基于SWAT模型的南四湖流域非點源氮磷污染模擬*

李 爽 ，張祖陸，孫媛媛(1:濟南大學酒店管理學院，濟南5000)(:山東師范大學人口·資源與環(huán)境學院，濟南50014)

隨著點源污染控制能力的提高，非點源污染目前成為造成我國水環(huán)境污染的主要原因［1］.據(jù)研究，北京密云水庫、太湖地區(qū)、黑河流域、天津于橋水庫、安徽巢湖等江河湖泊和水庫非點源污染已成為其水環(huán)境污染的重要因素［2-4］.

SWAT模型作為較成熟的模擬流域非點源污染的模型，已經(jīng)成為水資源保護管理規(guī)劃中不可或缺的工具，在美洲、歐洲、亞洲等許多國家和地區(qū)得到了廣泛的應用驗證［1，5-10］.GIS和SWAT模型的耦合，使SWAT具備了更強的空間數(shù)據(jù)處理和分析的能力［11］.國內(nèi)外許多學者成功將SWAT模型應用于流域非點源污染的模擬中，取得了較好的結果［12-14］.

隨著南四湖流域工業(yè)化、城市化進程的加快，大量工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)回水等未經(jīng)處理注入河流和湖泊中，使得湖泊污染嚴重［15］.據(jù)長期監(jiān)測和有研究表明，非點源污染已成為南四湖流域水體污染的主要污染源［16-17］.以往對南四湖流域污染的研究主要集中在對湖區(qū)和幾個主要入湖河流水質(zhì)的監(jiān)測評價或定性的分析污染源是點源居多還是非點源占優(yōu)［18-21］;而關于南四湖整個流域氮磷污染的研究主要對歷年年鑒的統(tǒng)計［22］，流域內(nèi)非點源污染定量模擬方面的還有待進一步研究.

本文采用野外采樣、室內(nèi)分析和數(shù)值模擬等多種研究手段，利用SWAT模型對南四湖流域非點源污染進行定量模擬，分析南四湖流域非點源污染物產(chǎn)出的時空分布特征，并對關鍵污染區(qū)進行識別.為南水北調(diào)東線南四湖湖區(qū)和南四湖流域生態(tài)環(huán)境的整治與改善提供參考性的信息，進而對控制水質(zhì)富營養(yǎng)化具有重要的現(xiàn)實意義及指導價值.

1 研究區(qū)概況

南四湖流域(34°24'～35°59'N，114°52'～117°42'E)屬于淮河流域的重要組成部分，整個湖區(qū)和絕大多數(shù)河流位于山東省境內(nèi)［15］，考慮到SWAT模型模擬所需資料和流域內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可獲性和完整性，本文研究區(qū)選擇南四湖流域山東省境內(nèi)的所有區(qū)域，包括菏澤市、濟寧市、棗莊市和泰安的寧陽縣，流域面積約為2.6×104km2.整個南四湖流域有53條大大小小的河流以南四湖為中心，從四面八方呈輻射狀匯入南四湖.流域地處暖溫帶、半濕潤地區(qū)，屬暖溫帶大陸性冬夏季風氣候［15］，年平均氣溫約14℃，年均降水量為750 mm左右.流域以南四湖和京杭大運河為界，湖東為魯中南低山丘陵和山前沖洪積平原區(qū)，湖西為黃河中下游沖擊而成的黃泛平原，地勢西高東低.

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)庫構建

SWAT模型需要輸入的數(shù)據(jù)分為兩類，一類是空間數(shù)據(jù)，一類是屬性數(shù)據(jù).包括的主要空間和屬性數(shù)據(jù)及其相關信息見表1，所用的空間數(shù)據(jù)采用Albers等面積割圓錐投影.

表1 空間和屬性數(shù)據(jù)Tab.1 The spatial and attribution data

2.2 典型小流域SWAT模型構建

2.2.1 典型小流域選取 南四湖流域以南四湖為中心，53條入湖河流呈輻射狀分布，包含53個出水口，但SWAT模型只允許研究流域存在一個總出水口，且南四湖湖區(qū)面積大，在SWAT模型中不能作為一個子流域進行模擬，因此，本研究先選取典型小流域進行模擬，再將校準、驗證后的模型推廣至其它河流流域，以簡化計算、提高效率.

