基于SWAT模型的石臼湖流域面源污染特征分析

周艳文，闵兴华，俞 欣，李忻然

(1.南京市生态环境保护科学研究院，南京 210013；2.南京外国语学校，南京 210008)

引 言

随着经济快速发展，我国许多江河湖泊仍存在严重的水环境污染问题。水环境污染通常分为点源污染和面源污染两大类。点源污染是指具有固定排放点的污染源，其变化一般遵循生活污水和工业废水的排放规律，具有随机性、季节性等特点，同时又易于标记。面源污染又被称为非点源污染，其来源广泛，主要包括农药等有害物质、土壤泥沙颗粒、大气颗粒物沉降、水产养殖饵料药物等[1]。这些污染物的初始量较小，但经过各种途径的汇集，如在大面积降雨和地表径流冲刷作用下，最终进入水体，形成较大程度的污染[2]。与普通污染相比，面源污染还具有二次污染的特点，在其形成面源污染之前，其污染物本身已对水体、土壤及生态环境造成了一定程度的污染或破坏，再经雨水冲刷通过地面径流进入水环境，进而对水体造成二次污染。面源污染具有随机性、广泛性、模糊性、潜伏性、滞后性、累积性等特点，这些特点增大了水污染研究、治理以及水环境管理政策制定上的难度[3]。

研究面源污染及其特性，数值模拟是一个重要手段，模拟过程一般通过水动力水质模型实现，这些模型通过模拟污染物产生、迁移、转化等过程，估算和预测面源污染物负荷量，为面源污染的定量化研究提供良好的技术支撑。目前ArcSWAT、AnnAGNPS、HSPF等综合功能的大型流域面源污染模型，一般依赖于物理基础，在水文、气象等方面得到普遍应用。学者们在对比多个面源污染模型之后，发现SWAT模型最擅长模拟以农业和森林用地为主的流域，该模型常被用来研究气象、土壤、地形、植被、土地利用等因素对面源污染的影响[4]。欧阳威[5]等运用SWAT模拟分析巢湖地区柘皋河流域面源污染负荷时空分布特征，研究表明磷污染防治的关键期在6～8月，面源磷负荷主要分布在农田面积较大的区域，土地合理利用以及磷肥的合理使用是减少面源磷污染的有效措施。Liu[6]等基于小区域范围土地利用转化及其效应和土壤水评价工具SWAT模型，在城市规划、历史趋势和生态保护土地利用情景中模拟非点源污染负荷，结果表明非点源污染负荷在城市规划和历史趋势情景中会增加，科学的、生态的建设可以有效降低流域内的非点源污染负荷。

石臼护流域作为长江流域水环境调节的重要组成部分，处于降雨充沛、农业较为发达的地区。随着石臼湖流域社会经济的发展，石臼湖面临的环境污染和生态威胁在增大，部分入湖河流水质有所波动。利用流域面源污染模型，研究石臼湖流域面源污染状况，对石臼湖面源污染削减、乃至长江水环境污染的控制具有实际意义。

1 区域概况

石臼湖位于江苏省西南部，处东经118°46′～118°56′，北纬31°23′～31°33′，是长江下游唯一直接通江的湖泊，是一个过水型、吞吐型、季节性的草型浅水湖泊，具有蓄洪、灌溉、养殖、航运等功能。石臼湖面积207.65 km2，东西方向最长约22 km，南北方向最宽约14 km，由江苏省南京市高淳区、溧水区和安徽省马鞍山市当涂县、博望区共同管理。石臼湖流域属北亚热带湿润区，季风气候显著，多年平均年降水量1 046 mm、年蒸发量884 mm。石臼湖主要入湖河流13条，均沿湖的北、东、南方向呈向心状汇入湖内，包括农坎河、天生桥河、新桥河、中流河、博望河等，其中中流河为省界河，是进入石臼湖流域的主要客水，如图1所示。

