汾河上游流域SWAT模型構(gòu)建及適用性評價

劉林 李金峰 李澤利

摘 要：汾河流域水體質(zhì)量下降、富營養(yǎng)化加劇、水土流失嚴重，其中農(nóng)業(yè)非點源污染分布范圍廣，監(jiān)測、管理難度大。以河岔水文站以上汾河流域為研究區(qū)，基于GIS技術(shù)構(gòu)建分布式水文模型SWAT。采用SUFI-2算法進行參數(shù)敏感性分析、率定和驗證，并基于月尺度對汾河上游流域2005—2015年徑流、泥沙和非點源溶解態(tài)氮負荷進行模擬。采用確定性系數(shù)R2、Nash-Sutcliffe系數(shù)（NSE）和百分比偏差（PBIAS）相結(jié)合的形式對模型適用性進行評價，結(jié)果表明：在長時間尺度下，徑流、泥沙、溶解態(tài)氮模擬和實測過程線總體擬合度較好，率定期和驗證期R2和NSE均高于0.5，|PBIAS|均低于25%，所構(gòu)建的SWAT模型在研究區(qū)具有較好適用性，可用于模擬、分析和預(yù)測該地區(qū)水土流失和非點源污染問題。

關(guān)鍵詞：徑流;泥沙;溶解態(tài)氮;SWAT模型;非點源污染;適用性;汾河上游

中圖分類號：P334+.92;X522 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.012

Abstract：The water quality of Fenhe River basin is declining， eutrophication is increasing， and soil and water loss is serious， among which the agricultural non-point source pollution is widely distributed and difficult to monitor and manage. This study selected the basin above the Hecha Hydrological Station as the research object， and the distributed SWAT （Soil and Water Assessment Tool） model of the Upper Fenhe River was constructed by using GIS technology. In order to improve model performance， SUFI-2 （sequential uncertainty fitting program） was used for parameter sensitivity analysis， calibration and verification. The monthly runoff， sediment and dissolved nitrogen load data in the study area from 2005 to 2015 were simulated by the corrected model. Determination coefficient （R2）， Nash-Suttcliffe （NSE） and percent bias （PBIAS） were used to evaluate the applicability of SWAT model. The results show that in long-term process， the simulated and measured values of runoff， sediment and dissolved nitrogen are highly fitted and the values of R2 and NSE are both higher than 0.5 and |PBIAS| are lower than 25%. These indicate that the constructed SWAT model has high adaptability to the study area and we can use the model to simulate， analyze and predict soil erosion and non-point source pollution.

Key words： runoff; sediment; dissolved nitrogen; SWAT model; non-point source pollution; applicability; upper basin of Fenhe River

汾河是黃河第二大支流。近年來，隨著汾河兩岸工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展，汾河流域水環(huán)境功能發(fā)生了較大變化，水體質(zhì)量下降、富營養(yǎng)化加劇、水土流失嚴重等問題日益突出。作為重要水源地的汾河上游流域，其水環(huán)境功能直接關(guān)系省會太原的飲水安全[1-3]。2016年4月《汾河流域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃（2015—2030年）》頒布，意味著三晉治汾工作全面啟動，更是山西省轉(zhuǎn)型發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)的標志。

由于汾河上游流域工業(yè)少、坡地多、水土流失嚴重，因此農(nóng)業(yè)非點源污染是汾河上游水環(huán)境治理工作中的棘手問題。與點源造成的水污染相比，農(nóng)業(yè)非點源污染分布范圍廣，監(jiān)測、管理和控制難度大，國外專家認為，50%以上的水環(huán)境污染物來自于農(nóng)業(yè)非點源污染[4]，國內(nèi)研究也證明農(nóng)業(yè)非點源污染是太湖、巢湖、滇池等湖泊富營養(yǎng)化加劇的主要原因[5-8]。

