基于SWAT模型的渭河流域污染控制效果模擬

杜　娟，李懷恩，趙湘璧，李家科

(1.榆林學(xué)院建筑工程系，陜西 榆林　719000；2.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710048)

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基于SWAT模型的渭河流域污染控制效果模擬

杜娟1，李懷恩2，趙湘璧1，李家科2

(1.榆林學(xué)院建筑工程系，陜西 榆林719000；2.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710048)

摘要：在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用率定驗(yàn)證后的SWAT模型對(duì)渭河流域污染負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)非點(diǎn)源和點(diǎn)源污染控制措施的模擬效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：非點(diǎn)源污染綜合控制措施可較好地削減污染物，且削減效果明顯高于單一非點(diǎn)源措施。點(diǎn)源污染控制措施對(duì)N、P削減效果較明顯，且削減效果隨著強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)。點(diǎn)源和非點(diǎn)源相結(jié)合的污染控制綜合方案對(duì)流域N、P的削減效果比單一措施效果明顯，采取綜合措施后2020年渭河流域污染負(fù)荷產(chǎn)出均有所下降，且滿足“十二五”規(guī)劃中主要污染物控制目標(biāo)，說(shuō)明綜合措施治理效果較好，流域水環(huán)境質(zhì)量得到明顯提高。

關(guān)鍵詞：渭河流域；SWAT模型；非點(diǎn)源污染；點(diǎn)源污染；污染控制措施

按照污染源發(fā)生類型,水環(huán)境污染可分為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染2大類。即使點(diǎn)源污染得到全面控制,水質(zhì)達(dá)標(biāo)率也僅為42%～65%[1]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),人口持續(xù)增加及不合理人類活動(dòng)的增多加劇了水體非點(diǎn)源污染,導(dǎo)致可用水資源量大幅度減少。目前,我國(guó)正處于水污染構(gòu)成的轉(zhuǎn)變初期,在總污染負(fù)荷中點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率逐漸下降,非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率逐步上升。若能在點(diǎn)源得到削減的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對(duì)非點(diǎn)源污染的控制治理,必然能夠抑制水質(zhì)惡化,改善生態(tài)環(huán)境。

渭河流域貫穿陜甘寧3省,是我國(guó)重要的工業(yè)生產(chǎn)基地和糧棉油產(chǎn)區(qū),更是關(guān)中地區(qū)的重要水源地,直接影響著兩岸各地的經(jīng)濟(jì)和生活水平。作為關(guān)中地區(qū)唯一的污廢水排泄通道,流域內(nèi)大部分生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污水等進(jìn)入渭河,導(dǎo)致渭河干流水質(zhì)惡化為Ⅴ類,甚至劣Ⅴ類,水體基本喪失原有使用功能。該研究旨在利用SWAT模型識(shí)別流域內(nèi)污染來(lái)源,并通過(guò)定量化的模擬分析不同污染控制方案的效果,提出治理污染的有效控制措施,為渭河流域的水環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

渭河是黃河水系最大的一級(jí)支流,全長(zhǎng)818 km,流域面積13.48萬(wàn)km2,涉及陜甘寧3個(gè)省(自治區(qū))的10個(gè)市(地區(qū)、州、盟)共72個(gè)縣(旗、市)。全流域按河段劃分為3段:渭河源頭鳥(niǎo)鼠山至寶雞峽以上為上游段,屬山區(qū)河流:河谷狹窄,川峽相間,水流湍急,全長(zhǎng)430 km;寶雞峽至咸陽(yáng)鐵橋?yàn)橹杏味?屬山區(qū)向平原過(guò)渡區(qū)河流:河道寬,多沙洲,水流分散,全長(zhǎng)177 km;咸陽(yáng)鐵橋至潼關(guān)口為下游段,屬典型平原區(qū)河流:水流緩慢,比降小,河道淤積嚴(yán)重,全長(zhǎng)211 km(圖1)。

