基于SWAT模型的南四湖流域非点源氮磷污染模拟*

李 爽 ，张祖陆，孙媛媛(1:济南大学酒店管理学院，济南5000)(:山东师范大学人口·资源与环境学院，济南50014)

随着点源污染控制能力的提高，非点源污染目前成为造成我国水环境污染的主要原因［1］.据研究，北京密云水库、太湖地区、黑河流域、天津于桥水库、安徽巢湖等江河湖泊和水库非点源污染已成为其水环境污染的重要因素［2-4］.

SWAT模型作为较成熟的模拟流域非点源污染的模型，已经成为水资源保护管理规划中不可或缺的工具，在美洲、欧洲、亚洲等许多国家和地区得到了广泛的应用验证［1，5-10］.GIS和SWAT模型的耦合，使SWAT具备了更强的空间数据处理和分析的能力［11］.国内外许多学者成功将SWAT模型应用于流域非点源污染的模拟中，取得了较好的结果［12-14］.

随着南四湖流域工业化、城市化进程的加快，大量工业废水、生活污水、农业回水等未经处理注入河流和湖泊中，使得湖泊污染严重［15］.据长期监测和有研究表明，非点源污染已成为南四湖流域水体污染的主要污染源［16-17］.以往对南四湖流域污染的研究主要集中在对湖区和几个主要入湖河流水质的监测评价或定性的分析污染源是点源居多还是非点源占优［18-21］;而关于南四湖整个流域氮磷污染的研究主要对历年年鉴的统计［22］，流域内非点源污染定量模拟方面的还有待进一步研究.

本文采用野外采样、室内分析和数值模拟等多种研究手段，利用SWAT模型对南四湖流域非点源污染进行定量模拟，分析南四湖流域非点源污染物产出的时空分布特征，并对关键污染区进行识别.为南水北调东线南四湖湖区和南四湖流域生态环境的整治与改善提供参考性的信息，进而对控制水质富营养化具有重要的现实意义及指导价值.

1 研究区概况

南四湖流域(34°24'～35°59'N，114°52'～117°42'E)属于淮河流域的重要组成部分，整个湖区和绝大多数河流位于山东省境内［15］，考虑到SWAT模型模拟所需资料和流域内水质监测数据的可获性和完整性，本文研究区选择南四湖流域山东省境内的所有区域，包括菏泽市、济宁市、枣庄市和泰安的宁阳县，流域面积约为2.6×104km2.整个南四湖流域有53条大大小小的河流以南四湖为中心，从四面八方呈辐射状汇入南四湖.流域地处暖温带、半湿润地区，属暖温带大陆性冬夏季风气候［15］，年平均气温约14℃，年均降水量为750 mm左右.流域以南四湖和京杭大运河为界，湖东为鲁中南低山丘陵和山前冲洪积平原区，湖西为黄河中下游冲击而成的黄泛平原，地势西高东低.

2 研究方法

2.1 数据库构建

SWAT模型需要输入的数据分为两类，一类是空间数据，一类是属性数据.包括的主要空间和属性数据及其相关信息见表1，所用的空间数据采用Albers等面积割圆锥投影.

表1 空间和属性数据Tab.1 The spatial and attribution data

2.2 典型小流域SWAT模型构建

2.2.1 典型小流域选取 南四湖流域以南四湖为中心，53条入湖河流呈辐射状分布，包含53个出水口，但SWAT模型只允许研究流域存在一个总出水口，且南四湖湖区面积大，在SWAT模型中不能作为一个子流域进行模拟，因此，本研究先选取典型小流域进行模拟，再将校准、验证后的模型推广至其它河流流域，以简化计算、提高效率.

由于南四湖湖东和湖西的自然地理条件存在较大差异，因此湖东和湖西各选集水面积最大的泗河流域和东鱼河流域作为典型流域进行模拟，这样也便于模型的校准和验证.

考虑到河流集水面积、河流的位置分布等因素，共选取30条河流流域模拟，各河流流域总范围基本覆盖整个南四湖流域.湖东21条河流流域，使用泗河流域验证后模型进行南四湖流域湖东的模拟;湖西9条河流流域，使用东鱼河流域验证后的模型进行南四湖流域湖西的模拟.30条河流流域分布图见图1.

图1 南四湖流域各河流流域划分(1惠河流域、2西支河流域、3小龙河流域、4辛安河流域、5徐楼河流域、6荆河流域、7房庄河流域、8蒋集河流域、9潘渡河流域、10解放河流域、11张庄河流域、12蒋官庄河流域、13赵庄河流域、14石庄沟流域)Fig.1 The dipartition of the river watershed in Lake Nansi watershed

2.2.2 数据空间离散化 空间离散化包括子流域的划分和水文响应单元(HRU)的划分.根据出入水口的位置和各支流之间的位置关系，将流域划分为多个子流域.每个子流域又可分成一个或多个HRUs，HRU是SWAT模型运行的最小单元，它具有单一的土地利用类型、土壤类型和坡度，可以反映不同组合的水文效应的差异.

