基于SWAT模型的釜溪河流域非點源污染負荷模擬研究*

劉 偉 李逢港 李沁芮 杜 孟 汪嘉楊

(成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610225)

水是人類賴以生存的基礎(chǔ)自然資源,是制約社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。隨著社會經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化提速發(fā)展,水資源需求量日益增長,生態(tài)問題頻頻發(fā)生,水污染問題日益嚴(yán)重[1-2]。如何有效控制水污染已成為人們關(guān)注的重點[3-4]。非點源污染大多由氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)和土壤顆粒等組成,在產(chǎn)生并排放后,經(jīng)有效降雨和徑流運載等一系列遷移轉(zhuǎn)化過程進入水體[5]。其形成是一個復(fù)雜且隨機的多因素影響過程,具有廣泛性、模糊性和滯后性等特點[6],使得準(zhǔn)確量化非點源污染的“源”和“匯”存在一定難度。非點源污染關(guān)乎流域水環(huán)境與水生態(tài)安全,成為流域水環(huán)境研究中共同關(guān)注的熱點[7-8]。

國內(nèi)外研究人員針對非點源污染及防治做了大量研究。部分學(xué)者對非點源污染來源開展了研究,得出農(nóng)業(yè)對非點源污染的貢獻最大,主要包括農(nóng)業(yè)種植、農(nóng)村生活源、畜禽養(yǎng)殖[9-10]。SWAT模型在長時間尺度和復(fù)雜水文條件下模擬具有較大優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于河流、湖泊、水庫非點源污染模擬[11-16]。有研究表明,SWAT模型還能與管理措施聯(lián)用,有效評估管理措施對非點源污染的削減效果[17-19]。

釜溪河是沱江七大支流中長度最長、流域面積最大、人口最多的一級支流,也是四川省污染較為嚴(yán)重的河流之一,水體長期呈污染狀態(tài),面臨嚴(yán)重的非點源污染問題[20]。近年來,釜溪河流域水質(zhì)有所好轉(zhuǎn),但碳研所斷面氨氮濃度常高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值,難以穩(wěn)定達標(biāo)[21]。以往研究主要針對釜溪河水環(huán)境現(xiàn)狀,分析流域水質(zhì)污染規(guī)律。本研究通過構(gòu)建釜溪河流域SWAT非點源污染模型,開展流域非點源污染負荷模擬研究,在此基礎(chǔ)上設(shè)置8個情景,評估各方案對非點源污染負荷的削減效果,提出非點源氮磷污染控制對策,為釜溪河流域及其他流域開展非點源污染綜合治理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

釜溪河流域地處四川盆地南部,介于104°18′E至105°1′E、29°6′N至29°45′N之間,釜溪河屬于沱江下游右岸一級支流。流域面積3 472.00 km2,主要包括威遠河、旭水河、長灘河及鎮(zhèn)溪河等支流,見圖1。流域?qū)儆趤啛釒駶櫄夂?年平均氣溫18 ℃,年平均降水量在1 000～1 080 mm之間,集中在6～9月,年平均流量42.4 m3/s。流域碳研所斷面水質(zhì)難以穩(wěn)定達標(biāo),水質(zhì)波動大,雷公灘斷面水質(zhì)達標(biāo)困難。截至2021年,釜溪河流域農(nóng)村人口為157.48萬人,農(nóng)村生活污染源分布廣泛,生活污水較難集中處置,主要通過土地漫流進入河流。同時流域耕地面積廣,農(nóng)業(yè)非點源污染物排放強度大[22-23]。

圖1 釜溪河流域示意圖Fig.1 Sketch map of the Fuxi River Basin

2 研究方法

2.1 模型構(gòu)建方法

2.1.1 SWAT模型簡介

SWAT模型由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā),是綜合系統(tǒng)理論和技術(shù)產(chǎn)生的分布式模型,包括水文循環(huán)、土壤侵蝕和污染負荷子模塊,可在長時間尺度上對不同管理措施影響下徑流、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)輸移進行模擬和預(yù)測[24]。

2.1.2 模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

模型數(shù)據(jù)庫主要由空間及非空間數(shù)據(jù)組成,空間數(shù)據(jù)用于表達位置、方向,非空間數(shù)據(jù)又叫屬性數(shù)據(jù),起補充說明作用[25]。用于SWAT模型建立、率定和驗證的數(shù)據(jù)來源見表1?？紤]氣象數(shù)據(jù)的可得性,故模擬時段為2008—2018年,其中2008—2010年為模型預(yù)熱期、2011—2015年為率定期、2016—2018年為驗證期。

