不同管理措施對密云水庫流域水量水質(zhì)變化的影響

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)。