基于SWAT模型的渭河流域污染控制效果模拟

杜　娟，李怀恩，赵湘璧，李家科

(1.榆林学院建筑工程系，陕西 榆林　719000；2.西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西 西安　710048)



基于SWAT模型的渭河流域污染控制效果模拟

杜娟1，李怀恩2，赵湘璧1，李家科2

(1.榆林学院建筑工程系，陕西 榆林719000；2.西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西 西安710048)

摘要：在实测数据的基础上，利用率定验证后的SWAT模型对渭河流域污染负荷进行模拟计算，并对非点源和点源污染控制措施的模拟效果进行评价。结果表明：非点源污染综合控制措施可较好地削减污染物，且削减效果明显高于单一非点源措施。点源污染控制措施对N、P削减效果较明显，且削减效果随着强度的增加而增强。点源和非点源相结合的污染控制综合方案对流域N、P的削减效果比单一措施效果明显，采取综合措施后2020年渭河流域污染负荷产出均有所下降，且满足“十二五”规划中主要污染物控制目标，说明综合措施治理效果较好，流域水环境质量得到明显提高。

关键词：渭河流域；SWAT模型；非点源污染；点源污染；污染控制措施

按照污染源发生类型,水环境污染可分为点源污染和非点源污染2大类。即使点源污染得到全面控制,水质达标率也仅为42%～65%[1]。我国是农业大国,人口持续增加及不合理人类活动的增多加剧了水体非点源污染,导致可用水资源量大幅度减少。目前,我国正处于水污染构成的转变初期,在总污染负荷中点源污染贡献率逐渐下降,非点源污染贡献率逐步上升。若能在点源得到削减的基础上,加强对非点源污染的控制治理,必然能够抑制水质恶化,改善生态环境。

渭河流域贯穿陕甘宁3省,是我国重要的工业生产基地和粮棉油产区,更是关中地区的重要水源地,直接影响着两岸各地的经济和生活水平。作为关中地区唯一的污废水排泄通道,流域内大部分生活污水、工业废水、农业污水等进入渭河,导致渭河干流水质恶化为Ⅴ类,甚至劣Ⅴ类,水体基本丧失原有使用功能。该研究旨在利用SWAT模型识别流域内污染来源,并通过定量化的模拟分析不同污染控制方案的效果,提出治理污染的有效控制措施,为渭河流域的水环境治理提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

渭河是黄河水系最大的一级支流,全长818 km,流域面积13.48万km2,涉及陕甘宁3个省(自治区)的10个市(地区、州、盟)共72个县(旗、市)。全流域按河段划分为3段:渭河源头鸟鼠山至宝鸡峡以上为上游段,属山区河流:河谷狭窄,川峡相间,水流湍急,全长430 km;宝鸡峡至咸阳铁桥为中游段,属山区向平原过渡区河流:河道宽,多沙洲,水流分散,全长177 km;咸阳铁桥至潼关口为下游段,属典型平原区河流:水流缓慢,比降小,河道淤积严重,全长211 km(图1)。

图1　渭河流域水系分布

1.2研究方法

选择渭河流域华县水文站断面以上流域部分,在现有研究资料(1986—1990年)基础上,加入1990—2010年数据,利用SWAT模型对该区域非点源和点源污染进行模拟,识别区域内主要污染物,包括有机氮(ORGN)、有机磷(ORGP)、氨氮(以NH4+-N计)、矿物磷(MINP)等的污染产出,结合景观生态学理论与方法,定量模拟、评价土地利用结构的调整以及农业管理措施的改变等非点源控制措施效果,提出主要非点源污染物的控制管理措施和对策;加入点源负荷后,对点源和非点源负荷产出进行模拟,分析综合措施的模拟效果。