由于南四湖湖東和湖西的自然地理條件存在較大差異，因此湖東和湖西各選集水面積最大的泗河流域和東魚河流域作為典型流域進行模擬，這樣也便于模型的校準和驗證.

考慮到河流集水面積、河流的位置分布等因素，共選取30條河流流域模擬，各河流流域總范圍基本覆蓋整個南四湖流域.湖東21條河流流域，使用泗河流域驗證后模型進行南四湖流域湖東的模擬;湖西9條河流流域，使用東魚河流域驗證后的模型進行南四湖流域湖西的模擬.30條河流流域分布圖見圖1.

圖1 南四湖流域各河流流域劃分(1惠河流域、2西支河流域、3小龍河流域、4辛安河流域、5徐樓河流域、6荊河流域、7房莊河流域、8蔣集河流域、9潘渡河流域、10解放河流域、11張莊河流域、12蔣官莊河流域、13趙莊河流域、14石莊溝流域)Fig.1 The dipartition of the river watershed in Lake Nansi watershed

2.2.2 數(shù)據(jù)空間離散化 空間離散化包括子流域的劃分和水文響應單元(HRU)的劃分.根據(jù)出入水口的位置和各支流之間的位置關系，將流域劃分為多個子流域.每個子流域又可分成一個或多個HRUs，HRU是SWAT模型運行的最小單元，它具有單一的土地利用類型、土壤類型和坡度，可以反映不同組合的水文效應的差異.

通過對土地利用類型圖、土壤類型圖、坡度圖進行疊加分析，將泗河流域劃分成33個子流域和407個HRUs;東魚河流域劃分成51個子流域和256個HRUs.

2.2.3 模型校準和驗證 通過參數(shù)敏感性分析，得到對徑流量敏感的參數(shù)主要有:CN2、Rchrg_Dp、Esco等;對泥沙負荷敏感的參數(shù)主要有:Spcon、CN2、USlE_P等;對非點源氮磷負荷敏感的參數(shù)主要有:CN2、Rchrg_Dp、Sol_Awc等.

參數(shù)敏感性分析結束后，需要結合實測數(shù)據(jù)對模擬的結果進行校準和驗證.模型校準即對敏感性參數(shù)取值進行調(diào)整，使模擬值與實測值趨于一致，本文采取手動校準和自動校準相結合的方式，取2001-2007年為校準期.模型驗證即評價校準后模型的可靠性，選2008-2010年為驗證期.利用相對誤差(Re)、決定系數(shù)(R2)和Nash-Suttcliffe系數(shù)(Ens)這3個指標對模擬結果進行評價.

(1)徑流量校準和驗證.通過參數(shù)調(diào)整，使模擬值和實測值趨于一致，保證年均誤差的絕對值在15%以內(nèi)，R2≥0.6，Ens≥0.5.泗河流域和東魚河流域的模擬年徑流量過程線和實測年徑流量過程線基本一致，且年均誤差、R2、Ens都滿足評價指標要求(圖2).

圖2 泗河流域(a)和東魚河流域(b)年徑流量校準和驗證Fig.2 The calibration and verification of annual runoff in Si River watershed(a)and Dongyu River watershed(b)

(2)泥沙負荷校準和驗證.通過參數(shù)調(diào)整，使得泥沙負荷模擬值和實測值趨于一致，保證年均誤差的絕對值在20%以內(nèi)，R2≥0.6，Ens≥0.5.泗河流域書院站和東魚河流域魚臺站年泥沙負荷的模擬效果雖不及年徑流量，但模擬的年泥沙負荷過程線和實測年泥沙負荷過程線基本一致，且年均誤差、R2、Ens都控制在要求范圍之內(nèi)，滿足研究需要(圖3).

(3)營養(yǎng)元素校準和驗證.由于營養(yǎng)元素實測值的限制，總氮負荷選2008-2009年為校準期，2010年為驗證期;總磷負荷選2004-2007年為校準期，2008-2010年為驗證期.

