基于AnnAGNPS模型的葦子溝流域非點源污染模擬研究

涂宏志，侯鷹，陳衛(wèi)平*

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085；2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049）

基于AnnAGNPS模型的葦子溝流域非點源污染模擬研究

涂宏志1，2，侯鷹1，陳衛(wèi)平1*

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085；2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049）

采用連續(xù)分布式水文模型AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-Point Source Model）,耦合GIS技術,對飲馬河下游葦子溝流域2009—2015年非點源污染進行了定量模擬,同時用同步水質監(jiān)測數據檢驗了該模型在葦子溝流域的適用性。結果表明,該模型對徑流、總氮模擬效果較好,對總磷模擬效果較差。在日尺度上,模型對小型降雨事件徑流量模擬值偏低,而對暴雨事件模擬值偏高；月尺度上,總氮、總磷的年內變化與降雨量的年內變化一致,5—8月雨季的非點源污染負荷占全年的80%以上；年尺度上, 2009—2015年總氮、總磷污染負荷平均值分別為22 295.28 kg和7 085.00 kg,且年際變化趨勢一致。降雨量與總氮負荷的Spearman相關系數為0.93,與總磷負荷的相關系數為0.92,且均達到極顯著水平(P＜0.01）,說明年降雨量的變化直接影響流域全年總氮、總磷污染負荷的變化。總氮和總磷負荷的空間分布具有很高的相似性,總體上總氮、總磷單位面積負荷量在流域西北部區(qū)域較低,而在流域中下游區(qū)域較高。

AnnAGNPS；非點源污染；葦子溝流域；總氮；總磷；不確定性

自20世紀60年代以來,隨著對點源污染治理的日益加強,非點源尤其是農業(yè)非點源逐步成為水體惡化的主要污染源［1］。由于非點源污染具有隨機性、復雜性、分散性、滯后性和難監(jiān)測的特點,對其治理存在很大困難［2］。

隨著技術的發(fā)展和研究的深入,應用機理模型對非點源污染進行模擬已成為非點源污染研究的常用方法［3］。目前,常用的非點源污染模型有ANSWERS (Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation）［4］、SWAT(Soil and Water Assessment Tool）［5］和AnnAGNPS(Annualized Agricultural Nonpoint Source Pollution Model）［6］等。耦合地理信息系統(tǒng)(GIS）與非點源污染機理模型,可以模擬非點源污染形成過程、識別關鍵源區(qū)、分析污染負荷時空分布,相關結果可為制定非點源管理方案提供參考,成為非點源污染研究的重要手段［7］。AnnAGNPS模型作為連續(xù)、分布式機理模型,能夠連續(xù)模擬指定時間段內每天及累積的徑流、泥沙、氮磷等營養(yǎng)物的形成及遷移轉化過程,在流域農業(yè)非點源污染研究中得到廣泛應用。Suttles等［8］應用AnnAGNPS模型模擬估算了南喬治亞島上游流域的泥沙量和非點源污染負荷；Polyakov等［9］利用該模型對夏威夷Kauai島流域徑流量和泥沙侵蝕進行了模擬研究。該模型在美國的Neal Smith國家野生動物避難所［10］、澳大利亞的Currency Creek流域［11］、西班牙OliveOrchard小流域［12］、哥倫比亞的Cauca流域［13］也得到了應用。國內學者則在三峽庫區(qū)［14］、丹江口庫區(qū)［15］、太湖流域［16-17］、遼河源頭小流域［18］、黑河流域［19］、膠東半島大沽河流域［20］等地應用AnnAGNPS進行了研究。東北平原是我國糧食主產區(qū)之一,農業(yè)面源污染嚴重,污染的特征、機制和影響因素等問題亟待深入研究。然而,目前還沒有AnnAGNPS在東北平原區(qū)應用情況的報道。