通过对土地利用类型图、土壤类型图、坡度图进行叠加分析，将泗河流域划分成33个子流域和407个HRUs;东鱼河流域划分成51个子流域和256个HRUs.

2.2.3 模型校准和验证 通过参数敏感性分析，得到对径流量敏感的参数主要有:CN2、Rchrg_Dp、Esco等;对泥沙负荷敏感的参数主要有:Spcon、CN2、USlE_P等;对非点源氮磷负荷敏感的参数主要有:CN2、Rchrg_Dp、Sol_Awc等.

参数敏感性分析结束后，需要结合实测数据对模拟的结果进行校准和验证.模型校准即对敏感性参数取值进行调整，使模拟值与实测值趋于一致，本文采取手动校准和自动校准相结合的方式，取2001-2007年为校准期.模型验证即评价校准后模型的可靠性，选2008-2010年为验证期.利用相对误差(Re)、决定系数(R2)和Nash-Suttcliffe系数(Ens)这3个指标对模拟结果进行评价.

(1)径流量校准和验证.通过参数调整，使模拟值和实测值趋于一致，保证年均误差的绝对值在15%以内，R2≥0.6，Ens≥0.5.泗河流域和东鱼河流域的模拟年径流量过程线和实测年径流量过程线基本一致，且年均误差、R2、Ens都满足评价指标要求(图2).

图2 泗河流域(a)和东鱼河流域(b)年径流量校准和验证Fig.2 The calibration and verification of annual runoff in Si River watershed(a)and Dongyu River watershed(b)

(2)泥沙负荷校准和验证.通过参数调整，使得泥沙负荷模拟值和实测值趋于一致，保证年均误差的绝对值在20%以内，R2≥0.6，Ens≥0.5.泗河流域书院站和东鱼河流域鱼台站年泥沙负荷的模拟效果虽不及年径流量，但模拟的年泥沙负荷过程线和实测年泥沙负荷过程线基本一致，且年均误差、R2、Ens都控制在要求范围之内，满足研究需要(图3).

(3)营养元素校准和验证.由于营养元素实测值的限制，总氮负荷选2008-2009年为校准期，2010年为验证期;总磷负荷选2004-2007年为校准期，2008-2010年为验证期.

通过参数调整，使泗河流域和东鱼河月非点源总氮和总磷负荷的模拟值和实测值趋于一致，保证月均误差的绝对值在30%以内，R2≥0.6，Ens≥0.5.泗河流域书院站和东鱼河流域鱼台站校准期和验证期的总氮、总磷负荷模拟结果和实测值对比见图4.

图3 泗河流域(a)和东鱼河流域(b)年泥沙负荷校准和验证Fig.3 The calibration and verification of annual sediment load in Si River watershed(a)and Dongyu River watershed(b)

图4 泗河流域(a、b)和东鱼河流域(c、d)总氮、总磷负荷校准和验证Fig.4 The calibration and verification of TN and TP load in Si River watershed(a，b)and Dongyu River watershed(c，d)

由于年径流和年泥沙负荷的累积误差都会对非点源N、P负荷值产生影响，泗河流域和东鱼河流域非点源氮磷负荷的模拟效果不及年径流量和年泥沙负荷，但年均误差、R2、Ens都满足要求.相比而言，总氮负荷的模拟效果要好于总磷负荷的模拟效果.

2.3 南四湖流域SWAT模型构建

为评价泗河流域和东鱼河流域的模型参数校准方法运用到南四湖流域湖东和湖西其它河流流域的可行性，湖东和湖西各选一条河流流域进行模拟，以评价模型校准方法的适用性.

根据所获监测数据，湖东选洸府河流域利用泗河流域的模型进行模拟，湖西选洙赵新河流域利用东鱼河流域的模型进行模拟(图5).由于只获取到年径流量数据，因此只对洸府河流域(湖东)和洙赵新河流域(湖西)进行2001-2010年径流量模拟结果的评价(表2).洸府河和洙赵新河流域年径流量模拟效果较好，满足研究需要.虽然受到2003年年降水量近10年最大而2004年年降水量较小的影响(图5b)，洙赵新河流域2004年模拟值较实测值偏小较多，但其它年份模拟结果较好，因此认为泗河流域和东鱼河流域模型参数的校准方法可运用于湖东和湖西其它河流流域的非点污染氮磷负荷的模拟.

