魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷入湖通量計算

李昂　成維　李曄　魏琳　黃曉丹

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院　武漢 430070；　2.武漢市環(huán)境保護科學(xué)研究院　武漢 430015)

?

魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷入湖通量計算

李昂1成維1李曄1魏琳2黃曉丹1

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院武漢 430070；2.武漢市環(huán)境保護科學(xué)研究院武漢 430015)

基于魯湖流域的空間和屬性數(shù)據(jù)，應(yīng)用SWAT模型對其流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷入湖通量進行了計算。結(jié)果表明，2014年魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷年入湖通量分別為550 t/a和28 t/a，其氮、磷入湖通量最大的月份均出現(xiàn)在降雨量較大的五月，分別為85.4 t/月和4.4 t/月；鄭店鎮(zhèn)、法泗鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)面源污染對魯湖的貢獻最大，應(yīng)作為重點控制區(qū)域。

農(nóng)業(yè)面源SWAT模型氮、磷入湖通量魯湖流域

0　引言

近年來，隨著點源污染控制能力的提高，非點源污染中的農(nóng)業(yè)面源污染已上升為水環(huán)境污染的重要影響因素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，由于地表徑流和土壤滲漏作用，農(nóng)藥、化肥以及畜禽糞便等污染物質(zhì)會導(dǎo)致水層、湖泊、河岸等生態(tài)系統(tǒng)的污染。許多發(fā)達國家已證實農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致水污染的主要原因之一，農(nóng)業(yè)面源污染對河流、湖泊的負荷在60%～70%之間[1]。

SWAT 模型作為應(yīng)用較為廣泛的模擬流域非點源污染的模型，可以進行徑流、水土流失、營養(yǎng)元素負荷長期模擬和計算，已經(jīng)成為水資源保護管理規(guī)劃中不可或缺的工具[2]。GIS和SWAT模型的耦合，使SWAT具備了更強的空間數(shù)據(jù)處理和分析的能力，使其更適用于復(fù)雜大流域的模擬[3-4]。

1　研究區(qū)域概況

魯湖位于武漢市江夏區(qū)西南部，地處北緯30°22′，東經(jīng)114°2′，流域整體處于江夏區(qū)境內(nèi)，位于武漢市中心城區(qū)及新城區(qū)交接處，湖泊水域面積為44.2 km2，占武漢市中心城區(qū)39個湖泊面積的33.56%。魯湖平均水深為2.7 m，屬于典型的淺水湖泊。流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，降雨具有明顯的季節(jié)性，年平均降雨量為1 349.8 mm，暴雨多集中在每年的4～9月。魯湖的水體功能主要是農(nóng)業(yè)灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖，執(zhí)行Ⅲ類地表水環(huán)境質(zhì)量標準。研究區(qū)域主要以農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)為主，其中高投入的農(nóng)業(yè)耕作模式在降雨的條件下，引起水土流失和化肥流失，從而導(dǎo)致魯湖流域農(nóng)業(yè)面源污染加重。為了進一步了解魯湖水質(zhì)污染的狀況，弄清農(nóng)業(yè)面源對魯湖的貢獻，本文采用SWAT模型對魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷入湖通量進行計算分析。分析魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷產(chǎn)出的時空分布特征，并得出氮、磷流失強度分布圖。

2　SWAT模型在研究區(qū)域的應(yīng)用

2.1模型數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

SWAT 模型需要輸入空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[5]，具體情況見表1。

表1　SWAT模型空間和屬性數(shù)據(jù)

(1)數(shù)字高程圖(DEM)。本研究用Arcgis10.2軟件截取出研究區(qū)域的數(shù)字高程圖，見圖1(a)，為SWAT模型水系的提取和匯水單元的劃分做準備。

(2)土地利用圖。由于SWAT模型默認美國土地利用屬性，所以為了更加準確地進行模擬，對研究區(qū)域的土地利用類型進行了重新整合分類[6]，分為耕地、草地、森林、濕地、水體和人造地表6類，見圖1(b)。