圖1　渭河流域水系分布

1.2研究方法

選擇渭河流域華縣水文站斷面以上流域部分,在現(xiàn)有研究資料(1986—1990年)基礎(chǔ)上,加入1990—2010年數(shù)據(jù),利用SWAT模型對(duì)該區(qū)域非點(diǎn)源和點(diǎn)源污染進(jìn)行模擬,識(shí)別區(qū)域內(nèi)主要污染物,包括有機(jī)氮(ORGN)、有機(jī)磷(ORGP)、氨氮(以NH4+-N計(jì))、礦物磷(MINP)等的污染產(chǎn)出,結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)理論與方法,定量模擬、評(píng)價(jià)土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及農(nóng)業(yè)管理措施的改變等非點(diǎn)源控制措施效果,提出主要非點(diǎn)源污染物的控制管理措施和對(duì)策;加入點(diǎn)源負(fù)荷后,對(duì)點(diǎn)源和非點(diǎn)源負(fù)荷產(chǎn)出進(jìn)行模擬,分析綜合措施的模擬效果。

1.3模型構(gòu)建

在已建立的模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)[2]中,添加1990—2010年的水文、氣象和水質(zhì)資料,包括日最低最高氣溫、日風(fēng)速和日蒸發(fā)量等氣象資料,降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù),NH4+-N、NO3--N和NO2--N等水質(zhì)資料以及1986—2009年流域內(nèi)各大排污單位的數(shù)據(jù)(地理位置,廢、污水排放量,污染負(fù)荷量等),并將上述圖形文件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,氣象水質(zhì)等資料轉(zhuǎn)化為DBF格式,輸入模型生成新的SWAT模型數(shù)據(jù)集。根據(jù)流域數(shù)字高程模型(DEM)和水系劃分子流域及水文響應(yīng)單元(HRU)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析,加入點(diǎn)源資料后,應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)徑流、水質(zhì)等相關(guān)系數(shù)進(jìn)行率定、驗(yàn)證,選用相對(duì)誤差(ER)、確定性系數(shù)(R2)和Nash-Suttcliffe模擬效率系數(shù)(Ens)對(duì)模型的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)[3-4](表1和圖2)。

表1模型適用性評(píng)價(jià)

Table 1Applicability of the SWAT model

項(xiàng)目相對(duì)誤差(ER)/%R2Nash-Suttcliffe模擬效率系數(shù)(Ens)率定期驗(yàn)證期率定期驗(yàn)證期率定期驗(yàn)證期徑流-1.27-7.900.930.870.880.84泥沙-16.6625.120.860.780.690.66氨氮-27.55-25.990.910.890.830.89硝態(tài)氮11.5725.630.780.690.590.66亞硝態(tài)氮-20.28-11.130.870.610.800.61

月均徑流模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差ER在±10% 內(nèi),Ens≥0.5且R2≥0.8,說(shuō)明調(diào)參后的模型滿足地表徑流的模擬精度要求;月均泥沙模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差ER在±30%內(nèi),Ens≥0.5且R2≥0.7,可認(rèn)為泥沙部分的精度基本滿足模型模擬要求;月均NH4+-N、NO3--N、NO2--N的模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差ER均在±30%以內(nèi),Ens≥0.5 且R2≥0.6,說(shuō)明模擬效果較好,基本滿足模擬要求。在完成徑流、泥沙和水質(zhì)的率定驗(yàn)證后,與其相關(guān)的敏感參數(shù)值得到確定(表2)。

2結(jié)果與討論

2.1不同代表年非點(diǎn)源污染模擬結(jié)果

對(duì)SWAT模型進(jìn)行驗(yàn)證后,將1955—2009年共55 a的長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)渭河徑流量作為基礎(chǔ)資料,利用P-Ⅲ型水文頻率分析軟件對(duì)徑流量進(jìn)行頻率分析,確定不同代表年,并模擬相應(yīng)代表年的非點(diǎn)源污染負(fù)荷產(chǎn)出,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,豐水年、平水年、枯水年的降雨量、徑流量和泥沙量均依次減小,且與當(dāng)年降雨徑流量有密切關(guān)系。泥沙量與N、P非點(diǎn)源負(fù)荷分布有很好的相關(guān)性,說(shuō)明控制渭河流域的水土流失和減少土壤侵蝕可以減小流域非點(diǎn)源負(fù)荷輸出。另外,研究流域人口多,密度大,加之耕地、農(nóng)村用地的化肥施用量不斷增大,有機(jī)肥施用量下降等原因,都造成渭河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷比例的增加。