分布式水文模型可為大、中型流域水環(huán)境管理提供重要的技術(shù)支持[9-10]。SWAT作為該類模型的代表，可模擬和預(yù)測不同環(huán)境條件下污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，定量表征水體各類污染物的負荷量及空間分布情況，評估不同措施的水污染防治效果。目前，國內(nèi)關(guān)于汾河流域非點源污染的研究較少，且研究區(qū)多集中于汾河中下游灌區(qū)，流域面積小、時間跨度短、涉及模型參數(shù)不完全，不足以指導(dǎo)整個汾河流域的生態(tài)修復(fù)工作[11-13]。鑒于此，選取河岔水文站以上汾河流域為研究區(qū)，以水文站實測2005—2015年徑流、泥沙和溶解態(tài)氮數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建汾河上游流域SWAT水文模型，以月尺度對流域內(nèi)的徑流、泥沙及溶解態(tài)氮進行模擬，利用SWAT-CUP中的SUFI-2方法對模型參數(shù)進行敏感性分析、率定和驗證，采用確定性系數(shù)R2、Nash-Sutcliffe系數(shù)（NSE）和百分比偏差（PBIAS）相結(jié)合的形式對模型的適用性進行評價，得到適合汾河上游水文環(huán)境的最佳參數(shù)，以期為汾河流域水環(huán)境污染防治工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

位于太原市婁煩縣的河岔水文站是汾河上游水文監(jiān)測專用站，以河岔站以上的汾河流域為研究區(qū)，研究區(qū)集水面積3 242.35 km2，海拔為1 084～2 717 m，見圖1。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候區(qū)，氣候干旱，四季分明。降水量年際變化大，年內(nèi)多集中于汛期（6—9月），汛期降水量占全年總降水量的70%以上。流域內(nèi)山地丘陵分布廣，坡耕地為主要土地利用方式，土壤以褐土為主。流域內(nèi)共涉及寧武、五寨、靜樂、嵐縣和婁煩五縣，工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，支柱產(chǎn)業(yè)為種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)，主要作物為玉米、谷子、大豆和馬鈴薯。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

構(gòu)建SWAT模型需要輸入空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)數(shù)字高程（DEM）柵格數(shù)據(jù)（見圖1）、土壤柵格數(shù)據(jù)（見圖2）和土地利用柵格數(shù)據(jù)（見圖3），屬性數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)內(nèi)氣象站2005—2015年日觀測數(shù)據(jù)（降水量、氣溫、太陽輻射等）、河岔水文站2005—2015年每月觀測數(shù)據(jù)（徑流、泥沙和污染物）和流域內(nèi)主要作物農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)，見表1。

2.2 土壤數(shù)據(jù)庫

在中國土壤數(shù)據(jù)庫（http：//vdb3.soil.csdb.cn/extend/jsp/introduction）中檢索研究區(qū)土壤的粒徑分布、顆粒組成、養(yǎng)分含量等理化指標信息。利用樣條插值法將土壤粒徑標準轉(zhuǎn)換為美國制[14]，并根據(jù)土壤最小下滲率特征進行土壤水文分組;利用SPAW軟件中的SWCT模塊計算濕密度、有效持水量、飽和導(dǎo)水率等參數(shù)，利用改進的EPIC模型計算土壤侵蝕因子（USLE-K）[15]，見表2。各類土壤的化學(xué)指標（全氮、全磷、速效磷）主要通過野外采樣，實驗室檢測的方法獲得，并參考SWAT理論手冊的經(jīng)驗公式估算出硝酸鹽氮、有機氮和有機磷含量，見表3。

2.3 土地利用數(shù)據(jù)庫

由于汾河上游流域以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，2005—2015年土地利用類型以耕地和林地為主，因此將土地利用數(shù)據(jù)作為靜態(tài)數(shù)據(jù)，選用2010年土地利用數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)，代表整個研究期內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀。2010年土地利用數(shù)據(jù)主要通過對Landsat-7遙感影像解譯獲得，分辨率為30 m。依據(jù)SWAT模型土地利用索引表對源數(shù)據(jù)進行代碼轉(zhuǎn)換和重分類，見表4。

