基于SWAT 模型的白洋淀流域总氮负荷模拟研究

赵志杰

（河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071051）

SWAT模型是一种流域尺度、基于过程的分布式机理模型，自20世纪90年代开发以来，在国内外已广泛应用于水质和水量的模拟评估、非点源污染负荷估算、情景分析与预测、环境气候变化对区域水循环的影响等。国内SWAT模型的研究和应用从2000年前后开始，研究领域包括水质和水量的定量模拟，土地利用变化和气候变化的水文响应等［1］，现已普遍用于径流、泥沙和非点源污染的模拟。有学者运用SWAT模型对太湖流域氮磷等营养物质的输移进行模拟研究［2］，分析因人类活动形成的点源和面源污染对氮磷的贡献值。

在气候变化和人类活动的双重影响下，白洋淀流域生态环境问题日益突出，上游山区水土流失严重，下游水质恶化、湿地锐减。尤其是位于流域出口的白洋淀，受入淀径流减少及点源和面源污染的影响，正面临湖面萎缩、水体富营养化、生物多样性受损等生态环境问题［3-5］。本文在白洋淀水质现状评价的基础上，以营养元素总氮为指示因子，用SWAT模型分析白洋淀流域污染负荷影响因素，模拟各类污染源的贡献值及分布，为流域水生态环境治理和保护提供依据。

1 流域概况

白洋淀流域位于海河流域中部，地跨晋、冀、京三省市，流域面积31199km2。

白洋淀上游分为南北两支，其中南支面积占流域总面积的67%，北支面积占33%。南支源自恒山南麓，有磁河、沙河、潴龙河、孝义河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河；北支发源于太行山东麓，包括拒马河、北易水、中易水、白沟河等河流，北支通过白沟引河汇入白洋淀。

白洋淀流域属暖温带季风型大陆性半干旱气候，多年平均降水量560.7mm，多年平均地表径流量20.28亿m3。土地利用类型主要包括林地、耕地、城镇及居民点、裸地、水域5类，种植结构以小麦、玉米为主。由西南向东北方向植被覆盖度逐渐升高，土地覆被类型由草地、灌木林逐渐过渡到林地。土壤类型主要包括褐土、潮土、粗骨土、棕壤等12种，其中褐土面积占流域的60%。

白洋淀淀区主要在安新县境内，其余部分在雄县、容城、高阳及任丘等县市，水域面积366km2，为华北平原最大的淡水湖，淀内分布有大小淀泊143个。近年来，由于区域降水量减少，上游用水量增加，下游接纳城市污水及农业面源的径流，导致白洋淀水域面积逐渐减小，湖水和底泥的营养物质含量增高，目前正处于沼泽化和衰亡的过程中。

2 白洋淀水质现状评价

2.1 评价标准及方法

白洋淀水质评价现状年为2010年，评价项目选用pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、铜、氟化物、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、硫化物、总磷、粪大肠菌群共18项，评价标准采用GB3838—2002 《地面水环境质量标准》，评价方法为单项指标法，评价代表值采用年均值，并以Ⅲ类标准值为界限，统计主要超标物质及超标倍数，同时进行富营养化评价。

2.2 水质现状评价结果

白洋淀2010年共设13处水质监测断面如图1，评价结果表明：13处监测断面中，全年平均Ⅳ类水质7处，Ⅴ类水质1处，劣于Ⅴ类水质5处，没有Ⅲ类及优于Ⅲ类水质如表1。在空间分布上，污染物呈现由西向东，由北向南逐渐减少的趋势，淀区西部和北部污染比较严重，东部区域水质稍好。水体主要污染物为氨氮、总磷、高锰酸盐指数等。

白洋淀各监测断面中安新桥、大张庄富营养化程度最严重，为重度富营养化；采莆台和枣林庄断面富营养化程度较低，为轻度富营养化；其他9处断面为中度富营养化。总体上看，白洋淀水体的富营养化程度相当严重。

