基于SWAT模型的小流域面源污染负荷时空分异研究——以重庆市万州区陈家沟小流域为例

穆 婧，史明昌，郭宏忠，魏 曦，赵锦序

(1.北京林业大学林学院，北京 100083;2.重庆市水土保持生态环境监测总站，重庆 401147;3.北京地拓科技发展有限公司，北京 100084)

受水文循环过程、区域地理条件、土壤环境、土地利用类型等多种因素影响，加之污染物以扩散形式进入水体，其来源和排放点不固定，致使面源污染的研究和治理难度很大［1］。目前，在面源污染发生和发展规律的研究中，集成GIS、RS和DEM技术的分布式流域水文模型应用较多［2-4］，尤其是美国农业部(USDA)开发的 SWAT 模型在黄河［5］、长江［6］、海河流域［7］等都有较好的应用。相比之前应用在较大流域尺度上，本研究尝试选取三峡库区陈家沟小流域作为研究对象，利用SWAT模型进行面源污染的相关研究。由于面源污染是伴随着降水和径流过程产生的，而且小流域作为一个相对独立的汇水单元，是污染物产生和面源污染发展的源头，因此选择小流域作为研究对象能够更客观地反映面源污染的发生发展规律。本研究利用SWAT模型分析陈家沟小流域面源污染的时空分布规律和不同土地利用类型的污染负荷差异，并根据污染物分布特点提出相应的防治建议，以期为类似地区的面源污染研究和防治提供参考。

1 研究区概况

选择位于重庆市万州区长岭镇乔家村的陈家沟小流域作为研究区。陈家沟小流域位于三峡库区上游，总面积约6.26 km2，气候温和，日照偏少，无霜期长，年均气温16.1℃，年平均日照时数924 h，年降水量1 150 mm，降雨主要集中在5—9月［8］。流域内主要土地利用类型有耕地(水田和水浇地)、林地、园地、草地，其中耕地面积最大，占总面积的46.47%，林地和园地次之;水浇地主要种植小麦、油菜和玉米;水田多为梯田，主要种植水稻;林地主要是退耕还林地，多栽植松树;园地主要种植柑橘等经济林木。流域内面源污染问题较为严重，前期治理时在主要支沟设有监测和防治设施［9］。

2 研究方法

首先，通过实地监测调查，获取研究区土地利用、土壤、气象、流域出口断面(径流、泥沙和营养物质)以及流域管理措施等数据，利用DEM、遥感影像以及专题图等资料获取其他数据，对各数据进行分析处理，建立SWAT模型空间及属性数据库;然后，用2006—2007年的数据进行模型建立和参数率定，用2008—2009年的数据验证模型的模拟精度和评估模型的模拟效果，得到适用于研究区的SWAT模型;最后，根据SWAT模型模拟结果分析研究区小流域面源污染的时空分布规律和不同土地利用类型污染负荷差异，并据此提出小流域面源污染防治建议。

2.1 实地监测调查

在研究区布设水文监测点和土壤监测点，其中水文监测点包括2个自然坡面、3个支沟和陈家沟小流域水文控制站(水土保持监测站);土壤监测点为在小流域内随机均匀选取的20个点。结合研究区实际和SWAT模型对数据的要求确定监测指标:①水文指标，包括降雨量、径流量、土壤侵蚀量、产沙量;②水质指标，包括6个水文监测点逐月pH值、悬浮物(SS)、总氮(TN)、氨氮(AN)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5);③土壤指标，包括土壤类型、土壤质地、pH值、土壤有机质、总氮(TN)、氨氮(AN)、总磷(TP);④农业管理指标，包括作物生长周期和化肥农药使用量。监测时间为2006—2009年，水文水质数据的观测频率为3次/a，土壤数据为1次/a，农业管理数据为1次/a。

2.2 数据获取与处理

SWAT模型的运行需要大量空间和属性数据作为支撑，其中空间数据主要包括DEM、土地利用类型图、土壤类型图、水文和气象站点位置信息、流域监测断面位置信息等;属性数据主要包括土壤理化性质、水文和气象站点监测数据、农业管理措施数据以及流域内的径流、泥沙、水质统计数据等。各数据的获取方法分别为:采用1∶1万地形图获取DEM;利用Quick bird遥感影像解译获取土地利用现状图;土壤类型图根据实地监测和世界土壤中心数据获取;气象数据来源于距离陈家沟小流域最近的万县气象站，监测时间为1999—2009年;其余数据均来源于实地监测。将空间数据转换为.grd或.shp格式、属性数据转换为.dbf格式导入SWAT模型数据库。

2.3 参数率定和模型验证

由于SWAT模型是以美国的环境要素为对象开发的，因此在我国使用时要根据研究区的实地监测数据进行参数率定。采用 SWAT模型自带的 Sensitivity Analysis模块，对SWAT模型模拟过程中较敏感的41个参数进行敏感性分析。采用2006、2007年流域出口断面监测数据建立模型，对径流、泥沙、污染物等参数进行率定，再利用2008、2009年的监测数据进行模型验证。选用 Nashe-Suttcliffe系数(Ens)［10］、相对误差(Re)和相关系数(R2)作为评价指标，验证结果远优于Ens≥0.5、Re＜30%、R2＞0.6的限定阈值，说明模型精确度良好，可以用于研究区的模拟研究。

