基于SWAT模型的清江长阳段非点源污染及其控制方案研究

高 正，黄介生，曾文治，伍靖伟(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

非点源污染如今已成为我国水体富营养化的主要污染源[1]，进而影响整个流域生态环境。清江长阳段非点源污染的污染物来源主要为农业施肥、畜禽养殖、水产养殖、农村生活污水等。随着近年来长阳地区对点源污染的控制水平不断提高，非点源污染逐渐成为清江污染的主要来源。分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是目前应用较广的研究非点源污染的模型之一，王晓燕[2]等在密云水库北部流域使用SWAT模型模拟了流域非点源污染，陈媛[3,4]等研究了SWAT模型在库区流域的适用性并模拟了不同土地利用情景对非点源污染的影响，谢慧[7]等应用SWAT模型在三峡库区进行了非点源污染控制分区的划分，上述若干研究成果正验证了SWAT模型在非点源污染模拟方面的有效性。

清江长阳段境内多山区，降雨丰富，水土流失较为突出，同时近年来为解决库区移民生计问题大力发展网箱养殖，亦在一定程度上导致水质恶化。本研究在清江长阳段应用SWAT模型进行非点源污染研究，通过模拟不同污染控制方案下的污染负荷变化情况，研究分析各方案对水体污染物削减效果，为制定水环境治理规划提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

清江长阳段地处湖北省西南部，位于东经110°22′～110°20′，北纬30°12′～30°46′，东西长94.5 km，南北宽63 km，总面积3 430 km2。研究区属于鄂西山地与江汉平原交界地带，境内山峦起伏，沟壑纵横，东高西低，为丘陵起伏的半山区，最高点为崩子尖，海拔2 259 m，最低点为向溪口，海拔48.7 m。

清江长阳段主要河段为清江干流及其支流，流域涉及长阳8镇(龙舟坪镇、磨市镇、都镇湾镇、资丘镇、渔峡口镇、榔坪镇、贺家坪镇、高家堰镇)3乡(大堰乡、鸭子口乡、火烧坪乡)，境内有大型水库一座，为隔河岩水库，上距水布垭大坝92 km，下距高坝洲大坝50 km，水库正常蓄水位200 m，总库容34亿m3。

各乡镇与河流相对位置、大坝位置与水质监测断面情况见图1。

图1 研究区域监测点分布与子流域划分

1.2 SWAT模型的建立

SWAT是由美国农业部农业研究中心历时30余年开发的适用于较大流域的分布式水文模型，可以用于模拟计算地表水与地下水的水质水量，能以日为步长，按照土地利用类型、土壤类型与坡度将流域分为若干水文响应单元(HRU)，能够较大地提高模拟精度。其模拟分为陆地过程与受纳水体过程2部分，陆地过程可以控制每个HRU内主河道的径流、泥沙、营养物的输入量，受纳水体过程则能够模拟径流、泥沙、营养物等从河网到流域出水口的输送运移[1]，因此非点源污染负荷的模拟、河道污染物迁移转化机理模拟以及湖泊水库水体水质模拟等也是SWAT模型的重要功能。

SWAT模型建立需要的输入数据主要为空间数据、土壤属性数据、气象数据、农业管理数据等，简要介绍如下。

(1)数字高程地形图(DEM)：精度为90 m，来自于寒区旱区科学数据中心，用于在SWAT中自动提取水系，利用其地形数据进行子流域划分。

(2)土地利用图：来自全球30 m地表覆盖数据，以2010年为基准年，是由国家基础地理信息中心在“863”重点项目的支持下研制出的数据产品。

(3)土壤类型图：来自世界土壤数据库(HWSD)，比例尺1∶100万分类到亚类。各类土壤的分层数、各层颗粒组成、有机质含量等土壤理化性质来自《长阳土壤志》和中国土壤数据库。由于我国采用的土壤各层颗粒组成为国际制，还需要转换为美制标准方可使用。土壤密度、田间有效持水量、饱和水力传导系数等参数通过美国农业部开发的土壤水特性软件SPAW进行计算。

(4)气象数据：主要包括全年的日最高/低气温、日降水量、相对湿度、太阳辐射量等基本数据。本文使用的气象数据来自宜昌气象站资料，时间序列为1980-2013年。

(5)水文、水质数据：2011-2013隔河岩水库逐日入库、出库流量，来自清江公司；2011-2013年水质(氨氮、总氮)每两月监测数据，来自长阳地区环保部门。水质监测断面为位于清江长阳段入水口处的桅杆坪监测断面以及隔河岩坝下的猫子滩监测断面。

(6)其他数据：清江长阳段主要农作物为玉米、马铃薯、高山蔬菜等，氮肥主要为尿素，磷肥主要为过磷酸钙，复合肥为磷酸二铵；畜禽养殖方面以散户养殖为主，存栏量数据来自《长阳统计年鉴》；水产养殖方面，长阳地区以网箱养殖为主，相关产量与饲料投放量由当地水产部门提供；工业、生活污水依据《长阳统计年鉴》的分析、计算，统计后数据以年均日负荷常量的形式输入模型。