圖2　華縣水文站率定期(1987—1988年)和驗(yàn)證期(1995和2009年)污染負(fù)荷模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.2渭河流域非點(diǎn)源污染控制措施效果模擬

在流域建立5種方案25個(gè)情景對(duì)不同農(nóng)業(yè)管理污染控制措施的效果進(jìn)行模擬,具體方案見(jiàn)表4。對(duì)以上方案進(jìn)行綜合分析,以確定不同措施對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的靈敏度。選用平水年非點(diǎn)源污染負(fù)荷量來(lái)說(shuō)明各措施的削減效果(表5)。從表5可知,采取水土保持措施(方案1)后N、P的削減效果較明顯;其中ORGN的削減率最高達(dá)68.72%,ORGP達(dá)58.71%,NH4+-N達(dá)56.59%,MINP達(dá)58.32%,TP達(dá)58.53%,NO3--N削減效果相對(duì)較差。與情景1-6相比,減少表層土壤施肥量占比(情景2-4)對(duì)NSP負(fù)荷的削減較少,但對(duì)MINP和TP的削減較明顯,MINP削減率可達(dá)7.30%,TP削減率達(dá)5.23%。合理減少施肥量(方案3)對(duì)P、NO3--N的削減效果較為明顯,且隨著化肥施用量的減少,削減率隨之增加,MINP達(dá)5.25%,TP為4.70%,NO3--N為4.05%。改進(jìn)灌溉方式并減少灌溉用水量對(duì)N、P負(fù)荷流失的影響比施肥量更加明顯。農(nóng)田中N流失主要以硝態(tài)N為主,P則以溶解性P和顆粒P為主,這是因?yàn)镻主要與土壤懸浮顆粒有關(guān),“故灌溉量增加時(shí),P的流失會(huì)急劇增大,且多為可溶性磷[5]”。采用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中推廣的灌溉方式和節(jié)水措施(方案4)進(jìn)行模擬,對(duì)NSP負(fù)荷的削減量較大,其中ORGN削減率最高達(dá)27.19%,NO3--N削減率達(dá)14.36%,MINP削減率達(dá)65.08%,TP削減率達(dá)32.29%。同時(shí)采取水保措施、合理減少施肥量和表層土壤施肥量占比并改進(jìn)灌溉方式(情景5-4)顯示對(duì)NSP負(fù)荷的削減效果顯著,其中ORGN達(dá)29.42%,ORGP達(dá)32.90%,NO3--N達(dá)20.23%,MINP達(dá)29.45%,TP達(dá)30.67%,由此可見(jiàn),綜合措施對(duì)NSP各項(xiàng)指標(biāo)均有很好的削減作用,可以有效控制流域內(nèi)NSP負(fù)荷的輸出。

表2模型參數(shù)率定結(jié)果

Table 2Calibration of parameters of the model

變量 模擬過(guò)程定義 典型值范圍 參數(shù)最終值 CN2徑流徑流曲線數(shù)0～100;微調(diào)范圍±8%45;微調(diào)值-5.9%CANMX徑流樹(shù)冠最大截留量0～1000.50mmSOL-AWC徑流土壤水有效利用量0～1;微調(diào)范圍±8%0.22;微調(diào)值-0.03%EPCO徑流植物吸收補(bǔ)償系數(shù)0～10.85ESCO徑流土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)0～11.00GWQMN徑流最小基流出流閾值0～5000280.00GW-REVAP徑流土壤再蒸發(fā)系數(shù)0.02～0.200.02REVAPMN徑流土壤再蒸發(fā)閾值0～5000.50SMFMX徑流6月21日雪融系數(shù)0～1010SMFMN徑流12月21日雪融系數(shù)0～106.8USLE-C泥沙土壤植被管理因子0.003～0.450耕地0.100;林地0.038;未利用荒草地0.040Spexp泥沙泥沙輸移指數(shù)系數(shù)1.00～1.501.20PRF泥沙河道峰值流量系數(shù)0～21.00CH-COV泥沙河道覆蓋因子-0.001～11.00CH-EROD泥沙河道可侵蝕因子-0.05～0.600.13CMN水質(zhì)有機(jī)氮的礦化速度0.001～0.0030.002NPERCO水質(zhì)氮的下滲系數(shù)0～10.10

