基于SWAT的滇池流域农业非点源污染空间分布特征研究

刘鹏++杨昆++彭双云++张韶华

摘 要：该研究应用SWAT模型对昆明市滇池流域进行了流域农业非点源污染负荷的模拟计算，利用昆明水文站干海子2008—2014年的实测日径流数据进行了模型的率定与验证，验证结果显示，SWAT模型适用于滇池流域。并且利用验证后的模型分析了2008—2014年滇池河流域年均的非点源污染空间分布特征，结果表明，有机氮和有机磷负荷输出的地区大体一致。总体上，滇池河流域农业非点源污染的较大负荷产生量集中在中部地区，少量分布在南北部角落其他地区输出负荷相对较少。

关键词：农业非点源污染；滇池；空间分布；SWAT模型

中图分类号 X32 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）24-0080-04

水污染从源头上划分可分为点源和非点源污染2种类型，与点源污染污染相比，非点源污染由于涉及范围广、控制难度大，目前已成为影响水体环境质量的重要污染源[1]。国外对农业非点源污染的研究和认识始于20世纪60年代，主要是美国、英国、日本等发达国家开展了对农业非点源污染的分析和研究。我国的农业非点源污染研究始于20世纪80年代初，国内众多流域已有SWAT模型研究的案例，如长江流域[2]、黄河流域[3]以及黑河流域[4]。国内学者郝芳华[5]以官厅水库作为研究区，对水文年的非点源污染负荷进行了模拟，结果表明流域非点源污染负荷与降水量成正相关。万超[6]通过对3个不同的水平年进行非点源污染负荷计算，得到了潘家口水库流域的负荷时空特征及主要影响因素。

1 SWAT模型概述

SWAT模型是一种具有较强物理机制的长期分布式水文模型，可应用于大型流域的研究。SWAT模型集成了遥感（RS）和DEM（数字高程模型），可以模拟和预测长期不同管理对流域的非点源污染负荷输出影响，是农业非点源污染建模的有效工具，目前已广泛应用于世界各地。

2 研究区概况

2.1 自然地理状况 滇池流域地处云贵高原中部，隶属金沙江水系。滇池流域面积2 920km2 为南北长东西窄的湖盆地，地形主要以山地丘陵居多，面积2 030km2，约占69.5%；湖滨平原面积590km2，占20.2%；滇池流域水域面积约300km2，占10.3%。滇池水域分为草海、外海2个部分。草海外海分别位于滇池北部和南部外海为滇池主体，草海、外海均有人工控制出口，分别为西北部的西园隧洞和西南端的海口中滩闸，滇池出水经螳螂川、普渡河流入金沙江。

2.2 流域农业非点源状况及原因 滇池流域的非点源污染方式主要包括生活污水排放、水土流失、地表径流氮磷流失、农田农药和化肥的不合理施用等。研究表明，水体污染和富营养化的主要来源为农药和化肥的使用，美国每年生产5亿t的农药，其中70%用于农田，由此引发的水污染事件不计其数，USEPA把农业列为全美河流和湖泊污染的第一污染源[8]。据统计，滇池流域的水田面积最大，占38%，旱地35%，菜地19%，花卉地占8%[9]，随着农业产业结构的调整和经济发展的需求，蔬菜花卉等经济作物在滇池流域的种植规模将越来越大，作物施肥量也不断递增，化肥的不合理使用导致氮、磷元素大量流失，随着降水和地表径流进入水体，从而导致滇池水体污染和富营养化。

3 滇池流域非点源研究的SWAT模型应用

3.1 模型基础数据库建立

3.1.1 空间数据库 SWAT空间数据库主要包括数字高程模型，土地利用数据和土壤分类数据。数字高程模式DEM和土地利用遥感影像数据来自地理空间数据云，DEM主要用于确定累积流量计算的流向，河网以及特征参数的提取等信息。土地利用遥感数据主要通过ENVI5.1软件预处理，使用监督分类方法提取土地利用分布。土壤分类数据来源世界和谐土壤数据库（HWSD），根据流域边界裁剪后进行重分类。滇池土地利用分类如图1所示。

3.1.2 流域属性数据 SWAT模型属性数据库主要包括气象数据、土壤分属性数据，水文数据等，其中气象数据来自由中国水利水电科学研究院、中国气象局及中国科学院寒区寒区环境与工程研究所等多家参与研发的SWAT模型中国大气同化驱动数据集CMADS（自CMADSV1.1版本数据集，水文数据采用昆明市和干海子水文站实测水文数据。

3.2 SWAT模型模拟

3.2.1 子流域划分 划分子流域时，首先加载流域DEM数据，然后ArcSWAT调用ArcGIS的水文模块进行无洼地DEM生成、汇流累积量计算、水流长度计算河网提取以及流域分割等过程，并最终将整整个流域划分为若干个子流域。在子流域划分过程中，需要设定子流域面积阈值，子流域阈值面积大小决定了子流域划分的个数，子流域面积越小，河网密度越大河网节点越多，不过集水面积阔值并非确定的越小越好，阔值越小更容易产生伪河道。孔凡哲等指出随着集水区面积阔值的变小，河网密度或河源密度的变化趋势趋于平缓时即被认定是最合理的集水面积阔值[10]子流域阈值面积确定之后需要设定出水口位置，子流域的出水口一般位于支干流相交处同时尽可能与流域中的水文站点。水质站点以及河流入湖口相对应，以方便模型的校准和验证，本研究把研究区域划分为102个子流域。

