基于SWAT的汾河運城段非點源污染模擬與研究

李 丹,馮民權(quán),白繼中，茍 婷

(1 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048;2 山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運城 044004)

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基于SWAT的汾河運城段非點源污染模擬與研究

李 丹1,馮民權(quán)1,白繼中2，茍 婷1

(1 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048;2 山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運城 044004)

【目的】 對汾河運城段非點源污染進行模擬與分析，為該流域非點源污染控制提供依據(jù)。【方法】 構(gòu)建汾河運城段的非點源污染SWAT(Soil and water assessment tool)模型，根據(jù)河津水文站2005-2010年的實測逐月徑流、泥沙和水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證，并利用率定好的模型對研究區(qū)域的非點源污染進行模擬研究與分析?！窘Y(jié)果】 建立了包括土壤侵蝕、水文過程和污染負荷子模型的汾河運城段非點源污染模型，該模型對研究區(qū)域的適應(yīng)性較好，可用于流域非點源污染的模擬研究；對非點源污染負荷時間分布規(guī)律的分析表明，研究區(qū)域各水文年的非點源污染負荷為豐水年>平水年>枯水年，而且發(fā)生在汛期(7-10月)的TN、TP流失量分別在60%和70%以上；對非點源污染空間分布特征的分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)污染的關(guān)鍵區(qū)域主要為萬榮與新絳縣部分子流域，該部分區(qū)域降雨量、土壤侵蝕性均較大，并且坡度也相較其他區(qū)域大，因而產(chǎn)沙量相對較大，再加上農(nóng)業(yè)活動的影響最終導(dǎo)致非點源污染相對較大，由此可見控制非點源負荷產(chǎn)出的關(guān)鍵在于減少流域的水土流失；對研究區(qū)域內(nèi)TN、TP各類污染源貢獻率進行分析可知，研究區(qū)域的非點源TN、TP負荷中分別有46.3%和53.5%為土壤養(yǎng)分流失所產(chǎn)生。【結(jié)論】 汾河運城段非點源污染的控制重點在汛期(7-10月)，采取相應(yīng)措施減少水土流失、降低土壤養(yǎng)分流失、減少農(nóng)業(yè)用肥量可以有效地控制研究區(qū)域的非點源污染。

SWAT模型；非點源污染；汾河運城段

隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展和人口的增加，水環(huán)境污染日益嚴重。水污染主要分為點源和非點源污染，隨著控制排污、達標排放等點源污染控制措施的實施，點源污染已經(jīng)逐年得到有效控制，而非點源污染則成為現(xiàn)下水環(huán)境惡化的主要來源[1-2]。由于非點源污染的污染物擴散并無確定的輸入源，再加上隨機性強、潛伏周期長、涉及范圍廣等特點，使得非點源污染相較于點源污染更難以控制[3]。近些年來，由于非點源污染的危害越來越嚴重，其對環(huán)境與城市發(fā)展的協(xié)調(diào)性產(chǎn)生了很大的阻礙，因此對非點源污染的研究變得尤為關(guān)鍵[4]，尤其是在點源污染得到一定控制后，合理地評估非點源污染是提高流域管理效率并最終改善流域水質(zhì)的依據(jù)[5]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用各種模型對地表水的非點源污染進行了模擬研究，其中包括SWAT(Soil and water assessment tool)模型[6]、L-THIA模型[7]和SWMM模型[8]，都取得了較為滿意的結(jié)果。除此之外，在資料較為有限的情況下，李家科等[9]采用水文分割法和平均濃度法2種方法來計算研究區(qū)域的非點源污染，所得的結(jié)果較為相符，驗證了在有限資料的前提下可以用該法計算非點源污染負荷。另外一些學(xué)者也對地下水非點源污染進行了研究，Kourakos等[10]采用代數(shù)多重網(wǎng)格預(yù)處理對地下水非點源污染進行了仿真研究，提出了非點源污染在地下水流域的并行仿真高效框架。在非點源污染現(xiàn)狀的研究取得一定成果之后，有學(xué)者開始研究非點源管理情景，如Skardi等[11]將合作博弈論應(yīng)用于非點源污染管理仿真優(yōu)化模型,并取得了一定成效；MiSeon等[12]則利用SWAT模擬了BMP最佳管理措施對小流域區(qū)域非點源污染的緩解能力。

