北方高寒地區(qū)非點源污染模擬研究

周 欣，雷興元

(黑龍江農(nóng)墾勘測設計研究院，哈爾濱 150090)

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北方高寒地區(qū)非點源污染模擬研究

周 欣，雷興元2

(黑龍江農(nóng)墾勘測設計研究院，哈爾濱 150090)

受農(nóng)業(yè)化肥過量施用及生活污水、有害氣體過量排放的影響，大量污染物隨降水擴散到流域不同的低洼地帶，同時通過土壤的滲透作用擴散到地下，對地表及地下水資源造成了嚴重的污染，寒區(qū)由于冬季長達半年的特殊氣候特點，冬季的污染物擴散速度減慢，這對污染物的隨機性擴散模擬造成了很大的影響，文章采用運用美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的SWAT模型及美國地質(zhì)勘探局開發(fā)的LOADEST模型，通過對流域非點源污染負荷估算及建立完整的地理、土壤、土地利用、水文氣象和農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫，對項目區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染進行了模擬研究。模型模擬效果證明SWAT模型適用于北方高寒地區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染模擬。

阿什河流域；SWAT模型；LOADEST模型；污染物模擬；空間分析

0 引 言

目前，世界各地受環(huán)境影響，許多河湖受到了不同程度的污染，造成了大量的財產(chǎn)損失和人員傷亡。非點源污染的發(fā)生具有廣泛的隨機性，其擴散主要依賴于降水，當降水發(fā)生時，隨著坡面的傾斜角度向不同的方向流動，匯入不同的低洼地帶，并隨著土壤空隙深入到地下，高濃度污染時甚至會對地下水產(chǎn)生污染。SWAT模型(Soilandwaterassessmenttool)具有較強的物理機制，它能夠利用遙感影像提供的空間信息模擬多種不同的水文物理化學過程[1]。SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部(UnitedStatesDepartmentofAgriculture，USDA)農(nóng)業(yè)研究中心(AgriculturalResearchService，ARS)JEFFArnold等[2]開發(fā)的半分布式流域水文模型，模型在氣候變化對區(qū)域水資源的影響、非點源污染、不同灌溉制度下對作物產(chǎn)量的影響中獲得了廣泛的應用[3]。多數(shù)學者對不同流域的污染物的遷移過程進行了模擬，但少有學者在高寒地區(qū)開展研究，本文利用LOADEST模型對污染物進行插值獲得月污染物通量，進而采用SWAT對月污染物通量進行模擬，研究其在寒區(qū)非點源污染模擬中的適用性[4]。

1 研究區(qū)概況

阿什河流域全長51km，境內(nèi)流域面積565km2，阿什河的干流河道實際長度為257km，直線長度為133km，彎曲系數(shù)1．93。其支流較多，流域匯集大、小支流79條，河道總長度為1277．86km，河網(wǎng)密度為0．36km/km2。

2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)采用美國馬里蘭大學土地覆被數(shù)據(jù)土壤數(shù)據(jù)采用世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫,高程數(shù)據(jù)采用中科院地理空間數(shù)據(jù)云90m數(shù)字高程數(shù)據(jù)。實測氣象及降水數(shù)據(jù)采用阿什河流域及周邊地區(qū)2個氣象站與8個雨量站的逐日數(shù)據(jù)。流量采用距離研究區(qū)最近的阿城水文站2009年1月1日到2015年10月31日的日流量數(shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)采用項目區(qū)4個匯水口2014-2015年的總氮、總磷瞬時污染物濃度數(shù)據(jù)，通過LOADEST模型插值后計算得出月污染物濃度負荷，通過建立的SWAT模型對日流量及月污染物濃度負荷進行模擬[5]。匯水口的編號記為：H01、H02、H03、H04。

3 各污染物負荷回歸方程的建立

本文基于LOADEST統(tǒng)計模型，采用連續(xù)的日流量數(shù)據(jù)和有限的、離散的水質(zhì)數(shù)據(jù)，建立總氮和總磷污染物負荷回歸方程，確定模型中各個水質(zhì)參數(shù)回歸方程中的相關參數(shù)，并進行回歸檢驗分析。LOADEST模型的計算原理見圖1，本研究采用2015年1月-2015年12月的LOADEST模型TN、TP估算結(jié)果進行項目區(qū)的污染物模擬，LOADEST模型估算結(jié)果見表1-2.

