湖北省洪湖流域非点源污染模拟评价

2023-10-28夏智宏张丽文余永安王振刚

湖北畜牧兽医 2023年8期

仲宇，夏智宏，张丽文，宋蕾，余永安，王振刚

（1.南京航天宏图信息技术有限公司，南京 210012；2.武汉区域气候中心，武汉 430074；3.江苏华高软件技术有限公司，南京 211300）

人类活动造成湖泊流域水质下降，影响了区域社会经济发展和用水安全［1］。针对SWAT 模型的水文物理过程时空变化描述和运算效率高的特性［2］，本研究重点还原湖北省洪湖流域历史污染过程，以期为湖泊流域治理提供决策支持及科学依据，实现流域水质变化及运移的科学监测及分析。

1 研究方法与数据

1.1 研究区概况

洪湖流域位于湖北省南部，纵越荆门、潜江和荆州三市，坐落于长江与东荆河之间。流域海拔落差大，上游海拔在100～209 m，中下游流域海拔仅30 m 左右［3］。流域水系自北向南，下游即为面积达348.2 km2的洪湖湖泊［4］（图1），为湖北省大型淡水湖，是国家级自然保护区、国际重要湿地，其生态环境在长江中下游大型浅水湖泊中具有代表意义［5］。

图1 洪湖流域概况

1.2 研究方法

主要利用SWAT 模型方法［6-9］对洪湖流域水质扩散过程进行模拟，并与统计分析等数学方法相结合，探索洪湖流域水质情况及其变化归因。

1.3 研究数据

研究中需要使用基础地理信息数据、气象驱动数据等来建立并驱动SWAT 模型，并利用水文、水质的实测数据对模型模拟结果进行模拟质量评估，研究所采用的各数据来源如下。

1.3.1 基础地理信息数据流域基础地理信息数据主要包含DEM（Digital Elevation Model）数据、土地覆盖类型及土壤类型。DEM 来源于美国国家航空航天局发布的数字高程模型（https：//search.asf.alaska.edu/#/），其空间分辨率为12.5 m。

土地覆盖类型数据来源于武汉大学发布的中国土地覆盖数据（CLCD，China Land Cover Dataset）（https：//doi.org/10.5281/zenodo.5210928）（图2a）。为适应SWAT 模型非点源模拟的需要，根据土地覆盖类型空间分布，基于当地的具体情况，依据权重比将土地覆盖类型再划分为6 类。其中，耕地面积最大，占总流域面积的86.32%；湿地和水体共占总流域面积的13.50%；裸地、草地、林地类型呈零散分布，占比较低，约为0.18%。

土壤类型数据来源于世界土壤数据库（HWSD，Harmonized World Soil Database）发布的全球30 m 分辨率土壤数据（http：//www.fao.org/geonetwork/srv/en/main.home）（图2b）。HWSD 土壤类型数据在洪湖流域共覆盖了21 种类型，考虑到模型运行速率等原因，为了优化模型性能将土壤类型进行再分类，最终在洪湖流域实现7 类土壤类型覆盖。

1.3.2 气象数据洪湖流域的驱动气象数据源于湖北省气象局气象观测站点数据，共11 个气象站点，空间分布详情见图1。包含变量分别为降水量、平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、相对湿度、气压、平均风速。

此外模型还需要太阳辐射数据，考虑到辐射站点和辐射数据的匮乏，参考清华大学Hybrid 模型估算流域辐射数据如气压、气温、相对湿度、日照时数和风速等［10，11］，算式如下。

式中，Rsw表示短波辐射（J/m2），Rsw，clr表示晴空下的短波辐射（J/m2），τc表示云层的辐射透过率，n是日照时数，N是最大日照时数。

1.3.3 水文水质数据研究中能够获取并用到的实测数据主要有径流数据和水质数据，分别来源于洪湖市水文局和荆州市生态环境局。监测站点信息见表1，空间分布见图1。其中福田寺水文站的径流数据受人工影响较大（图3），只有2016 年呈现出降水-径流较好的相关性，故选用2016 年整年的径流流量数据，时间分辨率为逐日。同时选取了2020年运粮湖同心队和排水闸两个水质断面的水质监测逐日数据。

表1 监测站点信息

图3 2008—2010 年、2016—2020 年福田寺闸口径流与降水的季节变化

2 洪湖流域水文过程模拟

2.1 模型构建

将洪湖流域共划分为136 个子流域，随后基于土地覆盖类型和土壤类型的组合对子流域进行水文响应单元划分，土地利用类型、土壤类型和坡度最小阈值比均定为10%，共划分了545 个水文响应单元。基于上述基础地理信息数据、气象驱动数据共同构建了洪湖流域SWAT 水文模型，模型步长为逐日，空间分辨率为30 m。

建模共确定13 个率定参数，物理意义见表2。其中径流曲线数Cn2 在［-2，2］区间内，对径流流量数据有较强的敏感性。

表2 SWAT 模型主要参数物理意义描述

2.2 参数率定

径流模拟的评价指标主要包括决定系数（R2）以及水文研究中常用的纳什效率系数（NSE），算式如下。

式中，N表示时间序列元素总数，Xsi表示模拟值，Xoi表示观测值，分别表示模拟时段内模拟值和观测值的平均值。纳什效率系数［12］的值通常是不大于1 的，其值越大（越接近1），则表示模型模拟结果越接近真实情况。

