基于SWAT模型的农业面源污染尺度效应研究

陈曼雨，崔远来，郑世宗,2，杨宝林,3，赵树君(.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.浙江省水利河口研究院，杭州 30020；3.广州丰泽源水利科技有限公司,广州 50663)

0 引 言

农业面源污染已经成为目前水体污染的主要来源，农业面源污染防控对于生态型灌区建设、农村生态环境保护和我国农业可持续发展有着重要意义。农业面源污染物(氮、磷)在向下游的迁移转化过程中，通过生态沟、塘堰湿地、河岸缓冲带等环节，由于植物吸收、硝化/反硝化、排水重复利用等作用，其浓度及排放负荷会发生变化，即源头的产污量与最后进入下游水体的排污量不相等，这种面源污染随尺度增大而变化的规律被称为面源污染排放的尺度效应[1-3]。面源污染排放尺度效应对于正确估算面源污染输移系数[4]、开展面源污染对水体危害的评价具有十分重要的意义。研究面源污染尺度效应传统方法是在不同尺度开展水量及污染物浓度监测，然后分析计算单位面积排放负荷随尺度的变化规律[1-3]，该方法需要大量野外观测，工作量大，只能针对有限年份和研究尺度。如果能够建立面源污染排放分布式模拟模型，基于模型开展不同条件下面源污染随尺度变化规律的模拟分析，则可减少野外观测工作量，且能就更多方案开展模拟分析，为此，本文结合莲塘口流域开展相关研究。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

莲塘口流域位于浙江省金华市，包括永康市全部及武义县的一部分，总面积1 342.29 km2。整个流域水系是由北溪、酥溪、华溪、南溪汇合而成，最后流入武义江，地形东高西低，属于典型的低山丘陵盆地地带，为亚热带季风气候，年均降水量1 387 mm，年均气温17.5 ℃，年均日照时数为1 909 h，无霜期245 d。主要农作物为一年一季水稻种植。水稻生产主要施用化肥包括：尿素、复合肥。2013年研究区水稻平均施肥水平为(折纯)：氮肥186 kg/hm2，其中基肥112 kg/hm2，分蘖追肥74 kg/hm2。基肥用复合肥，追肥用尿素及复合肥。磷肥134 kg/hm2，钾肥134 kg/hm2。

1.2 SWAT模型的建立

SWAT模型是一个基于物理过程的、连续事件的分布式流域水文模型。该模型是美国农业部开发的适用于较大流域尺度的面源污染计算模型[5]，主要模拟和预测不同土地利用和多种农业管理措施对流域的水、泥沙、化学物质的长期影响，被广泛应用在非点源污染的管理和控制过程中[6-9]。

1.2.1数字高程模型(DEM)数据

数字高程模型(DEM)来自国际科学数据服务平台所提供的90 m分辨率数据，并利用ARCGIS对其进行投影等一系列预处理操作，生成模型所需要的DEM。

1.2.2土壤类型与土地利用图

土壤类型数据采用中科院地理所数据中心提供的1∶100万的土壤矢量数据，根据模型输入要求，将土壤类型进行重分类。

土地利用数据来源于中科院地理所数据中心提供的1∶25万的土地利用资料，经遥感目视解译获得研究区内有14种土地利用类型，而后参照SWAT自带的各种土地利用类型参数库，最终将其分为4大类。

1.2.3气象水文资料

SWAT模型需要的气象数据包括日平均降雨量、最高和最低气温、太阳辐射、风速和相对湿度等，模拟的最小时间步长是1天。在建模中，使用了1991-2014年的日均数据，其中降雨量采用前仓、潘川、八字墙、永康、黄坑口、永祥、莲塘口等7个水文站的实测数据，气温及其他要素采用丽水和金华气象站的实测数据，这些变量可直接输入。实测径流采用流域出口莲塘口水文站1991-2003年的月均流量数据。

1.2.4划分子流域与水文响应单元

基于DEM、土壤类型、土地利用类型将莲塘口流域分为44个子流域329个水文响应单元(HRUs)，经计算提取流域面积1 342 km2，如图1所示。在划分水文响应单元时，采取土地利用类型占子流域面积阈值的10%，土壤类型占土地利用面积阈值的15%，坡度类型占土壤面积阈值的20%。

图1 莲塘口流域子流域划分图

1.3 模型率定及验证

1.3.1模型参数确定

由于无实测泥沙资料，因此不进行泥沙负荷的率定与检验，泥沙部分参数依据经验值确定。应用莲塘口站1991至2003年的实测径流资料，径流部分采用莲塘口站1991-2000年月径流数据进行模型率定，以2001-2003年的月径流数据进行模型验证；水质部分将水稻生育期2013年7-10月、2014年6-10月分别进行率定和验证。经自动调参与手动调参相结合，最终参数取值如表1。

