基于改进的SWAT模型农业面源污染变化规律数值模拟——以赣抚平原灌区芳溪湖小流域为例

童晓霞， 崔远来， 赵树君， 张平仓

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

基于改进的SWAT模型农业面源污染变化规律数值模拟
——以赣抚平原灌区芳溪湖小流域为例

童晓霞1，2， 崔远来2， 赵树君2， 张平仓1

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

以赣抚平原灌区内的芳溪湖典型小流域为研究区域，基于改进的SWAT模型，针对典型水文年年内不同降雨条件，模拟灌区氮磷面源负荷的迁移规律，同时对灌区农业面源污染负荷流失量的空间分布规律进行了模拟分析。结果表明，降雨是氮磷负荷流失的主要驱动因子，氮磷流失量随降雨的波动而变化，并与降雨同步达到峰值。因此，在灌区需加强汛期田间水肥管理，以减少氮磷的流失，提高肥料的利用率；在相同降雨条件下，研究区氮、磷负荷流失量空间分布差异较大，呈现出水系上游流失量多下游流失量少的趋势;在防控和治理灌区面源污染时，可适当考虑面源污染的空间分布规律，采用沿途生态沟渠和湿地对灌区内的面源污染负荷进行稀释和净化，以达到减轻和治理面源污染的效果。

灌区；小流域；改进的SWAT模型；农业面源污染；数值模拟

1 研究背景

据2012年江西省水资源公报，鄱阳湖全年水质情况为：优于或符合Ⅲ类水的占70.6%，主要污染物为总磷和氨氮[1],而2006年，优于或符合Ⅲ类水的占82.1%[2]。近年来，鄱阳湖水质明显下降，水质日益恶化，农业面源污染是水体污染物质的主要来源[3]。因此，研究灌区农业面源污染产生、迁移规律，采取有效措施防控面源污染对鄱阳湖流域农业可持续发展和改善鄱阳湖水质有着重要的理论和现实意义。

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)被认为是应用较为广泛的研究面源污染的模型之一。国内外很多学者探讨了SWAT模型研究农业面源污染的适用性[4-7]，模型模拟效果令人满意。目前，SWAT模型已被成功应用到国内很多地区进行面源污染迁移规律的研究[8-11]，取得了较好的效果，但这些研究多针对水文循环过程受人类活动影响较小的自然流域，很少有针对受人类活动影响较为强烈的平原灌区这一特殊流域。而改进后的SWAT模型可以合理考虑人类活动对水文循环过程的影响。

平原灌区的水文循环较自然流域复杂得多，涉及陆面水文循环过程和水库、塘堰、河流、湖泊、灌排系统等水体的水分循环以及陆面、水体之间的水分循环关系[12]。针对区别于自然流域的灌区，许多研究学者对SWAT模型进行了改进，使SWAT模型更加适用于灌区流域。代俊峰等[13]、谢先红[14]、王建鹏等[15]、郑捷等[16]等先后对SWAT模型进行了改进，改进后的SWAT模型更加科学地考虑了稻田的水分循环、灌溉排水模式以及灌区塘堰供水和渠道渗漏损失等灌区特有的水文过程，模拟结果更精确。本文利用改进后的SWAT模型构建研究区的分布式水文模拟模型。

2 研究区概况

本文选取的研究对象为位于赣抚平原灌区内的芳溪湖小流域，该小流域位于江西省南昌市南昌县境内，地理位置为北纬28°33′～28°29′，东经116°05′～116°0′，面积约为30.80 km2，多年平均气温17.8℃，多年平均日照1 603.4 h，多年平均降水量为1 662.5 mm，无霜期276 d。

该区域的灌溉水来源为赣抚平原灌区二干三分渠和二干五分渠，区域产流和排水流向芳溪湖内，是一个相对闭合的区域。研究区空间位置见图1。

图1 研究区空间位置Fig.1 Spatial location of the study area

3 研究方法

3.1 基础资料收集及模型构建

在构建研究区的分布式水文模型时，需向SWAT模型输入研究区的基础数据资料，主要分为空间图像资料、属性数据资料2大类。表1列出了模型所需的基础数据资料。

表1 构建模型所需的基础数据资料Table 1 Basic data for model building

在研究过程中，通过购买、现场观测调查及室内分析化验等方法，获取研究区DEM图、土地利用图、土壤类型图等空间数据资料，以及气象、流域水量、水质监测数据、流域农田管理措施等属性数据资料。对这些数据资料进行分析处理，建立SWAT模型空间及属性数据库。由于本文所选研究区为平原灌区，地势平坦，没有明确的坡面产汇流特征。且研究区分布着很多人工修建的堤坝，阻碍了径流自排进入干流水体，使得区域内和干流的水力联系发生改变，利用DEM图提取的河网跟研究区的实际河网有一定的出入，因此本文采用李硕等[17]提出的方法进行研究区的河网提取，从而构建研究区的分布式水文模型，所得研究区河网分布及子流域划分情况见图2。模型在运行初期，土壤数据质量的好坏会对模型的模拟结果产生重要影响[18]。因此，本文采用魏怀斌[19]推荐的土壤参数计算方法，对模型的土壤参数进行初步调整。

