基于SWAT模型的尼山水库流域面源污染特征分析

矫桂丽,刘洪林,孙秀玲,尹儿琴,姜瑞雪

基于SWAT模型的尼山水库流域面源污染特征分析

矫桂丽1,刘洪林1,孙秀玲2,尹儿琴3*,姜瑞雪3*

1. 山东省水文局, 山东 济南 250002 2. 山东大学土建与水利学院, 山东 济南 250061 3. 山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018

本研究通过对尼山水库流域进行实地调查和资料收集，利用SWAT模型估算了尼山水库流域面源污染负荷，分析了面源污染的时空分布特征，识别了尼山水库流域面源污染关键污染区域和关键污染源。结果表明：2015–2018年，流域总氮、总磷入库负荷平均值为264.74 t/a和43.1 t/a，雨季（6–8月）总氮、总磷入库负荷分别占总入库负荷的93.23%、87.90%；尼山水库流域总氮和总磷高流失区集中在张庄镇、尼山镇，其次为田黄镇西南部和圣水峪镇北部；肥料流失是造成尼山水库流域面源污染的主要的人为因素，其中氨氮、总氮、总磷分别占总量的34.52%、39.85%和52.95%。

尼山水库; 面源污染; SWAT模型

近年来，农业种植和农村生活引起的面源污染对水资源和水环境的影响逐渐凸显。由于面源污染发生和传输的特殊性，利用模型开展面源污染负荷量化、时空分布规律研究及污染区和污染源的识别对面源污染的防控至关重要[1,2]。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型基于物理机制，可有效模拟多种物理化学过程，且集成遥感及地理信息系统，运行速度快，效率高，SWAT模型在流域污染物模拟方面的有效性已得到了国内外学者的广泛证实[3-5]。

尼山水库位于曲阜市尼山镇刘楼村，泗河支流小沂河的上游，是一座集防洪、灌溉、工业和城市供水、旅游等综合利用的大型水库，总库容1.128亿m3，流域面积258.57 km2。流域内多年平均降雨量750 mm，雨季多集中在6–8月份，流域内多年平均气温13.7 ℃，多年平均最大风速11.4 m/s。流域内主要土地利用类型为耕地和林地，分别占流域总面积的56.44%和21.48%，农作物主要为小麦、玉米等。流域内包括5个乡镇，人口约7.23万。

本文旨在探讨SWAT模型在尼山水库流域的适用性，并利用率定后的SWAT模型估算该流域面源污染负荷，分析面源污染的时空分布特征，识别尼山水库流域面源污染关键污染区域和关键污染源，这将为尼山水库流域的面源污染的防控和水资源保护提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 SWAT模型构建

1.1.1数据库构建构建SWAT模型所需的基本数据包括空间数据和属性数据。空间数据包括数字高程模型图（DEM）、土地利用图、土壤类型分布图等，属性数据包括土壤的物理化学属性、气象、水文、水质及污染源数据等。本研究的DEM图来自地理空间数据云，精度为30 m；土地利用图基于2019年7月高分1号卫星遥感影像（空间分辨率为8 m）经非监督分类结合目视解译获得，其中耕地与林地占比较大，分别为56.44%和21.48%，农村居民点和草地次之，分别占7.83%和8.32%，水域和裸土地分别占4.57%和1.36%；土壤类型分布图（1:100万）来自寒区旱区科学数据中心。土壤基本属性数据来自世界土壤数据库（HWSD）；气象数据包括日降雨、气温、风速、相对湿度等来源于中国气象数据网和当地水文局。根据第二次全国污染源普查和实地调查，将农业种植污染、农村生活污染和畜禽养殖污染识别为流域内的人为面源污染源。农业种植污染源采用污染源普查数据，农村生活污染源和畜禽养殖污染源采用排污系数法计算获得[6]。

1.1.2 流域空间离散化流域空间离散化主要包括子流域划分与水文响应单元（HRUs）划分。子流域的划分采用SWAT模型的水系生成和流域分割功能，通过提取数字高程模型的地形地貌并参考数字河网水系获得，本研究区域共被划分为57个子流域，平均流域面积4.28 km2，最小流域面积0.02 km2，最大流域面积19.22 km2，如图1所示。子流域再按土地利用状况、土壤特性和坡度划分成1069个HRUs。