表3不同頻率年的計(jì)算結(jié)果

Table 3Calculation in different typical hydrologic years

頻率年降雨量/mm徑流量/(m3·s-1)泥沙量/108t污染物負(fù)荷量/t硝態(tài)氮有機(jī)氮氨氮亞硝態(tài)氮礦物磷有機(jī)磷豐水年631.86300.525.7718088.18130.871269.58856.47100.89903.16平水年573.21232.962.858181.2675.863020.291167.31383.98472.66枯水年469.83193.081.774681.6122.81448.55870.28256.2573.68

2.3渭河流域點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染綜合措施模擬分析

隨著關(guān)中地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,渭河沿岸的工業(yè)廢水和生活污水逐年增多。通過(guò)加大治理力度,大多數(shù)排污單位增加了污染治理設(shè)施,但仍有部分企業(yè)不能達(dá)標(biāo)排放。加之工業(yè)廢水的達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于地表水排放標(biāo)準(zhǔn),所以即使工業(yè)廢水全部處理達(dá)標(biāo)排放,對(duì)自然河道而言仍是污染濃度很高的廢水。2007年,渭河流域城鎮(zhèn)污水處理率仍不足40%,還有60%未經(jīng)處理的城鎮(zhèn)生活污水直接或間接排入渭河。由此可見(jiàn),工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水對(duì)渭河流域的水污染造成嚴(yán)重影響。

在SWAT模型模擬流域NSP的基礎(chǔ)上,加入點(diǎn)源數(shù)據(jù),經(jīng)率定、驗(yàn)證后,對(duì)流域進(jìn)行模擬。在流域水污染控制中主要表現(xiàn)為點(diǎn)源污染物進(jìn)入河道的削減量,參考《渭河流域綜合治理五年規(guī)劃》和《渭河污染防治三年行動(dòng)方案(2012—2014年)》,結(jié)合目前渭河流域水污染治理工作擬定及實(shí)施后對(duì)點(diǎn)源負(fù)荷的削減量,設(shè)定點(diǎn)源模擬情景,同時(shí)采取點(diǎn)源和面源污染的綜合控制措施進(jìn)行模擬(表6)。根據(jù)所設(shè)定的控制措施對(duì)渭河流域2009年污染狀況進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表7。

選取模擬結(jié)果中的NH4+-N、NO3--N、NO2--N、MINP、TN和TP作為研究對(duì)象,對(duì)平水年的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。方案1中,點(diǎn)源污染控制措施的實(shí)施對(duì)N、P的削減效果較明顯,且隨著強(qiáng)度加大,削減效果也明顯增強(qiáng)。情景7中,MINP削減率達(dá)29.22%,TP達(dá)35.79%，NH4+-N達(dá)41.22%，TN達(dá)46.05%。方案2模擬結(jié)果顯示:綜合措施對(duì)流域N、P均有較好的削減效果,情景4中MINP削減較明顯,削減率達(dá)50.77%，TP達(dá)63.17%，NH4+-N達(dá)70.84%，TN達(dá)71.60%。

可見(jiàn),綜合措施對(duì)N、P的削減效果最好。但在方案設(shè)定時(shí),點(diǎn)源的削減強(qiáng)度是按照比例設(shè)定的,考慮到實(shí)踐操作時(shí)存在的問(wèn)題,認(rèn)為點(diǎn)源削減方案中情景6的實(shí)踐操作性較大。在方案2中,情景4的削減效果最明顯,強(qiáng)度最大,但實(shí)施難度也大,其中灌溉用水量?jī)H為原始值的10%,水土保持措施強(qiáng)度加大到0.25,化肥施肥量?jī)H為原始值的15%。