圖1 葦子溝流域示意圖Figure 1 Geographic location of Weizigou watershed

本研究采用AnnAGNPS模型對葦子溝流域的農業(yè)非點源污染負荷進行了模擬,通過實地監(jiān)測數據對模擬結果進行了校準,在此基礎上,分析了葦子溝流域農業(yè)非點源污染負荷的時空變化特征。研究結果將對AnnAGNPS模型在我國東北平原小流域的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于飲馬河下游,屬長春市農安縣境內的支流葦子溝小流域(圖1）,上起源頭高家店鎮(zhèn)高家店村,下至萬金塔鄉(xiāng)葦子溝村,全長約15 km,地理范圍為44°43′～44°37′N,125°26′～125°14′E,流域面積69 km2。葦子溝小流域年平均氣溫4.7℃,無霜期145 d,年均降水量507.7 mm,多集中在6—8月,四季分明,屬中溫帶大陸性氣候。該地區(qū)位于松遼平原,地勢平坦,一般海拔250～270 m,土地利用方式以旱作耕地為主,主要種植玉米,兼少量西瓜和葡萄。

葦子溝流經區(qū)域包括高家店、德勝唐、九德號、萬金塔、葦子溝等14個行政村,經調查統(tǒng)計,該區(qū)域2015年人口為14 490人。

1.2 試驗設計與方法

采用實地地表徑流監(jiān)測方法,在葦子溝流域出口處利用ICSO-6712便攜式自動水質采樣器同步監(jiān)測每場次降雨過程的地表徑流量和氮磷輸出濃度。樣品的采集頻率為降雨前采集一次水樣,在降雨開始后的前2 h內每30 min采集水樣,此后每1 h采集水樣,直至出口徑流量基本恢復正常。每次采樣1000 mL,采集的水樣24 h內送到實驗室檢測總氮、總磷。所有水質指標均按照標準方法［21］進行測定。采樣器每5 min自動記錄流速、水位。場次降雨徑流的污染負荷(L）計算公式［22］為.

式中：Cj和Cj+1為某場降雨徑流中第j次和第j+1次監(jiān)測的污染物濃度,mg·L-1；qj和qj+1為某場降雨徑流中第j次和第j+1次監(jiān)測的徑流量,m3·s-1；Δt為相鄰兩次采樣間隔時間,s；n為某場降雨徑流過程中的采樣次數。

1.3 AnnAGNPS模型介紹

AnnAGNPS模型由美國農業(yè)部自然資源保護局和農業(yè)保護局于20世紀90年代在AGNPS模型的基礎上研發(fā),是用于模擬評估流域地表徑流、泥沙侵蝕和氮磷等營養(yǎng)物流失的連續(xù)分布式參數模型［23］。AnnAGNPS模型由數據輸入和編輯模塊、年污染物負荷計算模塊、數據輸出和顯示模塊3部分組成。

AnnAGNPS作為分布式物理模型包括水文子模型、土壤侵蝕子模型和污染物遷移子模型三個子模型［24］。地表徑流量的計算依據美國土壤保持局提出的SCS曲線法(Soil Conservation Service Curve Number）。峰值徑流量用Smith和Willam得出的經驗相關方程計算；在土壤侵蝕子模型中,通過修正的通用土壤流失方程(RUSLE）計算各集水單元泥沙侵蝕量,由水文幾何通用土壤流失方程(HUSLE）計算各集水單元的侵蝕物向溝道的輸移率。污染物遷移子模型則采用CREAM模型和飼育場模型模擬計算溶解態(tài)和吸附態(tài)的氮磷等污染物質的遷移轉化過程。

1.4 模型數據庫構建

1.4.1 地形數據

采用經資源三號衛(wèi)星圖像遙感解譯生成的數字高程模型(DEM）為數據源,并利用地形參數模塊(TOPAGNPS）自動劃分集水單元(Cell）和排水溝道(Reach）,生成集水單元文件(AnnAGNPS_cell.csv）和溝道參數文件(AnnAGNPS_reach.csv）。集水單元數據包括排水面積、高程、地面坡度、方位、LS因子等,溝道數據包括溝道長度、高程、坡度等。集水單元的劃分和溝道網絡的提取通過臨界源面積(CSA）和最小溝道長度(MSCL）來確定。鐘科元等［25］的研究表明合理的集水單元劃分影響模型模擬的精度。本研究根據葦子溝流域的實際地表狀況,將CSA和MSCL分別取8 hm2和130 m,并依據此數值確定了740個集水單元和300個排水溝道數據(圖1）。