1.3模型构建

在已建立的模型基础数据库[2]中,添加1990—2010年的水文、气象和水质资料,包括日最低最高气温、日风速和日蒸发量等气象资料,降雨、径流和泥沙数据,NH4+-N、NO3--N和NO2--N等水质资料以及1986—2009年流域内各大排污单位的数据(地理位置,废、污水排放量,污染负荷量等),并将上述图形文件进行坐标转换,气象水质等资料转化为DBF格式,输入模型生成新的SWAT模型数据集。根据流域数字高程模型(DEM)和水系划分子流域及水文响应单元(HRU)进行参数敏感性分析,加入点源资料后,应用实测数据对径流、水质等相关系数进行率定、验证,选用相对误差(ER)、确定性系数(R2)和Nash-Suttcliffe模拟效率系数(Ens)对模型的适用性进行评价[3-4](表1和图2)。

表1模型适用性评价

Table 1Applicability of the SWAT model

项目相对误差(ER)/%R2Nash-Suttcliffe模拟效率系数(Ens)率定期验证期率定期验证期率定期验证期径流-1.27-7.900.930.870.880.84泥沙-16.6625.120.860.780.690.66氨氮-27.55-25.990.910.890.830.89硝态氮11.5725.630.780.690.590.66亚硝态氮-20.28-11.130.870.610.800.61

月均径流模拟值与实测值的相对误差ER在±10% 内,Ens≥0.5且R2≥0.8,说明调参后的模型满足地表径流的模拟精度要求;月均泥沙模拟值与实测值的相对误差ER在±30%内,Ens≥0.5且R2≥0.7,可认为泥沙部分的精度基本满足模型模拟要求;月均NH4+-N、NO3--N、NO2--N的模拟值与实测值的相对误差ER均在±30%以内,Ens≥0.5 且R2≥0.6,说明模拟效果较好,基本满足模拟要求。在完成径流、泥沙和水质的率定验证后,与其相关的敏感参数值得到确定(表2)。

2结果与讨论

2.1不同代表年非点源污染模拟结果

对SWAT模型进行验证后,将1955—2009年共55 a的长系列实测渭河径流量作为基础资料,利用P-Ⅲ型水文频率分析软件对径流量进行频率分析,确定不同代表年,并模拟相应代表年的非点源污染负荷产出,结果见表3。由表3可知,丰水年、平水年、枯水年的降雨量、径流量和泥沙量均依次减小,且与当年降雨径流量有密切关系。泥沙量与N、P非点源负荷分布有很好的相关性,说明控制渭河流域的水土流失和减少土壤侵蚀可以减小流域非点源负荷输出。另外,研究流域人口多,密度大,加之耕地、农村用地的化肥施用量不断增大,有机肥施用量下降等原因,都造成渭河流域非点源污染负荷比例的增加。

图2　华县水文站率定期(1987—1988年)和验证期(1995和2009年)污染负荷模拟值与实测值对比

2.2渭河流域非点源污染控制措施效果模拟

在流域建立5种方案25个情景对不同农业管理污染控制措施的效果进行模拟,具体方案见表4。对以上方案进行综合分析,以确定不同措施对水质指标的灵敏度。选用平水年非点源污染负荷量来说明各措施的削减效果(表5)。从表5可知,采取水土保持措施(方案1)后N、P的削减效果较明显;其中ORGN的削减率最高达68.72%,ORGP达58.71%,NH4+-N达56.59%,MINP达58.32%,TP达58.53%,NO3--N削减效果相对较差。与情景1-6相比,减少表层土壤施肥量占比(情景2-4)对NSP负荷的削减较少,但对MINP和TP的削减较明显,MINP削减率可达7.30%,TP削减率达5.23%。合理减少施肥量(方案3)对P、NO3--N的削减效果较为明显,且随着化肥施用量的减少,削减率随之增加,MINP达5.25%,TP为4.70%,NO3--N为4.05%。改进灌溉方式并减少灌溉用水量对N、P负荷流失的影响比施肥量更加明显。农田中N流失主要以硝态N为主,P则以溶解性P和颗粒P为主,这是因为P主要与土壤悬浮颗粒有关,“故灌溉量增加时,P的流失会急剧增大,且多为可溶性磷[5]”。采用现代农业中推广的灌溉方式和节水措施(方案4)进行模拟,对NSP负荷的削减量较大,其中ORGN削减率最高达27.19%,NO3--N削减率达14.36%,MINP削减率达65.08%,TP削减率达32.29%。同时采取水保措施、合理减少施肥量和表层土壤施肥量占比并改进灌溉方式(情景5-4)显示对NSP负荷的削减效果显著,其中ORGN达29.42%,ORGP达32.90%,NO3--N达20.23%,MINP达29.45%,TP达30.67%,由此可见,综合措施对NSP各项指标均有很好的削减作用,可以有效控制流域内NSP负荷的输出。