图2 研究区河网分布及子流域划分Fig.2 River network and sub-basins in the study area

3.2 模型参数率定及模型模拟效果评价

利用SWAT构建基于研究区的分布式水文模型后，需对模型的计算参数进行适当的调整，以满足模型模拟精度要求。

本文根据研究区实测资料，结合各参数的物理含义，并查阅相关文献[20]，利用手动试错法与动态蚁群算法相结合的方法，对模型的径流、泥沙、总氮、总磷计算参数依次进行率定，并用相对误差Re、相关系数R2和Nash-Suttcliffe效率系数Ens来评估模型的模拟结果，其表达式分别见式(1)至式(3)，模型模拟效果评价标准见表2。

(1)

(2)

(3)

表2 模型模拟效率评价标准Table 2 Evaluation standard of model simulationefficiency

根据表2的评价标准，经过参数率定后的模型，模拟效果的验证结果远优于Re<15%，R2>0.75，Ens>0.65的限定阈值，说明模型精确度良好，可以用于研究区的模拟研究。最后，利用验证后的SWAT模型模拟分析研究区氮、磷面源污染负荷的迁移规律，并据此提出小流域面源污染防治建议。

4 结果分析

4.1 氮、磷负荷随降雨变化规律模拟

根据研究区1978—2011年的降雨实测资料进行排频计算，得出不同保证率的特征水文年，最终确定平水年2004年作为分析对象，用经验证后的SWAT模型输出的年内氮、磷污染负荷模拟值，分析模拟值随时间变化规律及与降雨量的相关关系，如图3所示。

图3 总氮和总磷负荷模拟值随时间变化规律及与降雨量的相关性Fig.3 Temporal changes of total nitrogen load and total phosphorus load and their relations with rainfall

从图3中可以看出，总氮、总磷负荷在年内与降雨大致呈现相同的变化趋势，基本上与降雨同步达到峰值。其中，总氮负荷在3月份开始有上升趋势，5月份急剧增加，随着降雨量峰值的出现而达到峰值。随后总氮负荷随着降雨量的减少而减少，在8月份，随着降雨的增加达到另一个峰值。9月份之后，总氮负荷逐渐减少至最低值。主要原因有如下几个方面。

(1) 研究区在3月中旬开始进行土地翻整工作和水稻播种，使得土壤松散，氮、磷流失量增加。

(2) 研究区内的大规模的畜禽养殖一般是从3月份开始，使得3月份的氮、磷流失量出现一个小高峰。

(3) 本文采用连续模拟的方式，模型中考虑了上一年遗留下来的污染负荷量，即背景值较大。因此在3月份时，总氮、总磷负荷会呈现增加的趋势。4月份时水稻田主要处于蓄水状态，降雨量较小，大部分降雨都被蓄积在水稻田内，径流量较小，因此总氮、总磷负荷也较小。在5月份时，降雨量达到峰值，多的降雨被稻田排出，形成径流，稻田中蓄积的氮负荷也随着排水进入水系，因此氮负荷量急剧增加达到峰值。随后，降雨量减小，氮负荷也随之减少。8月份，降雨达到另一个峰值，但是氮负荷量较5月份有明显减少，主要原因是土壤中的氮含量随着流失逐渐减少，也无施肥措施，到8月份土壤中的氮含量已经很少，因此氮流失量也有所减少。9月份之后，研究区内的畜禽养殖工作也结束，因此不再产生氮负荷流失量。

从分析结果可以看出：降雨是氮磷负荷流失的主要驱动因子，在年内，氮磷流失量随降雨的波动而变化，并与降雨同步达到峰值。同时，氮磷流失还受到施肥措施及畜禽养殖的影响。因此，在灌区，加强汛期水稻田的水肥管理和地表排水管理对削减氮、磷流失意义重大。同时，需加强汛期畜禽养殖管理，以减少氮磷的流失，提高饲料利用率，减轻氮磷面源污染的危害。

4.2 氮、磷负荷空间分布特征

以平水年2004年为研究对象，以研究区的子流域作为分析单位，根据模型模拟结果计算出每个子流域单位面积的产沙量及总氮、总磷流失量，分析总氮、总磷负荷的空间分布特征。模拟结果见表3，总氮、总磷负荷空间分布见图4。