图1 白洋淀水质监测断面示意图

表1 白洋淀水质现状评价结果

2.3 总氮水平分析

2.3.1 年际变化

根据白洋淀1991～2010年20年统计结果可以得出（图2）：白洋淀多年平均总氮含量为1.3mg/L，平均水质级别为Ⅳ类，且年际变化较大。最好水质出现在20世纪90年代中期，平均总氮含量0.54mg/L，水质级别保持在Ⅲ类；最差水质出现在21世纪初，总氮含量严重超标，大于2.5mg/L，水质级别为劣于Ⅴ类。20世纪90年代中期通过水库调水，使入淀水量增多，水质明显好转；1993年，1999～2001年及2006年为典型枯水年，降水量大幅度减少导致白洋淀蓄水量降低，在污染负荷不变的情况下水体中总氮含量显著升高。

图2 白洋淀年平均总氮含量及水质评价结果

2.3.2 年内变化

对2005～2010年白洋淀水体总氮含量的年内变化进行统计分析，结果表明（图3）：白洋淀月平均总氮含量1.86mg/L，但年内水质变化十分剧烈，上半年总氮含量严重超标，平均含量达2.82mg/L，水质极差，为劣于Ⅴ类；下半年水质好转，其中夏秋季节水质较好，水质级别保持在Ⅲ类，7～10月份总氮含量平均为0.67mg/L，冬季水质开始呈现恶化趋势，11～12月份总氮含量平均为1.39mg/L，水质级别为Ⅳ类。总体来说，流域汛期由于水体对氮素的稀释作用使得淀区水质较好，非汛期则相反，水量的减少导致氮素浓度显著升高，水质恶化。

图3 白洋淀月平均总氮含量及水质评价结果

3 白洋淀流域总氮负荷模拟

影响白洋淀流域总氮负荷的因素主要有点源污染和面源污染，点源包括城市生活污水和工业废水，面源污染主要有化肥农药、人和畜禽粪便、农村生活污水、固体废弃物及水土流失等［6］。

白洋淀为流域的出口，直接入淀的河流大多已干涸，只有源于保定市的府河常年有水入淀，主要是保定市的生活污水，水质为劣V类，水中含有大量的氮、磷等营养物质。本文采用SWAT模型方法，选取总氮为指示因子，以流域出口白洋淀作为研究对象，分析整个流域点源、面源对总氮污染负荷的贡献率。

3.1 SWAT模型简介

SWAT（Soil and Water Assessment Too1）是由美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）1994年开发的流域分布式水文模型。模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。它是一种基于GIS基础之上的分布式流域水文模型，近年来在水资源和水环境领域中得到快速发展和应用，主要是利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟不同的水文物理化学过程，如水量、水质及氮磷的输移与转化过程［7-9］。

3.2 SWAT数据库建立和水文响应单元划分

SWAT模型需要的基础数据包括数字高程模型（DEM），流域 的数字河流资料，土地利用/覆被（LULC）数据，土壤类型及属性数据，气象站点的空间数据和多年实测气象资料，出水口站点的流量、水质监测资料及流域的自然地理资料等。

SWAT模型通过输入地形高程（DEM）数据，利用模型内嵌的地形与河网分析工具，将流域划分成多个子流域，根据土壤类型和土地利用数据，把每个子流域细分为多个水文响应单元（HRU），进行水质、水量模拟［10］。

根据白洋淀流域自然地理特征，将整个流域划分为34个子流域（图4）。根据不同的土地利用类型、土壤类型及坡度分级组合，将白洋淀流域划分为183个水文响应单元（HRU）。以白洋淀作为流域的出水口，并将府河汇入白洋淀处作为点源排放点。

3.3 年尺度白洋淀流域总氮负荷模拟

运行SWAT模型的水质模块，模拟2005～2010年白洋淀流域的氮迁移转化过程，计算出流域出水口（即白洋淀）的年总氮负荷及点、面污染源贡献率（表2、图5）。结果表明：