图1 子流域划分图

表1 参数率定和验证结果

1.1.3 模型参数率定与验证本研究采用自动率定与手动率定相结合的方法对敏感性参数进行率定和验证，先进行径流参数再进行营养盐参数的率定和验证[7]。由于尼山水库缺乏历年入库河流流量和水质数据，因此模型的校准与验证采用2019年的实测数据。选取夫子洞大桥站、颜母大桥站作为径流和营养盐参数率定与验证站点。在模型自带的SWAT-CUP分析模块对径流和氮、磷负荷敏感性分析的基础上，重点对与径流相关的7个参数（CN2、ESCO、ALPHA_BF、GW_DELAY、SOL_Z、SOL_BD、SOL_AWC）、与总氮和氨氮相关的4个参数（CND、SDNCO、ERORGN、NPERCO）和与总磷相关的2个参数（RPERCO、PHOSKD）进行手动率定[8]，利用纳什系数（NS）和决定系数（2）评价模型的模拟效果，评价结果见表1。由表1可见，在模型率定期和验证期，夫子洞大桥站和颜母大桥站的径流、氨氮、总氮和总磷的2均大于0.6，NS均大于0.5，表明SWAT模型对尼山水库径流和营养盐的模拟效果较好[9]。

2 结果与分析

2.1 面源污染时间分布

2.1.1 年内分布

图2 降雨、径流及氮磷入库负荷年内分布

图3 降雨、径流及氮磷入库负荷年际分布

尼山水库流域降雨、径流及氮磷入库负荷年内分布见图2。由图2可知，尼山水库流域2015–2018年月均营养盐负荷变化与降雨径流变化趋势基本一致，1–5月呈缓慢上升，6–8月达到峰值，9–12月逐渐降低。尼山水库流域2015–2018年流域总氮、总磷入库负荷平均值分别为264.74 t/a和43.1 t/a，雨季（6–8月）总氮、总磷入库负荷分别占总入库负荷的93.23%和87.90%，说明降雨是影响尼山水库流域氮磷负荷的重要因素。此外流域地表径流氮磷流失还受土壤类型、肥料施用及人为管理措施等各种因素的影响[10]。尼山水库流域在10月份种植小麦并施用基肥，次年3月左右施用追肥，在此期间降雨量较小，氮磷在土壤中累积；5–6月份种植玉米并施基肥，7–8月进行追肥，磷肥在玉米种植时一次性加入，进入雨季后大量氮磷随径流排入河道，造成入库河流氮磷浓度急剧增大[11]。

2.1.2 年际分布尼山水库流域2015–2018年氮磷负荷年际分布特征见图3。由图3可见，2015–2018年降雨量为507.89～629.11 mm，最大值出现在2017年，最小值出现在2015年，整体呈M型趋势变化。2015年–2018年总氮入库负荷为180.74～334.88 t/a，平均为264.74 t/a，总磷入库负荷为20.78～61.81 t/a，平均为43.14 t/a。氮磷负荷年际变化与径流量变化趋势一致，最大值均出现在2017年，最小值位于2015年。

2.2 面源污染空间分布

本研究模拟了2018年尼山水库面源污染总氮和总磷流失的的空间分布，由图4和图5可见，总氮和总磷的流失具有显著的空间特征。2018年尼山水库流域单位面积总氮输出强度为0.01～21.05 kg/hm2，平均值为10.00 kg/hm2，呈现南部高于北部，输出强度最高的子流域为53、52、32、46、36，其次为45、49、13、41、42等，高流失区集中在张庄镇、尼山镇，其次为田黄镇西南部和圣水峪镇北部（具体见图4）。2018年尼山水库单位面积总磷输出强度为0.001～3.42 kg/hm2，平均为1.68 kg/hm2，总体呈现流域西部高于东部，输出强度较大的子流域为52、53、32、13、46，子流域49、5、10次之，高流失区同样集中在张庄镇、尼山镇，其次为田黄镇西南部和圣水峪镇北部（具体见图5）。张庄镇和尼山镇人口密度大，农村生活污染问题突出[12]，田黄镇西南部和圣水峪镇北部耕地较多，农业生产活动强度大[13]。张庄镇、尼山镇、田黄镇西南部和圣水峪镇北部是污染负荷分布的集中区域，也是面源污染控制的重点区域。

图4 流域总氮流失空间分布图

图5 流域总磷流失空间分布图

2.3 面源污染贡献率分析

图6 流域氮磷污染贡献率分析

尼山水库流域内的主要面源污染源有肥料流失、农村生活、畜禽养殖和环境背景排放等，环境背景排放主要与土地利用方式、土壤物理化学性质、地形地貌、气候等因素相关[6]。利用已率定的SWAT模型对尼山水库流域内的面源污染进行了估算，各污染源的氮磷贡献率如图6所示。在3类人为面源污染源中，肥料流失造成的污染比重最大，其中氨氮、总氮、总磷分别占总量的34.52%、39.85%和52.95%，其次为农村生活和畜禽养殖，这与尼山水库流域内的经济生产有直接的关系。尼山水库流域内无典型工业，以农业种植为主，而农业种植集约化和信息化程度又较低，农药和化肥被大量使用。所以针对尼山水库流域污染特点，应实施农药、化肥减量化措施并优化种植结构。