表1 SWAT模型輸入數(shù)據(jù)及來源Table 1 Input data and source for SWAT model

2.1.3 模型率定與驗證

利用SWAT-CUP軟件進行參數(shù)敏感性分析,借助不確定性適應(yīng)算法(SUFI-2)中t檢驗值、p值對模型參數(shù)進行率定[26]。利用相關(guān)系數(shù)(R2)、納什系數(shù)(Ens)等評價指標(biāo)評價模型適用性[27]。由于R2側(cè)重于評價相關(guān)性,僅采用R2無法對系統(tǒng)誤差進行識別;Ens側(cè)重于評價擬合度,僅采用Ens會導(dǎo)致部分值較小的模擬誤差被忽略,因此,為提高模型在流域的適用性,本研究同時采用上述兩個指標(biāo)進行模型率定和驗證,當(dāng)R2≥0.6且Ens≥0.5時,模型模擬準(zhǔn)確性較好,模擬結(jié)果可以接受[28]。

2.2 情景設(shè)置與評估

考慮釜溪河流域的實際情況與非點源污染負荷特征,將模型現(xiàn)狀設(shè)為情景1,同時設(shè)置化肥削減、改變耕作方式、增加植被緩沖帶或植草水道等情景,見表2。在SWAT模型中,通過改變參數(shù)和變量來構(gòu)建不同情景,利用非點源污染負荷削減率作為評價指標(biāo),削減率指各情景下非點源污染負荷削減量與基礎(chǔ)情景非點源污染負荷的比值[29]。

表2 情景及相關(guān)參數(shù)設(shè)置Table 2 Scenarios and related parameters setting

3 結(jié)果與分析

3.1 模型構(gòu)建結(jié)果與分析

3.1.1 SWAT模型構(gòu)建結(jié)果

在SWAT模型中,以流域DEM為基礎(chǔ),將土地利用、土壤數(shù)據(jù)進行提取和重分類,得出釜溪河流域土地利用類型(分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地及未利用土地),其中耕地占比最大。土壤類型分為艷色高活性淋溶土、不飽和雛形土、石灰性疏松巖性土、人為堆積土、簡育高活性強酸土等。以釜溪河入沱江干流處為研究區(qū)出口,將整個流域劃分為15個子流域、309個水文響應(yīng)單元。各子流域水文響應(yīng)單元見表3。

3.1.2 SWAT模型率定與驗證

月均徑流模擬值與觀測值的對比結(jié)果見圖2。由圖2可知,多年月均徑流擬合效果較好,率定期R2=0.77,Ens=0.71,驗證期R2=0.73,Ens=0.69,符合模型的精度要求。流域總氮、總磷負荷模擬值與觀測值如圖3、圖4所示,模擬值與觀測值的相關(guān)性和擬合度較好,率定期鄧關(guān)斷面總氮負荷R2=0.72,Ens=0.65;總磷負荷R2=0.75,Ens=0.62;驗證期總氮負荷R2=0.73,Ens=0.68;總磷負荷R2=0.71,Ens=0.63;模型模擬結(jié)果均符合精度要求。綜上,采用SWAT模型對釜溪河流域非點源污染負荷模擬具有精確性和合理性。模型敏感性參數(shù)見表4。

圖2 率定期與驗證期徑流模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of runoff in calibration and validation period

注:月份序號中的1為2011年1月,96為2018年12月,其余類推;圖4同。

圖4 率定期與驗證期總磷負荷模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of total phosphorus load in calibration and validation period

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 時間分布特征

根據(jù)模型運行結(jié)果統(tǒng)計流域內(nèi)非點源污染負荷(總氮、總磷負荷)的月均值,結(jié)果見表5?？偟⒖偭棕摵呻S時間變化較為明顯,雨季的總氮、總磷負荷明顯高于旱季。除9月外,整體呈先上升后下降的趨勢,1月至3月總氮、總磷負荷均呈較低狀態(tài);4月至6月總氮、總磷負荷出現(xiàn)上升,原因可能是該時間段作物處于生長期,施肥量大,且氮、磷等營養(yǎng)元素容易隨降雨遷移入河;7月至8月作物逐漸生長,葉面積增大,氮、磷不易被降雨沖刷入河;9月由于新一輪作物耕作,施肥量有所增長,導(dǎo)致污染負荷上升,10月至12月污染負荷變化程度較小。

表5 月均非點源污染負荷模擬結(jié)果Table 5 Monthly average non-point source pollution load simulation results

3.2.2 空間分布特征

以15個子流域為基本單元,結(jié)合ArcGIS軟件分析2011—2018年總氮、總磷年平均負荷空間分布特征,結(jié)果如圖5、圖6所示。流域干流處的子流域總氮負荷較其他子流域高,主要包括11、13、14號子流域,該區(qū)域地勢較為平緩,人口密集,且位于流域下游,所以總氮負荷較大。下游處的子流域總磷負荷高于上游子流域,13、14、15號子流域的總磷負荷在流域中較大,可能是因為磷肥不易被植物吸收,導(dǎo)致磷素在河道中累積,同時14號子流域為整個釜溪河流域的出水口,磷隨著水流匯集在此處。