表2模型参数率定结果

Table 2Calibration of parameters of the model

变量 模拟过程定义 典型值范围 参数最终值 CN2径流径流曲线数0～100;微调范围±8%45;微调值-5.9%CANMX径流树冠最大截留量0～1000.50mmSOL-AWC径流土壤水有效利用量0～1;微调范围±8%0.22;微调值-0.03%EPCO径流植物吸收补偿系数0～10.85ESCO径流土壤蒸发补偿系数0～11.00GWQMN径流最小基流出流阈值0～5000280.00GW-REVAP径流土壤再蒸发系数0.02～0.200.02REVAPMN径流土壤再蒸发阈值0～5000.50SMFMX径流6月21日雪融系数0～1010SMFMN径流12月21日雪融系数0～106.8USLE-C泥沙土壤植被管理因子0.003～0.450耕地0.100;林地0.038;未利用荒草地0.040Spexp泥沙泥沙输移指数系数1.00～1.501.20PRF泥沙河道峰值流量系数0～21.00CH-COV泥沙河道覆盖因子-0.001～11.00CH-EROD泥沙河道可侵蚀因子-0.05～0.600.13CMN水质有机氮的矿化速度0.001～0.0030.002NPERCO水质氮的下渗系数0～10.10

表3不同频率年的计算结果

Table 3Calculation in different typical hydrologic years

频率年降雨量/mm径流量/(m3·s-1)泥沙量/108t污染物负荷量/t硝态氮有机氮氨氮亚硝态氮矿物磷有机磷丰水年631.86300.525.7718088.18130.871269.58856.47100.89903.16平水年573.21232.962.858181.2675.863020.291167.31383.98472.66枯水年469.83193.081.774681.6122.81448.55870.28256.2573.68

2.3渭河流域点源和非点源污染综合措施模拟分析

随着关中地区社会经济的快速发展,渭河沿岸的工业废水和生活污水逐年增多。通过加大治理力度,大多数排污单位增加了污染治理设施,但仍有部分企业不能达标排放。加之工业废水的达标排放标准远高于地表水排放标准,所以即使工业废水全部处理达标排放,对自然河道而言仍是污染浓度很高的废水。2007年,渭河流域城镇污水处理率仍不足40%,还有60%未经处理的城镇生活污水直接或间接排入渭河。由此可见,工业废水和城镇生活污水对渭河流域的水污染造成严重影响。

在SWAT模型模拟流域NSP的基础上,加入点源数据,经率定、验证后,对流域进行模拟。在流域水污染控制中主要表现为点源污染物进入河道的削减量,参考《渭河流域综合治理五年规划》和《渭河污染防治三年行动方案(2012—2014年)》,结合目前渭河流域水污染治理工作拟定及实施后对点源负荷的削减量,设定点源模拟情景,同时采取点源和面源污染的综合控制措施进行模拟(表6)。根据所设定的控制措施对渭河流域2009年污染状况进行模拟计算,结果见表7。

选取模拟结果中的NH4+-N、NO3--N、NO2--N、MINP、TN和TP作为研究对象,对平水年的模拟结果进行分析。方案1中,点源污染控制措施的实施对N、P的削减效果较明显,且随着强度加大,削减效果也明显增强。情景7中,MINP削减率达29.22%,TP达35.79%，NH4+-N达41.22%，TN达46.05%。方案2模拟结果显示:综合措施对流域N、P均有较好的削减效果,情景4中MINP削减较明显,削减率达50.77%，TP达63.17%，NH4+-N达70.84%，TN达71.60%。