表4渭河流域內(nèi)情景模擬方案

Table 4Scenario simulation of the Weihe River Valley

方案編號(hào)方案內(nèi)容情景設(shè)定說(shuō)明 1采取水土保持措施,如帶狀種植、等高耕作或梯田等,增加土壤濕度、減少?gòu)搅髁?以達(dá)到保持土壤的目的。改變水土保持因子USLE-P,不同USLE-P值對(duì)應(yīng)不同力度的水土保持措施情景1-1(原始狀況)USLE-P=1.0情景1-2(采取措施)USLE-P=0.8情景1-3(采取措施)USLE-P=0.6情景1-4(采取措施)USLE-P=0.5情景1-5(采取措施)USLE-P=0.4情景1-6(采取措施)USLE-P=0.252改進(jìn)化肥施用方式,如條施、穴施、環(huán)施等,減少耕地中N、P的流失。FRT-LY1值為表層土壤施肥量占總施肥量的比例情景2-1(原始狀況)FRT-LY1=0.4情景2-2(采取措施)FRT-LY1=0.3情景2-3(采取措施)FRT-LY1=0.2情景2-4(采取措施)FRT-LY1=0.13增加農(nóng)家肥、堆肥、漚肥或泥肥的施用量,減少化學(xué)肥料的使用。采用不同的FRT-KG值對(duì)應(yīng)每年不同的化肥施用量情景3-1(原始狀況)FRT-KG=原始值情景3-2(采取措施)FRT-KG=原始值的75%情景3-3(采取措施)FRT-KG=原始值的65%情景3-4(采取措施)FRT-KG=原始值的50%情景3-5(采取措施)FRT-KG=04采取改進(jìn)的灌溉方式以減少灌溉用水量,如噴灌和滴灌等。采用不同的IRR-AMT值對(duì)應(yīng)不同的灌溉用水量和灌溉方式情景4-1(原始狀況)IRR-AMT=原始值情景4-2(采取措施)IRR-AMT=原始值的80%情景4-3(采取措施)IRR-AMT=原始值的60%情景4-4(采取措施)IRR-AMT=原始值的50%情景4-5(采取措施)IRR-AMT=原始值的30%情景4-6(采取措施)IRR-AMT=05綜合方案1～4,同時(shí)采取水土保持,改變施肥方式、施肥量以及灌溉用水量等措施。同時(shí)改變USLE-P值、FRT-LY1值、FRT-KG值和IRR-AMT值,模擬非點(diǎn)源綜合管理措施情景情景5-1(原始狀況)USLE-P=1.0;FRT-LY1=0.4;FRT-KG=原始值;IRR-AMT=原始值情景5-2(采取措施)USLE-P=0.8;FRT-LY1=0.3;FRT-KG=原始值的75%;IRR-AMT=原始值的80%情景5-3(采取措施)USLE-P=0.6;FRT-LY1=0.2;FRT-KG=原始值的65%;IRR-AMT=原始值的60%情景5-4(采取措施)USLE-P=0.5;FRT-LY1=0.1;FRT-KG=原始值的50%;IRR-AMT=原始值的30%

USLE-P為水土保持因子；FRT-LY1為表層土壤施肥量占總施肥量的比例；FRT-KG為化肥施用量；IRR-AMT為灌溉用水量。

雖然近幾年的噴灌、滴灌、井渠雙灌等節(jié)水措施比較成熟,但由于渭河流域面積大，分布廣,故在現(xiàn)有水平下,若要削減90%的灌溉用水量就必須同時(shí)采取工程節(jié)水和非工程節(jié)水措施?？刂苹适┯昧靠梢詼p少污染負(fù)荷的產(chǎn)出,但在減少化肥施用量的同時(shí)要保證農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,化肥量就不能減少太多。流域水土流失量大,是由于流域包括黃土高原,山地、坡耕地較多,土壤侵蝕嚴(yán)重;且支流粗沙區(qū)多,下泄粗泥沙會(huì)直接造成下游河道淤積,特別是在黃河洪水對(duì)渭河產(chǎn)生頂托倒灌時(shí),北洛河高含沙洪水對(duì)下游淤積影響嚴(yán)重。故要治理渭河的水土流失需從溝道壩系建設(shè)、坡面治理、減少多沙粗沙區(qū)入渭泥沙量等方面入手?？傮w來(lái)看,水土流失治理進(jìn)展緩慢，淤地壩建設(shè)難度大，邊治理邊破壞現(xiàn)象還相當(dāng)嚴(yán)重,新的人為水土流失還在擴(kuò)展,使本來(lái)就十分脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡化。因此，在近期要將渭河流域的水保措施強(qiáng)度加大到0.25的可操作性較低。可見(jiàn),情景4的控制管理措施實(shí)際可操作性不高,推薦情景3中的污染控制措施。