圖6 總磷年平均負荷分布Fig.6 Distribution of annual average total phosphorus load

3.2.3 關(guān)鍵源區(qū)識別

采用流失強度指數(shù)法識別流域關(guān)鍵源區(qū),以總氮、總磷單位面積流失強度作為評價指標(biāo),采用自然裂點分級法對各子流域氮、磷流失強度進行等級劃分,分級標(biāo)準(zhǔn)見表6。依據(jù)分析結(jié)果,將流失強度高的子流域作為流域非點源污染首要治理區(qū)域。釜溪河流域總氮、總磷關(guān)鍵源區(qū)劃分結(jié)果見圖7、圖8。

表6 關(guān)鍵源區(qū)評價指標(biāo)等級劃分Table 6 Classification of evaluation indicators for key source areas

圖7 總氮流失強度等級Fig.7 Intensity level of total nitrogen loss

圖8 總磷流失強度等級Fig.8 Intensity level of total phosphorus loss

由圖7、圖8可知,流失強度高的子流域分布在威遠河和干流所在區(qū)域,8、9、11號子流域的總氮流失強度為重度流失,3、13、14號子流域總氮為較重流失,6個子流域面積之和占流域面積的28.56%,但總氮負荷占比為70.85%。8、9、11、13、14、15號子流域的總磷流失較為嚴(yán)重,6個子流域占整個流域29.21%,但總磷負荷占比為74.29%。綜上,研究區(qū)域內(nèi)非點源污染關(guān)鍵源區(qū)為8、9、11、13、14號子流域,5個子流域面積占比僅21.99%,但輸出的總氮負荷占比為62.30%,總磷負荷占比為60.54%,占比均超過一半。

3.3 不同情景評估結(jié)果分析

各情景下關(guān)鍵源區(qū)(8、9、11、13、14號子流域)非點源氮、磷污染負荷的削減效果見表7。由表7可知,各情景削減率表現(xiàn)為情景8(10 m植被緩沖帶)>情景7(5 m植被緩沖帶)>情景6(植草水道)>情景5(殘茬覆蓋)>情景3(化肥減施10%)>情景4(免耕)>情景2(化肥減施5%)。從單個情景來看,情景6、情景7和情景8對總氮、總磷負荷削減效果較好,總氮負荷削減率分別為16.41%、22.94%、30.31%,總磷負荷削減率分別為53.78%、61.58%、67.20%。其次為情景3、情景5,總氮、總磷負荷削減率均大于10%,情景2、情景4總氮負荷削減率在10%以下。從類別看,情景6～8(工程措施)的削減效果均優(yōu)于情景2～5(非工程措施),這是由于工程措施可以讓污染負荷迅速降低,而非工程措施通常實施起來周期較長,污染負荷削減緩慢。

表7 關(guān)鍵源區(qū)各情景下的削減效果Table 7 Reduction effects under different scenarios in key source areas

4 結(jié) 論

(1) 通過構(gòu)建釜溪河流域SWAT模型,將研究區(qū)劃分為15個子流域和309個水文響應(yīng)單元,月尺度上徑流、總氮、總磷率定驗證結(jié)果均達到R2≥0.6且Ens≥0.5,說明模型模擬值與觀測值有較高一致性,模型在釜溪河流域適用性較好。

(2) 對流域非點源污染負荷特征進行分析,時間上,總氮、總磷負荷集中在雨季,主要受到耕種施肥和雨水沖刷等的影響;空間上非點源污染負荷具有一定差異性,下游大于上游,主要由地勢及水流匯集決定。由于8、9、11、13、14號子流域的總氮負荷占流域總量的62.30%,總磷負荷占比為60.54%,因此確定這5個子流域為釜溪河流域非點源污染首要治理區(qū)域。

(3) 對各情景下非點源污染負荷削減效果進行評估,各情景削減率表現(xiàn)為情景8(10 m植被緩沖帶)>情景7(5 m植被緩沖帶)>情景6(植草水道)>情景5(殘茬覆蓋)>情景3(化肥減施10%)>情景4(免耕)>情景2(化肥減施5%)。建議可針對流域?qū)嶋H情況進行分區(qū)治理,采用不同措施,在非點源污染負荷流失強度較大的地區(qū)可試點采用植被緩沖帶,同時在農(nóng)業(yè)種植較多的區(qū)域采取削減化肥使用、殘茬覆蓋和生態(tài)循環(huán)等自然措施,以此來削減非點源污染負荷。