2.4 污染源及農(nóng)作物管理數(shù)據(jù)庫

污染源數(shù)據(jù)來源于太原市、忻州市生態(tài)環(huán)境局和《中國農(nóng)業(yè)年鑒》，包括點源和非點源數(shù)據(jù)。汾河上游流域以農(nóng)業(yè)為主，點源數(shù)據(jù)涉及靜樂縣和婁煩縣的污水處理廠。非點源數(shù)據(jù)主要參考《中國農(nóng)業(yè)年鑒》，當前流域內(nèi)普遍施用復(fù)合肥，且復(fù)合肥種類多，行政村之間差別明顯。根據(jù)流域是否追肥，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上進行區(qū)域劃分，并賦予相應(yīng)的土地利用分類代碼，其中流域內(nèi)不同作物用地施肥類型及含營養(yǎng)元素比例根據(jù)耕地面積、施肥量和施肥種類加權(quán)求平均確定。流域內(nèi)主要作物管理信息見表5、表6。

2.5 SWAT模型構(gòu)建

利用ArcGIS 10.2軟件將上述3類空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標系中（Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_111E），并將這些數(shù)據(jù)重新劃分為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)。選擇河岔水文站作為流域出口，匯水面積3 242.35 km2。將流域面積的5.01%（162.5 km2）作為子流域提取閾值，汾河上游共劃分了35個子流域，見圖4。將流域坡度分為3級（0～5°、5°～25°和25°以上），在子流域基礎(chǔ)上劃分研究區(qū)水文響應(yīng)單元（HRU），其中土地利用閾值取5%，土壤類型閾值取20%，坡度閾值取20%，流域最終生成488個水文響應(yīng)單元。依據(jù)SWAT模型輸入要求，將4個氣象站（寧武、靜樂、嵐縣、河岔）2005—2015年的氣象數(shù)據(jù)，利用SWATWeather、PCPswat和DEW02軟件生成天氣發(fā)生器各個參數(shù)[14，16]，導(dǎo)入到SWAT數(shù)據(jù)庫中，并將逐日降水數(shù)據(jù)整理成規(guī)范格式的.txt文件，依據(jù)站點坐標建立索引表，并在模型中加載，完成SWAT模型構(gòu)建。為提高SWAT模型在汾河上游流域的適用性，將2005年作為模型預(yù)熱期，2006—2012年作為模型率定期，2013—2015年作為模型驗證期，基于月尺度對徑流、泥沙和污染物進行結(jié)果輸出。

2.6 參數(shù)率定與敏感性分析

模型構(gòu)建涉及的參數(shù)眾多，為盡可能提高模型適用性，減少“異參同效”現(xiàn)象[17-18]，研究選用SWAT-CUP工具進行參數(shù)率定和敏感性分析，選用確定性系數(shù)（R2）、Nash-Sutcliffe系數(shù)（NSE）和百分比偏差（PBIAS）作為評價指標。一般認為NSE>0.75、R2>0.75，且|PBIAS|<10%，模型適用性非常好;NSE≤0.50、R2≤0.50，且|PBIAS|≥25%，模型擬合精度不滿意;介于兩者之間則認為模型適用性比較令人滿意。以河岔水文站2005—2015年每月實測的徑流、泥沙和營養(yǎng)氮數(shù)據(jù)為觀測值，在SWAT模型中依次進行敏感性分析，共選取了27個敏感性強的參數(shù)進行率定，其中徑流參數(shù)10個、泥沙參數(shù)8個、營養(yǎng)氮參數(shù)9個，見表7。率定期利用SWAT-CUP中的SUFI-2反演算法，結(jié)合人工校正依次對徑流、泥沙和溶解態(tài)氮參數(shù)進行了3次迭代（每次模擬500次），直到獲取相關(guān)參數(shù)的最優(yōu)校準值，并在驗證期進行適用性驗證。

