基于SWAT模型的黑水河流域非點(diǎn)源污染控制方案研究

徐凌云

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200335)

隨著工業(yè)點(diǎn)源污染控制水平的提高，非點(diǎn)源污染成為了流域水環(huán)境污染的主要原因，而流域內(nèi)的土地利用是非點(diǎn)源污染的主要影響驅(qū)動(dòng)因子。土地利用通過(guò)各種直接或間接參與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的物質(zhì)能力轉(zhuǎn)換與流動(dòng)，對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其組分如水、大氣等產(chǎn)生巨大的影響。不適當(dāng)?shù)耐恋乩梅绞胶娃r(nóng)田管理模式會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕和過(guò)量的N、P隨地表徑流流失[1-2]，從而形成流域內(nèi)的大面積非點(diǎn)源污染，引發(fā)水體水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的惡化。非點(diǎn)源污染負(fù)荷的防治是提高流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要舉措之一，目前對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的研究應(yīng)用最廣泛的是美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究局(ARS)開發(fā)的SWAT模型[3-4]，該模型在非點(diǎn)源污染負(fù)荷的測(cè)算與時(shí)空分布[5-7]、污染防控或管理措施的效果評(píng)估[8-11]、污染源的識(shí)別與控制[12-14]、關(guān)鍵污染區(qū)域與污染時(shí)間的識(shí)別[15-17]等多方面均得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用SWAT模型建立四川省黑水河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，模擬流域泥沙及污染物空間分布及不同控制措施情景下流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的變化情況，探討流域不同土地利用方式與非點(diǎn)源污染之間的定量關(guān)系，為流域土地利用規(guī)劃和非點(diǎn)源污染負(fù)荷的控制提供實(shí)際解決方案。

1 研究區(qū)域概況

黑水河是金沙江左岸一級(jí)支流，位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)，介于東經(jīng)102°20′～102°53′、北緯28°7′～26°48′，發(fā)源于昭覺(jué)縣瑪果梁子，自北向南流經(jīng)昭覺(jué)、普格、寧南3縣，于寧南縣東南部葫蘆口注入金沙江(圖1)。流域總面積3 591 km2，干流全長(zhǎng)173.0 km，天然落差1 931 m，平均比降11.05‰，河口處多年平均流量為80 m3/s，徑流量25.25億m3。目前黑水河流域土地利用方式主要有林地、坡耕地、耕地、建設(shè)用地、裸地、水域及水利設(shè)施用地等，其中坡耕地和耕地主要沿黑水河、則木河、西洛河及其兩側(cè)支溝的河谷地帶分布。根據(jù)對(duì)黑水河流域的初步調(diào)查分析，威脅流域內(nèi)水文、水質(zhì)及自然生態(tài)系統(tǒng)的主要因素包括地表徑流污染、采石挖沙、農(nóng)田施肥及水產(chǎn)畜禽養(yǎng)殖等。

2 模型建立及率定驗(yàn)證

2.1 基礎(chǔ)資料

a)DEM數(shù)據(jù)。采用流域30 m×30 m的DEM數(shù)據(jù)。DEM圖中可以看出，黑水河流域北高南低，地貌多以山嶺和河谷相間，河谷到分水嶺高差較大，在700～4 000 m，沿河支溝發(fā)育。

b)土地利用。根據(jù)黑水河流域1∶250 000的土地利用圖，結(jié)合SWAT模型的模擬要求，將土地利用類型重新劃分為5類。其中林地面積最大，占總面積的52.26%，其次是草地和旱地，分別占31.25%和13.81%，水田占比2.47%，裸地占比0.21%，為了研究不同控制措施的效果，忽略占比較小的采石挖沙、居民點(diǎn)、工礦養(yǎng)殖等土地利用類型。

c)土壤數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)采用第二次全國(guó)土地調(diào)查南京土壤所提供的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)，包括土壤厚度、土壤顆粒組成、持水率等基本信息，土壤類型采用收集到的1∶250 000土壤類型空間分布圖。土壤屬性部分在HWSD數(shù)據(jù)庫(kù)里查詢得到，部分采用模型默認(rèn)值，另一部分利用SPAW軟件計(jì)算或者公式法計(jì)算得到屬性值。

d)植被覆蓋。SWAT模型使用簡(jiǎn)單的植被生長(zhǎng)模型來(lái)模擬所有的陸地覆蓋類型，模型能夠區(qū)分一年生植物和多年生植物，一年生植物從種植日期開始到收獲日期，或直接積累的熱量單元等于植物的潛在熱量單元；多年生植物全年維持其根系系統(tǒng)，在冬季月份中進(jìn)行冬眠；當(dāng)日均空氣溫度超過(guò)最小即基準(zhǔn)溫度時(shí)，重新生長(zhǎng)。植物生長(zhǎng)模型用來(lái)評(píng)估水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從根區(qū)的遷移、蒸發(fā)以及生物產(chǎn)量。SWAT模型中有關(guān)土地利用和植被覆蓋的數(shù)據(jù)通過(guò)文件crop.dat進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算。

