基于SWAT模型的伊通河流域农业非点源污染损失估算

2017-03-21 01:20:47闫雪嫚卢文喜宋文博
节水灌溉 2017年3期
关键词:土壤侵蚀泥沙损失

闫雪嫚,卢文喜,宋文博,赵 莹

(1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,长春 130021;2. 吉林大学环境与资源学院,长春 130021)

0 引 言

水污染问题是当前严重的环境问题之一,准确评价水污染造成的经济损失不仅是进行水环境规划的基础,更是制定水环境政策的先决条件[1]。目前,农业非点源污染对地表水环境的影响日益显著。调查资料表明,非点源污染对全球30%到50%的地表水体造成了影响,其中的农业非点源污染是造成地表水水质恶化的主要原因[2]。农业非点源污染不仅会危害农业安全,还会带来巨大的经济损失[3]。因此,运用科学有效的方法对农业非点源污染损失进行定量估算是十分必要的。

伊通河流域农牧业发达,吉林省乃至全国的主要商品粮生产基地坐落在流域内。伊通河两岸有大面积的耕地,农药和化肥的大量使用在提高粮食产量的同时,也给伊通河带来了严重的污染。随着点源污染治理工作的不断加强,非点源污染特别是农业非点源污染已经成为伊通河流域面临的主要问题。而在我国环境与经济协调发展的背景下,对农业非点源污染进行分析研究时不仅要评价其污染状况,同时还要分析其经济损失。目前,有很多学者对伊通河流域农业非点源污染进行了模拟研究,但还十分缺少采用机理模型从经济角度对农业非点源污染损失进行分析和评估的研究。

目前,在我国,针对农业非点源污染的研究主要集中在3个方面:调查评价、模型研究和防治技术[4]。虽然已有针对流域农业非点源污染损失的相关研究[5-6],但在对农业非点源污染损失进行定量估算时,大多数学者选择采用输出系数法计算农业非点源污染负荷。由于所采用的某些输出系数不统一、统计数据精度较低以及数据不全等问题,采用输出系数法计算的农业非点源污染负荷精度较低,直接导致估算的农业非点源污染损失准确度降低。已有研究表明,运用SWAT等机理模型计算农业非点源污染负荷,其精度通常比输出系数法高[7]。但目前,基于机理模型的农业非点源污染损失研究还比较少见。

本文以伊通河流域为例,针对伊通河流域的农业非点源污染损失开展研究。与以往不同的是,在对研究区农业非点源污染损失进行定量估算时,选用SWAT模型计算伊通河流域农业非点源污染负荷。在此基础上采用影子工程法、机会成本法及恢复费用法分别对泥沙淤积造成的损失、土地废弃造成的损失及土壤养分流失造成的损失进行估算。以此提高伊通河流域农业非点源污染损失估算的精度,使之更加切合实际,旨在为伊通河流域农业非点源污染的防治和管理提供科学依据与决策支持。

1 研究区概况

伊通河流域地处吉林省中部,东北平原腹地,位于东经124°32′23″~125°46′42″,北纬43°01′58″~44°50′33″。伊通河是松花江的二级支流,全长共342.5 km,是长春市的母亲河,伊通河流域面积为8 840 km2。伊通河流域处于平原地带,地势平坦开阔,是吉林省乃至全国重要的粮食生产基地,耕地面积约为6 870 km2,约占总面积的78%;而草地面积及林地面积分别为368、506 km2,所占比例较小。

2 研究方法

2.1 农业非点源污染负荷计算方法

本次研究采用SWAT模型对伊通河流域农业非点源负荷进行计算。SWAT模型的发展是以SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型为基础的[8]。它具有很强的物理基础,采用以日为单位时间进行连续计算,是一种基于GIS平台的分布式流域水文模型。SWAT模型由美国农业部农业研究局所研发,在流域水平衡、河流流量预测和非点源污染控制评价等诸多方面都得到了广泛的应用[9,10]。

