基于SWAT模型的阿什河流域非点源污染控制措施

马 放,姜晓峰,王 立*,李光明,李 哲(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学宜兴环保研究院,江苏 宜兴 214205)



基于SWAT模型的阿什河流域非点源污染控制措施

马 放1,2,姜晓峰1,2,王 立1,2*,李光明1,2,李 哲1,2(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学宜兴环保研究院,江苏 宜兴 214205)

摘要：以阿什河流域为研究区,建立了SWAT模型,并通过情景模拟技术分别模拟了退耕还林.等高种植、化肥减量与植被过滤带等非点源污染控制措施及其综合效果.结果表明:通过坡耕地退耕还林,可减少1.03％～5.35％的非点源TN负荷与0.94％～8.09％的非点源TP负荷;通过等高耕作,可减少0.51％～2.77％的非点源TN负荷与0.49％～4.54％的非点源TP负荷;通过20％的化肥减量可减少0.65％～6.52％的非点源TN负荷与0.01％～2.95％的非点源TP负荷;20m的植被过滤带可减少42.62％～69.51％的非点源TN负荷与80.09％～86.27％的非点源TP负荷.通过综合管理措施,可减少34.90％～54.36％的TN负荷与35.32％～60.89％的TP负荷.为达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅳ类水体TN与TP的浓度标准,2006～2010年尚需削减45.87％～82.53％的点源TN负荷与35.58％～66.85％的点源TP负荷.

关键词：SWAT模型；非点源；情景模拟；污染控制；阿什河流域

* 责任作者, 副教授, wli@hit.edu.cn

已有研究表明,仅仅依靠对点源污染进行防控,并不能从根本上解决流域尺度的水环境问题[1-2].目前,越来越多的国家开始关心非点源污染在水质恶化过程中所扮演的角色[3-4].有研究表明,在一些流域内,非点源污染已经超过点源污染,成为水环境质量下降的主要原因[5-6].当今,随着农业科技的发展与日益增长的粮食需求,越来越多的商用化肥被投入到农田中,使得随地表径流进入水环境的营养物也日益增加[7].非点源的控制措施可分为源头控制(如人工湿地与植被缓冲带等)与末端治理(如保护性耕作、覆盖作物种植管理与土地利用管理等)两大类[8].王晓等[9]基于SWAT模型,研究了丹江口水库流域不同等级坡度下控制流域非点源污染的最佳措施.赵鹏等[10]以溪河流域为研究对象,用情景分析法,预测了不同河岸带修复策略对非点源污染的削减作用,结果发现河岸带对TN和TP的削减能力具有较大的空间差异性,TN的去除率为23.36％～ 30.72％,TP的去除率为27.19％～39.86％.

阿什河流域是我国重要的粮食生产基地之一,近年来随着区域经济与粮食产量的不断增长,流域的水体污染也日趋加重,已经被《松花江流域水污染防治“十二五”规划编制大纲》列为“哈尔滨市污染最为严重的河流”.随着阿什河流域点源治理工作的不断推进,非点源污染问题逐渐显露了出来,流域面临着重要的农业生产压力和非点源污染风险,当地迫切需要有关非点源污染控制措施的研究.目前,当地制定的阿什河流域的非点源污染控制措施均为基于输出系数法,或定性研究,科学依据不足,尚缺少基于物理模型的定量化研究.

在此背景下,本研究构建了阿什河流域的SWAT模型,对阿什河流域的非点源污染进行了定量化估算,基于此对流域内的非点源污染类型进行了识别,并基于识别结果,利用情景模拟技术对流域的非点源污染措施进行了研究,以期为阿什河及其他相似条件流域的非点源污染控制工作提供科学依据.