2.4預(yù)測(cè)渭河流域2020年污染控制措施效果

模擬流域綜合污染控制措施下2020年的污染負(fù)荷輸出,結(jié)果見(jiàn)表8。2020年污染負(fù)荷輸出較2009年有所下降,其中MINP減少1 516 t,TP減少1 953 t，NH4+-N減少14 141 t，NO2--N減少1 978 t，NO3--N減少4 649 t，TN減少34 122 t。渭河干流ρ(NH4+-N)平均值僅為1.273 mg·L-1,基本上達(dá)GB 3838─2012《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),滿足“十二五”規(guī)劃中主要污染物的控制目標(biāo)。

表5各措施模擬非點(diǎn)源污染負(fù)荷的削減率

Table 5Pollution reducing rates of different control measures controlling simulated non-point source pollution load%

表6渭河流域內(nèi)綜合情景模擬方案

Table 6Program for comprehensive scenario simulation of the Weihe River Valley

方案情景說(shuō)明10未采取任何點(diǎn)源控制措施1工業(yè)點(diǎn)源削減20%,生活點(diǎn)源不變2工業(yè)點(diǎn)源削減40%,生活點(diǎn)源不變3工業(yè)點(diǎn)源削減60%,生活點(diǎn)源不變4工業(yè)點(diǎn)源削減20%,同時(shí)生活點(diǎn)源削減20%5工業(yè)點(diǎn)源削減40%,同時(shí)生活點(diǎn)源削減40%6工業(yè)點(diǎn)源削減60%,同時(shí)生活點(diǎn)源削減60%7工業(yè)點(diǎn)源削減70%,同時(shí)生活點(diǎn)源削減70%21工業(yè)點(diǎn)源削減20%,生活點(diǎn)源削減20%;采取水土保持措施因子為USLE-P=0.8;化肥施用量減少25%,改變化肥施用方式,設(shè)定表層土壤施肥量占總施肥量的比例為FRT-LY1=0.3;改進(jìn)灌溉方式,減少灌溉用水量為原始值的80%2工業(yè)點(diǎn)源削減40%,生活點(diǎn)源削減40%;采取水土保持措施因子為USLE-P=0.6;化肥施用量減少35%,改變化肥施用方式,設(shè)定表層土壤施肥量占總施肥量的比例為FRT-LY1=0.2;改進(jìn)灌溉方式,減少灌溉用水量為原始值的60%3工業(yè)點(diǎn)源削減60%,生活點(diǎn)源削減60%;采取水土保持措施因子為USLE-P=0.5;化肥施用量減少50%,改變化肥施用方式,設(shè)定表層土壤施肥量占總施肥量的比例為FRT-LY1=0.1;改進(jìn)灌溉方式,減少灌溉用水量為原始值的50%4工業(yè)點(diǎn)源削減70%,生活點(diǎn)源削減70%;采取水土保持措施因子為USLE-P=0.25;化肥施用量減少為原始值的15%,改變化肥施用方式,設(shè)定表層土壤施肥量占總施肥量的比例為FRT-LY1=0.1;改進(jìn)灌溉方式,減少灌溉用水量為原始值的10%

