趙剛 徐宗學(xué) 董晴晴 史蓉 徐茂森
摘要:在密云水庫上游控制流域建立SWAT(S0il and Water Assessment Tooll水文模型,根據(jù)實測水且.水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型的參數(shù)進行優(yōu)化。識別流域土壤侵蝕和污染物關(guān)鍵區(qū)域,并對不同管理措施對流域水量水質(zhì)的影響進行定量研究。研究結(jié)果表明:密云水庫流域土壤侵蝕強度較大的集中在流域中下游臨近河道的區(qū)域;潮河流域非點源污染狀況較為嚴(yán)重,潮河和白河總氮流失超高風(fēng)險區(qū)分別占總面積的62 62%和43.09%,白河流域總磷均為低流失風(fēng)險區(qū),潮河流域總磷高流失風(fēng)險區(qū)占17.81%;等高耕作和梯田種植對于產(chǎn)沙量和污染物都有較好的去除效果,其中等高耕作對于產(chǎn)沙量和總氮、總磷負(fù)荷的削減率,潮河分別為25.16%、10.79%和32.89%,白河為47.60%、34.92%和53.49%;通過對比退耕還林和退耕還草措施得知,退耕還林的效果更優(yōu)。研究結(jié)果可為密云水庫流域水土保持和水環(huán)境治理提供決策依據(jù)。
關(guān)鍵詞:SWAT模型;密云水庫;水量水質(zhì);管理措施
中圖分類號:S127 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-1683(2017)-02-0080-09
非點源污染是影響流域水環(huán)境的重要因素之一。因其具有分布廣泛、污染物不確定、監(jiān)測困難等特點,使其定量研究尚存在很多難點。非點源污染源不固定,極易受到了人類生產(chǎn)、生活以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等的影響。定量分析人類活動對流域水量水質(zhì)的影響,不僅可以有效治理與控制非點源污染,同時為流域水環(huán)境問題治理、資源合理規(guī)劃與利用提供決策依據(jù)。
不同土地利用和管理措施對流域水量水質(zhì)有著直接影響,有必要對其進行定量分析。對非點源污染的定量分析通常需要借助地理信息技術(shù)相支持,計算出整個流域內(nèi)各個區(qū)域的非點源污染分布,然后與該區(qū)域的水質(zhì)要求相結(jié)合,進而對其進行定量分析與情景模擬。SWAT(S0il and Water As-sessment Tool)模型,因簡單實用,廣泛用于流域水循環(huán)模擬、流量預(yù)測以及非點源污染控制評價中。如:Ashok采用SWAT模型對土地利用復(fù)雜的小流域氮磷污染物進行模擬并取得了較好效果;之后Mishra和Epelde采用SWAT模型分別對不同流域農(nóng)業(yè)措施與水量水質(zhì)關(guān)系進行研究,表明了人類活動干擾與流域非點源污染物濃度的直接關(guān)系;國內(nèi)亦有較多研究,如張建永利用SWAT模型研究了北京官廳水庫流域徑流、營養(yǎng)物流失等情況;秦耀民等以黑河為研究對象,采用SWAT模型研究了土地利用方式、土地覆蓋情況兩種因素對水質(zhì)的影響;劉博等也采用SWAT模型,主要研究了土地利用情況、水質(zhì)管理措施、水文環(huán)境等因素對北京沙河水庫非點源污染的影響。針對密云水庫流域非點源污染也有了相關(guān)研究,如:王曉燕等和李明濤等在SWAT模型和GIS技術(shù)的支持下,分析了流域內(nèi)非點源污染物的時間變化規(guī)律并都認(rèn)為耕地面積對于流域內(nèi)非點源污染的負(fù)荷貢獻(xiàn)較高。徐宗學(xué)和龐靖鵬等以密云水庫流域為研究對象,對徑流和泥沙進行模擬,并對土壤侵蝕關(guān)鍵區(qū)進行識別;張平基于SWAT模型對于氮磷流失風(fēng)險區(qū)進行了劃分。以往的研究中,對不同管理措施對流域水量水質(zhì)變化影響的進行模擬和分析較少,本文是對上述研究的深入與完善。
