基于SWAT模型的汤河流域面源污染时空分布研究

崔杰石

（辽宁省阜新水文局，辽宁阜新110000）



基于SWAT模型的汤河流域面源污染时空分布研究

崔杰石

（辽宁省阜新水文局，辽宁阜新110000）

摘要：本文运用SWAT模型模拟汤河面源污染时空分布，并定量分析气候变化对汤河面源污染的影响。研究结果表明：SWTA模型适用于汤河流域面源污染模拟，气温变化、降雨量变化都会引起汤河总氮和总磷的变化。研究成果为汤河面源污染模拟及污染控制提供了参考。

关键词：SWAT模型；面源污染时空模拟；气候变化情景模式；汤河流域

流域面源污染模拟一直是国内外水污染模拟的难点和重点，面源污染由于缺乏面源污染监测信息以及时空分布复杂性的特点，面源污染模拟效果一直难以达到满意的模拟精度。由于地理信息技术和计算机水平发展，分布式水文水质耦合模型为流域面源污染模拟提供一个有效的模拟平台，其中由美国学者研究的分布式水文模型SWAT模型具有模型需求参数较少、操作简单的特点，被国内外许多学者在不同流域的面源污染模拟进行相关运用。在国内面源污染模拟研究也较多，但是还未在汤河流域的面源污染模拟中进行过相关运用，汤河流域内有汤河水库，该水库是辽阳市、鞍山市这两大城市居民主要水源。本文引入在国内运用较好的SWAT模型，模拟汤河流域的面源污染时空分布。此外，考虑到气候变化对流域水循环各个要素都将产生一定的影响，影响流域水环境各种污染物的迁移和转化，因此在气候变化大背景下，设定4种气候变化情景模式分析气候变化下汤河流域面源污染响应。

1　研究方法及资料处理

1.1 研究区域概况

汤河流域属于太子河左岸一级支流，发源于辽宁省辽阳县吉洞峪满族乡粉城墙村，又名汤河东支，流经辽阳县、辽阳市弓长岭区，在辽阳县小屯镇双庙村注入太子河。流域面积1422km2，河流长度87km，河流平均比降2.82‰，多年平均年降水量763.0mm，多年平均年径流深239.8mm，流域平均宽度为16.3km。

图1　研究流域水系图

1.2 研究方法

SWAT模型为水量水质耦合的模型，模型可模拟不同形式下总氮、总磷的迁移转化过程，模型具体模拟原理可见参考文献［9］，本文运用SWAT模型模拟汤河流域2000～2010年面源污染时空分布，并结合流域内二道河子实测2000～2012年水质监测数据，对比分析SWAT模型在汤河流域面源污染模拟的适用性，并通过设定4种气候变化情景模式，定量模拟不同气候变化情景模式对汤河流域总氮和总磷的影响，并对比气候变化前后流域总氮和总磷的变化率。

1.3 模型输入资料准备

图2　研究流域遥感地理数据

模型需要输入的数据包括：流域下垫面信息数据（数字高程数据、土地利用类型数据、土壤类型数据）、水文数据（降水、流量、含沙量）、气象数据、水质监测数据（河道断面水质监测数据）。其中：（1）流域数字高程数据下载于中科院地理研究所提供的数据共享平台上全国1km× 1km的数字高程数据。结合流域边界获得研究区域的数字高程数据，见图2，见参考文献［10］；（2）土地利用/覆被数据。根据中科院地理所在数据共享平台上提供了全国分辨率为1km×1km的土地利用/覆被数据［11］，结合流域边界运用相关软件提取研究流域的土地利用/覆被数据，结果见图2，对于SWAT模型而言，在土地利用/覆被数据，还应该对数据进行重分类，以满足SWAT模型的数据格式要求，具体分类方法可详见参考文献［6］；（3）土壤类型信息数据。收集流域内1∶100，0000土壤类型数据，结合流域边界获取研究流域土壤类型分布图，见图2。此外，模型还需要土壤化学属性数据，对流域6种不同土壤类型进行了采样，测定了不同类型土壤的化学属性数据，结果见表1。（4）水文数据。收集汤河流域内二道河子水文站2000～2012年实测流量数据和流域内4个降雨站点2000～2012年实测降水数据；（5）气象数据。收集汤河流域内辽阳气象站2000～2012年气象要素数据，气象要素数据主要用来计算流域的潜在蒸散发。（6）水质数据。收集了汤河流域内二道河子水质监测点2000～2012年水质监测数据。（7）农业耕种措施数据。结合当地实地农业调查数据，建立模型农业耕种措施数据库，包括耕种时间、施肥时间、施肥量数据。