e)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)。SWAT模型需要的氣象數(shù)據(jù)主要包括流域的日降水量、最高/最低溫度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速和相對(duì)濕度，這些數(shù)據(jù)可以是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)SWAT模型的天氣模擬程序(天氣發(fā)生器)生成，或者是統(tǒng)計(jì)和模擬生產(chǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)合。本次模擬氣象數(shù)據(jù)來(lái)自會(huì)理、西昌、昭覺(jué)3個(gè)氣象站連續(xù)8年的資料，包括平均風(fēng)速、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射以及降水量數(shù)據(jù)等。

f)水文水質(zhì)數(shù)據(jù)。水文水質(zhì)數(shù)據(jù)主要通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)、資料收集或購(gòu)買獲得，用于模型校準(zhǔn)驗(yàn)證的水文、泥沙數(shù)據(jù)為寧南水文站2008—2013年的實(shí)測(cè)月徑流、年均輸沙量資料，水質(zhì)數(shù)據(jù)采用黑水河河口2008—2013年豐、平、枯水期的實(shí)測(cè)水質(zhì)。不同控制措施的研究基于2016年土地利用類型，模型輸入條件采用2016年各子流域的污染源月均日負(fù)荷、各入流點(diǎn)的日流量以及流域內(nèi)主要水庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 模型建立

2.2.1子流域劃分原則

①以黑水河一級(jí)支流作為1個(gè)集水區(qū)；②規(guī)模較大的一級(jí)支流(如西洛河、則木河等)，以黑水河二級(jí)支流作為1個(gè)集水區(qū)；③為避免產(chǎn)生過(guò)小的集水區(qū)或明顯錯(cuò)誤的破碎集水區(qū)，支流匯口局部區(qū)域并入干流集水區(qū)。根據(jù)以上劃分原則，黑水河流域共劃分25個(gè)流域單元(圖1)。

圖1 黑水河流域范圍及子流域劃分

2.2.2水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐?/p>

本次研究采用每個(gè)子流域多個(gè)HRUs的劃分方法。根據(jù)土地利用和土壤類型的組合和分布特征，確定土地利用和土壤類型的面積閾值，土地利用的閾值為10%，土壤類型的閾值為20%。對(duì)土地利用和土壤類型圖進(jìn)行疊加，在整個(gè)子流域內(nèi)生成138個(gè)水文響應(yīng)單元。

2.2.3農(nóng)業(yè)管理模擬

根據(jù)研究區(qū)域的農(nóng)產(chǎn)品種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)施肥的調(diào)查資料，選用流域內(nèi)主要耕作方式：旱地為冬小麥、油菜/夏玉米、馬鈴薯輪作，水田模擬為水稻。具體的施肥量和種植季節(jié)見表1。四川農(nóng)作物農(nóng)藥使用強(qiáng)度按15.7 kg/hm2計(jì)算。

表1 區(qū)域主要作物種植情況及農(nóng)藥化肥使用量

2.3 模型率定和驗(yàn)證

2.3.1模型的參數(shù)設(shè)置

將2008—2010年設(shè)置為率定期、2011—2013年設(shè)置為驗(yàn)證期；參數(shù)在初始賦值的基礎(chǔ)上通過(guò)自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)參以適應(yīng)流域的實(shí)際情況，模型參數(shù)取值見表2。

表2 模擬率定參數(shù)選取及取值

2.3.2模型率定結(jié)果

在SWAT模型中，可以選擇相關(guān)系數(shù)R2、相對(duì)誤差Re和Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens來(lái)評(píng)價(jià)模型的適用性[18]。相關(guān)系數(shù)R2=1表示非常吻合，當(dāng)R2<1時(shí)，其值越小反映出數(shù)據(jù)吻合程度越低。Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens=1表示非常吻合，若Ens為負(fù)值，說(shuō)明模型模擬平均值比直接使用實(shí)際平均值的可信度更低。一般Ens>0.5，R2大于0.6，Re小于15%時(shí)表示精度可以滿足模擬要求。率定及驗(yàn)證情況見表3。