密云水庫作為北京市主要水源地受氣候變化和人類活動影響,近年來水環(huán)境也發(fā)生了變化。本研究采用SWAT模型,選擇密云水庫流域為研究對象,對流域水量水質(zhì)的參數(shù)進行調(diào)整,驗證模型適用性。在此基礎(chǔ)上,識別流域土壤侵蝕和污染物關(guān)鍵區(qū)域,并對不同管理措施對流域水量水質(zhì)的影響進行定量化分析。
1研究區(qū)域與方法
1.1研究區(qū)概況
密云水庫控制流域位于潮白河境內(nèi),是北京市重要的水源地之一。其流域位于北緯40°19′-41°38′和東經(jīng)115°25′-117°35′之間,流域面積為15788 km2,見圖l。整個流域的地形西北高、東南低,水流從西北部山地流入密云水庫。流域以丘陵為主,山地面積占整個區(qū)域面積約三分之二。密云水庫流域位于暖溫帶,降水主要集中在夏秋季,其中6月到9月為汛期,占到降水量的80%以上,降水量空間分布呈東南多,西北少的特點。年平均氣溫9~10℃。土壤類型主要有四種類型:褐土、棕壤、草甸土和栗鈣土。
1.2SWAT模型簡介
SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA-ARS)開發(fā)的半分布式流域水文模型,該模型基于SWRRB,并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。20世紀(jì)90年代開發(fā)以來,經(jīng)歷多次擴展和升級,在流域水文平衡、長期地表徑流、日平均徑流模擬以及泥沙侵蝕流失量、農(nóng)藥輸移、非點源污染等方面得到了廣泛應(yīng)用。
SWAT模型能夠模擬流域內(nèi)多種形式的氮和磷的遷移轉(zhuǎn)化過程,由于模型輸出結(jié)果中沒有直接給出TN和TP的結(jié)果,本文采用以下公式進行計算:
(1)式中:TN_OUT為流域出口總氮負(fù)荷(t);ORGN_OUT為流域出口有機氮(t);NO3_OUT為流域出口硝態(tài)氮(t);NH4_OUT為流域出口銨態(tài)氮(t);NO2_OUT為流域出口亞硝態(tài)氮(t)。
(2)式中:TP_OUT為流域出口總磷的負(fù)荷(t);ORGP_OUT為流域出口有機磷的負(fù)荷(t);MINP_OUT為流域出口無機磷的負(fù)荷(t)。
SWAT模型首先進行子流域劃分,然后根據(jù)每個子流域內(nèi)不同的土地利用方式、土壤類型、地形等將子流域劃分出多個水文響應(yīng)單元(HRUs)。SWAT模型模擬分為兩部分:陸表過程和受納水體過程,前者控制每個水文響應(yīng)單元內(nèi)主河道的徑流、沉積物、營養(yǎng)物和農(nóng)藥的輸入量;后者決定徑流、沉積物等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運動。
1.3數(shù)據(jù)來源與處理
構(gòu)建SWAT模型所使用的數(shù)據(jù)主要有兩種,即空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)??臻g數(shù)據(jù)主要包括高程、土地利用地圖、土壤類型地圖等幾種。文中所采用DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)見表1。屬性數(shù)據(jù)包括水文、氣象、點源等相關(guān)資料。氣象數(shù)據(jù)采用北京、承德、多倫、豐寧、懷來、遵化、張家口六個站點的最高、最低氣溫、日照時數(shù)、風(fēng)速和相對濕度等資料,由國家氣象局提供。降水?dāng)?shù)據(jù)采用密云流域1993年到2001年75個站點日降水資料,流量資料采用潮河下會站和白河張家墳站1993年-2001年日流量資料,由密云流域管理局提供。密云水庫流域以非點源污染為主,模型輸入中關(guān)于綜合污水及固氣物排放現(xiàn)狀、化肥農(nóng)藥使用和分散式飼養(yǎng)禽畜廢水等資料可詳見文獻(xiàn)。