3.2.2 水文响应单元划分 在划分HRUs之前，首先需要加载土地类型利用图、土壤分类数据到SWAT模型中，并按照一定坡度进行重分类，在SWAT模型中，坡度分类主要有Single Slope和Multiple Slope两种方式Single Slope将流域划分为一类Multiple Slope可以将流域划分为多个坡度，最多可以将坡度分为5类，本研究采用第二种方式将研究区坡度分为两类。当对土地利用类型、土壤类型和坡度的进行重分类后，开始进行HRUs划分定义，SWAT模型提供了3种方式来定义HRUs：Dominant Land Use、Soils、Slope、Dominant HRU、 Multiple HRUs；本研究采用第三种方式进行HRUs划分设置土地利用、土壤类型，坡度的阈值分别为20%、10%、20%，最终将研究区域的102个子流域划分为198个水文响应单元。

3.2.3 参数敏感性分析 在SWAT模型中存在大量的参数，很多参数由于测量误差、空间差异等原因导致很多参数无法准确确定，为了保证模拟值与测量值的一致性，需要对模型参数进行率定，然而SWAT模型设计参数众多，无法一一率定，故筛选出一些对模拟结果影响比较大的参数，对其进行参数敏感性分析和参数率定，从而确定模型对流域的适应性。本研究中采用SWAT-CUP2012软件进行参数敏感性分析，并对参数进行率定和校准，SWAT-CUP2012程序中提供了Sufi2、GLUE、ParaSol、McMc、PSO等5种敏感性参数分析方法，本研究采用Sufi2方法对SWAT模型中参数进行敏感性分析，从而得到对模型影响最大的敏感性参数，对模型进行校准。

4 结果与分析

本研究将滇池流域划分为102个子流域，结合滇池流域内的土地利用分布图和土壤类型空间分布图进行模型模拟，最终得到2008—2014滇池流域农业非点源污染年均氮和磷负荷空间分布图（图3、图4）。

SWAT模型氮污染负荷主要以有机氮和硝酸盐氮2种形式输出，滇池流域氮负荷输出空间分布主要分析如下：

滇池流域有机氮和硝酸盐氮负荷的空间分布特征如图3所示。由图3可知，流域单位面积有机氮的输出区主要集中在子流域15、18、35、36、37、38、41、45，单位面积有机氮负荷达到6.65kg/hm2·a相对于有机氮负荷较大输出空间分布，硝态氮范围相对较小，主要集中子流域15、18、25、36，这些流域是硝态氮的主要产区。综合有机氮和硝态氮的空间分布特征，氮分布主要集中在城区和耕地，城区人类活动密集，氮污染主要来源道路交通、城市公园绿化氮肥施用而农田耕地过量有机氮肥施用、肥料利用率低下是导致该区域氮素流失的关键因素。

滇池流域有机磷和可溶性磷负荷的空间如图4所示。由图4可知，流域单位面积有机磷的输出区主要集中在子流域15、18、25、38、41、44、45、63，单位面积有机磷负荷达到1.59kg/hm2·a以上，而可溶性磷较大负荷输出空间分布相比于机磷分布范围有所扩大，除了和有机磷较大负荷分布的中部区域外，流域上部和右边部分有所扩展，总体来说磷负荷和氮较大负荷区域分布大体相当，说明氮磷污染有着密切相关的联系；另一方面磷流失也与农业耕作和过量施肥有着密切的关系，影响因素与氮素流失具有相同的特点。

4 结论

通过上述结果分析得知，研究区的非点源污染主要集中在建筑区和耕地，耕地作为农业用地，需要大量施用各类肥料，导致产生相对较多的氮、磷非点源污染，而建设用地人口的聚集，人类活动产生的各种富含氮、磷的污染源增多，因此，今后应大力推广科学合理的施肥技术以及减少城市非点源污染排放。

参考文献

[1]李健忠，庞明，叶朝霞，等.我国农业非点源污染研究进展及其防治措施[J].广州化学，2008，33（2）：54-58，79

[2]张佳，霍艾迪，张骏.基于SWAT模型的长江源区巴塘河流域径流模拟[J].长江科学院院报，2016，05：18-22，27.

[3]李道峰，田英，刘昌明.黄河河源区变化环境下分布式水文模拟[J].地理学报，2004，59（4）：565-573.

[4]黄清华，张万昌.SWAT分布式水文模型在黑河干流山区流域的改进及应用[J].南京林业大学学报：自然科学版，2004，28（2）：22-26.

[5]郝芳华，孙峰，张建永.官厅水库流域非点源污染研究进展[J].地学前缘，2002，9（2）：387-389.

[6]万超，张思聪.基于GIS的潘家口水库面源污染负荷计算[J].水力发电学报，2003（81）：62-68.

[7]秦福来，王晓燕，张美华.基于GIS的流域水文模型-SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型的动态研究[J].首都师范大学学校：自然科学版，2006，1.

[8]USEPA.National water quality inventory.RePortto Congress Exeeutive Summary WashingtonD.C：USEPA，1995：497.

[9]陆轶峰，李宗逊，雷宝坤.滇池流域农田氮、磷肥施用现状与评价[J].云南环境科学，2003，01：34-37.

[10]孔凡哲，李莉莉.利用DEM提取河网时集水面积闽值的确定[J].水电能源科学，2005，23（4）：65-67. （责编：张宏民）