不同管理措施对密云水库流域水量水质变化的影响

赵刚　徐宗学　董晴晴　史蓉　徐茂森

摘要：在密云水库上游控制流域建立SWAT（S0il and Water Assessment Tooll水文模型，根据实测水且.水质数据对模型的参数进行优化。识别流域土壤侵蚀和污染物关键区域，并对不同管理措施对流域水量水质的影响进行定量研究。研究结果表明：密云水库流域土壤侵蚀强度较大的集中在流域中下游临近河道的区域；潮河流域非点源污染状况较为严重，潮河和白河总氮流失超高风险区分别占总面积的62 62%和43.09%，白河流域总磷均为低流失风险区，潮河流域总磷高流失风险区占17.81%；等高耕作和梯田种植对于产沙量和污染物都有较好的去除效果，其中等高耕作对于产沙量和总氮、总磷负荷的削减率，潮河分别为25.16%、10.79%和32.89%，白河为47.60%、34.92%和53.49%；通过对比退耕还林和退耕还草措施得知，退耕还林的效果更优。研究结果可为密云水库流域水土保持和水环境治理提供决策依据。

关键词：SWAT模型；密云水库；水量水质；管理措施

中图分类号：S127 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）-02-0080-09

非点源污染是影响流域水环境的重要因素之一。因其具有分布广泛、污染物不确定、监测困难等特点，使其定量研究尚存在很多难点。非点源污染源不固定，极易受到了人类生产、生活以及农业生产活动等的影响。定量分析人类活动对流域水量水质的影响，不仅可以有效治理与控制非点源污染，同时为流域水环境问题治理、资源合理规划与利用提供决策依据。

不同土地利用和管理措施对流域水量水质有着直接影响，有必要对其进行定量分析。对非点源污染的定量分析通常需要借助地理信息技术相支持，计算出整个流域内各个区域的非点源污染分布，然后与该区域的水质要求相结合，进而对其进行定量分析与情景模拟。SWAT（S0il and Water As-sessment Tool）模型，因简单实用，广泛用于流域水循环模拟、流量预测以及非点源污染控制评价中。如：Ashok采用SWAT模型对土地利用复杂的小流域氮磷污染物进行模拟并取得了较好效果；之后Mishra和Epelde采用SWAT模型分别对不同流域农业措施与水量水质关系进行研究，表明了人类活动干扰与流域非点源污染物浓度的直接关系；国内亦有较多研究，如张建永利用SWAT模型研究了北京官厅水库流域径流、营养物流失等情况；秦耀民等以黑河为研究对象，采用SWAT模型研究了土地利用方式、土地覆盖情况两种因素对水质的影响；刘博等也采用SWAT模型，主要研究了土地利用情况、水质管理措施、水文环境等因素对北京沙河水库非点源污染的影响。针对密云水库流域非点源污染也有了相关研究，如：王晓燕等和李明涛等在SWAT模型和GIS技术的支持下，分析了流域内非点源污染物的时间变化规律并都认为耕地面积对于流域内非点源污染的负荷贡献较高。徐宗学和庞靖鹏等以密云水库流域为研究对象，对径流和泥沙进行模拟，并对土壤侵蚀关键区进行识别；张平基于SWAT模型对于氮磷流失风险区进行了划分。以往的研究中，对不同管理措施对流域水量水质变化影响的进行模拟和分析较少，本文是对上述研究的深入与完善。

密云水库作为北京市主要水源地受气候变化和人类活动影响，近年来水环境也发生了变化。本研究采用SWAT模型，选择密云水库流域为研究对象，对流域水量水质的参数进行调整，验证模型适用性。在此基础上，识别流域土壤侵蚀和污染物关键区域，并对不同管理措施对流域水量水质的影响进行定量化分析。

1研究区域与方法

1.1研究区概况

密云水库控制流域位于潮白河境内，是北京市重要的水源地之一。其流域位于北纬40°19′-41°38′和东经115°25′-117°35′之間，流域面积为15788 km²，见图l。整个流域的地形西北高、东南低，水流从西北部山地流入密云水库。流域以丘陵为主，山地面积占整个区域面积约三分之二。密云水库流域位于暖温带，降水主要集中在夏秋季，其中6月到9月为汛期，占到降水量的80%以上，降水量空间分布呈东南多，西北少的特点。年平均气温9～10℃。土壤类型主要有四种类型：褐土、棕壤、草甸土和栗钙土。

1.2SWAT模型简介

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由美国农业部农业研究中心（USDA-ARS）开发的半分布式流域水文模型，该模型基于SWRRB，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。20世纪90年代开发以来，经历多次扩展和升级，在流域水文平衡、长期地表径流、日平均径流模拟以及泥沙侵蚀流失量、农药输移、非点源污染等方面得到了广泛应用。

SWAT模型能够模拟流域内多种形式的氮和磷的迁移转化过程，由于模型输出结果中没有直接给出TN和TP的结果，本文采用以下公式进行计算：

（1）式中：TN_OUT为流域出口总氮负荷（t）；ORGN_OUT为流域出口有机氮（t）；NO₃_OUT为流域出口硝态氮（t）；NH4_OUT为流域出口铵态氮（t）；NO₂_OUT为流域出口亚硝态氮（t）。

（2）式中：TP_OUT为流域出口总磷的负荷（t）；ORGP_OUT为流域出口有机磷的负荷（t）；MINP_OUT为流域出口无机磷的负荷（t）。

SWAT模型首先进行子流域划分，然后根据每个子流域内不同的土地利用方式、土壤类型、地形等将子流域划分出多个水文响应单元（HRUs）。SWAT模型模拟分为两部分：陆表过程和受纳水体过程，前者控制每个水文响应单元内主河道的径流、沉积物、营养物和农药的输入量；后者决定径流、沉积物等物质从河网向流域出口的输移运动。

1.3数据来源与处理

构建SWAT模型所使用的数据主要有两种，即空间数据和属性数据。空间数据主要包括高程、土地利用地图、土壤类型地图等几种。文中所采用DEM数据、土地利用数据、土壤数据见表1。属性数据包括水文、气象、点源等相关资料。气象数据采用北京、承德、多伦、丰宁、怀来、遵化、张家口六个站点的最高、最低气温、日照时数、风速和相对湿度等资料，由国家气象局提供。降水数据采用密云流域1993年到2001年75个站点日降水资料，流量资料采用潮河下会站和白河张家坟站1993年-2001年日流量资料，由密云流域管理局提供。密云水库流域以非点源污染为主，模型输入中关于综合污水及固气物排放现状、化肥农药使用和分散式饲养禽畜废水等资料可详见文献。