3 结论

本文以尼山水库流域面源污染为研究对象，以SWAT模型为工具，估算了研究区内面源污染负荷，并分析其时空分布特征，确定关键污染区域及关键污染源，主要结论如下：

（1）2015–2018年，尼山水库流域雨季（6–8月）总氮、总磷入库负荷分别占总入库负荷的93.23%、87.90%，且总氮、总磷入库负荷年际波动受降雨影响较大，说明降雨是影响尼山水库流域氮磷负荷的重要因素；

（2）尼山水库流域总氮和总磷高流失区集中在张庄镇、尼山镇，其次为田黄镇西南部和圣水峪镇北部，污染负荷分布的集中区域也是面源污染控制的重点区域；

（3）在肥料流失、农村生活和畜禽养殖3类人为污染源中，肥料流失污染比重最大，其次为农村生活和畜禽养殖，针对尼山水库流域污染源特点，应实施农药、化肥减量化措施并优化种植结构。

[1] 马亚丽,白祖晖,敖天其.基于SWAT模型的龙溪河泸县境内面源污染特征分析[J].中国农村水利水电,2019(7):103-109

[2] 翟玥,尚晓,沈剑,等.SWAT模型在洱海流域面源污染评价中的应用[J].环境科学研究,2012,25(6):666-671

[3] Donmez C, Sari O, Berberoglu S,.Improving the applicability of the SWAT model to simulate flow and nitrate dynamics in a flat data-scarce agricultural region in the mediterranean[J]. Water, 2020,12(12):488-897

[4] Uniyal B, Jha MK, Verma AK,. Identification of critical areas and evaluation of best management practices using SWAT for sustainable watershed management [J]. Science of the Total Environment, 2020,744(11):48-59

[5] 郑思远,王飞儿,俞洁,等.水文响应单元划分对SWAT模型总氮模拟效果的影响[J].农业环境科学学报,2019,38(6):1305-1311

[6] 罗运祥,苏保林,杨武志,等.基于SWAT的柴河水库流域非点源污染识别与评价[J].北京师范大学学报(自然科学 版),2012,48(5):510-514

[7] 王蕾,魏晓妹,降亚楠,等.关中平原灌区SWAT模型基础数据库的构建[J].水电能源科学,2017,35(7):13-17

[8] White KL, Chaubey I. Sensitivity analysis, calibration, and validations for a multisite and multivariable SWAT model [J]. Journal of the America Water Resources Association, 2005,41(5):1077-1089

[9] 柳强,王康,罗彬,等.基于SWAT模型的涪江流域下垫面对面源污染负荷的影响分析[J].生态与农村环境学报,2019,35(6):722-729

[10] 王萌,王敬贤,刘云,等.湖北省三峡库区1991-2014年农业非点源氮磷污染负荷分析[J].农业环境科学学报,2018,37(2):294-301

[11] 马睿,程凯,郭莹莹,等.基于SWAT模型的石汶河流域农业非点源氮污染时空分布特征研究[J].中国水土保持,2020,7(4):61-64

[12] 穆婧,史明昌,郭宏忠,等.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[J].中国水土保持,2013(9):49-52

[13] Shen ZY, Hong Q, Yu H,. Parameter uncertainty analysis of non-point source pollution from different land use types [J]. Science of the Total Environment, 2010,408(8):1971-1978

Analysis of Non-point Source Pollution Characteristics of Nishan Reservoir Based on SWAT Model

JIAO Gui-li1, LIU Hong-lin1, SUN Xiu-ling2, YIN Er-qin3*, JIANG Rui-xue3*

1.250002,2.250061,3.271018,

Based on the field investigation and data collection of Nishan reservoir basin, the pollution load was estimated, the characteristic of spatial and temporal distribution was analyzed, and the key pollution area and source was identified by SWAT model. The results showed that average load of total nitrogen (TN) and phosphorus (TP) was 264.74 t/a and 43.1 t/a in 2015-2018. The load of TN and TP accounted for 93.23% and 87.90% in the rainy season (June-August). The high loss area of TN and TP were Zhangzhuang town and Nishan town, followed by the southwest of Tianhuang town and the north of Shengshuiyu town in Nishan reservoir basin. Fertilizer loss was the main human factor of non-point source pollution of Nishan reservoir basin, in which ammonia nitrogen (NH3-N), TN and TP accounted for 34.52%, 39.85% and 52.95%, respectively.

Nishan reservoir; non-point source pollution; SWAT model

X524

A

1000-2324(2021)03-0470-05

2020-04-12

2020-05-26

山东省水文局典型区域面源污染估算、典型流域污染物通量分析研究项目(HYHA2019-0731SDGP370000201902002236)

矫桂丽(1980-),女,博士,工程师,研究方向为水环境监测及评价. E-mail:44418488@qq.com

Author for correspondence.E-mail:yinerqin@sdau.edu.cn; 34491783@qq.com