SWAT模型不僅可以對非點源污染負荷進行模擬，而且還能識別非點源污染的關(guān)鍵區(qū)域，同時可以對不同管理措施的效果進行評價，因此被成功應(yīng)用于很多流域[13-16]。但SWAT模型也有其局限性，尤其是其水文子模型，這是因為水文模型的驅(qū)動力是天氣，而氣象數(shù)據(jù)時空分布的差異性又比較大，僅有的幾個測站數(shù)據(jù)很難代表全部研究區(qū)域；其次，SWAT模型假定亞流域中的每個水文響應(yīng)單元HRU具有相同的特征，而沒有考慮同一種土地利用具有不同的地形特征時的情況；第三，SWAT模型中一些小面積土地利用(如一些小面積的建筑用地、裸地等)的產(chǎn)沙量可能是同等面積草地產(chǎn)沙量的上百倍，而實際應(yīng)用中則常常不考慮這一部分土地利用。所以在使用時要注意水文響應(yīng)與水文特征的非線性關(guān)系，并且注意模型參數(shù)的校準。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者將SWAT模型應(yīng)用到長江流域、黃河流域、黑河流域和渭河流域在內(nèi)的很多流域[17-20]，并取得了較為滿意的結(jié)果，這說明該模型可以用于國內(nèi)的流域并模擬多種環(huán)境過程。

汾河是黃河的第二大支流，近年來水質(zhì)嚴重污染，尤其是氨氮和總氮嚴重超標。而以往對汾河污染的研究一直停留在對流域和主要入河水質(zhì)的監(jiān)測評價以及對點源污染的研究上，尚未見對汾河運城段非點源污染的定性定量分析研究。為此，本研究利用SWAT模型對汾河運城段的非點源污染進行模擬計算，并對研究區(qū)域非點源污染時空分布特征以及多源污染貢獻率進行分析,以期為汾河運城段流域的生態(tài)環(huán)境整治提供依據(jù)，并為流域水質(zhì)富營養(yǎng)化的控制奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

運城處于汾河最下段，是控制汾河污染物進入黃河的最后一道關(guān)口。汾河自新絳縣南梁入境至萬榮縣廟前匯入黃河，總流長109 km，流域面積2 165 km2。圖1給出了研究區(qū)域(汾河運城段)的邊界、水系及DEM高程圖。

對汾河運城段新絳和河津監(jiān)測斷面近5年的水質(zhì)評價表明：該段水質(zhì)嚴重污染，但污染呈減輕趨勢。造成污染的超標因子是氨氮、總氮(TN)、COD、DO、LAS、BOD，隨著水環(huán)境的治理大部分超標因子都逐漸趨于達標，而氨氮和TN的污染并未見好轉(zhuǎn)，反而在繼續(xù)加重。在近幾年水質(zhì)最好的2010年，氨氮和總氮的平均值分別超過Ⅴ類水標準的7.68和9.32倍，這就使得綜合水質(zhì)難以達標，氨氮和總氮成為控制汾河運城段水質(zhì)的關(guān)鍵因子[21]。因此，對研究區(qū)域非點源污染的研究尤顯重要，只有非點源污染得到控制，該區(qū)的水質(zhì)才會達標。

圖 1 汾河運城段邊界、水系及DEM高程圖

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 SWAT 模型概述及原理

SWAT模型有3個子模型，分別為土壤侵蝕子模型、水文過程子模型和污染負荷子模型。其中，污染負荷子模型可以模擬不同形態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程，包括物理過程、化學(xué)過程以及生物過程[19]。

(1)溶解態(tài)N污染負荷模型。溶解態(tài)N在水體中的遷移主要受地表徑流、滲流以及側(cè)向流的影響。自由水中溶解態(tài)N含量的計算公式為：

(1)

式中：ρNO3,mobile為自由水中溶解態(tài)N含量(以N計)，kg/m3；ρNO3ly為土壤中的溶解態(tài)N含量(以N計)，kg/m3；wmobile為土壤中自由水的量，m3；θe為孔隙度；SATly為土壤的飽和含水量，%。