表1　土壤化学属性数据

2　模型运用

2.1 总氮和总磷模拟

基模型输入数据，结合汤河流域内二道河子站2000～2012年水质监测数据，对SWAT总氮和总氮模拟参数的率定和验证，结果见下表和图。

表2和表3为运用SWAT模型模拟的汤河流域2000～2012年总氮和总磷结果，从表中可以看出，SWAT模型在汤河流域模拟的2000～2012年总氮和总磷相对误差均小于20%，模拟的确定性系数均高于0.65，满足流域面源污染模拟的精度规范要求。图3和图4为选定的两个代表年份实测总氮和总磷与模拟的总氮和总磷的过程对比图，从图中可以看出，模拟的总氮和总磷与实测的总氮和总磷具有一定的吻合度，模拟的总氮和总磷的峰值与实测总氮和总磷出现的峰值月份吻合。

表2　SWAT模型总氮模拟结果

表3　SWAT模型总磷模拟参数率定结果

2.2 不同气候模式情景对汤河流域总氮和总磷的影响分析

为定量分析气候变化下汤河流域面源污染负荷响应，以SWAT模型为模拟分析平台，选定2011年（2000～2012年降水量最大的年份）为代表年份，运用SWAT模型模拟四种气候变化情景模式下（见表4）2011年总氮和总磷的变化量以及变化率，从而定量分析气候变化对汤河流域总氮和总磷的影响。

图3　代表年份总氮模拟成果图

图4　代表年份总磷模拟成果图

表4　设定的4种气候变化情景模式

表5　气温变化情景方案下的总氮响应

表6　气温变化情景方案下的总磷响应

从表5和表6中可以看出，在气候变化情景模式I下（气温升高+2℃，降水不变化），2011年汤河流域总氮和总磷含量在气候变化后，含量分别减少3.15万t和0.024万t，变化率为-11.0%和-10.2%，可见气温升高，流域总氮含量将减少一定的比例，这主要是因为流域气温升高，流域潜在蒸散发相应增加，在降水不变化的前提下，流域地表径流相应减少，而作为总氮和总磷的运移载体，总氮和总磷的含量相应减少。而在气候变化情景模式II下（气温降低-2℃，降水不变化），流域总氮和总磷都增加一定的比例，这主要是因为气温降低，使得流域潜在蒸散发增加，使得流域地表径流增加，作为面源污染运移载体，随着地表径流流失的总氮和总磷相应减少。而在气候变化情景模式III下（降水+5%，气温不变化），相比于气候变化前，汤河流域2011年总氮和总磷分别增加28.1% 和26.4%，总氮和总磷均增加的原因是因为降水量增加，流域地表径流相应增加，使得随着地表径流流失的总氮和总磷含量相应增加。而在气候变化情景模式IV下，降水减少5%，气温不变化，流域总氮和总磷相应减少一定的比例，这同样因为降水减少，使得流域地表径流深相应减少，随地表径流流域的面源污染负荷也相应减少，从表中还可以看出，降水量变化引起的总氮和总磷的变化率均要大于气温变化引起的总氮和总磷的变化率，可见，降水变化引起的面源污染负荷影响要大于气温变化的影响。

3　结语

本文结合SWAT模型模拟汤河流域面源污染时空分布，并基于SWAT模型定量分析4种气候变化情景模式对流域面源污染负荷的影响，研究取得以下结论。

（1）SWAT模型适用于汤河流域面源污染模拟，模型模拟的各年份总氮和总磷年相对误差小于15%，月尺度过程确定性系数达到0.65以上，符合流域非点源污染模拟精度要求，可用来模拟分析不同情景下流域的面源污染负荷时空分布。

（2）降水量变化将直接影响汤河流域面源污染负荷含量，且影响率大于气温变化引起的汤河流域面源负荷变化率。

参考文献

［1］张永勇，王中根，于磊，夏军，陈向东.SWAT水质模块的扩展及其在海河流域典型区的应用［J］.资源科学，2009（01）：94-100.

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［9］陈军宁.基于SWAT模型的鄱阳湖区非点源污染模拟研究［D］.南昌大学，2013.

［10］DEM数据：http：//srtm.csi.cgiar.org/SELEGTION/inputGoord.asp.

［11］土地利用数据：http：//westdc.westgis.ac.cn/data/1cad1a63-ca8d-431a-b2b2-45d9916d860d/.

作者简介：崔杰石（1966年—），男，高级工程师。

收稿日期：2015-10-27

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.002

中图分类号：X522

文献标识码：A

文章编号：1672-2469（2016）02-0004-03