基于SWAT模型的黑水河流域非点源污染控制方案研究

2021-06-25徐凌云

人民珠江 2021年6期

徐凌云

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200335)

随着工业点源污染控制水平的提高，非点源污染成为了流域水环境污染的主要原因，而流域内的土地利用是非点源污染的主要影响驱动因子。土地利用通过各种直接或间接参与生态环境系统的物质能力转换与流动，对生态环境质量及其组分如水、大气等产生巨大的影响。不适当的土地利用方式和农田管理模式会导致土壤侵蚀和过量的N、P随地表径流流失[1-2]，从而形成流域内的大面积非点源污染，引发水体水生态环境质量的恶化。非点源污染负荷的防治是提高流域水生态环境质量的重要举措之一，目前对非点源污染负荷的研究应用最广泛的是美国农业部(USDA)农业研究局(ARS)开发的SWAT模型[3-4]，该模型在非点源污染负荷的测算与时空分布[5-7]、污染防控或管理措施的效果评估[8-11]、污染源的识别与控制[12-14]、关键污染区域与污染时间的识别[15-17]等多方面均得到了广泛的应用。本文利用SWAT模型建立四川省黑水河流域非点源污染负荷预测模型，模拟流域泥沙及污染物空间分布及不同控制措施情景下流域非点源污染负荷的变化情况，探讨流域不同土地利用方式与非点源污染之间的定量关系，为流域土地利用规划和非点源污染负荷的控制提供实际解决方案。

1 研究区域概况

黑水河是金沙江左岸一级支流，位于四川省凉山彝族自治州境内，介于东经102°20′～102°53′、北纬28°7′～26°48′，发源于昭觉县玛果梁子，自北向南流经昭觉、普格、宁南3县，于宁南县东南部葫芦口注入金沙江(图1)。流域总面积3 591 km2，干流全长173.0 km，天然落差1 931 m，平均比降11.05‰，河口处多年平均流量为80 m3/s，径流量25.25亿m3。目前黑水河流域土地利用方式主要有林地、坡耕地、耕地、建设用地、裸地、水域及水利设施用地等，其中坡耕地和耕地主要沿黑水河、则木河、西洛河及其两侧支沟的河谷地带分布。根据对黑水河流域的初步调查分析，威胁流域内水文、水质及自然生态系统的主要因素包括地表径流污染、采石挖沙、农田施肥及水产畜禽养殖等。

2 模型建立及率定验证

2.1 基础资料

a)DEM数据。采用流域30 m×30 m的DEM数据。DEM图中可以看出，黑水河流域北高南低，地貌多以山岭和河谷相间，河谷到分水岭高差较大，在700～4 000 m，沿河支沟发育。

b)土地利用。根据黑水河流域1∶250 000的土地利用图，结合SWAT模型的模拟要求，将土地利用类型重新划分为5类。其中林地面积最大，占总面积的52.26%，其次是草地和旱地，分别占31.25%和13.81%，水田占比2.47%，裸地占比0.21%，为了研究不同控制措施的效果，忽略占比较小的采石挖沙、居民点、工矿养殖等土地利用类型。

c)土壤数据。土壤数据采用第二次全国土地调查南京土壤所提供的1∶100万土壤数据，包括土壤厚度、土壤颗粒组成、持水率等基本信息，土壤类型采用收集到的1∶250 000土壤类型空间分布图。土壤属性部分在HWSD数据库里查询得到，部分采用模型默认值，另一部分利用SPAW软件计算或者公式法计算得到属性值。

d)植被覆盖。SWAT模型使用简单的植被生长模型来模拟所有的陆地覆盖类型，模型能够区分一年生植物和多年生植物，一年生植物从种植日期开始到收获日期，或直接积累的热量单元等于植物的潜在热量单元；多年生植物全年维持其根系系统，在冬季月份中进行冬眠；当日均空气温度超过最小即基准温度时，重新生长。植物生长模型用来评估水分和营养物质从根区的迁移、蒸发以及生物产量。SWAT模型中有关土地利用和植被覆盖的数据通过文件crop.dat进行存储和计算。

e)气象数据库。SWAT模型需要的气象数据主要包括流域的日降水量、最高/最低温度、太阳辐射、风速和相对湿度，这些数据可以是统计数据，也可以通过SWAT模型的天气模拟程序(天气发生器)生成，或者是统计和模拟生产数据的结合。本次模拟气象数据来自会理、西昌、昭觉3个气象站连续8年的资料，包括平均风速、平均气温、日最高气温、日最低气温、平均相对湿度、太阳辐射以及降水量数据等。

f)水文水质数据。水文水质数据主要通过实地监测、资料收集或购买获得，用于模型校准验证的水文、泥沙数据为宁南水文站2008—2013年的实测月径流、年均输沙量资料，水质数据采用黑水河河口2008—2013年丰、平、枯水期的实测水质。不同控制措施的研究基于2016年土地利用类型，模型输入条件采用2016年各子流域的污染源月均日负荷、各入流点的日流量以及流域内主要水库的相关数据。