通過參數(shù)調(diào)整，使泗河流域和東魚河月非點源總氮和總磷負荷的模擬值和實測值趨于一致，保證月均誤差的絕對值在30%以內(nèi)，R2≥0.6，Ens≥0.5.泗河流域書院站和東魚河流域魚臺站校準期和驗證期的總氮、總磷負荷模擬結果和實測值對比見圖4.

圖3 泗河流域(a)和東魚河流域(b)年泥沙負荷校準和驗證Fig.3 The calibration and verification of annual sediment load in Si River watershed(a)and Dongyu River watershed(b)

圖4 泗河流域(a、b)和東魚河流域(c、d)總氮、總磷負荷校準和驗證Fig.4 The calibration and verification of TN and TP load in Si River watershed(a，b)and Dongyu River watershed(c，d)

由于年徑流和年泥沙負荷的累積誤差都會對非點源N、P負荷值產(chǎn)生影響，泗河流域和東魚河流域非點源氮磷負荷的模擬效果不及年徑流量和年泥沙負荷，但年均誤差、R2、Ens都滿足要求.相比而言，總氮負荷的模擬效果要好于總磷負荷的模擬效果.

2.3 南四湖流域SWAT模型構建

為評價泗河流域和東魚河流域的模型參數(shù)校準方法運用到南四湖流域湖東和湖西其它河流流域的可行性，湖東和湖西各選一條河流流域進行模擬，以評價模型校準方法的適用性.

根據(jù)所獲監(jiān)測數(shù)據(jù)，湖東選洸府河流域利用泗河流域的模型進行模擬，湖西選洙趙新河流域利用東魚河流域的模型進行模擬(圖5).由于只獲取到年徑流量數(shù)據(jù)，因此只對洸府河流域(湖東)和洙趙新河流域(湖西)進行2001-2010年徑流量模擬結果的評價(表2).洸府河和洙趙新河流域年徑流量模擬效果較好，滿足研究需要.雖然受到2003年年降水量近10年最大而2004年年降水量較小的影響(圖5b)，洙趙新河流域2004年模擬值較實測值偏小較多，但其它年份模擬結果較好，因此認為泗河流域和東魚河流域模型參數(shù)的校準方法可運用于湖東和湖西其它河流流域的非點污染氮磷負荷的模擬.

3 結果與分析

3.1 非點源氮磷負荷空間分布

以30個河流流域的354個子流域為單元，分析2001-2010年均非點源氮磷負荷的空間分布規(guī)律，得到流域內(nèi)非點源氮磷負荷空間分布圖(圖6).年均總氮負荷湖東大于湖西，湖東總氮負荷嚴重地區(qū)主要集中在洸府河流域、泗河流域、白馬河流域等區(qū)域(圖6a).湖西主要集中在老萬福河流域、蔡河流域、梁濟運河流域等區(qū)域.這些地區(qū)人口密度較大，耕地面積較廣，畜禽養(yǎng)殖量較多.年均總磷負荷湖東略大于湖西，湖東總磷負荷較嚴重地區(qū)主要集中在洸府河流域、泗河流域、白馬河流域及沿湖的幾個河流流域.湖西各流域總磷負荷較為平均，高值出現(xiàn)在洙水河流域上游、老萬福河流域和蔡河流域區(qū)域(圖6b).這些地區(qū)是耕地和禽畜養(yǎng)殖較為集中的地區(qū).總氮和總磷負荷分為兩種狀態(tài)，一種為溶解態(tài)，隨徑流進入河道;一種為吸附態(tài)，隨泥沙進入河道.為進一步探討流域內(nèi)非點源氮磷元素的形態(tài)，對產(chǎn)流、產(chǎn)沙、總氮負荷、總磷負荷做了相關性分析，結果表明總氮和產(chǎn)流在0.01水平下呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.733，而和產(chǎn)沙相關性不顯著，相關系數(shù)僅為0.089.這說明流域內(nèi)總氮負荷中以溶解態(tài)(硝態(tài)氮)為主，吸附態(tài)(有機氮)較少;總磷和產(chǎn)沙量在0.01水平下呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.970，和產(chǎn)流量相關系數(shù)在0.010下呈顯著正相關，但是相關系數(shù)較小，僅為0.251.這說明流域內(nèi)總磷負荷吸附態(tài)(有機磷和礦物質(zhì)磷)較多，溶解態(tài)較少(表3).

