基于SWAT模型的伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失估算

閆雪嫚，盧文喜，宋文博，趙 瑩

(1．吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021；2. 吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

水污染問題是當(dāng)前嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水污染造成的經(jīng)濟(jì)損失不僅是進(jìn)行水環(huán)境規(guī)劃的基礎(chǔ)，更是制定水環(huán)境政策的先決條件[1]。目前，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染對(duì)地表水環(huán)境的影響日益顯著。調(diào)查資料表明，非點(diǎn)源污染對(duì)全球30%到50%的地表水體造成了影響，其中的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是造成地表水水質(zhì)惡化的主要原因[2]。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染不僅會(huì)危害農(nóng)業(yè)安全，還會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，運(yùn)用科學(xué)有效的方法對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失進(jìn)行定量估算是十分必要的。

伊通河流域農(nóng)牧業(yè)發(fā)達(dá)，吉林省乃至全國(guó)的主要商品糧生產(chǎn)基地坐落在流域內(nèi)。伊通河兩岸有大面積的耕地，農(nóng)藥和化肥的大量使用在提高糧食產(chǎn)量的同時(shí)，也給伊通河帶來了嚴(yán)重的污染。隨著點(diǎn)源污染治理工作的不斷加強(qiáng)，非點(diǎn)源污染特別是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為伊通河流域面臨的主要問題。而在我國(guó)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的背景下，對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染進(jìn)行分析研究時(shí)不僅要評(píng)價(jià)其污染狀況，同時(shí)還要分析其經(jīng)濟(jì)損失。目前，有很多學(xué)者對(duì)伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染進(jìn)行了模擬研究，但還十分缺少采用機(jī)理模型從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失進(jìn)行分析和評(píng)估的研究。

目前，在我國(guó)，針對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的研究主要集中在3個(gè)方面：調(diào)查評(píng)價(jià)、模型研究和防治技術(shù)[4]。雖然已有針對(duì)流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失的相關(guān)研究[5-6]，但在對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失進(jìn)行定量估算時(shí)，大多數(shù)學(xué)者選擇采用輸出系數(shù)法計(jì)算農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷。由于所采用的某些輸出系數(shù)不統(tǒng)一、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精度較低以及數(shù)據(jù)不全等問題，采用輸出系數(shù)法計(jì)算的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷精度較低，直接導(dǎo)致估算的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失準(zhǔn)確度降低。已有研究表明，運(yùn)用SWAT等機(jī)理模型計(jì)算農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷，其精度通常比輸出系數(shù)法高[7]。但目前，基于機(jī)理模型的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失研究還比較少見。

本文以伊通河流域?yàn)槔?，針?duì)伊通河流域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失開展研究。與以往不同的是，在對(duì)研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失進(jìn)行定量估算時(shí)，選用SWAT模型計(jì)算伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上采用影子工程法、機(jī)會(huì)成本法及恢復(fù)費(fèi)用法分別對(duì)泥沙淤積造成的損失、土地廢棄造成的損失及土壤養(yǎng)分流失造成的損失進(jìn)行估算。以此提高伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失估算的精度，使之更加切合實(shí)際，旨在為伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的防治和管理提供科學(xué)依據(jù)與決策支持。

1 研究區(qū)概況

伊通河流域地處吉林省中部，東北平原腹地，位于東經(jīng)124°32′23″～125°46′42″，北緯43°01′58″～44°50′33″。伊通河是松花江的二級(jí)支流，全長(zhǎng)共342.5 km，是長(zhǎng)春市的母親河，伊通河流域面積為8 840 km2。伊通河流域處于平原地帶，地勢(shì)平坦開闊，是吉林省乃至全國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，耕地面積約為6 870 km2，約占總面積的78%；而草地面積及林地面積分別為368、506 km2，所占比例較小。

2 研究方法

2.1 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算方法

本次研究采用SWAT模型對(duì)伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。SWAT模型的發(fā)展是以SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型為基礎(chǔ)的[8]。它具有很強(qiáng)的物理基礎(chǔ)，采用以日為單位時(shí)間進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，是一種基于GIS平臺(tái)的分布式流域水文模型。SWAT模型由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局所研發(fā)，在流域水平衡、河流流量預(yù)測(cè)和非點(diǎn)源污染控制評(píng)價(jià)等諸多方面都得到了廣泛的應(yīng)用[9,10]。