1 数据与方法

1.1 研究区概况

阿什河流域位于黑龙江省哈尔滨市辖区内(126°40′20″E～127°43′33″E,45°5′30″N～45°50′28″N).流域面积3545km2,流域总人口约123.2万,共包含9个街道与18个乡镇.流域海拔范围为109～833m,坡度为范围为0～67.3％,但流域内土地整体较为平坦,坡度大于25％的区域只占总面积的8.94％.流域冬季气候寒冷,多年平均气温3.4℃,最冷月1月份平均气温-19.8℃ ,极端最低气温-40℃ .每年11月中旬至次年4月上旬为冰封期.流域内全年降雨量不均,降雨大多集中于7～8月份,此间降雨量约占全年的47.3％左右,最大降水量1032mm,最小降雨量383.5mm,多年平均降雨量为580～600mm.

1.2 基础数据获取与处理

运行SWAT模型需要大量的基础数据.本研究中,数字高程模型(DEM)数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站;土壤图及土地利用图来源于黑河计划数据管理中心寒区旱区科学数据中心;河网图来源于国家基础地理中心.降雨,温度,相对湿度,风速及太阳辐射等气候数据来源于SWAT官方网站及中国气象科学数据共享服务网.流量数据来源于水利部阿城水文站;水质监测与点源负荷来源于哈尔滨市环境监测中心站;施肥负荷来源于《哈尔滨统计年鉴》[11].详细数据信息如表1所示.

表1　SWAT模型数据信息Table 1 Information of SWAT input data

1.3 研究方法

一般来说,大空间尺度下的非点源污染研究,多采用数值模拟的方法,或者称为模型.根据马鑫等[12]对1900～2012年间Web of Science中的SCIE和CPCI-S引文数据库的统计,目前应用最广泛的非点源污染模型主要有以下4个:HSPF, ANSWERS,AGNPS和SWAT,合计占到总发文量的20.2％.而在这4种模型中,SWAT占52％,占据绝对的优势.需要说明的是每种模型都有一定的限制和使用条件,阿什河流域是高寒农业区,以下将根据研究区的特点进行模型选择.首先,在功能上,上述4种模型都符合要求,均为长期连续模型且可以模拟N、P非点源污染.但ANSWERS模型没有考虑降雪的融积过程,因此不适宜在阿什河流域应用;AGNPS则没有考虑污染物平衡,且不适用于空间尺度较大的流域模拟,模拟流域一般不超过200km2,而阿什河流域超过了3000km2; HSPF模型不具备模拟水田的瓦管排水的能力[13],其对管理措施的模拟也不尽完善,且对N、P等营养元素的模拟效果则较SWAT略差[14]; SWAT模型在阿什河流域的问题则为不合适在平原区应用.由此可知,没有尽善尽美的模型,只能在一定范围内选择最合适的模型.本研究选择了美国农业部开发的SWAT模型进行非点源污染的定量化计算.关于平原区的适应性问题,采用手绘河网校正的方式,取得了令人满意的结果.

SWAT是一种物理模型,目前已被广泛用于水土流失防控,非点源污染控制以及流域管理等方面,是非点源污染研究中应用最广泛的模型之一[15-17].Sun等[18]将SWAT模型应用于海河流域,优化了流域内冬小麦与玉米的灌溉措施,提高了农业用水的利用率.孙丽娜等[19]借助SWAT模型和CLUE-S模型研究了吉林省东辽河流域土地利用变化对非点源的影响,结果表明不同土地利用条件对泥沙、溶解态氮、有机氮、TN、溶解态磷、有机磷和TP均有显著影响.Wu等[20]利用SWAT模型对珠江三大支流之一,东江流域的点源与非点源权重进行了分析,结果表明除矿物质磷外,其他营养盐污染中非点源污染已经成为其主要来源.

由于阿什河流域以农业为主的特征,决定了其非点源污染主要来自于农田.因此,本研究的控制措施也均聚焦于农田,同时考虑SWAT的模拟能力,分别设置了退耕还林、等高耕作、化肥减量与植被过滤带4种控制措施.