1.4.2 氣象數據

模型所需的氣象參數包括日均降雨量、日最高和最低氣溫、露點溫度、日輻射值和風速。氣象數據采用中國氣象數據網中國地面氣候資料日值數據集和中國輻射日值數據集,采用農安氣象站點2009—2015年的逐日氣象數據(降水、日最高氣溫、日最低氣溫、日均氣溫、風速、日照時數、相對濕度）,其中日輻射值的計算方法參考童成立等［26］的研究。采用Wischmeier經驗法［27］計算降雨侵蝕力因子(R）,十年一遇降雨侵蝕因子(EI10）的計算則采用Renard等［28］的方法。露點溫度根據日均氣溫和相對濕度計算［29］,公式如下.

式中：A=0.198 0,B=0.001 7,C=0.840 0,均為系數；td為露點溫度,℃；t為日均氣溫,℃；U為相對濕度,%。

1.4.3 土壤數據

模型需要的土壤數據分為空間數據和屬性數據兩類?？臻g數據采用世界土壤數據庫中的中國土壤數據集,數據分辨率為1∶100萬。流域內土壤類型為石灰性黑鈣土和潛育褐色土(圖1）。用GPS定位采集18個土壤樣品,分析各類型土壤的pH值、總氮、總磷和有機碳含量。土壤有機氮、無機氮以及有機磷、無機磷的含量分別按照總氮的96%、4%和總磷的15%、85%的比例計算［30］。根據對數正態(tài)分布方法［18］將土壤粒徑的FAO90制轉換為美國制標準。利用土壤水分特性軟件SPAW(Soil Plant Atmosphere Water）確定各類型土壤的容重、田間持水量、萎蔫系數、飽和導水率和飽和度。

1.4.4 土地利用數據

模型所需土地利用數據采用中國生態(tài)系統(tǒng)評估數據庫提供的全國土地利用圖(分辨率為90 m×90m）。研究區(qū)主要土地利用類型為旱地,占82.61%,居住地占10.96%,林地占5.51%,其他占0.92%(圖1）。

1.4.5 作物及管理數據

流域主要種植玉米,少數村民種植西瓜和葡萄,考慮玉米種植規(guī)模,將作物概括為玉米。通過實地調查獲得了農作物的種植、施肥、殺蟲、收割等相關措施的操作時間和操作方式,以及肥料的養(yǎng)分含量等屬性信息。作物參數主要參考模型自帶的作物參數數據庫(Crop.xls）和美國農業(yè)手冊703號。

2 結果與討論

2.1 模型校準

根據國內外對AnnAGNPS模型參數敏感性的研究結果［31-32］,在水文模塊校準時參考田耀武等［33］的方法反復調試徑流曲線數CN值,使徑流量模擬值與實測值最大程度地接近。氮、磷輸出量主要受土壤可侵蝕因子K、水土保持因子P、作物管理因子C、化肥施用量、土壤中氮、磷本底值和河道曼寧系數的影響,調整上述敏感因子,使得總氮、總磷模擬值最大限度接近其實測值。表1為2016年6—7月的兩次降雨事件模擬實驗結果,其模擬偏差計算公式如下.