3 结果与分析

3.1 非点源氮磷负荷空间分布

以30个河流流域的354个子流域为单元，分析2001-2010年均非点源氮磷负荷的空间分布规律，得到流域内非点源氮磷负荷空间分布图(图6).年均总氮负荷湖东大于湖西，湖东总氮负荷严重地区主要集中在洸府河流域、泗河流域、白马河流域等区域(图6a).湖西主要集中在老万福河流域、蔡河流域、梁济运河流域等区域.这些地区人口密度较大，耕地面积较广，畜禽养殖量较多.年均总磷负荷湖东略大于湖西，湖东总磷负荷较严重地区主要集中在洸府河流域、泗河流域、白马河流域及沿湖的几个河流流域.湖西各流域总磷负荷较为平均，高值出现在洙水河流域上游、老万福河流域和蔡河流域区域(图6b).这些地区是耕地和禽畜养殖较为集中的地区.总氮和总磷负荷分为两种状态，一种为溶解态，随径流进入河道;一种为吸附态，随泥沙进入河道.为进一步探讨流域内非点源氮磷元素的形态，对产流、产沙、总氮负荷、总磷负荷做了相关性分析，结果表明总氮和产流在0.01水平下呈显著正相关，相关系数为0.733，而和产沙相关性不显著，相关系数仅为0.089.这说明流域内总氮负荷中以溶解态(硝态氮)为主，吸附态(有机氮)较少;总磷和产沙量在0.01水平下呈显著正相关，相关系数为0.970，和产流量相关系数在0.010下呈显著正相关，但是相关系数较小，仅为0.251.这说明流域内总磷负荷吸附态(有机磷和矿物质磷)较多，溶解态较少(表3).

图5 洸府河流域(a)和洙赵新河流域(b)年径流量验证Fig.5 The calibration and verification of annual runoff in Guangfu River watershed(a)and Zhuzhaoxin River watershed(b)

表2 洸府河流域和洙赵新河流域年径流量模拟评价Tab.2 Evaluation of simulation of annual runoff in Guangfu River watershed and Zhuzhaoxin River watershed

图6 流域内非点源氮(a)和磷(b)负荷分布Fig.6 The distribution of NPS nitrogen(a)and phosphorus(b)load in Lake Nansi watershed

表3 各值相关性分析Tab.3 Correlation analysis of the values

3.2各河流流域非点源污染贡献率

南四湖流域内的各条河流所携带的氮磷是南四湖非点源污染的主要贡献者.南四湖流域内总氮负荷湖东明显大于湖西，由于流域内氮以溶解态居多，而湖东的径流量大于湖西，因此湖东的总氮负荷较湖西要大.其中洸府河流域贡献率最大，其次是白马河流域、老万福流域、泗河流域、梁济运河流域、洙赵新河流域、东鱼河流域，城郭河流域，其它流域相对较小.总磷负荷湖东略大于湖西，其中以洸府河流域贡献率最大，其次是洙赵新河流域、万福河流域、白马河流域、梁济运河流域，其它流域相对较小(表4).

表4 各河流流域对南四湖非点源污染的贡献率Tab.4 Contributions of all river watersheds to NPS pollution in Lake Nansi watershed

3.3 非点源氮磷污染关键区识别

对南四湖流域总氮总磷负荷分布进行分析，根据国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局2001年发布的《地表水环境质量标准》(GB/T 3838-2002)和《生活饮用水卫生规范》，对南四湖流域总氮总磷流失状况进行分级，确认总氮总磷流失关键区.本研究所用的地表河流分类中总氮和总磷标准见表5.研究区非点源氮磷污染关键区见图7.

表5 地表水环境质量标准总氮、总磷标准限值Tab.5 Standard value of water quality level of total nitrogen and total phosphorus

南四湖流域总氮浓度整体偏高，大部分地区的总氮浓度高于2 mg/L，达不到Ⅴ类水的标准.总氮浓度最高的地区集中在老万福河流域、洸府河流域、白马河流域(图7a).南四湖流域总磷负荷大于0.4 mg/L的地区约占总流域面积的40%，这些达不到Ⅴ类水的标准.主要集中分布在洸府河流域、洙赵新河流域、梁济运河流域和下级湖湖东周边河流流域(图7b).

图7 南四湖流域非点源总氮(a)和总磷(b)浓度分类Fig.7 Classification of concentration of NPS total nitrogen(a)and total phosphorus(b)in Lake Nansi watershed

4 结论

利用SWAT模型模拟泗河流域(湖东)和东鱼河流域(湖西)典型小流域，误差(Re)都在10%以内，再将模型推至整个南四湖流域，通过对洸府河和洙赵新河流域的验证，Re都在15%以内，模拟精度较高，满足研究需要.对比发现湖东的模拟效果要好于湖西，即SWAT模型在地形起伏较大的地区更能获得较高的模拟精度.南四湖流域非点源氮磷污染严重，湖东污染较湖西严重.非点源氮负荷以溶解态为主，几乎全流域的氮浓度都超标严重.非点源磷负荷以吸附态为主，40%以上的区域磷浓度超标.所有河流流域中，洸府河流域是南四湖流域非点源氮磷污染的主要贡献者.

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