2 结果与讨论

2.1 模型适用性分析

在建立SWAT模型后,还需进行率定和验证,证明其适用于所在区域,然后方可将其用于相应的计算.单一评价指标往往难于准确描述模型的表现力,本研究采用相对误差(RE),决定系数(R2)以及Nash-Sutcliffe效率系数(ENS)等3个指标,用于对模型径流模拟的适用性做出评价.Moriasi 等[21]给出了水文模型在以月为时间步长时进行径流与水质模拟时的适用性标准.一般来说,对于ENS和R2≥0.50即可认为是可接受的;对于RE,径流在±15％

SWAT模型用户手册建议有2～5a的预热期,以减少模型初始化过程中带来的空值问题.因此,对于径流,设定率定期为1996～2005年,验证期为2006～2010年.由于阿什河产沙量比较低,水利部自1954年后就取消了阿什河的泥沙监测,因此本研究进行径流率定与验证后直接进行了水质率定与验证.水质率定与验证选取的指标为TN与TP,本研究获取的监测值时间范围为2006～2010 年.由于我国国情的原因,每年只有8个月的例行监测,分别为1月、2月和5～10月.因此,对于TN 与TP,设定的率定期为2006～2008年,验证期为2009～2010年.径流与水质的率定与验证结果如图1所示.

图1　率定与验证期最佳拟合曲线Fig.1 Best fit curve for calibration and validation

由图1可知,径流率定期的RE、R2与ENS分别为6.42％,0.61与0.59,验证期RE、R2与ENS分别为-12.83％,0.69与0.67;TN率定期的RE,R2与ENS分别为-18.33％、0.64与0.55,验证期RE,R2与ENS分别为-17.34％,0.59与0.57;TP率定期的RE,R2与ENS分别为-4.32％,0.61与0.56,验证期的RE,R2与ENS分别为-18.02％,0.67与0.58,符合Moriasi等给出的适用性标准.综上,SWAT模型适用于在阿什河流域进行径流,TN与TP的模拟.

2.2 退耕还林

退耕还林是指:将易造成水土流失的坡耕地和易造成土地沙化的耕地,有计划、分步骤地停止耕种;本着宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草、乔灌草结合的原则,因地制宜地造林种草,恢复林草植被.根据《中华人民共和国水土保持法》[22],禁止在25°以上陡坡地开垦种植农作物.已在禁止开垦的陡坡地上开垦种植农作物的,应当按照国家相关规定退耕,植树种草;耕地短缺,退耕确有困难的,应当修建梯田或者采取其他水土保持措施.《退耕还林条例》[23]也要求,江河源头及其两侧、湖库周围的陡坡耕地以及水土流失和风沙危害严重等生态地位重要区域的耕地,应当在退耕还林规划中优先安排.但是退耕还林还涉及经济与伦理等诸多方面的问题,例如粮食产量的降低与当地农民的生计问题等,本研究仅对其对非点源污染的影响方面进行讨论.

根据以上法律法规精神,本研究设置的情景为将流域内坡度大于25°的耕地转换为林地.阿什河流域内坡度大于25°的耕地面积总计为1726hm2,约占流域内耕地总面积的1.02％,面积不大,因此本研究只设置了两个梯度,即25°以上坡耕地退耕100％与50％两级,还林的林地类型设为普通林地.模拟结果如图2所示.

由图2可知,退耕还林对于削减流域非点源TN与TP污染具有积极作用,其中在丰水年效果更为显著.退耕面积100％的效果要好于退耕面积50％.总体来说,通过对坡耕地进行退耕还林,在不同水平年可以减少1.03％～5.35％的非点源TN负荷,0.94％～8.09％的非点源TP负荷.TP削减效果要好于TN,这主要是由于TP为沉积性污染,多附着于泥沙等颗粒上,而退耕地全部为坡度25°以上的耕地,水土流失严重,因而退耕还林对削减非点源TP污染的效果更为显著.

