南苕溪流域情景變化模擬及面源污染防治研究

潘如意，丁建華 ，田 剛 ，劉 偉，王 冉

（1.溫州市水利局，浙江 溫州 325002；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017）

0 引 言

南苕溪位于杭州市臨安區(qū)東部，是杭嘉湖平原的重要飲用水源[1]，由南苕溪干流、馬溪等10 條支流構(gòu)成（見圖1），經(jīng)青山水庫調(diào)蓄后最終匯入太湖，流域面積665 km2。雖然目前該流域點(diǎn)源污染排放已得到較好治理，但上游分布著近200 km2的農(nóng)業(yè)種植活動區(qū)域，大量流失的營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致流域下游重要飲用水源地青山水庫部分月份監(jiān)測水質(zhì)超標(biāo)，面源污染已成為影響當(dāng)?shù)厮w水質(zhì)的主要因素。本研究利用SWAT 模型強(qiáng)大的模塊情景模擬功能，構(gòu)建起土地利用類型變化、農(nóng)業(yè)施肥量變化和生態(tài)攔截工程等假設(shè)情景，定量模擬不同情景變化對流域面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)的影響程度，提出流域面源污染控制防治重點(diǎn)，為流域水環(huán)境精細(xì)化管理提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 模型構(gòu)建

SWAT 模型是一種基于GIS 的分布式流域水文模型，集空間信息處理分析、數(shù)據(jù)計(jì)算、可視化模擬、多維評價等功能于一體，目前在流域徑流模擬、面源污染分析等方面廣泛應(yīng)用[2]。

SWAT 模型數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)來源見表1。模型將流域劃分為38 個子流域、4 298 個水文響應(yīng)單元。

1.2 模型率定驗(yàn)證

在SWAT 模型率定時，一般研究[3-4]認(rèn)為，當(dāng)相關(guān)系數(shù)R2和納什效率系數(shù)Ens大于0.5 時，模型模擬結(jié)果可信，可較好地適用于流域模擬。本研究選用橋東村水文站2008—2013 年的逐月徑流量對模型進(jìn)行率定，用2014—2018 年的逐月徑流量對模型進(jìn)行驗(yàn)證。在徑流量模擬效果滿足適用性標(biāo)準(zhǔn)要求基礎(chǔ)上，利用鱉堰水質(zhì)監(jiān)測站2014—2016 年逐月實(shí)測總磷、氨氮數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定，利用2017—2018 年逐月實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。率定驗(yàn)證結(jié)果見表2，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.7，納什效率系數(shù)Ens均大于0.6，模型模擬精度滿足模型適用性標(biāo)準(zhǔn)，能夠較好地用于該流域污染負(fù)荷模擬。

表2 模擬效果評價表

1.3 流域面源污染負(fù)荷輸出結(jié)果

根據(jù)SWAT 模型模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)，南苕溪流域多年平均總磷負(fù)荷產(chǎn)生量為268.79 t，單位面積總磷產(chǎn)生量較多的區(qū)域位于流域西北部和東部；多年平均總氮負(fù)荷產(chǎn)生量為1 258.56 t，單位面積總氮產(chǎn)生量較多的區(qū)域位于青山水庫以東。圖2 為多年平均總磷負(fù)荷輸出空間分布圖，圖3 為多年平均總氮負(fù)荷輸出空間分布圖。

圖2 多年平均總磷負(fù)荷輸出空間分布圖

圖3 多年平均總氮負(fù)荷輸出空間分布圖

2 情景變化模擬與分析

早在2005 年，Bouraoui[5]等在突尼斯北部Medjerda 流域應(yīng)用SWAT 進(jìn)行了土地利用情景變化模擬，研究將全部農(nóng)業(yè)旱地轉(zhuǎn)化為灌溉作物對地表水硝酸鹽濃度的影響。Thodsen[6]等利用SWAT 模型在丹麥集水區(qū)模擬研究不同化肥施用量對水環(huán)境營養(yǎng)負(fù)荷變化的影響。國內(nèi)，呂明權(quán)[7]利用SWAT模型模擬三峽箐林溪流域的水文過程和營養(yǎng)元素輸出過程，研究表明池塘對TN 和TP 的削減率分別是31.7%和46.0%；水庫對TN 和TP 的削減率分別是7.6%和15.5%。本研究借鑒國內(nèi)外學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，基于SWAT 模型分析不同情景假設(shè)變化下對南苕溪流域水環(huán)境的影響。

