南苕溪流域情景变化模拟及面源污染防治研究

潘如意，丁建华 ，田 刚 ，刘 伟，王 冉

（1.温州市水利局，浙江 温州 325002；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310017）

0 引 言

南苕溪位于杭州市临安区东部，是杭嘉湖平原的重要饮用水源[1]，由南苕溪干流、马溪等10 条支流构成（见图1），经青山水库调蓄后最终汇入太湖，流域面积665 km2。虽然目前该流域点源污染排放已得到较好治理，但上游分布着近200 km2的农业种植活动区域，大量流失的营养物质导致流域下游重要饮用水源地青山水库部分月份监测水质超标，面源污染已成为影响当地水体水质的主要因素。本研究利用SWAT 模型强大的模块情景模拟功能，构建起土地利用类型变化、农业施肥量变化和生态拦截工程等假设情景，定量模拟不同情景变化对流域面源污染负荷贡献的影响程度，提出流域面源污染控制防治重点，为流域水环境精细化管理提供依据。

1 研究方法

1.1 模型构建

SWAT 模型是一种基于GIS 的分布式流域水文模型，集空间信息处理分析、数据计算、可视化模拟、多维评价等功能于一体，目前在流域径流模拟、面源污染分析等方面广泛应用[2]。

SWAT 模型数据库的构建包括空间数据库和属性数据库，数据来源见表1。模型将流域划分为38 个子流域、4 298 个水文响应单元。

1.2 模型率定验证

在SWAT 模型率定时，一般研究[3-4]认为，当相关系数R2和纳什效率系数Ens大于0.5 时，模型模拟结果可信，可较好地适用于流域模拟。本研究选用桥东村水文站2008—2013 年的逐月径流量对模型进行率定，用2014—2018 年的逐月径流量对模型进行验证。在径流量模拟效果满足适用性标准要求基础上，利用鳖堰水质监测站2014—2016 年逐月实测总磷、氨氮数据对模型进行率定，利用2017—2018 年逐月实测数据对模型进行验证。率定验证结果见表2，相关系数R2均大于0.7，纳什效率系数Ens均大于0.6，模型模拟精度满足模型适用性标准，能够较好地用于该流域污染负荷模拟。

表2 模拟效果评价表

1.3 流域面源污染负荷输出结果

根据SWAT 模型模拟结果统计，南苕溪流域多年平均总磷负荷产生量为268.79 t，单位面积总磷产生量较多的区域位于流域西北部和东部；多年平均总氮负荷产生量为1 258.56 t，单位面积总氮产生量较多的区域位于青山水库以东。图2 为多年平均总磷负荷输出空间分布图，图3 为多年平均总氮负荷输出空间分布图。

图2 多年平均总磷负荷输出空间分布图

图3 多年平均总氮负荷输出空间分布图

2 情景变化模拟与分析

早在2005 年，Bouraoui[5]等在突尼斯北部Medjerda 流域应用SWAT 进行了土地利用情景变化模拟，研究将全部农业旱地转化为灌溉作物对地表水硝酸盐浓度的影响。Thodsen[6]等利用SWAT 模型在丹麦集水区模拟研究不同化肥施用量对水环境营养负荷变化的影响。国内，吕明权[7]利用SWAT模型模拟三峡箐林溪流域的水文过程和营养元素输出过程，研究表明池塘对TN 和TP 的削减率分别是31.7%和46.0%；水库对TN 和TP 的削减率分别是7.6%和15.5%。本研究借鉴国内外学者的研究经验，基于SWAT 模型分析不同情景假设变化下对南苕溪流域水环境的影响。

2.1 土地利用情景假设分析

模型按需求划分为乔木林、雷竹等15 种土地利用类型，其中乔木林、雷竹和毛竹等面积占比较大。基于SWAT 模型研究成果，得出不同土地利用类型的单位面积氮、磷等面源污染负荷年均产生量（见表3）。从表3 可看出，单位面积有机氮负荷产生量较高的为山核桃和香榧；单位面积硝氮负荷和可溶性磷负荷产生量最高的均为水稻田；单位面积有机磷负荷产生较高的为香榧、园地等；单位面积矿物质磷产生负荷较高的为山核桃和茶园。不同土地利用类型其面源污染负荷产生量差异较大，对流域面源污染负荷贡献影响不同。