3 面源污染负荷分布规律分析

3.1 空间分布规律

根据 1999—2009年气象资料，利用验证后的SWAT模型模拟小流域面源污染状况，将研究区划分为15个子流域，得到各子流域单位面积的年均泥沙流失量和主要面源污染物负荷(图1、2)。图1为各子流域年均泥沙流失量，其中10、13、14、15号子流域泥沙流失量较大，1号子流域最小，其余子流域数值比较相近。图2为各子流域主要污染物(硝态氮、有机氮)年均负荷，其中1号和5号子流域的硝态氮和有机氮负荷较大，12号子流域两污染物负荷均为最小，其余子流域数值相近且规律相似。根据研究区土地利用和坡度分级资料，小流域上游东南方位(10、13、14、15号子流域)地形坡度较陡，分布有大面积林地和部分水田，下游西北方位(1、5号子流域)地形坡度较缓，主要是园地和农地。据此，分析出现图1、2中情况的原因是上游陡峭的地形条件使得降水冲刷水田造成泥沙流失，而下游农田大量施肥导致污染负荷较大。

针对面源污染物在小流域内不同区域的空间分布差异，建议对小流域上游重点采取工程措施和林草措施，调整土地利用结构，减少泥沙流失;对下游采取控制化肥、农药施用等农田管理措施，控制污染物输出，减少水体中面源污染负荷;出于经济考虑，对其他污染不严重的区域，可以预防措施为主。

3.2 时间分布规律

对SWAT模型模拟结果进行统计分析，得到1999—2009年研究区各月平均泥沙流失量、主要污染物负荷，见图3、4。由于研究区主要施用碳铵肥、磷肥、尿素等，因此进行污染物分析时在硝态氮和有机氮的基础上增加了有机磷负荷。由图3、4知，泥沙流失量、主要污染物负荷高峰期均集中在4—10月，尤其是4月较3月增加明显，这与研究区雨季分布时间基本一致。可见，降雨是造成研究区面源污染和泥沙流失的重要原因。雨季暴雨径流冲刷地表，泥沙和化肥、农药等随农田排水系统、地下水渗透以及地表径流等进入下游水体，造成水体面源污染加剧［11］。此外，据调查当地作物施肥多集中在每年4—6月，与4月份开始主要污染物负荷明显增加的结果相吻合，说明农业生产中的化肥、农药是造成面源污染的主要污染源。

针对研究区4—10月水体面源污染严重的情况，建议农田施肥时间应尽量避开雨季，加强田间管理，将田面水静置一段时间后再排放;调整土地利用结构，在坡度较陡的地区实施退耕还林(草)，加强梯田建设和林地养护，严禁乱砍滥伐、破坏生态环境。

3.3 不同土地利用类型面源污染分布规律

研究区主要土地利用类型有水田、水浇地、林地、园地、草地等。根据SWAT模型模拟结果，不同土地利用类型年均泥沙流失量和主要污染物年均负荷见图5、6。其中，耕地(水田和水浇地)泥沙流失量和主要污染物负荷均较大，是面源污染的主要来源，尤其是水浇地的污染负荷大于水田，而当地水田多为梯田，说明实施坡改梯有助于减少面源污染;林地的泥沙流失量和主要污染物负荷均最小，说明林地对面源污染具有削减作用;由于化肥和农药的施用，园地的污染负荷较大;草地的泥沙流失量较大，这与草地覆盖率较低有关。

由上述分析知，不合理的土地利用方式是造成面源污染的重要原因，因此在经济和技术可行的前提下，合理调整土地利用结构，有助于减少面源污染的发生。结合研究区地形地貌和经济发展状况，建议在泥沙流失和污染负荷严重的地区实施退耕还林(草)，其他地区则通过实施坡改梯或采取种植等高植物篱等措施减少土壤流失;河道两岸是接受污染物最多的区域，也是污染物过滤的最后一道防线，因此可以在河流两岸布设植物缓冲带，利用植物对污染物的削减作用达到净化水质的目的;为合理施肥、科学用药，建议在果园推广测土配方施肥，加大低毒、无毒农药的研制和使用;对原有草地进行补种，增加地表覆盖，减轻径流冲刷。

4 结语

结合实地监测调查和DEM、卫星影像、专题资料等，建立并验证SWAT模型，经过参数率定，得出适用于研究区的SWAT模型，并利用模型模拟分析研究区面源污染负荷的时空分异规律以及不同土地利用类型污染负荷的分布规律，得出以下结论:

(1)在空间上，小流域内不同子流域的污染负荷存在差异。上游东南方向子流域，由于坡度较陡且分布有大面积林地和部分水田，在降雨的冲刷作用下，大量泥沙随径流进入水体，造成泥沙流失量增大;而下游西北方向子流域坡度较缓，主要是园地和农地，大量农药、化肥随降雨径流进入水体，导致污染负荷增大。针对面源污染的空间分布差异，考虑经济因素，建议在上游重点控制泥沙流失，下游采取田间管理措施，减少进入水体的化肥农药量，其他区域则以预防为主。

(2)在时间上，小流域泥沙流失量和主要污染物负荷高峰期均集中在4—10月，与化肥、农药施用期及降水分布期相吻合，说明降水是造成面源污染的主要驱动力，而化肥、农药则是主要污染源。因此，建议农田施肥时间应尽量避开雨季，并加强田间管理，辅以工程措施，减少泥沙流失和污染负荷。

(3)不同土地利用类型面源污染负荷存在差异。耕地污染负荷最大，林地最小，说明不合理的土地利用方式是造成面源污染的重要原因。因此，要在经济和技术可行的前提下，合理调整土地利用结构，例如对坡度大于25°的坡耕地实施退耕还林(草)。

(4)防治研究区面源污染应综合考虑土地利用方式、小流域局部地形地貌、区域气候差异以及治理和开发等问题，针对小流域的生态和经济发展需要，处理好环境保护和经济发展的关系，既要保证下游水源安全，又能改善当地农民的生产生活条件。

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