(3)土壤類型圖。數(shù)據(jù)源為南京土壤所提供的第二次全國土地調(diào)查1∶100 萬土壤數(shù)據(jù)。本研究將魯湖流域的土壤類型分為6類，見圖1(c)。其中各類土壤物理屬性通過美國農(nóng)業(yè)部提供的土壤特性軟件SPAW計算獲得，包括土壤容重、有機碳含量、電導(dǎo)率、沙含量等。

(4)氣象數(shù)據(jù)。優(yōu)先使用氣象站實測數(shù)據(jù)以保證模型模擬的精度。本文用于模擬計算的2010—2014年的日降雨量、日最高和最低溫、日相對濕度、太陽輻射和風(fēng)速均來自湖北省氣象局氣象監(jiān)測站地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。

SWAT模型建立初期，反復(fù)設(shè)定閾值來對比河網(wǎng)生成的效果，最終確定為320 ha；在模型中增加了入水口、出水口和點源排放之后，共劃分得到了31個子流域，見圖1(d)。得到子流域后對輸入的土地利用圖、土壤類型圖進行重新分類，最終得到了900個HRU(水文響應(yīng)單元)。然后在模型中添加氣象數(shù)據(jù)、土壤物理屬性等數(shù)據(jù)就可以正常運行模型。

(a)數(shù)字高程圖

(b)土地利用圖

(c)土壤類型圖

(d)子流域劃分

2.2模型驗證

SWAT模型是由美國開發(fā)的，因此要使模型能在我國進行較好的模擬，就要根據(jù)研究區(qū)域的實際情況對土壤、氣象站等數(shù)據(jù)庫進行修正[7-8]。為了讓模型更符合實際，對SWAT模型進行了率定和驗證，本研究對2015年豐水期魯湖19個水質(zhì)監(jiān)測點位的總氮、總磷濃度進行了驗證，驗證結(jié)果如圖2所示。

(a)

(b)

通過計算相對誤差進一步分析，計算公式如下：

式中，θ為相對誤差；C實測為實測水質(zhì)濃度，mg/L；C模擬為模擬水質(zhì)濃度，mg/L。

按照公式計算得出，在豐水期，總磷的平均相對誤差為9.4%，總氮的平均相對誤差為13.3%，誤差都小于20%，由誤差分析表明該模型應(yīng)用于本研究具有較高的可靠性。

3　結(jié)果與分析

3.1氮、磷月入湖通量模擬結(jié)果

由模型得出2014年魯湖流域氮、磷月入湖通量變化如圖3所示。由圖3可知，氮、磷入湖通量春夏季節(jié)偏高，秋冬偏低，這與季節(jié)性降水和入湖徑流的多少是密切相關(guān)的，特別是4～7月降雨量較大時，兩者的入湖通量有顯著的增加。通過模型得出2014年魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷年入湖通量分別為550t/a和28t/a，其入湖通量最大的月份均出現(xiàn)在降雨量較大的五月，分別為85.4t/月和4.4t/月。

(a)

(b)

3.2農(nóng)業(yè)面源氮、磷流失強度分析

本研究的率定期為2010—2013年，并對2014年值進行分析。研究區(qū)域內(nèi)的土地利用方式、土壤類型、植被覆蓋在空間分布上變化很小，因此農(nóng)業(yè)面源氮、磷流失的時空變化就取決于降雨量的大小及其在空間上的分布[9]。

2014年魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷流失強度分布圖如圖4所示。由圖可知，魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷流失強度空間分布較為相似，流失強度較大的區(qū)域主要集中在東北部的鄭店鎮(zhèn)和西南部的法泗鎮(zhèn)，其土地利用方式主要為耕地，且有幾條主要徑流直接流入魯湖，從而導(dǎo)致其農(nóng)業(yè)面源氮、磷流失量較多；流失強度較低的區(qū)域則位于西北部的金水和東南部的安山，其土地利用方式也是以耕地為主，但是由于沒有主要的徑流直接流入魯湖，因此這兩個地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染氮、磷入湖量相對較低。氮、磷流失強度較高地區(qū)的流失強度分別達到了4.98～5.81kg/km2和2.38～2.92kg/km2。根據(jù)流失強度的分布可以為農(nóng)業(yè)面源污染的控制提供依據(jù)。