表7模擬方案在2009年的污染變化

Table 7Change in pollution simulated for 2009

污染物方案1情景0情景1情景2情景3情景4情景5負(fù)荷輸出/t負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%礦物磷2852.002724.35-4.482497.43-12.432396.73-15.962639.26-7.462445.38-14.26總磷4097.003872.42-5.483473.16-15.233295.99-19.553722.69-9.143381.58-17.46氨氮25037.1423456.43-6.3120646.27-17.5419399.26-22.5222402.62-10.5220001.69-20.11亞硝態(tài)氮3108.002960.89-4.732699.35-13.152583.30-16.882862.81-7.892639.36-15.08硝態(tài)氮7975.617591.27-4.826908.00-13.396604.80-17.197335.04-8.036751.27-15.35總氮58996.6554835.54-7.0547438.00-19.5944155.35-25.1652061.46-11.7645741.19-22.47污染物方案1方案2情景6情景7情景1情景2情景3情景4變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t變化率/%負(fù)荷變化量/t礦物磷2284.97-19.882018.62-29.222443.82-14.312185.29-23.381923.02-32.571404.05-50.77總磷3099.35-24.352630.72-35.793361.29-17.962836.08-30.782292.37-44.051508.75-63.17氨氮18015.26-28.0514716.84-4.2219945.59-20.3416335.70-34.7512598.81-49.687301.80-70.84亞硝態(tài)氮2454.49-21.032147.51-30.902638.65-15.102307.19-25.771629.04-47.591062.80-65.80硝態(tài)氮6268.28-21.415466.29-31.466514.50-18.325813.64-27.114053.60-49.182896.75-63.68總氮40512.06-31.3331829.20-46.0546103.52-21.8539910.75-32.3529622.97-49.7916752.53-71.60

表8SWAT模型對(duì)2009和2020年渭河流域污染負(fù)荷的估算結(jié)果

Table 8Estimated pollution loads in the Weihe River Valley in 2009 and 2020 with the SWAT modelt

3結(jié)論

同時(shí)采取水保措施、合理減少施肥量和表層土壤施肥量占總施肥量的比例，并且改進(jìn)灌溉方式和減少灌溉用水量,在流域中實(shí)行非點(diǎn)源綜合措施,對(duì)NSP負(fù)荷的削減效果顯著,且削減效果比任意一項(xiàng)單獨(dú)非點(diǎn)源控制措施明顯,在改善流域水環(huán)境質(zhì)量時(shí)可起到較大作用。綜合管理措施對(duì)流域N、P的削減效果比單一采取點(diǎn)源或非點(diǎn)源控制措施的效果明顯,且隨著措施強(qiáng)度的加大,污染負(fù)荷的輸出減少。

根據(jù)現(xiàn)有資料采取綜合控制措施預(yù)測(cè)2020年渭河流域污染負(fù)荷的產(chǎn)出情況:流域內(nèi)污染負(fù)荷均有所減少,且干流NH4+-N的平均濃度滿足“十二五”規(guī)劃中主要污染物總量的控制目標(biāo)。這說(shuō)明在2009年的基礎(chǔ)上,采取點(diǎn)源和非點(diǎn)源的綜合控制措施,對(duì)流域污染的治理可取得較好效果,可以有效防止渭河流域污染負(fù)荷的產(chǎn)出,提高水環(huán)境質(zhì)量。

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(責(zé)任編輯： 陳昕)

收稿日期：2015-07-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07212-002);榆林學(xué)院高層次人才啟動(dòng)基金(14GK31)

中圖分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-4831(2016)04-0563-07

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.008

作者簡(jiǎn)介：杜娟(1987—),女,陜西榆林人,碩士生,研究方向?yàn)樗Y源保護(hù)。E-mail: dujuan3418@163.com

Simulation of Pollution Control Effect in the Weihe River Valley With SWAT Model.

DU Juan1, LI Huai-en2, ZHAO Xiang-bi1, LI Jia-ke2

(1.Department of Architectural Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China; 2.Key Laboratory of Northwest Water Resource and Environment Ecology of Ministry of Education, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China)

Abstract:Based on measured data, analog calculation of pollution load in the Weihe River Valley was done using the calibrated and validated SWAT model, and then based on the simulation, effects of the measures for control of point source (PSP) and non-point source pollution (NSP) in the valley were evaluated. Results show that comprehensive NSP control measures are better than single-factor NSP control measures in control effect. PSP control measures are quite good at reducing nitrogen and phosphorus pollution, and the effect increases with rising intensity of the measures. Comprehensive pollution control programs for control of PSP and NSP simultaneously are much better than any single-factor control measures in mitigating nitrogen and phosphorus pollution in the valley. Once the comprehensive pollution control programs are launched, it can be expected that the pollution load in the valley will have been reduced by 2020 to a certain extent, that will meet the pollution control targets specified in the “Twelfth Five-Year Plan” for major pollutants, which indicates that the comprehensive pollution control measures are very effective and the water environment quality in the valley will be remarkably improved.

Key words:Weihe River Valley; SWAT model; non-point source pollution; point source pollution; pollution control measure