洪湖流域SWAT 模型主要针对径流（图4）、总磷、总氮（图5）进行了率定。由图4 可知，在径流率定期，2016 年福田寺日径流模拟结果的纳什效率系数NSE= 0.57，决定系数R2= 0.66，较好地再现了2016 年福田寺出水口的径流逐日变化过程。综合以上结果，以流域出口径流作为评价标准，模型在精细的时间尺度上合理地再现了福田寺2016 年的流域径流过程，并准确刻画了径流的季节变化。

图4 2016 年福田寺逐日径流观测和模拟对比

图5 2020 年运粮湖同心队、排水闸站点的逐日（不连续）总磷、总氮观测和模拟对比

图5 是2020 年运粮湖同心队、排水闸站点的逐日（不连续）总磷、总氮散点图对比结果。运粮湖同心队的水质模拟结果显示，总磷的决定系数R2=.614 4，总氮的决定系数R2高达0.719 9，表明该模型在流域上游有很好的水质模拟效果（图5a、图5b）。而在下游排水闸断面，模拟总磷与观测数据的决定系数R2=0.784 0，总氮的决定系数R2为.763 9（图5c、图5d）。综上，以流域水质监测断面作为评价标准，SWAT 模型也可以很好地复刻该流域的水质演变过程。

3 洪湖流域非点源污染评价

3.1 流域非点源污染空间分布特征

面源污染具有非常显著的空间相关性，其形成与当地地形、土地利用类型、降雨径流过程和土壤类型相互作用相互联系。根据率定后的洪湖流域SWAT 模型，对洪湖流域非点源污染进行模拟，结果见图6。

图6 2016—2020 年洪湖流域非点源污染模拟空间分布

流域中河流含沙量大不仅影响水质，同时也会淤塞河道抬高河床而容易造成洪涝灾害。洪湖流域泥沙年总产量可达3.26×106t，洪湖水系产沙量为7.16×105t/年，占流域总产沙量的21.96%。其中子流域42、123、101、97、120 的泥沙产量达到了50 t/hm2以上，是洪湖流域较大的泥沙产量子流域（图6a）。

从图6b、图6c 中可以看出，叶绿素a 和生化需氧量的空间分布呈一定相关性，这是由于水中叶绿素a 含量高，意味着浮游植物数量较多，浮游动物摄食量增大，排泄物增多，造成水中有机质增多，因而生化需氧量也增大。但两者仍存在一定的差异，如叶绿素a 高浓度主要分布在子流域97、47、42、44、58等，浓度均在0.4 mg/L 以上。生化需氧量在子流域128 浓度最高达到了2 420 mg/L，子流域27、136、25、17 均处于高值。总的来看，自流域中游（即运粮湖同心队水质站）向下游，靠近河流主干道及洪湖湖泊附近的水体污染相对较严重。

水中溶解氧是表征水体自净能力的指标。洪湖流域中下游溶解氧浓度普遍偏高，上游偏低（图6d）。

由图6e、图6f 可知，洪湖流域总磷产生主要集中在子流域96、100、116、51、52，产出量在4 kg/hm2以上，子流域42 总磷达到了5.34 kg/hm2。流域中游总磷产出最高，洪湖湖泊周边的子流域总磷产出也偏高。洪湖流域的有机磷空间分布整体与总磷相近，有机磷产生总量约为1 198.94 t，主要集中在子流域43、49、6、116、75、39、69、60，占流域总产量的19.79%，单个子流域有机磷生产量最高达42 t。总的来说，洪湖流域的磷污染现象较轻。

由图6g、图6h 可知，洪湖流域总氮分布的空间差异性与总磷相似，其中子流域69 总氮达到了18.08 kg/hm2。该流域有机氮产生总量为9 194.17 t，主要集中子流域与有机磷相似，单个子流域有机氮生产量高达324.04 t，位于子流域43。无论是有机磷还是有机氮，污染严重的区域均靠近洪湖流域主干道，流域中游（即运粮湖同心队水质站）附近的有机磷、有机氮、总磷、总氮污染较严重。就整个流域而言，有机氮的产出量是有机磷产出量的7～8 倍，即洪湖流域面源污染以氮污染为主。

3.2 土地利用类型变化对非点源污染的影响

土地利用类型对流域水质带来了一定的影响。洪湖流域的土地利用类型主要为湿地、耕地与水体，其中水体的自作用可以忽略，图7 对比分析了陆面产沙量、有机氮、有机磷、矿物磷、硝态氮、可溶磷在不同土地覆盖（湿地及耕地）下的产出模拟结果。

图7 不同土地利用类型非点源污染对比

单位面积湿地主要产出泥沙量、有机氮、矿物磷，而单位面积耕地则易造成泥沙量、有机氮、硝态氮的产出。可见单位面积耕地更容易产出更多的有机氮和无机氮（硝态氮），即相比单位面积湿地，单位面积耕地对氮污染的贡献更大。洪湖流域耕地面积占总流域面积的86.32%，约878 106.85 hm2，面积广泛的耕地产出大量的有机氮和无机氮，这可能是造成洪湖流域氮污染严重的主要因素。除此之外，单位面积湿地对有机磷和矿物磷的产出量均比单位面积耕地产出的高，但考虑到流域内湿地覆盖面积较小，且根据“3.1”小节看出流域整体磷污染较轻，故不做深入分析。