(a)

(b)

4　結(jié)語

(1)研究基于魯湖的空間和屬性數(shù)據(jù)，運用SWAT模型對魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷入湖通量進行計算分析，結(jié)果表明在豐水期，總磷的平均相對誤差為9.4%，總氮的平均相對誤差為13.3%，誤差均小于20%，由誤差分析表明該模型應(yīng)用于本研究具有較高的可靠性。

(2)SWAT模擬計算結(jié)果表明2014年魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷年入湖通量分別為550t/a和28t/a；降雨所產(chǎn)生的徑流是農(nóng)業(yè)面源污染的主要驅(qū)動力，其入湖通量最大的月份均出現(xiàn)在降雨量較大的五月，分別為85.4t/月和4.4t/月。

(3)根據(jù)模擬計算結(jié)果制作了魯湖流域TN、TP流失強度分布圖，由圖可以看出兩者在空間上的分布是相似的，流失強度較大的區(qū)域主要集中在東北部的鄭店鎮(zhèn)和西南部的法泗鎮(zhèn)；流失強度較低的區(qū)域則位于西北部的金水和東南部的安山鎮(zhèn)。

(4)通過本研究進一步了解了魯湖流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷流失通量及其流失強度的時空分布，為農(nóng)業(yè)面源污染的氮、磷控制提供依據(jù)。

[1]郭紅巖,王曉蓉,朱建國,等.太湖流域非點源氮污染對水質(zhì)影響的定量化研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003,22(2):150-153.

[2]王曉燕,秦福來,歐洋,等.基于SWAT模型的流域非點源污染模擬——以密云水庫北部流域為例[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2008,27(3):1098-1105.

[3]陳強,茍思,秦大勇,等.一種高效的SWAT模型參數(shù)自動率定方法[J].水利學(xué)報,2010,41(1):113-119.

[4]范麗麗,沈珍瑤,劉瑞民.不同降雨—徑流過程中農(nóng)業(yè)非點源污染研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008(10):5-8.

[5]劉昌明,李道峰,田英,等.基于DEM的分布式水文模型在大尺度流域應(yīng)用研究[J].地理科學(xué)進展,2003,22(5):437-445.

[6]李琪,陳利頂,齊鑫,等.流域尺度農(nóng)業(yè)磷流失危險性評價與關(guān)鍵源區(qū)識別方法[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2007,18(9):1982-1986.

[7]榮混,陳興偉,林文嬌.晉江西流域非點源污染的SWAT模型模擬[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報,2008(4):37-43.

[8]張皓天,張弛,周惠成,等.基于SWAT模型的流域非點源污染模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(6):644-650.

[9]張乃明,余揚,洪波，等.滇池流域農(nóng)田土壤徑流磷污染負荷影響因素[J].環(huán)境科學(xué),2003,24(3):155-157.

The Calculation of Agricultural Non-point Source of Nitrogen and Phosphorus Loading from Luhu Watershed into the Lake

LI Ang1CHENG Wei1LI Ye1WEI Lin2HUANG Xiaodan1

(1.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070)

Based on the spatial and attribute data of Luhu Watershed, SWAT model is applied to calculate the agricultural non-point source nitrogen and phosphorus loading from Luhu Watershed into the lake. The results show that Luhu Watershed agricultural non-point sources of nitrogen and phosphorus loading is 550 t/a and 28 t/a in 2014, its largest loading month into the lake occurred in May, respectively, 85.4 t/mon and 4.4 t/mon, when the rainfall is greater than other month. Zhengdian and Fasi District have contributed largely to Luhu agricultural non-point source pollution.

agricultural non-point sourceSWAT modelnitrogen and phosphorus loadingLuhu Watershed

李昂，男，1991年生，碩士，主要從事面源污染方向研究。

2015-07-20)