可见,综合措施对N、P的削减效果最好。但在方案设定时,点源的削减强度是按照比例设定的,考虑到实践操作时存在的问题,认为点源削减方案中情景6的实践操作性较大。在方案2中,情景4的削减效果最明显,强度最大,但实施难度也大,其中灌溉用水量仅为原始值的10%,水土保持措施强度加大到0.25,化肥施肥量仅为原始值的15%。

表4渭河流域内情景模拟方案

Table 4Scenario simulation of the Weihe River Valley

方案编号方案内容情景设定说明 1采取水土保持措施,如带状种植、等高耕作或梯田等,增加土壤湿度、减少径流量,以达到保持土壤的目的。改变水土保持因子USLE-P,不同USLE-P值对应不同力度的水土保持措施情景1-1(原始状况)USLE-P=1.0情景1-2(采取措施)USLE-P=0.8情景1-3(采取措施)USLE-P=0.6情景1-4(采取措施)USLE-P=0.5情景1-5(采取措施)USLE-P=0.4情景1-6(采取措施)USLE-P=0.252改进化肥施用方式,如条施、穴施、环施等,减少耕地中N、P的流失。FRT-LY1值为表层土壤施肥量占总施肥量的比例情景2-1(原始状况)FRT-LY1=0.4情景2-2(采取措施)FRT-LY1=0.3情景2-3(采取措施)FRT-LY1=0.2情景2-4(采取措施)FRT-LY1=0.13增加农家肥、堆肥、沤肥或泥肥的施用量,减少化学肥料的使用。采用不同的FRT-KG值对应每年不同的化肥施用量情景3-1(原始状况)FRT-KG=原始值情景3-2(采取措施)FRT-KG=原始值的75%情景3-3(采取措施)FRT-KG=原始值的65%情景3-4(采取措施)FRT-KG=原始值的50%情景3-5(采取措施)FRT-KG=04采取改进的灌溉方式以减少灌溉用水量,如喷灌和滴灌等。采用不同的IRR-AMT值对应不同的灌溉用水量和灌溉方式情景4-1(原始状况)IRR-AMT=原始值情景4-2(采取措施)IRR-AMT=原始值的80%情景4-3(采取措施)IRR-AMT=原始值的60%情景4-4(采取措施)IRR-AMT=原始值的50%情景4-5(采取措施)IRR-AMT=原始值的30%情景4-6(采取措施)IRR-AMT=05综合方案1～4,同时采取水土保持,改变施肥方式、施肥量以及灌溉用水量等措施。同时改变USLE-P值、FRT-LY1值、FRT-KG值和IRR-AMT值,模拟非点源综合管理措施情景情景5-1(原始状况)USLE-P=1.0;FRT-LY1=0.4;FRT-KG=原始值;IRR-AMT=原始值情景5-2(采取措施)USLE-P=0.8;FRT-LY1=0.3;FRT-KG=原始值的75%;IRR-AMT=原始值的80%情景5-3(采取措施)USLE-P=0.6;FRT-LY1=0.2;FRT-KG=原始值的65%;IRR-AMT=原始值的60%情景5-4(采取措施)USLE-P=0.5;FRT-LY1=0.1;FRT-KG=原始值的50%;IRR-AMT=原始值的30%

USLE-P为水土保持因子；FRT-LY1为表层土壤施肥量占总施肥量的比例；FRT-KG为化肥施用量；IRR-AMT为灌溉用水量。

虽然近几年的喷灌、滴灌、井渠双灌等节水措施比较成熟,但由于渭河流域面积大，分布广,故在现有水平下,若要削减90%的灌溉用水量就必须同时采取工程节水和非工程节水措施。控制化肥施用量可以减少污染负荷的产出,但在减少化肥施用量的同时要保证农业经济效益,化肥量就不能减少太多。流域水土流失量大,是由于流域包括黄土高原,山地、坡耕地较多,土壤侵蚀严重;且支流粗沙区多,下泄粗泥沙会直接造成下游河道淤积,特别是在黄河洪水对渭河产生顶托倒灌时,北洛河高含沙洪水对下游淤积影响严重。故要治理渭河的水土流失需从沟道坝系建设、坡面治理、减少多沙粗沙区入渭泥沙量等方面入手。总体来看,水土流失治理进展缓慢，淤地坝建设难度大，边治理边破坏现象还相当严重,新的人为水土流失还在扩展,使本来就十分脆弱的生态环境更加恶化。因此，在近期要将渭河流域的水保措施强度加大到0.25的可操作性较低。可见,情景4的控制管理措施实际可操作性不高,推荐情景3中的污染控制措施。