(2)有機N污染負荷模型。有機N一般吸附在土壤顆粒上，隨徑流而遷移，這種形式的N負荷與土壤的流失量緊密關(guān)聯(lián)。有機N流失量的計算式為：

(2)

式中：ρorgNsurf為有機N的流失量(以N計)，kg/hm2；ρorgN為表層(10 mm)土壤中有機N的含量(以N計)，kg/t；m為土壤的流失量，t；AHRU為水文響應(yīng)單元的面積，hm2；εN為N富集系數(shù)，即隨土壤流失的有機N含量與土壤表層有機N含量的比值。

(3)溶解態(tài)P污染負荷模型。溶解態(tài)P主要通過擴散作用來實現(xiàn)在土壤中的遷移，擴散是指離子由于濃度梯度作用在微小尺度下(1～2 mm)引起的溶質(zhì)遷移，因為溶解態(tài)P不活躍，故土壤表層(10 mm)由地表徑流以溶解態(tài)形式帶走的P比較少，溶解態(tài)P的計算公式為：

(3)

式中：Psurf為地表徑流引起溶解態(tài)P的流失量(以P計)，kg/hm2；Psolution,surf為土壤表層(10 mm)溶解態(tài)P的含量(以P計)，kg/hm2；ρb為土壤容質(zhì)密度，mg/m3；hsurf為表層土壤的深度，mm；kd,surf為土壤P的分配系數(shù)，即表層(10 mm)溶解態(tài)P含量與地表徑流中溶解態(tài)P含量之比；Qsurf為地表徑流，mm。

(4)吸附態(tài)P污染負荷模型。吸附態(tài)P一般吸附在土壤顆粒上，通過徑流而遷移，這種形式的P負荷與土壤流失量緊密關(guān)聯(lián),其計算式為：

(4)

式中：mPsurf為有機P的流失量(以P計)，kg/hm2；ρP為表層(10 mm)土壤有機P含量(以P計)，kg/t；εP為P的富集系數(shù)。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立

SWAT模型成功運行的前提是數(shù)據(jù)庫的成功構(gòu)建，SWAT模型數(shù)據(jù)庫包括大量的數(shù)據(jù)文件，一般可以分為屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)兩大類。空間數(shù)據(jù)有DEM、土壤類型圖以及土地利用圖；屬性數(shù)據(jù)有水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)和污染源數(shù)據(jù)等。表1給出了模型數(shù)據(jù)庫所用的屬性數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)。

表 1 SWAT模型數(shù)據(jù)庫所需的空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)

首先應(yīng)用GIS對模型所需空間數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，同時通過多個輸入文件將氣溫、降雨量、土壤等屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成SWAT所需要的格式。在此之后，建立土地利用類型表和土壤類型表，使SWAT能夠?qū)ν寥缹傩詳?shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)與土壤類型圖、土地利用圖進行鏈接。再將子流域分為幾種不同土壤、土地利用類型的組合，將土壤面積和土地利用的最小閾值分別定為20%和10%，最終將流域劃分為129個HRUs水文響應(yīng)單元。

2.3 模型的率定與驗證

SWAT模型運行成功后，利用SWAT-CUP2009和河津水文站斷面的2005-2010年實測流量、泥沙和水質(zhì)資料，對模型的參數(shù)進行率定和驗證。其中參數(shù)率定采用的是前3年即2005-2007年的數(shù)據(jù)，而模型驗證則使用的是2008-2010年的數(shù)據(jù)。在模型率定前，先要對模型進行敏感性分析，利用LH-OAT敏感性分析方法選定最為敏感的參數(shù)。分別選取月均實測值與模擬值的相關(guān)系數(shù)R2、相對誤差Re和模擬效率系數(shù)Ns對其進行率定和驗證。由于泥沙和氮磷輸出受地表徑流的影響，而泥沙輸出又對吸附態(tài)氮磷的產(chǎn)出有影響，所以首先對水文模塊進行率定，然后對泥沙侵蝕模塊進行率定，最后才是營養(yǎng)鹽流失模塊的率定。率定的要求為：對徑流，應(yīng)使Re<20%，R2>0.7，Ns>0.6；對泥沙和營養(yǎng)物(如氨氮)，則應(yīng)使Re<30%，R2>0.6，Ns>0.5。表2給出了SWAT模型徑流、泥沙和氨氮的率定和驗證結(jié)果。