式中：DV為模擬偏差(DV值越趨向于0,則擬合度越好）；V為模型模擬值；V′為實測值。

由表1可知,AnnAGNPS對小型降雨的模擬結果偏低,與Lenzi等［34］、鄒桂紅等［35］的研究結論一致?？赡茉驗檠芯繀^(qū)為平原,平均坡度較低,且土地利用類型主要為旱田,土壤含砂量大,土壤滲透性較大,所以小降雨事件時產生的地表徑流值偏低。兩場降雨事件的徑流模擬結果與實測結果擬合度一般,可能與流域類型為平原有關。兩場降雨事件總氮的模擬偏差分別為16.16%、15.48%,平均模擬偏差為15.82%,表明模型對總氮模擬效果較好,能較真實反映流域內總氮的變化情況?？偭椎哪M結果較差,其中7月25日場次降雨事件總磷模擬結果與實測結果偏差達到53.74%。已有研究表明,日尺度的污染負荷模擬精度低于月、年尺度［35-36］。此外,部分研究中,場次降雨事件總磷偏差大,如在黃金良等［37］應用AnnAGNPS模型對九龍江小流域的氮磷負荷模擬中,有三次降雨事件總磷負荷的模擬偏差分別達到了111.04%、-80.19%和-76.36%；朱乾德等［38］的研究中有兩次降雨事件總磷負荷的模擬偏差分別達到40.09%和39.09%。因此,對于本研究而言,需要更多降雨事件的監(jiān)測數據來驗證總磷模擬的可靠性?？傮w而言,AnnAGNPS模型對總氮負荷的模擬精度高于對總磷負荷的模擬精度,與Novotny等［39］對眾多非點源污染的模型評估結果一致?？赡茉蛟谟?模型對磷元素的模擬只考慮了吸附態(tài)磷和溶解態(tài)磷,實際上磷在自然界中的循環(huán)屬于沉積型循環(huán),部分磷進入水體后會沉積在底泥中,而模型忽略了沉積部分的磷,故對磷的模擬值通常大于實測值。

2.2 模擬結果分析

2.2.1 氮磷污染負荷年內分布特點

本研究應用校準后的模型模擬了葦子溝流域2013—2014年的總氮、總磷負荷(圖2和圖3）。從年際變化來看,2013年總氮和總磷的年內變化與降雨量的年內變化一致。由圖2可見.總氮和總磷負荷的月流失量隨月降雨量的變化而變化,呈現較強的正相關性。2013年總氮負荷量為26 377.63 kg,總磷負荷量為8 907.70 kg,總氮、總磷月產生強度與月降雨量Spearman相關系數分別是0.85(P=0.000 40）、0.84(P= 0.000 40）。5—8月的降雨量分別為43.5、91.3、173.0、105.3 mm,占年總量(562.1 mm）的73.49%,對應期間的總氮負荷量分別為1 204.81、2 412.00、14 691.72、4 231.46 kg,占年總量的85.45%；總磷負荷量分別為382.95、967.00、4 880.93、1 401.80 kg,占年總量的85.69%。由圖3可知,2014年Spearman相關系數分別是0.71(P=0.009 8）、0.69(P=0.009 8）,5—8月的降雨量分別為92.7、73.6、52.2、43.9 mm,占年總量(331.9 mm）的79.06%；對應期間的總氮負荷量分別為730.15、255.06、965.70、126.52 kg,占年總量的84.24%；總磷負荷量分別為241.89、83.40、312.00、39.26 kg,占年總量的84.46%。這說明降雨是葦子溝流域非點源污染的主要驅動力。2014年7月降雨量較5、6月低,總氮、總磷負荷卻高于5、6月,可能是因為7月場次降雨事件降雨量更大導致。

表1 葦子溝流域徑流及氮磷污染負荷模擬值與實測值對照Table 1 Comparison of the simulated and measured runoff and nitrogen and phosphorous loading of the Weizigou watershed

圖2 2013年各月葦子溝流域非點源污染負荷及降雨量Figure 2 The non-point source pollution load and rainfall of the Weizigou watershed in 2013

圖3 2014年各月葦子溝流域非點源污染負荷及降雨量Figure 3 The non-point source pollution load and rainfall of the Weizigou watershed in 2014