2.4预测渭河流域2020年污染控制措施效果

模拟流域综合污染控制措施下2020年的污染负荷输出,结果见表8。2020年污染负荷输出较2009年有所下降,其中MINP减少1 516 t,TP减少1 953 t，NH4+-N减少14 141 t，NO2--N减少1 978 t，NO3--N减少4 649 t，TN减少34 122 t。渭河干流ρ(NH4+-N)平均值仅为1.273 mg·L-1,基本上达GB 3838─2012《地表水环境质量标准》中Ⅲ～Ⅳ类水标准,满足“十二五”规划中主要污染物的控制目标。

表5各措施模拟非点源污染负荷的削减率

Table 5Pollution reducing rates of different control measures controlling simulated non-point source pollution load%

表6渭河流域内综合情景模拟方案

Table 6Program for comprehensive scenario simulation of the Weihe River Valley

方案情景说明10未采取任何点源控制措施1工业点源削减20%,生活点源不变2工业点源削减40%,生活点源不变3工业点源削减60%,生活点源不变4工业点源削减20%,同时生活点源削减20%5工业点源削减40%,同时生活点源削减40%6工业点源削减60%,同时生活点源削减60%7工业点源削减70%,同时生活点源削减70%21工业点源削减20%,生活点源削减20%;采取水土保持措施因子为USLE-P=0.8;化肥施用量减少25%,改变化肥施用方式,设定表层土壤施肥量占总施肥量的比例为FRT-LY1=0.3;改进灌溉方式,减少灌溉用水量为原始值的80%2工业点源削减40%,生活点源削减40%;采取水土保持措施因子为USLE-P=0.6;化肥施用量减少35%,改变化肥施用方式,设定表层土壤施肥量占总施肥量的比例为FRT-LY1=0.2;改进灌溉方式,减少灌溉用水量为原始值的60%3工业点源削减60%,生活点源削减60%;采取水土保持措施因子为USLE-P=0.5;化肥施用量减少50%,改变化肥施用方式,设定表层土壤施肥量占总施肥量的比例为FRT-LY1=0.1;改进灌溉方式,减少灌溉用水量为原始值的50%4工业点源削减70%,生活点源削减70%;采取水土保持措施因子为USLE-P=0.25;化肥施用量减少为原始值的15%,改变化肥施用方式,设定表层土壤施肥量占总施肥量的比例为FRT-LY1=0.1;改进灌溉方式,减少灌溉用水量为原始值的10%

表7模拟方案在2009年的污染变化

Table 7Change in pollution simulated for 2009

污染物方案1情景0情景1情景2情景3情景4情景5负荷输出/t负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t变化率/%矿物磷2852.002724.35-4.482497.43-12.432396.73-15.962639.26-7.462445.38-14.26总磷4097.003872.42-5.483473.16-15.233295.99-19.553722.69-9.143381.58-17.46氨氮25037.1423456.43-6.3120646.27-17.5419399.26-22.5222402.62-10.5220001.69-20.11亚硝态氮3108.002960.89-4.732699.35-13.152583.30-16.882862.81-7.892639.36-15.08硝态氮7975.617591.27-4.826908.00-13.396604.80-17.197335.04-8.036751.27-15.35总氮58996.6554835.54-7.0547438.00-19.5944155.35-25.1652061.46-11.7645741.19-22.47污染物方案1方案2情景6情景7情景1情景2情景3情景4变化率/%负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t变化率/%负荷变化量/t矿物磷2284.97-19.882018.62-29.222443.82-14.312185.29-23.381923.02-32.571404.05-50.77总磷3099.35-24.352630.72-35.793361.29-17.962836.08-30.782292.37-44.051508.75-63.17氨氮18015.26-28.0514716.84-4.2219945.59-20.3416335.70-34.7512598.81-49.687301.80-70.84亚硝态氮2454.49-21.032147.51-30.902638.65-15.102307.19-25.771629.04-47.591062.80-65.80硝态氮6268.28-21.415466.29-31.466514.50-18.325813.64-27.114053.60-49.182896.75-63.68总氮40512.06-31.3331829.20-46.0546103.52-21.8539910.75-32.3529622.97-49.7916752.53-71.60