图4 白洋淀流域子流域划分

（1）相对于总氮负荷的环境背景值，添加面源或点源排放后，总氮负荷分别增加了64%和116%，说明农业面源污染和城市、工业点源排放均对白洋淀淀区总氮负荷有很大贡献，其中点源排放为最主要的氮负荷来源。目前白洋淀实际氮负荷量已超过环境背景值180%，足见白洋淀水环境污染程度的严重性。

表2 白洋淀流域年总氮负荷模拟结果

图5 白洋淀流域年总氮负荷量分布

（2）白洋淀水环境质量仍处于恶化阶段，2010年总氮负荷量是2005年的1.36倍，其中面源负荷量显著增加，点源负荷量相对比较稳定。环境背景值的变化主要受控于流域气候、径流的影响，2007年降水丰沛，流域径流量较大，利于氮素随径流的迁移，环境背景值较高。

（3）多年平均面源负荷贡献率为33.8%，呈显著增加趋势，平均点源负荷贡献率为66.2%，呈相对减少趋势，说明流域面源污染日益加剧，2010年面源已与点源贡献水平相当。

3.4 月尺度白洋淀流域总氮负荷模拟

用SWAT模型计算多年月平均总氮负荷量（表3、图6）。可以得出：

表3 白洋淀流域月总氮负荷模拟结果

图6 白洋淀流域月总氮负荷量分布

（1）白洋淀流域总氮负荷的环境背景值在汛期（7～9月）及汛后一段时间保持较高水平，而非汛期则负荷量很小。最高负荷量（9月）是最低负荷量（6月）的8倍。说明流域气候、径流等自然因素对总氮负荷的影响不容忽视。

（2）同时考虑气候、水文等自然因素和点、面源污染等社会因素，汛期流域总氮负荷量远高于非汛期。其中由降水、径流量的波动引起的总氮负荷变化最为明显，面源污染次之，点源排放量相对比较稳定。可见流域总氮负荷的年内分配主要取决于气候、水文条件，负荷量与降水量、径流量呈正相关关系。

4 结语

（1）白洋淀是华北地区重要的湿地保护区，对调节小气候，维护华北平原的生态平衡起着不可忽视的作用。由于自然和人为两方面因素的影响，白洋淀湿地的水环境和水生态都遭到严重破坏。白洋淀各区域水质均受到不同程度的污染，为Ⅳ类、Ⅴ类或劣于Ⅴ类水质，水体中氮磷等营养物质及有机污染物超标严重，处于富营养状态。

（2）白洋淀流域污染源包括点源污染和面源污染两大类。流域内总氮负荷主要来自城市生活污水和工业废水排放及面源污染，化肥农药、人和畜禽粪便、固体废弃物及水土流失是面源污染的主要途径。

（3）采用SWAT模型对白洋淀流域总氮移转化过程进行模拟，相对于总氮负荷的环境背景值，添加面源或点源排放后，总氮负荷分别增加了64%和116%。白洋淀流域总氮多年平均面源负荷贡献率为33.8%，点源负荷贡献率为66.2%。同时考虑气候、水文等自然因素和点、面源污染等社会因素，汛期流域总氮负荷量远高于非汛期。

［1］赖格英，吴敦银，钟业喜，等.SWAT模型的开发与应用进展［J］.河海大学学报（自然科学版），2012，40（3）：243-249.

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［5］程朝立，赵军庆，韩晓东.白洋淀湿地近10年水质水量变化规律分析［J］.海河水利，2011（3）：10-11.

［6］崔惠敏.农业面源污染对白洋淀流域水环境的影响分析［J］.现代农业科技，2011（7）：298-300.

［7］郝芳华，程红光，杨胜天.非点源污染模型——理论方法与应用［M］.北京：中国环境科学出版社，2006.

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