未來氣候情境下渭河流域陜西段非點源污染負荷響應(yīng)

劉吉開, 萬 甜, 程 文, 任杰輝, 陳 瑤

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048; 2.中國科學(xué)院 青藏高原研究所, 北京 100101)

近年來，隨著社會的快速發(fā)展，全球氣候變暖成為當(dāng)今社會關(guān)注的熱點問題[1]，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在第五次評估報告中指出[2]：氣候變化正在全世界范圍內(nèi)發(fā)生，全球氣溫變暖是毋庸置疑的趨勢，由此導(dǎo)致的降雨量和氣溫的變化必然會對水體污染產(chǎn)生深遠的影響[3]。水體污染通常分為點源污染和面源污染(即非點源)[4]，其中非點源污染因具有模糊性、潛伏性，信息獲取較難、危害規(guī)模大，研究、管理不好控制等特點[5]，所以對其監(jiān)測和處理工作較為復(fù)雜，再加上非點源污染的統(tǒng)計資料少而且不好收集，所以對非點源污染效果定量的預(yù)測變得十分困難[6]。而降雨和地表徑流是非點源污染發(fā)生的主要驅(qū)動因素，氣候變化對降雨溫度的影響將直接作用于水環(huán)境中污染物遷移轉(zhuǎn)化過程[7]。因此，探討氣候條件變化對流域非點源污染負荷的影響可以為流域綜合治理措施提供理論依據(jù)，具有重要的實踐意義。模型模擬是非點源污染的量化和防治研究的有效方法。長期的非點源污染防治過程中產(chǎn)生了大量的模擬非點源污染的模型，如：SWMM模型、STORM模型、AGNPS模型、SWAT模型等，不同的模型有各自的機理和適用的范圍[8]。其中，SWAT(soil and water assessment tool)模型是目前非點源污染模擬中應(yīng)用最廣、最具代表性、前景最廣闊的一種模型[9-10]。近年來，SWAT模型已成功應(yīng)用到我國黑河、灃河和渭河等在內(nèi)的很多流域[11-12]，并取得了很好的模擬效果。渭河是黃河的第一大支流，養(yǎng)育了陜西64%的人口，集中著陜西省65%的國內(nèi)生產(chǎn)總值[13]，渭河流域陜西段的非點源污染控制對渭河的污染控制有舉足輕重的作用。因此，本研究將以渭河流域陜西段為研究區(qū)，采用SWAT模型，通過對模型進行校準驗證，在保證模型良好模擬效果的前提下，以近10 a來的氣象資料為基礎(chǔ)，對未來30 a氣溫和降雨等氣候因子變化下渭河流域陜西段徑流及非點源污染負荷進行模擬，探討氣候變化對該流域徑流及水體中氮、磷年均負荷的影響，以期對未來氣候變化情境下渭河流域非點源污染的預(yù)測和防治提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

渭河發(fā)源于甘肅省鳥鼠山，東至陜西省潼關(guān)縣最后匯入黃河，是黃河最大的支流，也是陜西關(guān)中最大的河流，渭河陜西段灌溉了關(guān)中兩岸9.33×105hm2多良田，養(yǎng)育著陜西64%的人口，對于推動陜西社會的經(jīng)濟發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。渭河干流在陜境內(nèi)，流長502.4 km，流域面積67 108 km2，占陜境黃河流域總面積的50%。全河多年平均徑流量1.04×1010m3，其中陜境產(chǎn)流6.27×109m3；每年輸入黃河泥沙達5.80×108t，約占黃河泥沙總量的1/3。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及來源

SWAT模型需要的數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[14-16]。空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程圖(DEM)、土地利用圖、土壤類型圖；屬性數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地管理數(shù)據(jù)、點源污染負荷。表1為模型數(shù)據(jù)庫所用的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

表1 模型所需的空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)

2.2 子流域及水文響應(yīng)單元的劃分

用高程圖(DEM)對流域水系進行提取，然后設(shè)定河道閾值以及流域出口，進行流域子流域的劃分。子流域劃分是非點源污染模型模擬的第一步，直接影響最終模擬結(jié)果的精確性[17-18]。本研究在劃分子流域時，將子流域劃分的閾值定為60 000 hm2，選擇華縣作為流域總出口，將研究區(qū)域劃分為35個子流域，總出口在10#子流域。河網(wǎng)及子流域的劃分如圖1所示；依據(jù)子流域輸出報表，設(shè)置土地利用面積閾值為0%，土壤類型閾值為5%，坡度閾值為5%，經(jīng)計算，SWAT模型將全流域35個子流域共劃分為634個水文響應(yīng)單元。

圖1 研究流域子流域劃分

2.3 參數(shù)率定及驗證

由于渭河華縣站的實測流量是整個渭河匯水面積得到的流量，而渭河陜西段只是其中的一部分，渭河干流是由林家村站進入陜西省，所以渭河陜西段的實測流量是由渭河華縣站的流量減去林家村站的流量得到，以2006—2011年的的實測資料與模擬資料作為率定與驗證的基礎(chǔ)，2006—2008年作為率定期，2009—2011年作為驗證期。根據(jù)實測資料，以總磷總氮為指標，采用LH-OAT分析法對SWAT模型進行敏感性分析，參數(shù)的選擇及校正結(jié)果詳見表2。完成敏感性分析后，采用模型中SCU-UA算法對模擬值和實測值進行率定和驗證，當(dāng)模擬值與實測值的相對誤差r<20%，決定系數(shù)R2>0.6，Nash-suttcliffe模擬效率系數(shù)Ens>0.5，說明二者吻合較好，可以滿足要求。表3為SWAT模型徑流、泥沙和總氮、總磷率定和驗證結(jié)果。結(jié)果表明：實測值與模擬值之間的擬合度較好，反映出SWAT模型與渭河陜西段適應(yīng)的比較好，可以適用于渭河陜西段。