表 2 SWAT模型徑流、泥沙和氨氮的率定和驗證結(jié)果

3 非點源產(chǎn)出規(guī)律分析

3.1 TN和TP的時間分布規(guī)律

分別選取不同水文年(豐水年2003年、平水年2005年、枯水年2007年)的逐月模擬數(shù)據(jù)，對其降水量及非點源TN、TP負荷進行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

由表2率定結(jié)果可以看出，對徑流、泥沙和氨氮的模擬效果均在率定要求范圍內(nèi)，但以徑流的模擬效果最好，因此，該模型可用于研究區(qū)域非點源污染的模擬研究。圖2和圖3分別給出了校準期、驗證期徑流及氨氮的實測值與模擬值對比圖。

a.徑流模擬值與實測值 Simulated and measured values of runoff;b.徑流實測值與模擬值的散點圖 Measured and simulated values scatter plot of runoff;c.氨氮實測值與模擬值的散點圖 Measured and simulated values scatter plot of ammonia

a.徑流模擬值與實測值 Simulated and measured values of runoff;b.徑流實測值與模擬值的散點圖 Measured and simulated values scatter plot of runoff;c.氨氮實測值與模擬值的散點圖 Measured and simulated values scatter plot of ammonia

由表3可以看出，7-10月汛期TN、TP的輸出負荷占較大比例，各水文年7-10月份TN所占比例均在60%以上，而各水文年7-10月份TP所占比例均在70%以上。這主要是因為7-10月是汛期，這段時期的降雨量占全年總降雨量的60%以上。由此可以看出，研究區(qū)域內(nèi)降雨量大小與非點源污染負荷的變化表現(xiàn)一致，7-10月汛期降水量較大，產(chǎn)生的非點源污染相應(yīng)較大，這是因為非點源污染物流失主要受降雨和徑流驅(qū)動，所以對非點源污染的控制重點應(yīng)該在汛期采取相應(yīng)的措施。

表 3 研究區(qū)域不同水文年降雨量,非點源TN、TP負荷及年內(nèi)統(tǒng)計結(jié)果

3.2 TN和TP的空間分布特征

分別選取不同水文年(豐水年2003年、平水年2005年、枯水年2007年)的逐月模擬數(shù)據(jù)，對流域內(nèi)非點源TN、TP污染負荷的空間分布特征進行分析，結(jié)果見圖4～6。

圖中1-35為劃分的子流域。圖5,6同

圖 5 研究區(qū)域內(nèi)平水年(2005年)TN、TP非點源污染的空間分布

由圖4～6可以看出，這3個水文年中，非點源污染負荷總體上表現(xiàn)為豐水年>平水年>枯水年，而污染關(guān)鍵區(qū)域都位于新絳縣和萬榮縣部分子流域，這部分區(qū)域降雨量較多，土壤侵蝕性較大，土地坡度較其他地方陡，所以產(chǎn)沙量相對較大，再加上農(nóng)業(yè)活動的影響，最終產(chǎn)生了較大的非點源污染。所以要減少研究區(qū)域非點源污染負荷，關(guān)鍵是要減少新絳、萬榮部分子流域的水土流失、降低土壤侵蝕。

圖 6 研究區(qū)域內(nèi)枯水年(2007年)TN、TP非點源污染的空間分布

3.3 多源污染貢獻率分析

非點源污染來源主要分為4個方面：土壤養(yǎng)分流失、畜禽養(yǎng)殖糞尿、種植業(yè)施肥和農(nóng)村生活。其中將農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖糞尿產(chǎn)生的污染作為肥料形式輸入模型，利用之前率定好的SWAT模型來進行情景模擬，設(shè)定不同污染源的有、無，并統(tǒng)計污染負荷的變化，從而確定不同污染源產(chǎn)生的污染物負荷量。結(jié)果(圖7)顯示，研究區(qū)域總的非點源TN、TP中分別有46.3%和53.5%是由土壤養(yǎng)分流失產(chǎn)生的；種植業(yè)施肥、畜禽養(yǎng)殖糞尿和農(nóng)村生活這3類污染源所產(chǎn)生的TN負荷分別占總量的22.4%，16.6%和14.7%，TP分別占總量的12.8%，23.1%和10.6%。