2.1 土地利用情景假設(shè)分析

模型按需求劃分為喬木林、雷竹等15 種土地利用類型，其中喬木林、雷竹和毛竹等面積占比較大。基于SWAT 模型研究成果，得出不同土地利用類型的單位面積氮、磷等面源污染負(fù)荷年均產(chǎn)生量（見表3）。從表3 可看出，單位面積有機(jī)氮負(fù)荷產(chǎn)生量較高的為山核桃和香榧；單位面積硝氮負(fù)荷和可溶性磷負(fù)荷產(chǎn)生量最高的均為水稻田；單位面積有機(jī)磷負(fù)荷產(chǎn)生較高的為香榧、園地等；單位面積礦物質(zhì)磷產(chǎn)生負(fù)荷較高的為山核桃和茶園。不同土地利用類型其面源污染負(fù)荷產(chǎn)生量差異較大，對流域面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)影響不同。

表3 不同土地利用類型氮、磷污染負(fù)荷產(chǎn)生量表

隨著近年來當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，考慮未來陸地硬化面積增大、經(jīng)濟(jì)林地種植面積減少、土地管理不善等情況[8]，設(shè)置4 種模擬情景：

情景Q0：現(xiàn)狀土地利用情景。

情景Q1：把研究區(qū)的雷竹、香榧、園地等種植區(qū)塊全部轉(zhuǎn)換為喬木林覆被，探討退耕還林對水質(zhì)的影響。

情景Q2：考慮到水田和旱地之間的相互轉(zhuǎn)換性，若水田管理不善，將變成裸地、旱地等情況，探討水田對氮、磷污染負(fù)荷的影響。

情景Q3：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑和交通用地面積不斷增大，考慮將研究區(qū)的耕地全部轉(zhuǎn)換為建筑、交通用地的情景（見表4）。

表4 不同土地利用情景組合設(shè)計(jì)表 單位：%

將上述4 種不同土地利用情景分別代入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到流域徑流量和氮磷污染負(fù)荷模擬均值（見表5）。

表5 4 種不同情景下徑流量、氮、磷負(fù)荷模擬結(jié)果表

徑流量從大到小依次排序?yàn)榍榫癚3 ＞Q2 ＞Q0 ＞Q1，污染負(fù)荷從大到小排序?yàn)镼2 ＞Q0 ＞Q3 ＞Q1。相對于現(xiàn)狀情景Q0，情景Q1 隨著喬木林面積大量增加，雷竹、山核桃等農(nóng)業(yè)種植作物大量減少，污染負(fù)荷大幅度削減，徑流減少效果也較明顯，體現(xiàn)退耕還林的效果；情景Q2 相對于情景Q0，水田轉(zhuǎn)換為裸地、旱地后，徑流增大，污染負(fù)荷流失也增大，水田對污染負(fù)荷有截留作用；相對于情景Q0，情景Q3 不透水面積增大，徑流量明顯增加，但污染負(fù)荷減少，主要是由于耕地減少導(dǎo)致施肥和泥沙流失減少。

因此為了減少流域面源污染負(fù)荷流失，可以在耕地、茶園、經(jīng)濟(jì)林地與受納水體間建立植被—水塘緩沖帶，截留泥沙和污染負(fù)荷，從傳輸途徑上控制面源污染。

2.2 施肥量變化情景假設(shè)分析

農(nóng)業(yè)種植土地中大量施用的肥料是流域氮磷流失的重要來源[9]，過量施用的肥料對環(huán)境造成的危害也愈發(fā)不容忽視[10]。本研究針對流域中雷竹、山核桃、水稻田等農(nóng)業(yè)種植作物，設(shè)置4 種假設(shè)情景來模擬不同施肥水平對流域面源污染負(fù)荷產(chǎn)生的影響，分別是：①增加25%施肥量；②增加50%施肥量；③減少25%施肥量；④減少50%施肥量。模擬結(jié)果見表6。

