SWAT模型在梁子湖流域农业面源污染研究中的应用

一、引言

2015年3月18日通过了《全国农业可持续发展规划》后，农业部部长韩长赋主持召开部常务会议，强调要把农业面源污染防治作为一项重要工作来抓，作为转变农业发展方式的重大举措，作为实现可持续发展的重要任务来实施。要确保实现“一控两减三基本”（严格控制农业用水总量，减少化肥、农药施用量，地膜、秸秆、畜禽粪便基本资源化利用）目标。要明确思路措施，通过推进农业清洁生产和标准化生产、发展现代生态循环农业、节水农业，加强农业面源污染综合防控示范区建设等途径推进防治工作。因此可见，农业面源污染问题已经引起高度重视，有效治理面源污染更是迫在眉睫。

由于面源污染具有分散性和隐蔽性，随机性和不确定性以及不易检测性和空间异质性等特点，定量化研究面源污染问题比较复杂且难度较大，但由于治理农业面源问题是发展生态农业的重中之重，因此国内有不少研究者对此问题作过研究。国内翟玥，尚晓，沈剑等 [1]利用验证后的SWAT模型定量分析云南洱海流域内各区域的农业面源污染源结构，识别洱海流域重点农业污染源和农业污染村镇。李玉庆，张文贤等 [2]通过在前郭灌区布置不同氮磷施用量及不同灌水量的田间试验，在不同位置提取水样，测定水样中的氨氮、硝氮、磷酸盐和化学需氧量，研究了地表水中农业面源污染物的迁移转化规律与迁移转化特征。刘伟，周娟 [3]运用博弈论的理论和方法构建农业面源污染控制中政府、农资经销商和农户博弈模型，分析其纯策略纳什均衡并求出混合策略纳什均衡解。唐浩，熊丽君，黄沈发等 [4]综述了农业面源污染防治相关领域的研究进展，对农业面源污染控制领域未来重点研究方向进行了展望，并提出了需要从技术、经济、管理等各个层面控制面源污染的相关建议。众多研究中，传统的野外实测法已经逐渐被SWAT模型模拟研究法取代，含有GIS技术的SWAT模型对面源污染问题可以提供更加精确和有效的防控措施。所以，本文利用SWAT模型对梁子湖面源污染问题进行分析，并提出相应的政策建议，以期为对改善梁子湖水质和科学制定面源污染政策提供一定理论依据。

二、梁子湖面源污染现状

梁子湖东连鄂州、西接武汉、南衔咸宁，距武汉、鄂州、黄石、咸宁四城市均在50公里以内，全湖42万亩，流域面积3265平方公里，是湖北省面积第二大、蓄水量第一大的淡水湖。据湖北省政府网站知，梁子湖武汉水域沿岸共有9个乡镇街、125个行政村，常住人口约为12.1万，这些常住人口大多主要从事农业耕种和水产养殖。该流域共有耕地115万亩，占流域面积的37%。根据《梁子湖生态保护规划》知，梁子湖主要入湖污染物总氮、总磷和COD的有效环境容量分别为1972吨/年、99吨/年和13061吨/年，而2008年入湖量分别为2101吨、196吨和9943吨，即总氮超过环境容量7%、总磷超过98%、COD尚有一定剩余。到2014年，如果不加以严格控制，总氮、总磷和COD的入湖量将分别达到2435吨、227吨和11526吨，总磷超出环境容量1.3倍，总氮超过0.23倍。

2014年湖北生产总农用氮、磷、钾化学肥料12090186.91吨，同比上升了1.91%。根据流域内四市区经济社会发展趋势预测，2014年梁子湖流域生产总值将比2009年增加75%以上，若不能严格控制新增污染项目，预计全流域废水排放量将增加约35%，对梁子湖环境保护将构成严重威胁。随着梁子湖流域的人民生活水平提高，生存与环境的矛盾已经演化成沿湖经济发展与湖泊环境保护的正面冲突，特别是房地产和旅游开发也正在向湖岸延伸。2014年全区共接待游客200万人次，同比增长26%；实现旅游综合收入12.5亿元，同比增长25%。如果化肥使用量按照这样递增的速率，同时伴随人口数量增加、城镇化进程的推进以及梁子湖流域在工农业生产、旅游业的快速发展，居民生活污染物排放必然会急剧增加，梁子湖水质面临严峻挑战。

根据《2014年湖北省环境质量状况》知，2014年梁子湖水质总体为优，营养状态级别为中营养，总磷、化学需氧量、氨氮等主要污染物均未超标，八个测点水质全部符合Ⅱ类标准，水质功能区达标率为100%。与2013年相比，鄂州水域入湖口点位水质有所好转，其余测点水质无明显变化，梁子湖总体水质保持稳定。但梁子湖70%水域按Ⅱ类水质保护，30%水域按Ⅲ类水质保护，目前局部水域水质已达IV类甚至V类，污染态势不容乐观，水生态系统功能十分脆弱。为改善梁子湖这种水质现状，不让梁子湖沦为第二个“滇池”，面源污染治理的任务更是刻不容缓。