表8SWAT模型对2009和2020年渭河流域污染负荷的估算结果

Table 8Estimated pollution loads in the Weihe River Valley in 2009 and 2020 with the SWAT modelt

3结论

同时采取水保措施、合理减少施肥量和表层土壤施肥量占总施肥量的比例，并且改进灌溉方式和减少灌溉用水量,在流域中实行非点源综合措施,对NSP负荷的削减效果显著,且削减效果比任意一项单独非点源控制措施明显,在改善流域水环境质量时可起到较大作用。综合管理措施对流域N、P的削减效果比单一采取点源或非点源控制措施的效果明显,且随着措施强度的加大,污染负荷的输出减少。

根据现有资料采取综合控制措施预测2020年渭河流域污染负荷的产出情况:流域内污染负荷均有所减少,且干流NH4+-N的平均浓度满足“十二五”规划中主要污染物总量的控制目标。这说明在2009年的基础上,采取点源和非点源的综合控制措施,对流域污染的治理可取得较好效果,可以有效防止渭河流域污染负荷的产出,提高水环境质量。

参考文献：

[1]宫莹,阮晓红,胡晓东.我国城市地表水环境非点源污染的研究进展[J].中国给水排水,2003,19(3):21-23.

[2]李家科,刘健,秦耀民,等.基于SWAT模型的渭河流域非点源氮污染分布式模拟[J].西安理工大学学报,2008,24(3):278-285.

[3]朱利,张万昌.基于径流模拟的汉江上游区水资源对气候变化响应的研究[J].资源科学,2005,27(2):16-22.

[4]张雪松,郝芳华,杨志峰,等.基于SWAT模型的中尺度流域产流产沙模拟研究[J].水土保持研究,2003,10(4):38-42.

[6]杜娟,李怀恩,李家科.基于实测资料的输出系数分析与陕西沣河流域非点源负荷来源探讨[J].农业环境科学学报,2013,32(4):827-837.

(责任编辑： 陈昕)

收稿日期：2015-07-13

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07212-002);榆林学院高层次人才启动基金(14GK31)

中图分类号：X52

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0563-07

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.008

作者简介：杜娟(1987—),女,陕西榆林人,硕士生,研究方向为水资源保护。E-mail: dujuan3418@163.com

Simulation of Pollution Control Effect in the Weihe River Valley With SWAT Model.

DU Juan1, LI Huai-en2, ZHAO Xiang-bi1, LI Jia-ke2

(1.Department of Architectural Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China; 2.Key Laboratory of Northwest Water Resource and Environment Ecology of Ministry of Education, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China)

Abstract:Based on measured data, analog calculation of pollution load in the Weihe River Valley was done using the calibrated and validated SWAT model, and then based on the simulation, effects of the measures for control of point source (PSP) and non-point source pollution (NSP) in the valley were evaluated. Results show that comprehensive NSP control measures are better than single-factor NSP control measures in control effect. PSP control measures are quite good at reducing nitrogen and phosphorus pollution, and the effect increases with rising intensity of the measures. Comprehensive pollution control programs for control of PSP and NSP simultaneously are much better than any single-factor control measures in mitigating nitrogen and phosphorus pollution in the valley. Once the comprehensive pollution control programs are launched, it can be expected that the pollution load in the valley will have been reduced by 2020 to a certain extent, that will meet the pollution control targets specified in the “Twelfth Five-Year Plan” for major pollutants, which indicates that the comprehensive pollution control measures are very effective and the water environment quality in the valley will be remarkably improved.

Key words:Weihe River Valley; SWAT model; non-point source pollution; point source pollution; pollution control measure