2.2 模型建立

2.2.1子流域划分原则

①以黑水河一级支流作为1个集水区；②规模较大的一级支流(如西洛河、则木河等)，以黑水河二级支流作为1个集水区；③为避免产生过小的集水区或明显错误的破碎集水区，支流汇口局部区域并入干流集水区。根据以上划分原则，黑水河流域共划分25个流域单元(图1)。

图1 黑水河流域范围及子流域划分

2.2.2水文响应单元划分

本次研究采用每个子流域多个HRUs的划分方法。根据土地利用和土壤类型的组合和分布特征，确定土地利用和土壤类型的面积阈值，土地利用的阈值为10%，土壤类型的阈值为20%。对土地利用和土壤类型图进行叠加，在整个子流域内生成138个水文响应单元。

2.2.3农业管理模拟

根据研究区域的农产品种植结构和农业施肥的调查资料，选用流域内主要耕作方式：旱地为冬小麦、油菜/夏玉米、马铃薯轮作，水田模拟为水稻。具体的施肥量和种植季节见表1。四川农作物农药使用强度按15.7 kg/hm2计算。

表1 区域主要作物种植情况及农药化肥使用量

2.3 模型率定和验证

2.3.1模型的参数设置

将2008—2010年设置为率定期、2011—2013年设置为验证期；参数在初始赋值的基础上通过自动和手动调参以适应流域的实际情况，模型参数取值见表2。

表2 模拟率定参数选取及取值

2.3.2模型率定结果

在SWAT模型中，可以选择相关系数R2、相对误差Re和Nash-Suttcliffe系数Ens来评价模型的适用性[18]。相关系数R2=1表示非常吻合，当R2<1时，其值越小反映出数据吻合程度越低。Nash-Suttcliffe系数Ens=1表示非常吻合，若Ens为负值，说明模型模拟平均值比直接使用实际平均值的可信度更低。一般Ens>0.5，R2大于0.6，Re小于15%时表示精度可以满足模拟要求。率定及验证情况见表3。

表3 宁南水文站月径流、泥沙、总氮、总磷率定验证结果

由表3可知，率定期的径流、泥沙负荷和氮磷负荷模拟结果除了Re略高外，其余指标均在合理范围内，验证期的模拟效果较好，3个指标均在合理范围内，总体来说，率定期和验证期的模拟结果相差不大，均可以接受。本研究采用该模型模拟的模拟结果较为可信。

3 结果与讨论

3.1 流域产水量及污染负荷空间分布

利用校准验证后的黑水河流域模型，模拟计算基于2016年土地利用类型的各子流域的产水量及污染负荷(图2)。

模拟结果显示，黑水河流域产水量较小的区域主要集中在黑水河流域东北部地区，包括普格县东部和昭觉县南部地区，黑水河流域其他地区产水量均较大；黑水河流域产沙强度与产水量大小分布基本一致，同时林地分布面积较大的区域产沙强度小，靠近河流且耕地分布较广的区域产沙强度较大；从黑水河流域污染负荷空间分布来看，有机氮和有机磷污染负荷强度空间分布特征基本相同，有机氮和有机磷污染负荷强度最大的区域主要集中在流域西北部的和流域西南部。

a)月均产流量

3.2 不同土地利用类型的非点源污染负荷

以月为时间步长，计算黑水河流域基于2016年土地利用类型的非点源污染负荷总量和单位面积负荷量，结果见表4、5。

3.2.1流域总污染负荷

由表4可知，泥沙和氮磷非点源污染负荷的流失与土地利用类型关系密切，旱地产生的非点源污染负荷量最大，各项污染负荷占比均超过50%，其次为草地，再次为林地，最后为水田，由于水田面积占比较小，其污染负荷的贡献量也最小。综上可以看出，不同土地利用类型中非点源污染负荷比例不一，主要受人类农业生产活动的影响。