圖5 洸府河流域(a)和洙趙新河流域(b)年徑流量驗證Fig.5 The calibration and verification of annual runoff in Guangfu River watershed(a)and Zhuzhaoxin River watershed(b)

表2 洸府河流域和洙趙新河流域年徑流量模擬評價Tab.2 Evaluation of simulation of annual runoff in Guangfu River watershed and Zhuzhaoxin River watershed

圖6 流域內(nèi)非點源氮(a)和磷(b)負荷分布Fig.6 The distribution of NPS nitrogen(a)and phosphorus(b)load in Lake Nansi watershed

表3 各值相關性分析Tab.3 Correlation analysis of the values

3.2各河流流域非點源污染貢獻率

南四湖流域內(nèi)的各條河流所攜帶的氮磷是南四湖非點源污染的主要貢獻者.南四湖流域內(nèi)總氮負荷湖東明顯大于湖西，由于流域內(nèi)氮以溶解態(tài)居多，而湖東的徑流量大于湖西，因此湖東的總氮負荷較湖西要大.其中洸府河流域貢獻率最大，其次是白馬河流域、老萬福流域、泗河流域、梁濟運河流域、洙趙新河流域、東魚河流域，城郭河流域，其它流域相對較小.總磷負荷湖東略大于湖西，其中以洸府河流域貢獻率最大，其次是洙趙新河流域、萬福河流域、白馬河流域、梁濟運河流域，其它流域相對較小(表4).

表4 各河流流域?qū)δ纤暮屈c源污染的貢獻率Tab.4 Contributions of all river watersheds to NPS pollution in Lake Nansi watershed

3.3 非點源氮磷污染關鍵區(qū)識別

對南四湖流域總氮總磷負荷分布進行分析，根據(jù)國家環(huán)境保護總局和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局2001年發(fā)布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB/T 3838-2002)和《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》，對南四湖流域總氮總磷流失狀況進行分級，確認總氮總磷流失關鍵區(qū).本研究所用的地表河流分類中總氮和總磷標準見表5.研究區(qū)非點源氮磷污染關鍵區(qū)見圖7.

表5 地表水環(huán)境質(zhì)量標準總氮、總磷標準限值Tab.5 Standard value of water quality level of total nitrogen and total phosphorus

南四湖流域總氮濃度整體偏高，大部分地區(qū)的總氮濃度高于2 mg/L，達不到Ⅴ類水的標準.總氮濃度最高的地區(qū)集中在老萬福河流域、洸府河流域、白馬河流域(圖7a).南四湖流域總磷負荷大于0.4 mg/L的地區(qū)約占總流域面積的40%，這些達不到Ⅴ類水的標準.主要集中分布在洸府河流域、洙趙新河流域、梁濟運河流域和下級湖湖東周邊河流流域(圖7b).

圖7 南四湖流域非點源總氮(a)和總磷(b)濃度分類Fig.7 Classification of concentration of NPS total nitrogen(a)and total phosphorus(b)in Lake Nansi watershed

4 結論

利用SWAT模型模擬泗河流域(湖東)和東魚河流域(湖西)典型小流域，誤差(Re)都在10%以內(nèi)，再將模型推至整個南四湖流域，通過對洸府河和洙趙新河流域的驗證，Re都在15%以內(nèi)，模擬精度較高，滿足研究需要.對比發(fā)現(xiàn)湖東的模擬效果要好于湖西，即SWAT模型在地形起伏較大的地區(qū)更能獲得較高的模擬精度.南四湖流域非點源氮磷污染嚴重，湖東污染較湖西嚴重.非點源氮負荷以溶解態(tài)為主，幾乎全流域的氮濃度都超標嚴重.非點源磷負荷以吸附態(tài)為主，40%以上的區(qū)域磷濃度超標.所有河流流域中，洸府河流域是南四湖流域非點源氮磷污染的主要貢獻者.

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