圖 7 研究區(qū)域TN、TP各類污染源貢獻率

4 結(jié) 論

(1)構(gòu)建汾河運城段非點源污染SWAT模型，對研究區(qū)域進行非點源污染模擬，結(jié)果表明：(1)對研究區(qū)域非點源污染負荷時間分布規(guī)律的分析表明，研究區(qū)域各水文年的非點源污染負荷為豐水年>平水年>枯水年，而且發(fā)生在汛期(7-10月)的TN、TP流失量分別占總污染負荷的60%和70%以上。

(2)對非點源污染的空間分布特征進行分析，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)污染的關(guān)鍵區(qū)域為萬榮和新絳縣部分子流域，這部分區(qū)域降雨量、土壤侵蝕性都較大，坡度較其他區(qū)域大，從而產(chǎn)沙量相對較大，再加上農(nóng)業(yè)活動的影響最終造成非點源污染較大，由此可見要控制非點源負荷產(chǎn)出，關(guān)鍵是要減少萬榮與新絳縣部分子流域的水土流失。

(3)通過對研究區(qū)域內(nèi)TN、TP各類污染源貢獻率進行分析，可知研究區(qū)域的TN、TP負荷分別有46.3%和53.5%由土壤養(yǎng)分流失所致，所以降低土壤養(yǎng)分流失、減少農(nóng)業(yè)用肥量是控制非點源污染的有效途徑。

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SWAT model based simulation of non-point source pollution for Yuncheng section of Fen river

LI Dan1,FENG Minquan1,BAI Jizhong2,GOU Ting1

(1StateKeyLaboratoryBaseofEco-HydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an，Shaanxi710048,China;2ShanxiConservancyTechnicalInstitute,Yuncheng,Shanxi044004,China)

【Objective】 This paper simulated the non-point source pollution of Yuncheng section of Fen river to provide basis for pollution control.【Method】 The soil and water assessment tool (SWAT) was constructed to simulate and calibrate non-point source pollution of Yuncheng section of Fen river.Monthly observed runoff,sediment and water quality data from 2005 to 2010 at Hejin hydrological station were used to verify the model.【Result】 (1) The non-point source pollution model including soil erosion,hydrological processes and pollution load sub-models had good adaptability in the study area,and can be used for simulation of non-point source pollution.(2) The result of time-distribution regularity showed that the non-point source pollution load was in the order of rainy year>normal year>dry year.The amounts of TN loss and TP loss in flood season (July to October) accounted for more than 60% and 70% of total annual loads.(3) Analysis of spatial-distribution regularity showed that some sub-basins of Wanrong and Xinjiang were heavily polluted since the sediment production was more due to large precipitation,soil erosion,slope,and agricultural activities.(4) The loss of soil nutrients contributed to 46.3% and 53.5% to total TN and TP loads.【Conclusion】 Appropriate measures such as reducing soil erosion,loss of soil nutrients and agricultural fertilization should be taken in flood season (July to October) for controlling non-point source pollution for Yuncheng section of Fen river.

SWAT model;non-point source pollution;Yuncheng section of Fen river

時間:2016-10-09 10:08

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.11.016

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161009.1008.032.html

2015-04-27

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20126118110015)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程重點項目(2013SZS02-Z01)；山西省水利技術(shù)研究項目(2013年)

李 丹(1990-)，女,陜西西安人,在讀碩士，主要從事水環(huán)境模擬與預(yù)測研究。E-mail:364476272@qq.com

馮民權(quán)(1964-)，男，山西永濟人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事水環(huán)境模擬與污染控制研究。 E-mail:mqfeng@xaut.edu.cn

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1671-9387(2016)11-0111-08