表3 不同土地利用类型氮、磷污染负荷产生量表

随着近年来当地经济的快速发展，城镇化水平不断提高，考虑未来陆地硬化面积增大、经济林地种植面积减少、土地管理不善等情况[8]，设置4 种模拟情景：

情景Q0：现状土地利用情景。

情景Q1：把研究区的雷竹、香榧、园地等种植区块全部转换为乔木林覆被，探讨退耕还林对水质的影响。

情景Q2：考虑到水田和旱地之间的相互转换性，若水田管理不善，将变成裸地、旱地等情况，探讨水田对氮、磷污染负荷的影响。

情景Q3：随着经济发展，建筑和交通用地面积不断增大，考虑将研究区的耕地全部转换为建筑、交通用地的情景（见表4）。

表4 不同土地利用情景组合设计表 单位：%

将上述4 种不同土地利用情景分别代入模型进行模拟计算，得到流域径流量和氮磷污染负荷模拟均值（见表5）。

表5 4 种不同情景下径流量、氮、磷负荷模拟结果表

径流量从大到小依次排序为情景Q3 ＞Q2 ＞Q0 ＞Q1，污染负荷从大到小排序为Q2 ＞Q0 ＞Q3 ＞Q1。相对于现状情景Q0，情景Q1 随着乔木林面积大量增加，雷竹、山核桃等农业种植作物大量减少，污染负荷大幅度削减，径流减少效果也较明显，体现退耕还林的效果；情景Q2 相对于情景Q0，水田转换为裸地、旱地后，径流增大，污染负荷流失也增大，水田对污染负荷有截留作用；相对于情景Q0，情景Q3 不透水面积增大，径流量明显增加，但污染负荷减少，主要是由于耕地减少导致施肥和泥沙流失减少。

因此为了减少流域面源污染负荷流失，可以在耕地、茶园、经济林地与受纳水体间建立植被—水塘缓冲带，截留泥沙和污染负荷，从传输途径上控制面源污染。

2.2 施肥量变化情景假设分析

农业种植土地中大量施用的肥料是流域氮磷流失的重要来源[9]，过量施用的肥料对环境造成的危害也愈发不容忽视[10]。本研究针对流域中雷竹、山核桃、水稻田等农业种植作物，设置4 种假设情景来模拟不同施肥水平对流域面源污染负荷产生的影响，分别是：①增加25%施肥量；②增加50%施肥量；③减少25%施肥量；④减少50%施肥量。模拟结果见表6。

表6 不同施肥情景下的面源污染负荷变化情况表

从模拟结果可看出，增加（或减少）施肥量对有机氮、硝态氮、有机磷、可溶性磷以及矿物质磷均具有一定程度影响，并且，等量施肥量变化情况下，施肥量增加比施肥量减少对面源污染负荷的影响更大。在施肥量减少的情况下，氮、磷污染负荷产生量均减少，其中，硝态氮、可溶性磷和矿物质磷负荷的变化率要大于有机氮和有机磷负荷，经调查，其原因是农民在施肥过程中，化肥使用占比较大，无机营养物质更易受雨水冲刷影响。总体上，减少施肥量对削减流域的污染负荷产生量具有一定的效果，但影响有限，变化率均不到3%。因此，削减流域面源污染负荷，除了要控制雷竹、水田等农作物的肥料施用量外，仍需重视配套使用其他农业管理措施，包括经济作物耕作方式和地表覆盖度、施肥时间和频率以及鼓励测土配方施肥等。

2.3 生态拦截工程情景假设分析

根据模型模拟结果，流域中多年平均吸附态氮（有机氮）、吸附态磷（有机磷、矿物质磷）流失负荷占总氮、总磷流失负荷分别为78%和87%，吸附态氮和吸附态磷流失负荷与泥沙负荷流失相关性较大[11]，较易随降雨冲刷形成水土流失汇入河道中。根据现场勘查，流域内雷竹、果园、农田等农作物下方汇水区普遍无拦挡蓄水措施，降雨后的水流直接冲刷入河。所以本研究设置假设情景，从理论上初步探讨生态拦截工程对流域面源污染负荷流失的影响。

情景假设：现状土地利用方式、施肥量等都维持不变，采用流域生态保护模式，通过模型。PND模块分别设置将流域25%、50%面积农用地区域建立坡地截排水沟，汇水入坑塘，经过坑塘停留、静置与处理后再排入河道。探讨生态拦截工程对流域面源污染的影响。

图4 为生态拦截情景假设模拟结果图。从图4 可看出，生态拦截工程情景分别削减了流域总氮流失负荷170.33 t、331.00 t，减少占比分别为13.5%、26.3%；分别削减总磷流失负荷41.38 t、76.87 t，减少占比分别为15.4%、28.6%。生态拦截工程对削减流域面源污染负荷流失起到明显的效果，因此，若考虑在流域污染负荷流失较大的园地、雷竹等农作物种植区域建立坡面生态截排水沟，在区域汇水地点建设坑塘等生态拦截工程，能够较好地改善流域面源污染。

图4 生态拦截情景假设模拟结果图

3 结 语

通过构建的SWAT 模型，定量模拟了不同假设情景对流域面源污染负荷产生的影响，得出以下结论：

1）流域多年平均总磷、总氮负荷产生量分别为268.79 t 和1 258.56 t。

2）仅减少施肥量对削减流域面源污染负荷影响有限，影响程度不到3%。

3）生态拦截工程情景对削减流域面源污染负荷具有明显效果。

4）流域面源污染治理时应重点考虑在雷竹、山核桃等农作物集中种植区域建设生态坡面截排水沟、坑塘、缓冲带等拦截工程，可有效改善流域面源污染问题。