SWAT模型所需數(shù)據(jù)由地形、土壤、土地利用、水文和氣象數(shù)據(jù)組成。其中氣象數(shù)據(jù)時(shí)段為2008-2012年，包括長(zhǎng)春、農(nóng)安、雙陽、煙筒山、四平5個(gè)氣象站的逐日氣象數(shù)據(jù)(降水量、最高和最低氣溫、相對(duì)濕度、太陽輻射、風(fēng)速)，數(shù)據(jù)來源及說明見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源及說明Tab.1 Source of data and instructions

在相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完善的基礎(chǔ)上，按照順序輸入數(shù)字高程模型、土地利用類型圖、土壤類型圖等初步建立農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型。然后采用SUFI-2算法進(jìn)行參數(shù)的率定及模型的驗(yàn)證，最終建立伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模擬模型。本文選用確定性系數(shù)(R2)以及模型效率系數(shù)Nash-Sutcliffe[11]對(duì)模型的模擬效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

R2的計(jì)算公式如下：

(1)

Ens的計(jì)算公式如下：

(2)

理論上，R2和Ens的值越接近1，說明模型模擬效果越好[12]。當(dāng)R2>0.6、Ens>0.5時(shí)，可說明模型模擬效果較好、結(jié)果可靠。

在建立伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染SWAT模型的基礎(chǔ)上，分析水文響應(yīng)單元輸出文件、子流域輸出文件以及主河道或河段輸出文件等多個(gè)輸出文件，對(duì)伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

2.2 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失估算方法

運(yùn)用不同的環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法對(duì)不同類型的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失進(jìn)行計(jì)算。

采用影子工程法[13]計(jì)算由泥沙淤積所引起的環(huán)境損失，其中泥沙淤積是由土壤侵蝕造成的：

Ds=ZsPs/ρs

(3)

式中：Ds是由泥沙淤積所引起的環(huán)境損失，元；Zs是研究區(qū)每年總的泥沙流失量，t；Ps是為攔截每單位體積泥沙所建工程的投資費(fèi)用，目前其庫容造價(jià)是120 元/m3；ρs是泥沙容重，t/m3，經(jīng)驗(yàn)取值1.28。

采用機(jī)會(huì)成本法計(jì)算因土地廢棄而失去的經(jīng)濟(jì)損失價(jià)值。這里的土地廢棄包括兩種情況：①全部耕層喪失生態(tài)價(jià)值而廢棄；②因耕層變薄更加貧瘠而廢棄，因此土壤流失總體積按平均耕層厚度折算成土地面積來計(jì)算[14]：

Dd=ZB/(0.3×104ρ)

(4)

式中：Dd是土壤廢棄的經(jīng)濟(jì)損失價(jià)值，元/a；Z是研究區(qū)每年土壤侵蝕總量，t/a；B是土地?fù)p失的機(jī)會(huì)成本，目前造價(jià)為1.5萬元/hm2；ρ是土壤容重，t/m3，經(jīng)驗(yàn)取值1.10。

采用恢復(fù)費(fèi)用法計(jì)算土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)流失所造成的環(huán)境損失，該方法假設(shè)人們會(huì)為了保護(hù)自己避免危險(xiǎn)而支付錢幣，因此可以用恢復(fù)或防護(hù)資源不受污染所需支出的費(fèi)用，作為環(huán)境資源破壞帶來的經(jīng)濟(jì)損失的最低估計(jì)[13]，按式(5)計(jì)算：

Si=TiKiC

(5)

式中：Si是第i種養(yǎng)分流失所損失的價(jià)值，元；i是N或P元素；Ti是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染土壤第i種養(yǎng)分流失總量，t；Ki是第i種養(yǎng)分折算為磷酸二銨的系數(shù)；C是磷酸二銨肥料的價(jià)格，元。根據(jù)中國(guó)化肥網(wǎng)(http:∥www.fert.cn/)得知目前磷酸二銨的市場(chǎng)價(jià)格為3 200元/t ，N、P折算成磷酸二銨的系數(shù)分別是132/14，132/31。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

本文根據(jù)研究區(qū)農(nóng)安站和伊通站的實(shí)測(cè)月徑流資料以及農(nóng)安站的月輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)的率定及模型的驗(yàn)證。其中，率定期為2008-2010年，驗(yàn)證期為2011-2012年。模擬模型參數(shù)的率定及模型的驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。其中徑流率定R2均大于0.90，Ens均大于0.85；驗(yàn)證期R2均大于0.85，Ens均大于0.80。泥沙模擬率定期R2為0.77，Ens為0.83；驗(yàn)證期R2為0.76，Ens為0.75。總體上模型模擬結(jié)果符合SWAT模型模擬要求，可以應(yīng)用于伊通河流域研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模擬計(jì)算。