在SWAT模型中输入上述各数据后，利用DEM数据自动生成水系，并生成子流域，子流域数目依照定义的限值最小集水面积决定，其中根据子流域内土地利用、土壤类型以及坡度的阈值，生成由单一土壤、土地利用和坡度组成的水文响应单元(HRU)。本研究中最终划分为53个子流域，853个水文响应单元，子流域的划分见图1。

1.3 SWAT模型的率定与验证

SWAT模型的参数调整与验证是模拟计算中的重要步骤，通过对模型参数进行调整来提高模拟的精确度，本文对清江流域长阳段的径流、氨氮、总氮3个指标依次进行校验，利用SWAT-CUP软件结合手动调参对模型的模拟参数进行调整，所调整的主要参数见表1。

为评价模拟结果，本研究模型先使用2011-2013年隔河岩水库的日出库流量数据确定径流参数，再依据2011-2013年位于隔河岩坝下的猫子滩监测断面的水质数据率定氨氮、总氮指标，得到相关参数。2011-2012年数据作为率定，2013年数据作为验证，使用猫子滩监测断面所在的16号子流域模拟数据与实测数据对比。

表1 模型参数及调整

SWAT模拟结果的评价标准为相关系数R2与纳什系数Ens，前者越接近1，则表明实测值与模拟值吻合程度越高，后者大于0.5时，可以认为模拟效果较好。表2给出了SWAT模型模拟径流、氨氮、总氮的率定期与验证期的模拟效果，由表可见模拟效果较为理想。

表2 模型率定与验证效果表

2 模型的应用与分析

2.1 降水与地表产流、营养盐负荷相关性分析

在完成模型校验的基础上，对模型模拟结果进行分析。以隔河岩坝下猫子滩断面所在的16号子流域为例，由图2研究径流、氨氮、总氮随着降雨呈现较强的相关性，每年的汛期降雨量峰值也是对应径流、氨氮、总氮的峰值。具体而言，2011-2013年3 a径流、氨氮、总氮与降雨量的月平均相关系数分别达到0.52、0.52和0.54，氨氮与径流的相关系数达到0.93，总氮与径流的相关系数达到0.98。由此可见，污染负荷与降雨存在一定的相关性，与径流的相关性则更为明显。

图2 猫子滩断面降雨、径流、污染负荷随时间变化情况

2.2 各乡镇产流产沙与污染负荷的空间分布

通过SWAT模型划分的子流域与各乡镇之间的关系，计算得到2011年各乡镇产流、泥沙、总氮的产量分布情况，按照自上游到下游的顺序排列，如图3所示。由图3可见，清江长阳段上下游的月均产水量并未表现出较大差异，基本维持在相近水平，但泥沙产量与总氮产量均呈现上游向下游逐渐减少的趋势，这主要是因为上游乡镇的地形较为陡峻，坡度较大，相同径流量侵蚀的泥沙量也更多，相应的污染负荷的产量也越大。中部地区的泥沙产量有一个峰值，主要是由于中部地区火烧坪、鸭子口、都镇湾地区种植高山蔬菜比较多，因此耕地较密集，更容易产生水土流失。下游地区地形相对平坦，因此位于下游的龙舟坪与磨市的污染负荷量最小。贺家坪与高家堰是位于清江支流丹水上的2个乡镇，虽然地形也多属于山地，但是耕地相对较少，因此泥沙负荷虽然比龙舟坪与磨市大，但是整体污染负荷在11个乡镇中仍属于相对较低的水平。

图3 研究区域各乡镇产流、泥沙与污染负荷变化情况

3 不同污染控制措施对长阳段污染的影响分析

3.1 污染控制措施设置

根据清江长阳段的实际情况，本研究提出3种污染控制措施，分别为减少20%的化肥使用量、取缔网箱养殖和设置过滤带3类，其中设置过滤带方案分为2、5、10 m 3种级别，除基准情景外，共设置8种情景，5种单独措施情景，3种组合措施情景。具体设置如下。

(1)Q0。基准情景：以2011年为基准年，不采取任何措施。

(2)Q1～Q3。分别为设置2 m过滤带、5 m过滤带、10 m过滤带，不采取其他组合措施。

(3)Q4。削减20%化肥用量，不采取其他组合措施。

(4)Q5。取缔网箱养殖，不采取其他组合措施。

(5)Q6。组合措施1：设置2 m过滤带，削减20%化肥施用量，取缔网箱养殖。

(6)Q7。组合措施2：设置5 m过滤带，削减20%化肥施用量，取缔网箱养殖。

(7)Q8。组合措施3：设置10 m过滤带，削减20%化肥施用量，取缔网箱养殖。

3.2 污染控制措施对污染负荷的影响分析

以2011年研究区域中16号子流域出口处年污染负荷与21号子流域入口年污染负荷之差作为隔河岩水库年净污染负荷增加量，将各种情景下氨氮、总氮及总磷负荷的净污染负荷增加量与相对基准情景的污染负荷减少比例列出见表3。