表3 寧南水文站月徑流、泥沙、總氮、總磷率定驗(yàn)證結(jié)果

由表3可知，率定期的徑流、泥沙負(fù)荷和氮磷負(fù)荷模擬結(jié)果除了Re略高外，其余指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證期的模擬效果較好，3個(gè)指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)，總體來(lái)說(shuō)，率定期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果相差不大，均可以接受。本研究采用該模型模擬的模擬結(jié)果較為可信。

3 結(jié)果與討論

3.1 流域產(chǎn)水量及污染負(fù)荷空間分布

利用校準(zhǔn)驗(yàn)證后的黑水河流域模型，模擬計(jì)算基于2016年土地利用類型的各子流域的產(chǎn)水量及污染負(fù)荷(圖2)。

模擬結(jié)果顯示，黑水河流域產(chǎn)水量較小的區(qū)域主要集中在黑水河流域東北部地區(qū)，包括普格縣東部和昭覺(jué)縣南部地區(qū)，黑水河流域其他地區(qū)產(chǎn)水量均較大；黑水河流域產(chǎn)沙強(qiáng)度與產(chǎn)水量大小分布基本一致，同時(shí)林地分布面積較大的區(qū)域產(chǎn)沙強(qiáng)度小，靠近河流且耕地分布較廣的區(qū)域產(chǎn)沙強(qiáng)度較大；從黑水河流域污染負(fù)荷空間分布來(lái)看，有機(jī)氮和有機(jī)磷污染負(fù)荷強(qiáng)度空間分布特征基本相同，有機(jī)氮和有機(jī)磷污染負(fù)荷強(qiáng)度最大的區(qū)域主要集中在流域西北部的和流域西南部。

a)月均產(chǎn)流量

3.2 不同土地利用類型的非點(diǎn)源污染負(fù)荷

以月為時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算黑水河流域基于2016年土地利用類型的非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量和單位面積負(fù)荷量，結(jié)果見表4、5。

3.2.1流域總污染負(fù)荷

由表4可知，泥沙和氮磷非點(diǎn)源污染負(fù)荷的流失與土地利用類型關(guān)系密切，旱地產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量最大，各項(xiàng)污染負(fù)荷占比均超過(guò)50%，其次為草地，再次為林地，最后為水田，由于水田面積占比較小，其污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)量也最小。綜上可以看出，不同土地利用類型中非點(diǎn)源污染負(fù)荷比例不一，主要受人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響。

表4 不同土地利用類型非點(diǎn)源污染負(fù)荷

表5 不同土地利用類型單位面積非點(diǎn)源污染負(fù)荷

3.2.2單位面積污染負(fù)荷

不同土地利用類型下，流域單位面積泥沙負(fù)荷從高到低依次為旱地、草地、水田和林地；單位面積有機(jī)氮和有機(jī)磷負(fù)荷從高到低依次為旱地、水田、草地和林地。由此可知，在黑水河流域旱地、水田是非點(diǎn)源污染負(fù)荷的主要產(chǎn)出方式，林地具有水源涵養(yǎng)功能，在水土保持和污染物截留等方面發(fā)揮著巨大的作用。

3.3 不同控制措施及效果分析

將單位面積污染物負(fù)荷產(chǎn)出高的子流域作為流域的關(guān)鍵源區(qū)，根據(jù)黑水河流域污染負(fù)荷空間分布結(jié)果，流域的非點(diǎn)源污染防治的關(guān)鍵源區(qū)主要在流域西北部和西南部，如子流域11、22、24，這些子流域的耕地分布較廣且靠近河流，需要重點(diǎn)關(guān)注?？紤]將關(guān)鍵源區(qū)內(nèi)單位面積非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出最大的旱地改為水田，將零星的裸地改為泥沙輸出負(fù)荷最小的林地以及退耕還林、設(shè)置緩沖帶等措施，模擬實(shí)施不同控制措施后流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出的變化。

3.3.1水田改旱地

在黑水河流域內(nèi)，農(nóng)業(yè)種植中旱地占較大比例，旱地是單位面積非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出最大的土地利用類型，而水田的非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出略小于旱地。因此，將關(guān)鍵源區(qū)子流域的水田改為旱地，模擬非點(diǎn)源污染負(fù)荷，反推通過(guò)減少旱地等措施，降低非點(diǎn)源污染負(fù)荷。模擬結(jié)果顯示(表6)，通過(guò)將水田全部改為旱地，流域泥沙負(fù)荷增加了7.75%，有機(jī)磷污染負(fù)荷增加7.40%，有機(jī)氮污染負(fù)荷增加9.18%。