图2　退耕还林模式下的非点源TN与TP削减效果Fig.2 Reducing effect of NPS-TN and NPS-TP under returning farmland to forest mode

2.3 等高耕作

退耕还林会涉及粮食产量与经济问题,从这个角度考虑,若不削减农田面积,则需要一定的农田管理措施.等高耕作是保护性耕作措施的一种,也称为横坡耕作,其最常见的表现形式为梯田.从基本原理可知,其主要是通过减缓坡度的方式来减少水土流失量,进而减少非点源污染.SWAT模型中内置的“Operation”模块可以实现这一功能,本节将通过设置梯田的方式,考察等高耕作对非点源TN与TP的削减效果.

设置TERR_P(等高耕作水土保持因子)设置为0.5,TERR_CN(等高耕作径流曲线数)初始值设置为60,TERR_SL(等高耕作平均坡长)设置为20,将以上参数写入.ops文件中,然后运行模型即得到等高操作所对应的非点源TN与TP污染.模拟结果如图3所示.

图3　等高耕作模式下的非点源TN与TP削减效果Fig.3 Reducing effect of NPS-TN and NPS-TP under terracing mode

由图3可知,等高耕作对于削减流域非点源TN与TP污染具有积极作用,但作用较为有限.通过等高耕作,在不同水平年可以减少0.51％～2.77％的非点源TN负荷,0.49％～4.54％的非点源TP负荷.TP削减效果要好于TN,原因同退耕还林一致.总体来看,等高耕作的削减效果要差于退耕还林,其优点主要是不需要以降低粮食产量为代价.

2.4 化肥减量

化肥是农业非点源污染的主要来源之一,从源头控制的思想来看,减少化肥使用量是降低非点源污染的根本措施.生物肥料是近几年新兴起的一种技术,狭义的生物肥料,是通过微生物生命活动,使农作物得到特定的肥料效应的制品,也被称之为接种剂或菌肥,它本身不含营养元素,不能代替化肥.广义的生物肥料是既含有作物所需的营养元素,又含有微生物的制品,是生物、有机、无机的结合体它可以代替化肥,提供农作物生长发育所需的各类营养元素.

在不影响产量的状况下,生物肥料可以替代一定量的传统化肥[24].广东省农科院土肥所开发的水稻专用BB肥可比普通化肥减少25％的使用量而不影响产量[25].吴正景等[26]在温室条件下种植番茄,在不影响产量的情况下,使用树脂包膜尿素减少了15％的化肥用量.考虑技术移植的各种复杂影响因素,以及大规模使用时的空间效应问题,实际中往往难以达到理想效果.基于以上考虑,同时参考课题组在与本研究区相近的拉临河流域的实验结果[27],将化肥替代量设为10％.将新的施肥负荷写入.mgt文件中,得到化肥减量后的非点源TN与TP负荷,如图4所示.

图4　化肥减量模式下的非点源TN与TP削减效果Fig.4 Reducing Effect of NPS-TN and NPS-TP under Fertilizer Reducing Mode

由图4可知,通过10％的生物化肥替代后,在不同水平年可以减少0.65％～6.52％的非点源TN负荷及0.01％～2.95％的非点源TP负荷.TN削减效果要好于TP,并且TP削减率体现出了明显的逐年上升趋势.TN削减也体现了这一趋势,但没有TP显著.这主要是由于TP是沉积性的,作物对磷肥的利用率较低,每年施用的磷肥得不到有效利用而沉积于土壤中,逐年累积起来,因而磷肥的削减效果需要较长时间方能显现;TN中的NO3--N穿透性较强,这部分氮多通过稳定的基流带入流域中,即TN的累积性没有TP强,因而TN的削减效果见效要比TP快.孙金华等[28]使用AnnAGNPS模型,对太湖流域雪堰镇平原区进行了化肥减量的情景模拟,研究发现削减30％的化肥量,可以减少18.08％的非点源TN与4.30％的非点源TP,与本研究的结论相一致.

2.5 植被过滤带

植被过滤带,也称为植被缓冲带,可以理解为一种将污染源与受纳水体隔离开的植被带[29].植被过滤带被认为是控制非点源污染最有效的方法之一,并且具有成本低廉、兼具生态效益等优点[30].美国在1978年即将植被过滤带列为流域管理的“最佳管理措施”(Best Management Practices, BMPs)之一,在加拿大,植被过滤带已被列入“Ontario省农场环境规划和水土管理BMPs”之中,英国和其他欧洲国家也提倡使用植被过滤带[31-32].