表1 参数取值

1.3.2模拟效率评价

采用Nash-Suttcliffe效率系数Ens、相对误差Re和确定系数R23个指标来评价模型的适用性。通常认为Ens大于0.50，R2大于0.60，Re小于15%时模型模拟的精度令人满意。率定期及验证期月径流模拟效果评价指标见表2。

表2 莲塘口站月径流模拟评价指标

由表2知，率定期的Ens、Re及R2均达到满意结果，模拟效果较好；验证期Re稍高，模拟效果比率定期稍差，但总体模拟效果也较好，因此，该模型适用于莲塘口流域的径流模拟。

径流模拟是水质模拟的基础，较准确的径流模拟在一定程度上增加了模型对于总氮、总磷模拟的可靠性。由于2013年和2014年无实测径流资料，因此以模拟的径流资料为基础，计算实测及模拟的氮磷负荷量。模拟效果评价指标见表3。表3表明，总氮、总磷日负荷量模拟效果的3个指标均在合理的范围，即模型适用于莲塘口流域总氮总磷的模拟。

表3 总氮总磷日模拟评价指标

2 不同尺度氮磷排放规律模拟分析

2.1 氮磷排放尺度变化规律

在研究灌区水循环问题时，人们常常按照灌溉渠系的控制范围对灌区进行划分，如田间尺度、支渠尺度、干渠尺度、灌区尺度等[10]。本次模拟从河流水系出流角度，以“子流域嵌套”的方式[11]把整个研究区域划分成7个研究尺度，这种划分方法可以与水文模型计算结果相适应。结合图1，具体划分见表4。

表4 研究区尺度划分

对划分的不同尺度进行分析时，任意尺度都可视为有着单一出口的独立研究区域。采用现有农田管理措施和生产方式，对1991-2014年多年模拟结果进行计算，得到不同尺度单位面积氮磷污染负荷排放的多年均值。从图2可以看出，总氮、总磷负荷随着尺度的增大而增加，且增加幅度基本一致。从尺度1到尺度7，单位面积总氮排放负荷增加70.41%，总磷负荷增加70.51%。尺度4到尺度5氮磷排放负荷增加较快，尺度5开始氮磷排放负荷增长较缓，趋于稳定。

图2 单位面积氮磷负荷随尺度变化

2.2 氮磷负荷排放随尺度变化原因

由于本研究区并不是严格意义上的灌区系统，具有比灌区更为复杂的土地利用组合。为了更好地探讨氮磷排放规律的尺度变化特征，需要考虑不同土地利用方式下的污染物排放情况。研究区主要有旱地、住宅用地(包括城镇和农村的住宅用地及其周边的非耕地)、林地和稻田四种不同的土地利用类型。进行1991-2014年的模拟分析，对整个研究区域不同土地利用方式下的总氮、总磷排放负荷进行计算，得到多年平均模拟结果如表5。

表5 不同土地利用方式下总氮、总磷排放负荷

对于4种土地利用类型，面积占比从大到小分别为林地、稻田、住宅用地、旱地，而总氮、总磷排放负荷从大到小分别为稻田、林地、住宅用地、旱地。其中，林地和稻田两种土地类型的面积占比之和达到了98%，但是两者的产污能力相差很大。稻田面积占总面积的29.19%，但产生的总氮、总磷污染物分别占全区域污染物总量的52.31%、66.90%。经计算，稻田的单位面积总氮、总磷排放负荷分别为92、22 kg/hm2，是林地单位面积排放负荷的6倍以上。因此，稻田是研究区域面源污染的重点，稻田面积所占比例对总氮、总磷排放大小有较大影响。

统计不同子流域内HRU的土地利用类型和面积大小，得到各个尺度所包含的稻田面积占对应尺度面积的比例，将某一尺度稻田面积比与对应氮磷排放负荷比较。可以发现，氮磷排放尺度变化与稻田面积比有着相同的规律，都随尺度的增大而增大。由于稻田单位面积上总氮、总磷流失量比其他土地利用方式都大，因此随着稻田面积占尺度面积的比例增加，在更大尺度上的单位面积氮磷排放也更大。

2.3 稻田面积比相同条件下氮磷排放尺度规律

要探究稻田面积比相同条件下氮磷排放尺度规律，需要对部分研究区域的土地利用类型进行修改。考虑到如果修改的土地利用类型面积太大，可能导致已划分的子流域不合理，因此选取联系密切且差别相对较小的尺度5、尺度6、尺度7来进行研究。结果如图4，在稻田面积比都为18%的情况下，单位面积总氮、总磷排放负荷随着尺度的增大而减小，与试验所得结果一致[2]。从尺度5到尺度7，单位面积总氮排放负荷减少0.54 kg/hm2,总磷排放减少0.62 kg/hm2,消减率分别为1.60%、5.21%。氮磷排放负荷减少的主要原因是随尺度的增大，排水及氮磷被重复利用，同时氮磷被排水沟及塘堰湿地净化。