SWAT模型所需数据由地形、土壤、土地利用、水文和气象数据组成。其中气象数据时段为2008-2012年,包括长春、农安、双阳、烟筒山、四平5个气象站的逐日气象数据(降水量、最高和最低气温、相对湿度、太阳辐射、风速),数据来源及说明见表1。

表1 数据来源及说明Tab.1 Source of data and instructions

在相关数据准备完善的基础上,按照顺序输入数字高程模型、土地利用类型图、土壤类型图等初步建立农业非点源污染模型。然后采用SUFI-2算法进行参数的率定及模型的验证,最终建立伊通河流域农业非点源污染模拟模型。本文选用确定性系数(R2)以及模型效率系数Nash-Sutcliffe[11]对模型的模拟效果进行评价。

R2的计算公式如下:

(1)

Ens的计算公式如下:

(2)

理论上,R2和Ens的值越接近1,说明模型模拟效果越好[12]。当R2>0.6、Ens>0.5时,可说明模型模拟效果较好、结果可靠。

在建立伊通河流域农业非点源污染SWAT模型的基础上,分析水文响应单元输出文件、子流域输出文件以及主河道或河段输出文件等多个输出文件,对伊通河流域农业非点源污染负荷进行计算。

2.2 农业非点源污染损失估算方法

运用不同的环境经济学分析方法对不同类型的农业非点源污染损失进行计算。

采用影子工程法[13]计算由泥沙淤积所引起的环境损失,其中泥沙淤积是由土壤侵蚀造成的:

Ds=ZsPs/ρs

(3)

式中:Ds是由泥沙淤积所引起的环境损失,元;Zs是研究区每年总的泥沙流失量,t;Ps是为拦截每单位体积泥沙所建工程的投资费用,目前其库容造价是120 元/m3;ρs是泥沙容重,t/m3,经验取值1.28。

采用机会成本法计算因土地废弃而失去的经济损失价值。这里的土地废弃包括两种情况:①全部耕层丧失生态价值而废弃;②因耕层变薄更加贫瘠而废弃,因此土壤流失总体积按平均耕层厚度折算成土地面积来计算[14]:

Dd=ZB/(0.3×104ρ)

(4)

式中:Dd是土壤废弃的经济损失价值,元/a;Z是研究区每年土壤侵蚀总量,t/a;B是土地损失的机会成本,目前造价为1.5万元/hm2;ρ是土壤容重,t/m3,经验取值1.10。

采用恢复费用法计算土壤养分和有机质流失所造成的环境损失,该方法假设人们会为了保护自己避免危险而支付钱币,因此可以用恢复或防护资源不受污染所需支出的费用,作为环境资源破坏带来的经济损失的最低估计[13],按式(5)计算:

Si=TiKiC

(5)

式中:Si是第i种养分流失所损失的价值,元;i是N或P元素;Ti是农业非点源污染土壤第i种养分流失总量,t;Ki是第i种养分折算为磷酸二铵的系数;C是磷酸二铵肥料的价格,元。根据中国化肥网(http:∥www.fert.cn/)得知目前磷酸二铵的市场价格为3 200元/t ,N、P折算成磷酸二铵的系数分别是132/14,132/31。

3 结果与分析

3.1 农业非点源污染负荷计算结果

本文根据研究区农安站和伊通站的实测月径流资料以及农安站的月输沙量数据进行了参数的率定及模型的验证。其中,率定期为2008-2010年,验证期为2011-2012年。模拟模型参数的率定及模型的验证结果如表2所示。其中径流率定R2均大于0.90,Ens均大于0.85;验证期R2均大于0.85,Ens均大于0.80。泥沙模拟率定期R2为0.77,Ens为0.83;验证期R2为0.76,Ens为0.75。总体上模型模拟结果符合SWAT模型模拟要求,可以应用于伊通河流域研究区农业非点源污染负荷的模拟计算。

表2 伊通河流域农业非点源污染模型模拟效果Tab.2 The simulation effect of agricultural non-point source pollution model in Yitong River Watershed