表6 水田改旱地情景下污染負(fù)荷的變化情況

3.3.2裸地改林地

在黑水河流域內(nèi)，存在部分裸地，裸地是產(chǎn)沙、產(chǎn)污量較大的一種土地利用類型，將關(guān)鍵源區(qū)內(nèi)裸地改為水土保持能力和污染物截留能力最好的林地，模擬在此情景下對(duì)流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的削減效果。模擬結(jié)果顯示，通過(guò)將裸地全部改為林地，對(duì)泥沙和有機(jī)氮、有機(jī)磷均有一定的削減效果，其中泥沙污染負(fù)荷削減率為0.33%；有機(jī)氮污染負(fù)荷削減率為0.30%；有機(jī)磷污染負(fù)荷削減率為0.28%。

表7 裸地改林地情景下污染負(fù)荷的削減效果

3.3.3退耕還林

將流域內(nèi)坡度大于15°的耕地采取退耕還林措施，模擬退耕還林對(duì)流域出口處非點(diǎn)源污染的削減作用，模擬結(jié)果顯示(表8)，流域出口泥沙及有機(jī)污染負(fù)荷的輸出量均有一定削減效果，其中泥沙負(fù)荷削減率達(dá)到33.06%、有機(jī)氮污染削減率為18.82%、有機(jī)磷污染削減率為13.03%。

表8 退耕還林情景下流域出口污染負(fù)荷的削減效果

3.3.4設(shè)置緩沖帶

緩沖帶是指利用永久性植被攔截污染物或有害物質(zhì)的條帶狀、受保護(hù)的土地[19]。通常在水體岸邊設(shè)置緩沖林帶，保護(hù)建立在河湖、溪流和溝谷沿岸的各類林帶或灌木帶，可以有效攔截農(nóng)業(yè)面源污染，減少污染物向水體的排放。SWAT模型可以模擬緩沖林地對(duì)泥沙、有機(jī)污染物負(fù)荷的消減作用。

對(duì)關(guān)鍵源區(qū)子流域分別采取設(shè)置10、5 m寬植被緩沖帶措施，模擬不同寬度緩沖帶對(duì)流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的削減作用。模擬結(jié)果顯示(表9)，5 m植被緩沖帶對(duì)泥沙和有機(jī)磷、有機(jī)氮的削減率分別為49.35%、59.17%、59.16%；10 m植被緩沖帶對(duì)泥沙和有機(jī)磷、有機(jī)氮的削減率分別為60.69%、72.67%、72.67%。

表9 不同寬度緩沖帶情景下污染負(fù)荷的削減效果

3.4 討論

結(jié)合以上4種不同控制措施情景模擬，以及相應(yīng)措施對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷削減效果，發(fā)現(xiàn)設(shè)置植被緩沖帶和退耕還林對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷削減效果比較明顯。其中10 m植被緩沖帶削減效果要比5 m植被緩沖帶的削減效果增加10%～15%，而同樣寬度下，植被緩沖帶對(duì)有機(jī)磷和有機(jī)氮的削減效果相當(dāng)，退耕還林及旱地改水田情景模擬下，對(duì)有機(jī)氮的減負(fù)效果要好于有機(jī)磷，由于流域內(nèi)裸地面積占比較小，采取裸地改林地后可以一定程度上降低非點(diǎn)源污染負(fù)荷，但效果不明顯。若組合以上情景措施，對(duì)流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的削減效率將會(huì)更高。

4 結(jié)論

a)建立了適用于黑水河流域SWAT模型，其中校驗(yàn)期間參數(shù)En、R2均在合理范圍內(nèi)，Re大部分也滿足小于15%的要求；利用校驗(yàn)后的模型模擬了黑水河流域產(chǎn)水、產(chǎn)沙及產(chǎn)污負(fù)荷的空間分布，黑水河流域的非點(diǎn)源污染防治的關(guān)鍵源區(qū)主要是流域西北部和西南部的子流域，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

b)對(duì)流域關(guān)鍵源區(qū)實(shí)施4種不同控制措施，模擬發(fā)現(xiàn)4種控制措施可以不同程度的削減流域內(nèi)非點(diǎn)源污染負(fù)荷，其中植被緩沖帶、退耕還林的削減效果較好，分別達(dá)到了50%和15%左右。研究結(jié)果可以直接指導(dǎo)黑水河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷控制方案的制定，也可以為其他流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷控制研究提供參考。

c)除了本文中提出的改變土地利用方式的控制措施，還可以通過(guò)其他工程措施和管理措施來(lái)改善流域的水文水質(zhì)環(huán)境，如加強(qiáng)城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、應(yīng)用農(nóng)業(yè)最佳管理措施等，具體的措施如拆除部分水電站、將坡耕地改造為梯田、科學(xué)種植，合理施肥，減少化肥和農(nóng)藥的使用量等。