三、SWAT模型在梁子湖流域农业面源污染中的应用

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美国农业部（USDA）的农业研究中心Jeff Amonld博士1994年开发的。随着科学技术的进步，SWAT模型经过不断改进、完善，由雏形SWRRB摇身变成多功能的分布式流域水文模型，可以模拟降雨径流过程、气候对水文影响、营养物质以及杀虫剂的输移与转化过程等水文物理化学过程，SWAT模型中污染物负荷模块是模拟主渠道中各个子流域所含营养物质量以及确定通过流域河网流出的总负荷量的总过程，有连续时间序列模拟特性的SWAT模型对于面源污染物迁移过程的模拟具有较强的适用性。

由于模型涉及面较广，各个模块对数据要求较多，对于污染物负荷模块，主要数据不仅需要空间数据还需要属性数据，例如：地形、土壤、气象相关数据、施肥时间和数量以及作物类型等，在巨多数据需求中，由于梁子湖区域部分数据采集难度较大，因此本文具体介绍SWAT模型应用于面源污染问题的操作方法。

（一）数据收集与处理

模型的精准度由数据收集的准确性以及数据处理的合理性决定，因此数据收集与处理是模型建立的关键环节。在空间数据的收集方面，可以通过国家基础地理信息数据得到水系图和地形高程图，还可以通过土壤研究所获得土壤图，另外需要格外注意的是要将土壤图和土地利用类型图进行重分类；对于一些属性数据的收集，可以通过气象局获得有关气象数据，也可以通过实地调查获取种植时间和作物施肥量信息、梁子湖流域内人口数量、畜禽养殖情况和居民生活污染物排放等数据。这些数据都要经过处理，变成SWAT模型能识别的数据类型。

（二）子流域划分以及HRU的分配

数据处理后输入SWAT模型中，模型中TOPAZ软件会自动对收集的数据分析，并在已知的子流域阀值下，有相同气象数据、地形特征等的流域就会被归为同一子流域，接着模型会根据相同的土壤类型和土地利用类型划分出相对应的水文响应单元HRU。最后，模型会展现出梁子湖流域有m个子流域和n个水文响应单元。梁子湖流域的大小、输入的空间数据详细程度决定了用来模拟子流域的数目m。

HRU分配原则决定了各个子流域的HRU之间互不影响，因此，只要计算每单个HRU的的污染负荷，然后将各HRU的污染负荷值相加就可以确定梁子湖流域的总共污染物负荷量。当同时模拟某个子流域的不同HRU的运行过程时，子流域内水温循环的陆地阶段也会自动进行模拟，而且也会汇总各子流域内所有的HRU负荷，子流域的净负荷可以通过流域河网进行演算。

（三）模型参数敏感性分析及模型率定验证

尽管SWAT模型是一个物理基础模型，但是由于模型在设定参数方面跟实际污染物迁移过程肯定有一定出入，所以想要保证模型应用的精确性，敏感性分析这一环节必不可少，通过变动参数值，主要是变动模拟过程中较为敏感的数值，进而减少得到模型率定的工作量。想要得到模拟值与实际数据最接近的一组参数值，率定工作就显得尤为重要，在进行率定操作时，将过去几年完整的数据分别输入模型中进行调试，并将所得模拟数据与实际数据进行对比，在此过程基础下，将模型各个参数相对调整，得到最优的一组参数值。

四、政策建议

（一）大力发展农业循环经济，引进先进农业技术

面源污染的三个主要途径分别是：农药化肥的过度使用、任意排放生活污水、畜禽养殖业的污染物。这三个主要途径中，如果在大力推广农业循环经济、引进先进农业技术的情况下，最少可以控制两个主要源头。农业循环经济能将畜禽养殖业的污染物再利用变成可用资源，最终变废为宝，最后不仅能产出清洁能源沼气，还能产出有机肥沼渣，对面源污染的控制有较好的作用。引进先进农业技术，教会农民科学种田，让农民不再为了追求经济利益而高投入化肥量，而是根据SWAT模型模拟得出的科学数据，改善农田灌溉方式，遵循农作物的养分需求量，采取不同的施肥量与时间，得到高产出的回报与良好的生态环境。

（二）健全农业面源污染治理法规

虽然对于农业面源污染治理有一系列法规文件，但《梁子湖生态环境保护规划》对湖泊功能定位、保护治理目标等明显滞后形势发展的需要，且梁子湖流域跨越4个市，由10多个部门管理，如果10多个部门不能合作管理，该规划在治理方面很难起到真正作用。因此，健全梁子湖流域的治理法规尤为重要，只有合理制定法规，才能真正防治农业面源污染问题。

（三）加大环保宣传力度，提高农民环保意识

给农民科普当今时代是环境与经济协调发展的时代，在追求个人经济利益时，不可以对环境置之不理，科普水流域水质污染严重将会影响人类饮水质量及身体健康等知识，帮助农村居民了解农村环境存在的问题、发展趋势及其危害，唤起农民的生态意识和可持续发展意识，增强全民生态环境保护的责任感和使命感，让农民自觉做到保护环境、自觉参与治理面源污染的行动中。只有这样才能建设一个“生产发展、生活宽裕、乡风文明、村容整洁、管理民主”的社会主义新农村，才能高效治理农业面源污染问题。

（注：本文系湖北水事研究中心项目阶段性成果，项目名称：农田面源污染物迁移数学模型研究，项目编号：2013B007）