表4 不同土地利用类型非点源污染负荷

表5 不同土地利用类型单位面积非点源污染负荷

3.2.2单位面积污染负荷

不同土地利用类型下，流域单位面积泥沙负荷从高到低依次为旱地、草地、水田和林地；单位面积有机氮和有机磷负荷从高到低依次为旱地、水田、草地和林地。由此可知，在黑水河流域旱地、水田是非点源污染负荷的主要产出方式，林地具有水源涵养功能，在水土保持和污染物截留等方面发挥着巨大的作用。

3.3 不同控制措施及效果分析

将单位面积污染物负荷产出高的子流域作为流域的关键源区，根据黑水河流域污染负荷空间分布结果，流域的非点源污染防治的关键源区主要在流域西北部和西南部，如子流域11、22、24，这些子流域的耕地分布较广且靠近河流，需要重点关注。考虑将关键源区内单位面积非点源污染负荷输出最大的旱地改为水田，将零星的裸地改为泥沙输出负荷最小的林地以及退耕还林、设置缓冲带等措施，模拟实施不同控制措施后流域非点源污染负荷输出的变化。

3.3.1水田改旱地

在黑水河流域内，农业种植中旱地占较大比例，旱地是单位面积非点源污染负荷输出最大的土地利用类型，而水田的非点源污染负荷输出略小于旱地。因此，将关键源区子流域的水田改为旱地，模拟非点源污染负荷，反推通过减少旱地等措施，降低非点源污染负荷。模拟结果显示(表6)，通过将水田全部改为旱地，流域泥沙负荷增加了7.75%，有机磷污染负荷增加7.40%，有机氮污染负荷增加9.18%。

表6 水田改旱地情景下污染负荷的变化情况

3.3.2裸地改林地

在黑水河流域内，存在部分裸地，裸地是产沙、产污量较大的一种土地利用类型，将关键源区内裸地改为水土保持能力和污染物截留能力最好的林地，模拟在此情景下对流域内非点源污染的削减效果。模拟结果显示，通过将裸地全部改为林地，对泥沙和有机氮、有机磷均有一定的削减效果，其中泥沙污染负荷削减率为0.33%；有机氮污染负荷削减率为0.30%；有机磷污染负荷削减率为0.28%。

表7 裸地改林地情景下污染负荷的削减效果

3.3.3退耕还林

将流域内坡度大于15°的耕地采取退耕还林措施，模拟退耕还林对流域出口处非点源污染的削减作用，模拟结果显示(表8)，流域出口泥沙及有机污染负荷的输出量均有一定削减效果，其中泥沙负荷削减率达到33.06%、有机氮污染削减率为18.82%、有机磷污染削减率为13.03%。

表8 退耕还林情景下流域出口污染负荷的削减效果

3.3.4设置缓冲带

缓冲带是指利用永久性植被拦截污染物或有害物质的条带状、受保护的土地[19]。通常在水体岸边设置缓冲林带，保护建立在河湖、溪流和沟谷沿岸的各类林带或灌木带，可以有效拦截农业面源污染，减少污染物向水体的排放。SWAT模型可以模拟缓冲林地对泥沙、有机污染物负荷的消减作用。

对关键源区子流域分别采取设置10、5 m宽植被缓冲带措施，模拟不同宽度缓冲带对流域内非点源污染的削减作用。模拟结果显示(表9)，5 m植被缓冲带对泥沙和有机磷、有机氮的削减率分别为49.35%、59.17%、59.16%；10 m植被缓冲带对泥沙和有机磷、有机氮的削减率分别为60.69%、72.67%、72.67%。

表9 不同宽度缓冲带情景下污染负荷的削减效果

3.4 讨论

结合以上4种不同控制措施情景模拟，以及相应措施对非点源污染负荷削减效果，发现设置植被缓冲带和退耕还林对非点源污染负荷削减效果比较明显。其中10 m植被缓冲带削减效果要比5 m植被缓冲带的削减效果增加10%～15%，而同样宽度下，植被缓冲带对有机磷和有机氮的削减效果相当，退耕还林及旱地改水田情景模拟下，对有机氮的减负效果要好于有机磷，由于流域内裸地面积占比较小，采取裸地改林地后可以一定程度上降低非点源污染负荷，但效果不明显。若组合以上情景措施，对流域非点源污染负荷的削减效率将会更高。