在此基础上,分析模型的输出文件,计算伊通河流域农业非点源污染负荷,其结果如表3所示;伊通河流域土壤侵蚀总量的估算结果如表4所示。由表3可知,在2008-2012这5年内,2010年的农业非点源泥沙年负荷、总氮年负荷以及总磷年负荷最大,分别为3 417 200 t、12 776.40 t以及2 614.60 t,2011年最小;其大小和年降雨量有很大的关系。此外,由表4可以看出,伊通河流域的土壤侵蚀量达到了4 202 877.16 t/a。其中,耕地引起的土壤侵蚀量最大,达到了4 056 071.48 t/a,占总量的96.51%;而水田引起的土壤侵蚀量最小,仅占总量的0.34%。

表3 研究区2008-2012年农业非点源污染年负荷计算结果Tab.3 Agricultural non-point source pollution load of the study area in 2008-2012

表4 研究区土壤侵蚀总量计算结果Tab.4 The total amount of soil erosion of the study area

3.2 农业非点源污染损失估算结果

根据伊通河流域农业非点源污染负荷的计算结果以及伊通河流域土壤侵蚀总量的计算结果,结合式(3)~(5)对伊通河流域农业非点源污染损失进行估算,估算的结果如表5所示。可以看出,由于估算的研究区农业非点源年负荷的不同,估算所得的研究区农业非点源污染年损失也不同,年降雨量越大的年份损失越严重。在2008-2012年这5年内,研究区年均农业非点源污染损失约为52 845.42万元。其中,2010年的农业非点源污染损失最大,为76 057.47万元;2012次之,为57 047.08万元;2011年最小,为40 243.19万元。总体上,伊通河流域内农业非点源污染价值损失大小顺序为:总氮价值损失>泥沙淤积价值损失>总磷污染价值损失>土地废弃价值损失,表明在伊通河流域农业非点源污染引起的损失中,以氮养分流失和泥沙淤积为主。以2009年为例进行分析,总氮污染损失达到了20 421.53 万元,约占总损失的49.42%;泥沙淤积价值损失次之,为16 932.19万元,约占总损失的40.98%;磷污染价值损失较小,为2151.38万元,约占总损失的5.29%;土地废弃价值损失最小,为1 910.40万元,仅占总损失的4.31%。由此可见,伊通河流域农业非点源污染控制的重点应该放在对总氮及泥沙的治理上。

由于没有考虑到2008-2012年这5年内研究区内各土地利用类型面积的变化,估算的农业非点源污染损失可能与实际有偏差。

表5 研究区农业非点源污染损失计算结果 万元

4 结论与建议

4.1 结 论

采用SWAT模型对伊通河流域农业非点源污染负荷进行模拟计算,在此基础之上,运用环境经济学的方法定量估算研究区农业非点源污染损失,得出的主要结论如下。

(1)在伊通河流域农业非点源污染模拟中,模型模拟结果符合SWAT模型模拟要求,可以应用于伊通河流域研究区农业非点源污染负荷的模拟计算。

(2)模型模拟结果表明,2010年内农业非点源泥沙年负荷、总氮年负荷以及总磷年负荷均为最大,2012年次之,2011年最小;其大小和年降雨量有很大的关系。伊通河流域的土壤侵蚀总量为4 202 877.16 t/a。其中,耕地引起的土壤侵蚀量最大,占总量的96.51%;而水田引起的土壤侵蚀量最小。

(3)根据估算结果可知,年降雨量越大的年份损失越严重。研究区年均农业非点源污染损失折算成人民币约为52 845.42 万元。总体上,伊通河流域内农业非点源污染价值损失大小顺序为:总氮价值损失>泥沙淤积价值损失>总磷污染价值损失>土地废弃价值损失。

4.2 建 议

(1)在今后的伊通河流域农业非点源污染治理工作中应该加强对土壤侵蚀的控制与管理。

(2)伊通河流域农业非点源污染控制的重点应该放在对总氮及泥沙的治理上,特别是关于总氮的治理应为重中之重。此外,虽然流域内农业非点源磷污染价值损失占总损失的比例较小,但危害大,也应该引起足够的重视。

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