3 模型適用性評價

2005—2015年河岔水文站徑流、泥沙和溶解態(tài)氮觀測值和模擬值見圖5。豐水期，徑流量模擬值和實測值過程線擬合程度高，特別是對暴雨引起的徑流峰值反應(yīng)靈敏;枯水期，模擬值略高于實測值，這與姚蘇紅等[19]的研究結(jié)果一致?？菟?，模擬值略高于實測值的原因，一方面是研究區(qū)內(nèi)降水觀測站時空分布不均;另一方面是近年來隨著水庫、淤地壩、農(nóng)業(yè)用水等水利工程的實施，枯水期河道中徑流量減少，對模擬效果產(chǎn)生了影響。對率定后的SWAT模型進行徑流模擬適用性驗證，率定期R2=0.933、NES=0.915、PBIAS=-6.1%，驗證期R2=0.874、NES=0.869、PBIAS=-7.3%，表明SWAT模型適用于汾河上游流域徑流模擬，能夠很好模擬和反映流域內(nèi)徑流變化趨勢。

從圖5（b）可以看出，泥沙的模擬值和實測值誤差主要集中在枯水期和強降雨事件，這是汾河上游流域特殊的自然條件造成的。研究區(qū)降水集中在6—9月，降水持續(xù)時間短且雨量大，流域內(nèi)以黃土丘陵溝壑區(qū)和土石山區(qū)為主，水土流失特別嚴重，暴增的徑流在流向河道的過程中不僅會挾帶坡耕地中的泥沙，而且會對河道中原本淤積的黃土造成沖擊，從而提高徑流中泥沙含量。而在枯水期，河道中水量極少，沒有泥沙含量觀測值。對率定后的SWAT模型進行泥沙模擬適用性驗證，率定期R2=0.729、NES=0.702、PBIAS=-11.8%，驗證期R2=0.767、NES=0.752、PBIAS=-9.7%，表明SWAT模型對汾河上游流域泥沙模擬的整體適用性較好。

由圖5（c）可以看出，2005—2015年汾河上游溶解態(tài)氮含量整體呈上升趨勢，由于研究區(qū)內(nèi)工業(yè)點源污染少，因此可以推論出非點源污染在這十年間呈增多趨勢。溶解態(tài)氮的模擬值和實測值具有較高的擬合度，率定期R2=0.711、NES=0.699、PBIAS=13.6%，驗證期R2=0.747、NES=0.744、PBIAS=11.3%，SWAT模型對汾河上游流域溶解態(tài)氮的模擬效果令人滿意，適用性較好。

4 結(jié) 語

2016年山西省正式啟動汾河流域生態(tài)修復(fù)工程，其中一項重要工作就是控制、治理水環(huán)境污染，提高水環(huán)境質(zhì)量，重現(xiàn)大河風(fēng)韻。相比點源污染，農(nóng)業(yè)非點源污染的治理工作難度大，收效微，亟待解決。研究以河岔水文站為匯流節(jié)點，以該站2005—2015年月實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用分布式水文模型SWAT對汾河上游流域徑流、泥沙和溶解態(tài)氮負荷量進行模擬，結(jié)果表明在長時間尺度下，徑流、泥沙、溶解態(tài)氮模擬和實測過程線總體擬合度較好，率定期和驗證期R2和NSE均高于0.5，|PBIAS|均低于25%，SWAT模型在汾河上游流域整體適用性較好，可用于模擬、分析和預(yù)測該地區(qū)水土流失、非點源污染問題，從而為進一步預(yù)防、控制和治理汾河水環(huán)境污染問題提供理論依據(jù)。另外，由于受水利工程的影響，模型模擬效果存在一定誤差，還需要在后期不斷改進和完善。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】