＜20%、年泥沙負(fù)荷Re＜30%，月均值的評價系數(shù)R2≥0.6，且Ens≥0.5。

表1 SWAT模型數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)來源

2.4 SWAT模型運行

SWAT模型基于DEM在面積閾值為18km2的尺度上提取流域的水系，應(yīng)用Burn－In功能以現(xiàn)有水系為基礎(chǔ)調(diào)整后，將研究區(qū)劃分為27個子流域（圖1）。模型根據(jù)土地利用、土壤類型等空間信息，以子流域為單位劃分水文響應(yīng)單元（HRU），以反映不同組合間的水文特征。綜合分析各子流域土地利用和土壤類型組合及分布，將其最小面積閾值比分別定為4%和5%，即小于閾值的土地利用及土壤類型重新劃分，與其他類型合并，土地利用圖和土壤類型圖疊加后，共劃分為153個水文響應(yīng)單元。

通過SWAT模型的敏感性分析模塊，確定對模擬影響較大的敏感因子：SCS徑流曲線系數(shù)（CN2）、土壤蒸發(fā)補償系數(shù)（ESCO）、土壤可利用水量（SOIL＿AWC）、最大冠層需水量（CANMX）、基流α系數(shù)（ALPHA＿BF）等?；诿舾行苑治龅慕Y(jié)果及梨樹水文站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對年徑流量、月徑流量、年輸沙量和月輸沙量依次進行校準(zhǔn)，2004—2007年為校準(zhǔn)期，2008—2009年為驗證期。年徑流量Re為14.47%，年泥沙負(fù)荷Re為4.4%，月校準(zhǔn)和驗證的結(jié)果見表2、圖2，表明SWAT模型應(yīng)用在招蘇臺河流域徑流和輸沙量的評估和預(yù)測研究是可行的。

表2 招蘇臺河流域校準(zhǔn)和驗證結(jié)果

3 結(jié)果與分析

根據(jù)SWAT模型模擬結(jié)果，招蘇臺河流域2004—2009年6a的年均徑流量為1.64m3／s，入河泥沙量、輸沙量分別為6.90萬t、6.71萬t，在河道中輸移損失0.19萬t，土壤侵蝕模數(shù)為62.93 t／（km2·a），根據(jù)水利部土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)［15］，侵蝕強度屬于微度侵蝕?；赟WAT 模型年模擬結(jié)果，統(tǒng)計不同土地利用類型的產(chǎn)沙量。耕地產(chǎn)生的泥沙量為6.48萬t／a，占總量的93.86%，居民地的產(chǎn)沙量為0.42萬t／a，占總量的6.13%，林地、草地等的產(chǎn)沙量占總量的1.00%；耕地的土壤侵蝕模數(shù)為79.02 t／（km2·a），林地為0.17t／（km2·a），草地為0.65 t／（km2·a）。因此耕地是該河泥沙產(chǎn)生的主要來源。

3.1 模擬結(jié)果時空分析

3.1.1 時間分析 由圖2可以看出，枯水期、平水期和豐水期的徑流量差異顯著，平均徑流量分別為0.45，0.91，3.71m3／s?？菟谔幱诙荆铀Y(jié)冰，基本無徑流量，或以污水為主的少量徑流；豐水期徑流量較大，在7月、8月份達(dá)到峰值，這與降雨的峰值相一致，降雨是直接補給徑流的主要途徑。招蘇臺河輸沙量最大值亦出現(xiàn)在7月、8月份，即隨著降雨量的增大，土壤侵蝕的強度和泥沙的輸移能力均明顯提高。輸沙量在3月份出現(xiàn)小峰值，其原因是春季融雪產(chǎn)流，導(dǎo)致沒有植被覆蓋的表層土壤易隨徑流進入河流。

對2004—2009年模擬結(jié)果的統(tǒng)計分析表明（表3），徑流量與降雨量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.88（P＜0.05），降雨是水文循環(huán)的直接動力，是影響徑流的重要因素。輸沙量與徑流量的R2為0.58（P＜0.1），有一定的相關(guān)性，這是因為河道產(chǎn)沙伴隨著水文循環(huán)過程發(fā)生，但也較多受到植被類型、地形、土壤侵蝕因子、農(nóng)業(yè)管理和水土保持措施等的影響，導(dǎo)致二者的相關(guān)系數(shù)較小。

3.1.2 空間分析 由招蘇臺河流域不同子流域年均產(chǎn)流和產(chǎn)沙的空間分布可以看出（圖3），子流域18及河流發(fā)源地（子流域19，22，26）對流域年徑流量貢獻較大，4個子流域產(chǎn)生的年徑流量為0.36億m3，占流域總量的32.45%，為流域的主要產(chǎn)流區(qū)。產(chǎn)沙量較大的是子流域5，10，18，19，22，26，產(chǎn)沙量達(dá)2.93萬t，占總產(chǎn)沙量的42.50%，是流域主要的產(chǎn)沙區(qū)。比較子流域的坡度發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)流、產(chǎn)沙大的子流域平均坡度大于其他子流域，且土地利用以耕地為主，地理特征及土地利用類型為產(chǎn)流、產(chǎn)沙提供了良好的條件。