2.2.2 氮、磷污染負荷的年際分布特點

根據模型輸出文件得到葦子溝流域2009—2015年年際污染負荷情況(圖4）。結果表明,該地區(qū)多年平均降雨量為482.2 mm,年降雨量最大和最小年份分別是2010和2014年,降雨量分別為675.2 mm和331.9 mm?？偟⒖偭孜廴矩摵赡觌H變化趨勢一致, 2010年總氮、總磷負荷量分別為79 015.29、25 018.02 kg；2014年則分別為2 466.16、801.01 kg。總氮、總磷多年平均負荷量分別為22 295.28、7 085.00 kg。總氮、總磷負荷隨該地區(qū)降雨的年際變化而變化,主要原因一是降雨是氮磷流失的主要驅動因素,二是模型對不同年份進行模擬時只考慮氣象數據隨時間的變化,不考慮其他信息,如地形、土地利用方式、土壤等因素隨時間的變化情況［40］。經SPSS軟件進行相關性檢驗,年降雨量與總氮負荷的Spearman相關系數為0.93(P= 0.002 5）,與總磷負荷的相關系數為0.92(P=0.002 5）,均已達到極顯著水平,表明流域氮磷污染負荷變化與年降雨量變化的緊密關系。

圖4 葦子溝流域污染負荷及降雨量年際變化Figure 4 The non-point source pollution load and rainfall of the Weizigou watershed from 2009 to 2015

2.2.3 氮、磷污染負荷的空間分布特征

利用ArcGIS將模型輸出的氮磷負荷數據庫文件和集水單元圖AnnAGNPS_SubWta.asc耦合,輸出葦子溝流域2009—2015年總氮、總磷單位面積年均負荷量空間分布圖(圖5）。結果表明,葦子溝流域總氮、總磷污染負荷在空間上呈現較強的區(qū)域性分布,總氮、總磷年均負荷量低(總氮0～3.00 kg·hm-2·a-1,總磷0～1.20 kg·hm-2·a-1）的集水單元主要分布在流域西北部,而總氮、總磷年均負荷量高(總氮5.00～13.06 kg· hm-2·a-1,總磷2.00～5.52 kg·hm-2·a-1）的集水單元主要分布在流域中下游。對比研究區(qū)河網圖和土地利用圖發(fā)現,總氮、總磷的流失主要集中在坡耕地和河道兩側等坡度較大區(qū)域,表明地形是影響總氮、總磷流失的重要因素。

總氮、總磷負荷在空間分布上有一定相似性,磷流失多的區(qū)域氮流失量往往也大,磷流失少的區(qū)域氮流失量通常也比較小。這與邊金云等［32］和李開明等［41］的研究結果一致,可能原因是葦子溝流域營養(yǎng)物以顆粒態(tài)為主要賦存形式,而顆粒態(tài)營養(yǎng)物質往往附著在泥沙上,隨著泥沙的遷移而遷移。

2.3 模擬的不確定性

本研究中AnnAGNPS模型模擬還存在一定的不確定性,主要表現為.

(1）AnnAGNPS假設每年肥料施用和農事管理措施不變,而實際中葦子溝流域農業(yè)為農戶分散經營模式,耕作施肥方式不一,模型的假設不完全符合研究區(qū)域的實際情況。已有研究表明,肥料施用量以及肥料中氮磷比例等參數會影響模型的輸出結果［42］。

圖5 2009—2015年葦子溝流域氮磷污染負荷的空間分布Figure 5 Spatial distribution of TN and TP loading in Weizigou watershed during 2009—2015

(2）因野外監(jiān)測和采樣的條件限制,供模型校驗的實測數據有限,使得模型的校驗,特別是對總磷負荷模擬的校驗不太理想。

(3）降雨與徑流、氮磷流失負荷的非線性關系,以及土地利用模式和管理措施的快速變化導致了定量化研究非點源污染的復雜性。

(4）對各年污染負荷進行模擬時均使用了2010年的土地利用圖,而現實中研究區(qū)域土地利用會隨時間發(fā)生變化。通過對比2000年和2010年全國土地利用圖發(fā)現,葦子溝流域土地利用在這10年間變化極小,而且研究區(qū)域為東北農村區(qū)域,受城市化影響很小。因此,本研究假設該區(qū)域2009—2015年土地利用相比2010年保持不變。