圖1 LOADEST統(tǒng)計模型基本構(gòu)成圖

1月2月3月4月5月6月H01TNTP月負荷15.397027.669055.897097.7550338.1830278.774095%置Lower3.987011.691020.462031.5940106.821096.9170信區(qū)間Upper54.198059.3900169.8040234.7060493.5270462.7950月負荷1.69102.61703.79908.016018.036018.367095%置Lower0.36000.96001.68503.29005.37905.6970信區(qū)間Upper5.94007.69009.807019.181052.905051.2670H02TNTP月負荷30.697091.3077173.2807303.0405730.4753591.837295%置Lower4.465438.580363.432297.9414230.7334205.7548信區(qū)間Upper60.7018195.9870526.3924727.58861066.0183982.5138月負荷1.89398.636111.776924.849638.957838.993195%置Lower0.40323.16805.223510.199011.618612.0947信區(qū)間Upper6.652825.377030.401759.4611114.2748108.8398H03TNTP月負荷23.095531.985476.0199111.4407381.8086398.925695%置Lower5.980513.514827.828336.0172120.6009138.6882信區(qū)間Upper81.297068.6548230.9334267.5648557.1920662.2596月負荷2.53653.02535.16669.138220.362626.283295%置Lower0.54001.10982.29163.75066.07298.1524信區(qū)間Upper8.91008.889613.337521.866359.729773.3631H04TNTP月負荷12.163624.625446.953588.9571257.0191192.354195%置Lower3.149710.405017.188128.750581.184066.8727信區(qū)間Upper42.816452.8571142.6354213.5825375.0805319.3286月負荷1.33592.32913.19127.294613.707412.673295%置Lower0.28440.85441.41542.99394.08803.9309信區(qū)間Upper4.69266.84418.237917.454740.207835.3742

表2 2015年7-12月份項目區(qū)各月份污染物負荷

續(xù)表2 2015年7-12月份項目區(qū)各月份污染物負荷

4 SWAT模型的建立

土地利用是SWAT模型數(shù)據(jù)庫建立的重要數(shù)據(jù)之一，其影響著降水在路面的流動過程，對水文過程模擬有重要影響，本文首先將DEM數(shù)據(jù)加載進arcswat軟件中，設定最小匯水面積閾值為500km2，劃分出37個子流域，并計算流域地形參數(shù)，采用最終劃分的流域分水線提取出流域包含的土地利用數(shù)據(jù)。由于國內(nèi)目前沒有完整的不同土地利用數(shù)據(jù)參數(shù)，因此本文通過索引表建立土地利用數(shù)據(jù)與SWAT模型自帶的landcover/plant土地利用數(shù)據(jù)庫參數(shù)之間的聯(lián)系，采用模型默認的參數(shù)。重分類后的呼蘭河流域土地覆被對應的SWAT土地利用代碼為WATR、FRSE、FRSD、FRST、HAY、PAST、AGRL、URHD。本文將土壤分為兩層即0-30cm和30-100cm，土壤最大可壓縮量SOL_CRK取為0.5，土壤層的有機碳含量采用土壤有機質(zhì)含量乘以0.58，土壤各層的黏土含量、壤土含量、砂土含量及礫石含量可從HSWD數(shù)據(jù)庫中獲取，地表反射率設置為0.01，土壤最大可伸縮量取為1，土壤的濕容重SOL_BD、土壤的有效含水量SOL_AWC、飽和滲透系數(shù)SOL_K由SPAW軟件計算出結(jié)果。

5 非點源污染模擬結(jié)果

研究區(qū)4個匯水口污染物模擬結(jié)果的相關性分析圖見圖2-9。從圖中可以看出，非點源污染模擬效果較好，說明SWAT模型在高寒地區(qū)非點源污染模擬具有加好的適用性。

圖2 H01匯水口TN模擬結(jié)果相關系數(shù)分布圖

圖3 H02匯水口TN模擬結(jié)果相關系數(shù)分布圖

圖4 H03匯水口TN模擬結(jié)果相關系數(shù)分布圖

圖5 H04匯水口TN模擬結(jié)果相關系數(shù)分布圖

圖6 H01匯水口TP模擬結(jié)果相關系數(shù)分布圖

圖7 H02匯水口TP模擬結(jié)果相關系數(shù)分布圖

圖8 H03匯水口TP模擬結(jié)果相關系數(shù)分布圖

圖9 H04匯水口TP模擬結(jié)果相關系數(shù)分布圖

6 結(jié) 論

本文采用美國地質(zhì)勘探局(UnitedStatesGeologicalSurvey，簡稱USGS)開發(fā)的LOADEST模型對瞬時污染物進行線性回歸，從而獲得月污染物數(shù)據(jù)，然后采用SWAT模型研究了其在北方高寒地區(qū)非點源污染模擬中的適用性，研究結(jié)果表現(xiàn)模擬效果較好，可將SWAT模型作為高寒地區(qū)非點源污染模擬的水文模型。

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1007-7596(2017)04-0019-04

2017-03-06

周欣(1980-)，女，遼寧岫巖人，高級工程師；雷興元(1989-)，男，黑龍江青岡人，助理工程師。

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