SWAT2009中使用的过滤带算法源自White 和Arnold,其只对泥沙、营养物细菌和杀虫剂有影响,而不影响地表径流量.并且SWAT不考虑过滤带的植物构成,配比与形状等因素,只考虑长度、宽度与坡度的影响.本研究中长度由农田形状决定,坡度由DEM进行计算,因此只对缓冲带宽度的不同进行讨论.

关于植被过滤带的宽度效果目前尚没有统一的结论[33].李伟等[34]的研究表明,由狗牙根构成的植被过滤带宽度分别为0.5m,1.0m,1.5m和2.0m时,对TN的去除率分别为8％,42％,56％和59％,对TP的去除率分别为20％,77％,86％和89％.Lee等[35]的研究表明,由柳枝稷构成的7.1m宽的植被过滤带,对地表径流中的泥沙,TN与TP的去除率可以达到95％,80％与78％.李怀恩等[36]的研究发现,10m宽的草地植被过滤带对地表径流中TN与TP的去除率分别为70％和85％. Dosskey等[37]的研究发现,30m的植被过滤带方能过滤掉径流中所有的硝态氮,但Haycock等[38]的研究却表明,5～8m的宽度就足够了.以上研究结果显示,对于多数植被过滤带系统,10m即可提供足够好的效果,提高宽度不仅需要更高的成本,还可能存在岸边距离不足的状况.因此,本研究的设置的植被过滤带宽度分别为3m,5m,10m和20m.模拟结果如图5所示.

图5　植被过滤带模式下的非点源TN与TP削减效果Fig.5 Reducing Effect of NPS-TN and NPS-TP under Filter Strips Mode

如图5所示,植被过滤带对削减流域非点源TN与TP污染具有积极作用,且效果显著.宽度为3m,5m,10m和20m的植被过滤带对非点源TN与TP的去除率分别可达14.60％～33.72％, 18.93％～ 41.28％, 27.77％～53.74％, 42.62％～69.51％和45.40％～49.07％,52.87％～57.11％,65.05％～70.17％, 80.09％～86.27％.植被过滤带的宽度与污染物去除率成正比,即植被过滤带越宽,污染物去除的越多, 且TP的削减效果好于TN.以上研究与李世锋等[39]及李怀恩等[40]的研究结果一致.这主要是由于模拟中MINP(矿物质磷)的含量较高,即颗粒性磷的含量较高,而SWAT模型中的植被过滤带只考虑了截留作用,并未考虑其中的生化反应,因此,TP的截留作用要好于TN.由图5可见,TN的截留波动性要大于TP,这主要是由于TN中的NO3--N与NH4+-N皆为溶解性氮,但是SWAT2009并未考虑植被过滤带对径流的截留作用.因此,TN的截留与降雨的关系更密切,由图5(a)亦可看到非点源TN在污染负荷高的年份拥有更高的去除率,而非点源TN染负荷高的年份则恰是降雨量高的年份.

2.6 综合措施

多种控制措施同时应用可以最大程度的将非点源污染危害降至最低.由上述研究可知,植被过滤带的削减效果远好于退耕还林、等高种植及化肥减量.由于非点源TN与TP的累积效应,退耕还林与化肥减量见效较慢,但其属于源头控制措施,长远来看是改善流域水质的必须措施.植被过滤带由于采取了直接截留污染物的方式,因此效果最好,是快速改善流域水质的重要措施.基于以上分析,本研究设置最终的综合管理措施为“25°以上耕地100％退耕还林”+“25°以下耕地等高种植”+“化肥减量5％”+“20m植被过滤带”.由于获取的点源负荷数据只包含2006～2010年时段,故综合措施效果亦只分析这五年.实施综合措施后,流域总出口的TN与TP负荷及削减效果如图6所示.