3 結論

(1）AnnAGNPS模型對總氮污染負荷量的模擬精度較高,能較好地反映該流域的總氮污染負荷實際情況,而對總磷污染負荷的模擬不確定性較大。

(2）對2013、2014年污染負荷模擬結果表明,總氮、總磷流失趨勢一致,且主要集中在5—8月,與降雨量呈較強的正相關關系。2009—2015年葦子溝流域總氮、總磷負荷年際變化分析表明,在年際尺度上,降雨總量是影響全年流域污染負荷量的重要因素。

(3）總氮、總磷在空間分布上具有一定的相似性。流域西北部總氮、總磷單位面積負荷量總體較低,而流域中下游的總氮、總磷單位面積負荷量總體較高。旱地是氮磷輸出的最主要來源。

(4）模型對葦子溝流域非點源污染輸出模擬具有不確定性,包括模型自身設計的局限性、輸入參數的不確定性、模型的適用性以及校驗數據有限。

(5）總體而言,AnnAGNPS模型在葦子溝流域具有一定的適用性。本研究能夠為AnnAGNPS模型在東北平原區(qū)小流域的應用提供參考。為了增加模型模擬的可靠性,需要更多的實測數據對模型進行進一步校準與驗證。

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Simulation of non-point source pollution in Weizigou watershed with AnnAGNPS model

TU Hong-zhi1,2,HOU Ying1,CHEN Wei-ping1*
(1.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology,Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085,China;2.College of Resources and Environment,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）

In this study,the AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-Point Source）model was used to simulate NPS loads from the Weizigou watershed from 2009 to 2015.Water quality monitoring data were used to evaluate the performance and suitability of AnnAGNPS. The results showed that the predictions of the runoff and total nitrogen(TN）load for the Weizigou watershed by AnnAGNPS were reasonable,while the prediction of total phosphorus(TP）showed relatively large uncertainties.The model generally underestimated runoff caused by low rainfalls,while overestimated runoff resulting from heavy rainfalls.The changes of TN and TP loads over months had similar trends with the change of rainfall.More than 80%of the annual NPS load occurred in rainy-season from May to August.Annual average TN and TP load from the Weizigou watershed from 2009 to 2015 were 22 295.28 kg and 7 085.00 kg,respectively,and they had the similar changing trend over years.The Spearman correlation coefficients were 0.93 and 0.92 for the correlations between TN and rainfall and between TP and rainfall,respectively(P＜0.01）.The modeling results on the annual scale showed that the change of total pollutant load was strongly influenced by the change of rainfall in the Weizigou watershed.TN and TP loadings had similar spatial distribution characteristics in the study area.The loadings of TN and TP were generally higher in the downstream areas than in the north-western areas of the Weizigou watershed.

AnnAGNPS;non-point source pollution;Weizigou watershed;total nitrogen;total phosphorus;uncertainty

X592

A

1672-2043(2017）07-1345-08

10.11654/jaes.2016-1562

涂宏志,侯鷹,陳衛(wèi)平.基于AnnAGNPS模型的葦子溝流域非點源污染模擬研究［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36(7）.1345-1352.

TU Hong-zhi,HOU Ying,CHEN Wei-ping.Simulation of non-point source pollution in Weizigou watershed with AnnAGNPS model［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1345-1352.

2016-12-06

涂宏志(1992—）,男,湖北潛江人,碩士研究生,從事流域非點源污染研究。E-mail:hztu_st@rcees.ac.cn

*通信作者：陳衛(wèi)平E-mail:wpchen@rcees.ac.cn

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07201-011-005,2015ZX07206-006-02）；中國科學院科技服務網絡計劃(KFJ-EW-ZY-004）

Project supported：The National Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment(2014ZX07201-011-005,2015ZX07206-006-02）；Science and Technology Service Network Initiative of the Chinese Academy of Sciences(KFJ-EW-ZY-004）