图3 单位面积氮磷负荷变化和稻田面积比随尺度变化

图4 稻田面积比相同时氮磷排放尺度变化

3 不同年型条件下氮磷排放尺度规律

面源污染受降雨和径流影响显著，对莲塘口流域1991-2014年的全年降雨量进行排频，选择丰水年(25%)、平水年(50%)、中等干旱年(75%)3个水平年作为模拟的情景模式。1992年、2005年、2007年可近似代表不同的水平年(表6)。

表6 水文年型的设定

从图5可知，对于不同水文年型，单位面积氮磷排放负荷都随尺度的增大而增大，达到一定尺度(约10万hm2)以后，氮磷排放就趋于稳定。当尺度小于6万hm2时，在同一尺度上，丰水年的总氮、总磷单位面积排放最大，枯水年最小，也即氮磷排放随降雨的增加而增加。当尺度大于6万hm2时，枯水年的单位面积污染物排放仍然最小，但平水年可能大于丰水年的氮磷排放。可见，污染物在向下游迁移时可能会被排水沟渠、河道等水体及其植被净化，造成在大尺度上的总氮、总磷负荷随尺度增加的比率不一致。

图5 不同年型条件下单位面积氮磷排放随尺度变化

4 不同施肥制度下氮磷排放尺度规律

4.1 不同施氮肥制度下氮磷排放尺度规律

根据前述分析可知，稻田是所有土地利用类型中排放氮磷污染负荷总量最大的，为了研究稻田施肥对研究区出口污染负荷的影响，对稻田设置了几种不同的施肥情景进行1991-2014年多年模拟计算。按照施氮肥量的不同，设置3种施氮肥情景，分别如下：

(1)N0=不施氮肥，施磷肥同N2;

(2)N1=施氮肥量为N2的80%，即150 kg/hm2，施磷肥量不变，施肥时间和N2相同；

(3)N2=农民经验，即施肥总量为N=186 kg/hm2，P=134 kg/hm2。分两次施肥，7月1日施底肥，N=112 kg/hm2，P=134 kg/hm2，7月15日追肥，N=74 kg/hm2。

3种情景的多年平均模拟结果见图6。从图中可以看出随着施氮肥量的减少，同一尺度单位面积总氮排放负荷相应减少，总磷排放负荷变化很小，表明氮磷时间没有交互作用。现状条件下氮肥施用量减少20%，各尺度单位面积总氮排放平均减少约12%。对于不同尺度，总氮排放尺度效应与现状相似，依然随着尺度的增大而增大，大尺度上趋于稳定。但是在不施用氮肥的情况下，总氮排放未呈现明显的尺度特征。这说明总氮污染的尺度效应与稻田中肥料的施用密切相关，即稻田吸收、利用、排放总氮的作用是造成总氮负荷尺度效应的最主要原因。

图6 不同施氮肥情景下氮磷排放随尺度变化

4.2 不同施磷肥制度下氮磷排放尺度规律

按照施磷肥量的不同，设置3种施肥情景，分别如下：

(1)P0=不施磷肥，施氮肥同P2；

(2)P1=施磷肥量为P2的80%，施氮肥量不变，施肥时间和P2相同；

(3)P2=农民经验，即施肥总量为N=186 kg/hm2，P=134 kg/hm2。分两次施肥，7月1日施底肥，N=112 kg/hm2，P=134 kg/hm2，7月15日追肥，N=74 kg/hm2。

不同磷肥水平下1991-2014年多年平均单位面积氮磷负荷排放模拟结果见图7。可以看出，在同一尺度上，随着施磷肥量的减少总磷排放负荷相应减少，总氮排放负荷并没有随着施磷肥量的减少而变化，说明两者之间没有交互作用。现状条件下磷肥施用量减少20%，各尺度单位面积总磷排放平均减少约9%。不同的施磷肥情景下，总氮、总磷排放负荷都随着尺度的增大而增大，但是不施磷肥的条件下，总磷排放的尺度效应影响相对较弱。

图7 不同施磷肥情景下氮磷排放随尺度变化

5 结 语

采用SWAT模型对莲塘口流域进行农业面源污染模拟，并分析其尺度变化特征，得出如下结论。

(1)农业面源污染排放存在尺度效应，它与区域内土地利用方式及其分布、排水重复利用、面源污染从上游到下游的净化效应密切相关。由于稻田单位面积氮磷排放负荷最大，且稻田面积比随尺度逐渐增大，因此单位面积氮磷负荷排放也随尺度的增大而增大。当不同尺度间的稻田面积比相同时，总氮、总磷排放随尺度的增大而减小，与试验结果相同[2]。

(2)同一尺度上氮磷负荷排放在枯水年份较小，丰水年较大；在不同尺度上，不同年份单位面积的氮磷排放都有着相同的规律，即随尺度的增大而增大。

(3)同一尺度上，施肥量减少，单位面积总氮、总磷排放负荷减少；对于不同尺度，氮磷排放负荷都随尺度的增大而增大。当稻田施肥量为零时，氮磷排放的尺度效应减弱甚至几乎没有。

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