表2 SWAT模型校正參數(shù)閾值

表3 SWAT模型參數(shù)評價結(jié)果

注：r，R2，Ens分別為相對誤差，決定系數(shù)和Nash-suttcliffe模擬效率系數(shù)。

3 未來氣候變化情景下的非點源污染響應(yīng)

3.1 未來氣候變化情景

氣候變化情景中主要考慮氣溫和降水的變化，《氣候變化2013:自然科學(xué)基礎(chǔ)》提出，2016—2035年全球地表溫度可能會升高0.3～0.7 ℃，降水也會在不同地區(qū)出現(xiàn)不同程度的增加趨勢，到2050年可能增加5%～7%。秦大河也在《未來100年全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖》中提到，到2020—2030年全國氣溫將上升1.7 ℃，到2050年全國氣溫將上升2.2 ℃，變暖幅度由南向北增加，不少地區(qū)降水也會出現(xiàn)增加趨勢[19]設(shè)置未來2020,2030和2050年的溫度和降水變化情況詳見表4。

表4 未來氣候變化情景

3.2 徑流對氣候變化的響應(yīng)

徑流是非點源污染的主要驅(qū)動力，研究區(qū)域徑流變化直接影響非點源污染負荷的變化，而徑流是氣候條件與流域下墊面綜合作用下的產(chǎn)物，直接受氣候因素的影響，研究表明氣候變化在較長時間尺度上是流域水資源變化的一個主要驅(qū)動因素因此，要確定研究區(qū)域內(nèi)未來氣候變化的非點源污染響應(yīng)，首先應(yīng)該對華縣水文站徑流對氣候變化的響應(yīng)進行研究，其中基準期的凈流量為2006—2015年的氣象資料模擬的年徑流量的平均值。由圖2可知，徑流變化與氣溫、降水等氣候因素的關(guān)系密切，2020年在氣溫增加0.5 ℃，降水量增加3%的情況下，徑流量增加了5.6%，2030年在氣溫增加1.7 ℃，降水量增加5%的情況下，徑流量增加了8.5%，2050年在氣溫增加2.2 ℃，降水量增加7%的情況下，徑流量增加了11.9%，這數(shù)據(jù)說明隨著未來氣溫升高降水變多的氣候變化共同作用下，徑流量也會隨之增大。

3.3 氣候變化情況下的非點源污染響應(yīng)

利用SWAT模型對氣候變化下的非點源污染進行模擬，可得到氣候變化條件下的氮、磷年均負荷量，其中基準期的TN，TP年負荷為2006—2015年的氣象資料模擬的的TN，TP年負荷平均值。由圖3可以看出，2020年在氣溫增加0.5 ℃，降水量增加3%的情況下，總氮產(chǎn)量增加了7.5%，2030年在氣溫增加1.7 ℃，降水量增加5%的情況下，總氮增加了16.7%，2050年在氣溫增加2.2 ℃，降水量增加7%的情況下，總氮增加了20.9%，未來在氣溫上升，降水增加的氣象變化影響下總氮的產(chǎn)量會一直處于上升狀態(tài)。由圖3還可看出，2020年在氣溫增加0.5 ℃，降水量增加3%的情況下，總磷產(chǎn)量增加了5.7%，2030年在氣溫增加1.7 ℃，降水量增加5%的情況下，總磷增加了9.8%，2050年在氣溫增加2.2 ℃，降水量增加7%的情況下，總磷增加了13.3%，未來在氣溫上升，降水增加的氣象變化影響下總磷的產(chǎn)量會一直處于上升狀態(tài)，而且對比發(fā)現(xiàn)總磷上升的百分率小于總氮的百分率，說明未來的氣候變化對總磷的影響是小于總氮的。

圖2 流域年徑流量隨氣候變化關(guān)系

圖3 研究流域TN和TP年負荷負荷隨氣候變化關(guān)系

4 結(jié) 論

(1) 氣候變化對流域徑流量影響較大。在未來氣溫升高、降雨增加等氣候變化的共同作用下，徑流量將有所增加：在氣溫增加0.5 ℃，降水量增加3%的情況下，徑流徑流量增加了5.6%；氣溫增加1.7 ℃，降水量增加5%的情況下，徑流量增加了8.5%；在氣溫增加2.2 ℃，降水量增加7%的情況下，徑流量增加了11.9%。

(2) 在未來氣候變化氣溫升高、降雨量增大的影響下，流域年均總氮、總磷負荷量增加：2020年總氮、總磷產(chǎn)量增加了7.5%和5.7%，2030年總氮、總磷增加了16.7%和9.8%，2050年總氮、總磷增加了20.9%和13.3%，總氮的增長高于總磷。說明在未來氣溫升高和降雨增多的氣候變化共同作用下，河道徑流量增加，總氮、總磷負荷增多，農(nóng)業(yè)非點源污染問題越來越突出。

(3) 今后針對渭河的非點源污染治理應(yīng)該注重增加沿岸防護林帶的面積及水系綠化，加強水土流失治理，加強植樹種草、退耕還林，增加地表覆蓋，保護生態(tài)環(huán)境；減少化肥的施用，調(diào)整不合理施肥，更進一步改善重氮肥、輕磷肥現(xiàn)象，推廣使用有機肥；加強居民生活污水處理，特別是沒有成熟污水收集與處理措施的農(nóng)村地區(qū)。