表6 不同施肥情景下的面源污染負(fù)荷變化情況表

從模擬結(jié)果可看出，增加（或減少）施肥量對有機(jī)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)磷、可溶性磷以及礦物質(zhì)磷均具有一定程度影響，并且，等量施肥量變化情況下，施肥量增加比施肥量減少對面源污染負(fù)荷的影響更大。在施肥量減少的情況下，氮、磷污染負(fù)荷產(chǎn)生量均減少，其中，硝態(tài)氮、可溶性磷和礦物質(zhì)磷負(fù)荷的變化率要大于有機(jī)氮和有機(jī)磷負(fù)荷，經(jīng)調(diào)查，其原因是農(nóng)民在施肥過程中，化肥使用占比較大，無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)更易受雨水沖刷影響?？傮w上，減少施肥量對削減流域的污染負(fù)荷產(chǎn)生量具有一定的效果，但影響有限，變化率均不到3%。因此，削減流域面源污染負(fù)荷，除了要控制雷竹、水田等農(nóng)作物的肥料施用量外，仍需重視配套使用其他農(nóng)業(yè)管理措施，包括經(jīng)濟(jì)作物耕作方式和地表覆蓋度、施肥時間和頻率以及鼓勵測土配方施肥等。

2.3 生態(tài)攔截工程情景假設(shè)分析

根據(jù)模型模擬結(jié)果，流域中多年平均吸附態(tài)氮（有機(jī)氮）、吸附態(tài)磷（有機(jī)磷、礦物質(zhì)磷）流失負(fù)荷占總氮、總磷流失負(fù)荷分別為78%和87%，吸附態(tài)氮和吸附態(tài)磷流失負(fù)荷與泥沙負(fù)荷流失相關(guān)性較大[11]，較易隨降雨沖刷形成水土流失匯入河道中。根據(jù)現(xiàn)場勘查，流域內(nèi)雷竹、果園、農(nóng)田等農(nóng)作物下方匯水區(qū)普遍無攔擋蓄水措施，降雨后的水流直接沖刷入河。所以本研究設(shè)置假設(shè)情景，從理論上初步探討生態(tài)攔截工程對流域面源污染負(fù)荷流失的影響。

情景假設(shè)：現(xiàn)狀土地利用方式、施肥量等都維持不變，采用流域生態(tài)保護(hù)模式，通過模型。PND模塊分別設(shè)置將流域25%、50%面積農(nóng)用地區(qū)域建立坡地截排水溝，匯水入坑塘，經(jīng)過坑塘停留、靜置與處理后再排入河道。探討生態(tài)攔截工程對流域面源污染的影響。

圖4 為生態(tài)攔截情景假設(shè)模擬結(jié)果圖。從圖4 可看出，生態(tài)攔截工程情景分別削減了流域總氮流失負(fù)荷170.33 t、331.00 t，減少占比分別為13.5%、26.3%；分別削減總磷流失負(fù)荷41.38 t、76.87 t，減少占比分別為15.4%、28.6%。生態(tài)攔截工程對削減流域面源污染負(fù)荷流失起到明顯的效果，因此，若考慮在流域污染負(fù)荷流失較大的園地、雷竹等農(nóng)作物種植區(qū)域建立坡面生態(tài)截排水溝，在區(qū)域匯水地點(diǎn)建設(shè)坑塘等生態(tài)攔截工程，能夠較好地改善流域面源污染。

圖4 生態(tài)攔截情景假設(shè)模擬結(jié)果圖

3 結(jié) 語

通過構(gòu)建的SWAT 模型，定量模擬了不同假設(shè)情景對流域面源污染負(fù)荷產(chǎn)生的影響，得出以下結(jié)論：

1）流域多年平均總磷、總氮負(fù)荷產(chǎn)生量分別為268.79 t 和1 258.56 t。

2）僅減少施肥量對削減流域面源污染負(fù)荷影響有限，影響程度不到3%。

3）生態(tài)攔截工程情景對削減流域面源污染負(fù)荷具有明顯效果。

4）流域面源污染治理時應(yīng)重點(diǎn)考慮在雷竹、山核桃等農(nóng)作物集中種植區(qū)域建設(shè)生態(tài)坡面截排水溝、坑塘、緩沖帶等攔截工程，可有效改善流域面源污染問題。