由图6可知,综合措施对于削减流域TN与TP污染具有积极作用.通过综合管理措施,在不同水平年可以减少34.90％～54.36％的TN负荷以及35.32％～60.89％的TP负荷.由于污染物的削减主要依靠植被过滤带的作用,因此TP的削减效果略好于TN.通过计算,经过管理措施后的阿什河流域总出水口TN浓度为5.94～8.99mg/L,TP浓度为0.62～1.14mg/L,依旧远超《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[41]中Ⅳ类水体要求的TN浓度1.5mg/L,TP浓度0.3mg/L的要求,需进一步对非点源进行削减或者对点源进行削减.由于目前皆为在不影响粮食产量的基础上对非点源污染进行削减,因此建议对点源进行削减.经计算,为达到Ⅳ类水体中TN与TP的浓度标准, 2006～2010年尚需削减45.87％～82.53％的点源TN负荷与35.58％～66.85％的点源TP负荷.由于枯水期由于非点源负荷较低,因此点源TN与TP削减要求较高的年份主要为枯水年.

图6　综合模式下的TN与TP削减效果Fig.6 Reducing Effect of TN and TP under Integrated Management Mode

3 结论

3.1 基于SWAT模型,应用情景模拟技术,对阿什河流域的非点源污染控制措施进行了研究.SWAT模型适用于在阿什河流域进行径流,TN与TP的模拟.

3.2 阿什河流域非点源污染严重,非点源TN负荷约占TN总负荷的32.47％～62.61％,非点源TP负荷约占TP总负荷的32.47％～62.61％的22.30％～57.85％.

3.3 退耕还林,等高种植,化肥减量,植被过滤带等技术对非点源TN与TP负荷削减具有积极作用,其中植被过滤带的作用最为显著.通过以上综合措施,在不同水平年可以减少34.90％～54.36％ 的TN负荷以及35.32％～60.89％的TP负荷.但为达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅳ类水体TN与TP的浓度标准,2006～2010年尚需削减45.87％～82.53％的点源TN负荷与35.58％～66.85％的点源TP负荷.

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Non-point source pollution control of Ashihe Basin based on SWAT Model.

MA Fang1,2, JIANG Xiao-feng1,2, WANG Li1,2*, LI Guang-ming1,2, LI Zhe1,2(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.HIT Yixing Academy of Environmental Protection, Yixing 214205, China).China Environmental Science, 2016,36(2)：610～618

Abstract：Ashi River Basin was selected as the study area to establish soil and water assessment tool (SWAT) model under the support of the scenario simulation technology to simulate the returning farmland to forest , terracing , fertilizer reduction ,vegetation filtering belt strips,their syntaxic control measures and its comprehensive effect.Results showed that: returning farmland to forest mode could reduce 1.03％～5.35％ of NPS-TN load and 0.94％～8.09％ of NPS-TP load. Terracing mode could reduce 0.51％～2.77％ of NPS-TN load and 0.49％～4.54％ of NPS-TP load. Fertilizer reducing mode could reduce 0.65％～6.52％ of NPS-TN load and 0.01％～2.95％ of NPS-TP load. Filter strips mode could reduce 42.62％～69.51％ of NPS-TN load and 80.09％～86.27％ of NPS-TP load. Syntaxic mode could reduce 34.90％～54.36％ of TN load and 35.32％～60.89％ of TP load. For reaching the water quality goal of ‘Environmental quality standards for surface water’ (GB3838-2002), 45.87％～82.53％ of PS-TN load and 35.58％～ 66.85％ PS-TP load should be reduced yet.

Key words：SWAT Model；non-point source；scenario simulation；pollution control；Ashi River Basin

作者简介：马 放(1963-),男,辽宁铁岭人,教授,博士,主要从事环境生物技术,流域污染防控理论与技术的研究.发表论文120余篇.

基金项目：国家自然科学基金(51179041);水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07201007);黑龙江省自然科学基金(E201206);城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主课题(2014TS05)

收稿日期：2015-07-17

中图分类号：X522

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)02-0610-09