表3 各污染控制措施下年污染负荷变化情况

由表3可以看出，Q1～Q5各单独措施中，只削减20%化肥施用量(Q4)对污染负荷的削减效果最小；只取缔网箱的措施(Q5)效果对总磷负荷削减比较明显，但是对总氮与氨氮负荷削减则相对较差；只设置过滤带的措施对氨氮、总氮、总磷的削减效果都比较好，其中10 m过滤带效果最佳。

出现上述情况的原因是：只削减化肥施用量虽然从源头上减少了污染物的输入，但是土壤本身的氮磷本底值并未受到控制，仍能随径流进入水体，因此减少化肥施用量并不能使污染负荷产生大的削减，最大削减率仅有9.86%；取缔网箱养殖对总氮总磷的污染负荷削减效果较好(其中总磷削减率达到48.52%)，但是对氨氮削减效果较差(仅5.72%)，这是因为氨氮主要来源是工业等点源污染，取缔网箱养殖对点源污染削减效果并不大；设置过滤带的措施对污染负荷削减效果最为明显，其中性价比最高的是2 m过滤带，对各项污染负荷削减率均能到到30%以上，效果最好的是10 m过滤带，氨氮削减率达48.03%，总氮削减率达95.24%，这是因为过滤带可以较好地减少水土流失(因污染物多随泥沙迁移进入水体，因此过滤带相比减少化肥施用量能更好地拦截土壤中本底氮磷养分的流失)。

Q6～Q8这3种组合措施中，随着过滤带宽度的增加，污染负荷的净增量明显减少，其中Q8情景下，总氮、总磷的净增量为负值，污染负荷削减率总氮总磷均大于100%，说明隔河岩水库对水体中的污染物起到了沉降拦截作用，污染负荷产生量不及水体沉降、消耗量。Q6情景采用2m过滤带、削减20%化肥使用量及取缔网箱养殖对总氮负荷削减率也达到60%以上，总磷负荷削减率达到107.21%。考虑到10 m过滤带较大的占地面积，采用2 m过滤带的组合措施更为经济。

4 结 论

(1)本研究应用SWAT模型，进行了清江流域长阳段的污染负荷的模拟分析，结果表明：SWAT模型可以应用于清江流域长阳段的污染研究，其对径流、氨氮及总氮的模拟效果基本令人满意。但是由于模型建模基础数据的精确度还有待提高，以及SWAT模型内部参数设置偏重于陆域水文模拟，河道演算模块还有待完善等原因，该模型模拟过程仍需进一步完善。

(2)清江流域长阳段的径流、污染负荷和降雨在时间变化上存在较强的相关性，每年汛期，随着雨量增加，径流与污染负荷也随之增大。空间上，各乡镇自上游向下游产水量基本一致，但是产沙量与产污量却呈现下降趋势，这是因为上游部分的地形较为陡峭，相同地表径流条件下土壤侵蚀更为严重，且中游地区多种植高山蔬菜，耕地较多，导致产沙与污染负荷相对较大。

(3)在其他条件相同的情况下，单独的污染控制措施中，设置过滤带效果最好，削减化肥用量效果最差，这与土壤本底氮磷流失有关；在不同的组合污染控制措施下，选用10 m过滤带的组合措施截污效果最好，但2 m过滤带的组合措施最为经济。

□

[1] 王宗明，张 柏，宋开山，等.农业非点源污染国内外研究进展[J].农业资源与环境科学，2007，23(9)：468-472.

[2] 王晓燕，秦福来，欧 洋，等.基于SWAT模型的非点源流域污染模拟——密云水库北部流域为例[J].农业环境科学报，2008，27(3)：1 098-1 105.

[3] 陈 媛，郭秀锐，程水源，等.SWAT模型在三峡库区流域非点源污染模拟的适用性研究[J].安全与环境学报，2012，12(2)：146-152.

[4] 陈 媛，郭秀锐，程水源，等.基于SWAT模型的三峡库区大流域不同土地利用情景对非点源污染的影响研究[J].农业环境科学学报，2012，31(4)：798-806.

[5] 谢 慧，郭秀锐，程水源，等.基于SWAT模型的三峡库区非点源污染控制分区及方案研究[J].安全与环境学报，2014，14(4)：170-175.

[6] 张展羽，司 涵，孔莉莉.基于SWAT模型的小流域非点源氮磷迁移规律[J].农业工程学报，2013，29(2)：93-100.

[7] 刘晶晶，黄介生，吴谋松，等.清江宜都段不同水文及土地利用情景下非点源污染研究[J].中国农村水利水电，2015，(1)：108-112.

[8] 陈 媛，郭秀锐，程水源，等.基于SWAT模型的三峡库区流域污染物来源分析及重点控制区域识别[J].北京工业大学学报，2013，39(5)：761-768

[9] 张 蕾，卢文喜，安永磊，等.SWAT模型在国内外非点源污染研究中的应用研究[J].生态环境学报，2009，18(6)：2 387-2 392.

[10] 王晓燕，王一峋，王晓峰，等.密云水库小流域土地利用方式与氮磷流失规律[J].环境科学研究，2003，16(1)：30-33.