表3 各子流域单位面积产沙量及总氮、总磷流失量Table 3 Sediment yield and nitrogen,phosphorus lossper unit area in sub-basins

图4 单位面积总氮、总磷流失量分布 Fig.4 Distribution of nitrogen and phosphorus losses per unit area

从图4可以看出，单位面积总氮、总磷流失量主要呈现南多北少的趋势，即水系上游总氮、总磷流失量较高，而水系下游总氮、总磷流失量逐渐减少，在流域出口处的1号子流域处达到最小。9号子流域的总氮、总磷流失量最大，分别达到了10.66 kg/hm2和1.84 kg/hm2，主要原因是9号子流域内有几个大型畜禽养殖场，且该区域内的产流量和产沙量也较大，导致总氮、总磷流失量较大。2，4，6，8号子流域内也分布着一些畜禽养殖场和水产养殖场，导致这些区域的总氮、总磷流失量也较大。1，3，5，7号子流域靠近芳溪湖区，这些区域的总氮、总磷流失量较小，且经过沿途沟渠及湿地的稀释和净化作用，单位面积上的总氮、总磷负荷比水系上游小。

因此，在防控和治理灌区面源污染时，可适当考虑面源污染的空间分布规律，采用沿途生态沟渠和湿地对灌区内的面源污染负荷进行稀释和净化，以达到减轻和治理面源污染的效果。

5 结 语

(1) 经过参数率定后的SWAT模型，模拟效果的验证结果良好，可以用于研究区的农业面源污染变化规律数值模拟研究。

(2) 降雨是氮、磷负荷流失的主要驱动因子，在年内，氮、磷流失量随降雨的波动而变化，并与降雨同步达到峰值，总氮负荷、总磷负荷与降雨量相关系数分别为0.85，0.81。

(3) 以平水年2004年为研究对象，单位面积总氮、总磷流失量主要呈现南多北少的趋势，即水系上游总氮、总磷流失量较高。

(4) 在灌区需加强汛期田间水肥管理，以减少氮、磷的流失，提高肥料的利用率。同时，在防控和治理灌区面源污染时，可适当考虑面源污染的空间分布规律，采用沿途生态沟渠和湿地对灌区内的面源污染负荷进行稀释和净化，以达到减轻和治理面源污染的效果。

[1] 江西省水文局.江西省水资源公告[R].南昌：江西省水文局，2012.(Jiangxi Provincial Hydrology Bureau.Jiangxi Water Resources Bulletin[R].Nanchang: Jiangxi Provincial Hydrology Bureau,2012.(in Chinese))

[2] 江西省水文局.江西省水资源公告[R].南昌：江西省水文局，2006.(Jiangxi Provincial Hydrology Bureau.Jiangxi Water Resources Bulletin[R].Nanchang: Jiangxi Provincial Hydrology Bureau,2006.(in Chinese))

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(编辑：刘运飞)

Simulation on Variation Regularity of Agricultural Non-pointSource Pollution by Modified SWAT Model：A Case Study of Fangxi LakeSmall Watershed of Ganfu Plain Irrigation District

TONG Xiao-xia1,2,CUI Yuan-lai2,ZHAO Shu-jun2,ZHANG Ping-cang1

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan .State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

The modified SWAT model is applied to simulate nitrogen and phosphorus migration and spatial distribution for Fangxi Lake watershed in Ganfu Plain Irrigation District of Poyang Lake Basin in different rainfall events of typical hydrological year.Results show that rainfall is the main driving force of nitrogen and phosphorus losses.Nitrogen and phosphorus losses fluctuate with rainfall event,and their peak values almost synchronously occurr.Therefore,it is very important to optimize the farming management methods in flood season to control non-point source pollution,and to improve the application rate of fertilizer.The spatial distribution of nitrogen and phosphorus losses has much differences,nitrogen and phosphorus losses are higher in the upstream than in the downstream of the study area.Therefore,the spatial distribution of non-point source pollution can be appropriately considered in pollution prevention and control,and ecological restoration techniques as ecological ditches and wetlands applied along the water pathway can be considered to purify and dilute the pollutants.

irrigation district；small watershed;modified SWAT model;agricultural non-point source pollution;numerical simulation

2014-10-28；

2014-12-24

中美国际合作项目(20111017)；水利部推广项目(TG1405)；水利部948项目(201229);中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(CKSF2015044/TB)

童晓霞(1987-)，女，湖北恩施人，助理工程师，硕士，主要从事水资源优化配置及农业面源污染研究，(电话)13659810403(电子信箱)ckytxx@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.018

X592

A

1001-5485(2015)03-0089-06

2015,32(03):89-94