圖2 2004－2009年逐月徑流量和輸沙量模擬與實測結(jié)果

表3 招蘇臺河流域2004－2009年模擬結(jié)果

圖3 研究區(qū)年徑流量和產(chǎn)沙量空間分布

3.2 水土保持措施模擬

利用SWAT模型模擬水土保持措施，對于制定和實施水土保持措施具有理論指導(dǎo)意義，以往研究表明［16］，研究區(qū)坡度不同，所采取的水土保持措施也有所差異。應(yīng)用ArcGIS 10.0軟件，基于DEM提取流域坡度（表4）。區(qū)內(nèi)坡度以0～6°的平耕地為主，占流域總面積的95.61%，坡度大于6°的面積為49.08 km2，僅占總面積的1.39%。根據(jù)招蘇臺河流域平耕地的土壤類型以黑土和草甸土為主的特點，適宜在河流兩岸修建植被緩沖帶，以減少水土流失量。以往研究表明，河岸的植被保護緩沖帶能有效攔截進入河流的泥沙、氮、磷等污染物質(zhì)，改善水體水質(zhì)，且在緩沖帶內(nèi)種植灌木、喬木等根系發(fā)達(dá)的植物可起到更好的固土作用［14，17－19］。

表4 招蘇臺河流域坡度分布

為探討緩沖帶對招蘇臺河流域徑流和泥沙的影響，本文利用SWAT模型中土地管理和情景模擬模塊設(shè)定不同控制措施情景，結(jié)果見表5。

表5 不同植被緩沖帶情景下產(chǎn)沙量模擬結(jié)果

植被緩沖帶具有降低洪枯比的作用，可有效改善水文循環(huán)。修建緩沖帶后年均徑流量為3.01m3／s，較無緩沖帶時增加了83.5%，緩沖寬度對徑流的影響不顯著。分析其原因，植被緩沖帶能改變流域水文條件，增加枯水期的流量，另外，研究區(qū)地處東北寒冷地區(qū)，冬季積雪80～120d，植被緩沖帶具有較好的滯留雪的能力。春季融雪時，有植被覆蓋區(qū)域的反射率較其他地區(qū)高，因而可以吸收的太陽能量、蒸騰量相應(yīng)有所減少，有利于增加徑流補給［20］。相對于無水土保持措施，修建1m，2m，5m，10m，15m緩沖帶使研究區(qū)泥沙入河量分別降低了22.56%，27.84%，39.18%，50.85%，57.43%。緩沖帶對入河泥沙量有一定的削減作用，且呈現(xiàn)出寬度越大，削減效果越好的趨勢。緩沖帶的功能隨時間有顯著變化，分析2004—2009年修建緩沖帶后入河泥沙量，2005年開始明顯減小，之后趨于平緩，但在實際應(yīng)用時，由于受到植被生長周期的影響，截留泥沙量是一個緩慢的過程。植被緩沖帶減少泥沙是因為植被緩沖帶改變了原有地表植被類型和微地形，保護土壤團聚體避免降雨的直接破壞，從而影響土壤侵蝕的動力和抗侵蝕阻力系統(tǒng)，減少土壤侵蝕作用［21］。

4 結(jié)論

（1）對模型進行校準(zhǔn)和驗證后，評價參數(shù)均滿足要求，表明SWAT模型對招蘇臺河流域的應(yīng)用研究是可行的。

（2）招蘇臺河流域年平均徑流量、輸沙量為1.64 m3／s、6.71萬t，土壤侵蝕強度屬于微度侵蝕。徑流量、輸沙量的年內(nèi)分布具有季節(jié)性特點，7月、8月份徑流量和輸沙量達(dá)到峰值。產(chǎn)流、產(chǎn)沙與地形和土地利用類型有關(guān)，產(chǎn)流量較大的是子流域18，19，22，26，占總量的33.07%；產(chǎn)沙量較大的子流域是5，10，18，19，22，26，占研究區(qū)總量的42.69%。

（3）河流兩岸修建植被緩沖帶后年徑流量有所增加，泥沙入河量顯著減少，緩沖帶可有效改善水文循環(huán)，緩沖帶的寬度應(yīng)綜合考慮流域地形、坡度、土壤結(jié)構(gòu)、植物類型等因素進行確定。

（4）招蘇臺河兩岸目前多為耕地，無任何河岸護坡設(shè)施，居民區(qū)附近畜禽糞便及生活垃圾隨意堆放，泥沙運移易攜帶大量的污染物和植物性營養(yǎng)物進入河流，導(dǎo)致水體污染嚴(yán)重。因此，揭示泥沙產(chǎn)生、運移的規(guī)律，實施有效的水土保持工程，不僅可減少水土流失量，也是改善河流污染，減緩跨省界河流污染負(fù)荷的重要措施。

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