表2 伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型模擬效果Tab.2 The simulation effect of agricultural non-point source pollution model in Yitong River Watershed

在此基礎(chǔ)上，分析模型的輸出文件，計(jì)算伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷，其結(jié)果如表3所示；伊通河流域土壤侵蝕總量的估算結(jié)果如表4所示。由表3可知，在2008-2012這5年內(nèi)，2010年的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源泥沙年負(fù)荷、總氮年負(fù)荷以及總磷年負(fù)荷最大，分別為3 417 200 t、12 776.40 t以及2 614.60 t，2011年最?。黄浯笮『湍杲涤炅坑泻艽蟮年P(guān)系。此外，由表4可以看出，伊通河流域的土壤侵蝕量達(dá)到了4 202 877.16 t/a。其中，耕地引起的土壤侵蝕量最大，達(dá)到了4 056 071.48 t/a，占總量的96.51%；而水田引起的土壤侵蝕量最小，僅占總量的0.34%。

表3 研究區(qū)2008-2012年農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染年負(fù)荷計(jì)算結(jié)果Tab.3 Agricultural non-point source pollution load of the study area in 2008-2012

表4 研究區(qū)土壤侵蝕總量計(jì)算結(jié)果Tab.4 The total amount of soil erosion of the study area

3.2 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失估算結(jié)果

根據(jù)伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果以及伊通河流域土壤侵蝕總量的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合式(3)～(5)對(duì)伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失進(jìn)行估算，估算的結(jié)果如表5所示?？梢钥闯觯捎诠浪愕难芯繀^(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源年負(fù)荷的不同，估算所得的研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染年損失也不同，年降雨量越大的年份損失越嚴(yán)重。在2008-2012年這5年內(nèi)，研究區(qū)年均農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失約為52 845.42萬元。其中，2010年的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失最大，為76 057.47萬元；2012次之，為57 047.08萬元；2011年最小，為40 243.19萬元?？傮w上，伊通河流域內(nèi)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染價(jià)值損失大小順序?yàn)椋嚎偟獌r(jià)值損失>泥沙淤積價(jià)值損失>總磷污染價(jià)值損失>土地廢棄價(jià)值損失，表明在伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染引起的損失中，以氮養(yǎng)分流失和泥沙淤積為主。以2009年為例進(jìn)行分析，總氮污染損失達(dá)到了20 421.53 萬元，約占總損失的49.42%；泥沙淤積價(jià)值損失次之，為16 932.19萬元，約占總損失的40.98%；磷污染價(jià)值損失較小，為2151.38萬元，約占總損失的5.29%；土地廢棄價(jià)值損失最小，為1 910.40萬元，僅占總損失的4.31%。由此可見，伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制的重點(diǎn)應(yīng)該放在對(duì)總氮及泥沙的治理上。

由于沒有考慮到2008-2012年這5年內(nèi)研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型面積的變化，估算的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失可能與實(shí)際有偏差。

表5 研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失計(jì)算結(jié)果 萬元

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

采用SWAT模型對(duì)伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)之上，運(yùn)用環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法定量估算研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失，得出的主要結(jié)論如下。

(1)在伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模擬中，模型模擬結(jié)果符合SWAT模型模擬要求，可以應(yīng)用于伊通河流域研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模擬計(jì)算。

(2)模型模擬結(jié)果表明，2010年內(nèi)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源泥沙年負(fù)荷、總氮年負(fù)荷以及總磷年負(fù)荷均為最大，2012年次之，2011年最小；其大小和年降雨量有很大的關(guān)系。伊通河流域的土壤侵蝕總量為4 202 877.16 t/a。其中，耕地引起的土壤侵蝕量最大，占總量的96.51%；而水田引起的土壤侵蝕量最小。

(3)根據(jù)估算結(jié)果可知，年降雨量越大的年份損失越嚴(yán)重。研究區(qū)年均農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染損失折算成人民幣約為52 845.42 萬元?？傮w上，伊通河流域內(nèi)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染價(jià)值損失大小順序?yàn)椋嚎偟獌r(jià)值損失>泥沙淤積價(jià)值損失>總磷污染價(jià)值損失>土地廢棄價(jià)值損失。

4.2 建 議

(1)在今后的伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理工作中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)土壤侵蝕的控制與管理。

(2)伊通河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制的重點(diǎn)應(yīng)該放在對(duì)總氮及泥沙的治理上，特別是關(guān)于總氮的治理應(yīng)為重中之重。此外，雖然流域內(nèi)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷污染價(jià)值損失占總損失的比例較小，但危害大，也應(yīng)該引起足夠的重視。

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