图1 石臼湖流域地理位置Fig.1 The geographical location of Shijiu Lake Basin

2 材料与方法

2.1 污染负荷计算方法

采用SWAT模型进行石臼湖流域入湖污染负荷模拟计算，污染指标为总氮和总磷。SWAT模型将研究区域划分为多个网格单元，每个网格单元是一个子流域，子流域包括水文响应单元(HRU)、水库、湿地、河道等基本单元，水文响应单元是表征子流域内单一土壤类型、单一地面覆盖以及管理方式等具有水文意义的基本地块单元，每个子流域内可以形成多个水文响应单元[7]。在每个水文响应单元上，模型是独立运行的，应用传统的概念性模型来推求流域降雨，再进行流域汇流演算，最后得到流域出口断面流量，输出结果汇总在流域出口处[8]。SWAT的模拟过程采用模块化设计思路，主要分为子流域模块和汇流演算模块两大部分，其中子流域模块是水循环的陆面部分，指产流以及坡面汇流过程[9]，主要决定每个子流域内的水、沙、化学物质、营养物质、污染负荷等从地表、地下、土壤、坑塘等向子流域主河道的输入[10]，子流域模块包括气象、泥沙、水文、作物生长、土壤、农药、营养物以及农业管理等组件[11]；而汇流演算模块是水循环的水面部分，主要包括河道汇流以及蓄水体汇流过程两部分[12]，它控制着子流域主河道内的化学物质、营养物质等从河网向出水口的迁移和汇总过程[13]。

2.2 模型数据库构建

模型数据库包括数字高程模型、土地利用数据库、土壤空间数据库、气象数据库、农业管理措施、污染源等。数字高程模型数据来源于地理空间数据云，为V2版ASTER GDEM数据，采用UTM/WGS84投影，数据采集于2009年，空间分辨率为30 m，数据类型为TIFF；土地利用分类数据采用2017年清华大学全球土地覆盖空间分布数据和南京市土地利用分类数据；土壤数据来源于世界土壤数据库，采用FAO-90土壤分类系统，采用UTM/WGS84投影，空间分辨率为1 km，数据类型为GRID；气象数据来源于中国气象数据网以及水文年鉴，包括气象台站基本信息(经纬度、高程)、降雨量、最高和最低气温、相对湿度、平均风速、太阳辐射数据，数据时间为2013年至2018年；石臼湖流域属长江中下游地区，种植制度为一年两熟，根据现场调查结果，石臼湖流域种植两熟农作物主要为水稻(6月～10月)和冬麦(11月～第二年5月)，故石臼湖流域农作物概化为水稻和冬麦，参照农业农村部春季主要农作物科学施肥指导意见，设置水稻和小麦的播种、施肥、灌溉以及收割等管理措施；污染源包括排污口、牲畜养殖、社会人口等，模型将其概化成点源污染进行设置。

2.3 子流域划分

SWAT模型为分布式模型，需要以子流域为基础对输入数据和参数进行集总，子流域划分水平根据流域大小和研究目的所要求的精度确定[14]。石臼湖流域共划分出59个子流域，面积在0.65～53.63 km2之间，其中，编号为1的子流域面积最 大，编号为47的子流域面积最小。子流域入湖出口位于编号分别为2、10、17、23、41、42、43、44、45、47、48、51以及52子流域，如图2所示。

图2 石臼湖流域子流域划分图Fig.2 The division of sub-basins in the study area

3 结果与分析

3.1 模型参数率定

采用模型自带SWAT-CUP软件对径流和污染负荷进行敏感性分析，选取了7个径流参数和15个水质参数作为调整参数，确定敏感性参数的最优值。敏感性参数如表1所示。

表1 敏感性参数表Tab.1 Sensitive parameters

采用临近流域安徽省宣城市广德县境内汭水河誓节水文站的流量监测数据，通过流域面积换算法获取模型中石臼湖流域内子流域的流量过程数据。径流率定验证选取28号和47号子流域，采用逐日流量数据；水质率定验证选取47号子流域，采用逐月数据，参数为总氮和总磷，模拟率定结果如表2所示。模型径流、氮负荷和磷负荷模拟评价指标决定系数R2均大于0.6，SWAT模拟结果可被接受。径流模拟过程中，模拟值与实际值存在的差异的原因是多方面的，包括流域空间差异性分布所带来的参数难确定性、模型结构本身的模拟误差、数据的准确性等。与径流模拟相比，污染负荷的模拟影响因素更多，不确定性将更大，因此污染负荷模拟的精度要求低于径流模拟的要求。氮磷负荷模拟值与实测值差异，与径流模拟的精确程度密不可分，同时污染负荷的迁移转化过程所引起的不确定性也是造成模拟值与实测值不一致的重要因素[15]。

表2 径流和水质模拟率定结果Tab.2 Calibration results of runoff and water quality simulation

3.2 面源污染负荷空间分布特征

石臼湖流域污染负荷空间分布情况如图3所示。2018年石臼湖流域总氮负荷总量为2 783.44 t/a，各子流域总氮负荷量在0.21～2 024.28 t/a之间，总氮主要是通过省界河中流河以及南京片区的新桥河等进入石臼湖流域，50号子流域总氮负荷量最大，达到2 024.28 t/a，其次28、9、10、26、41、30号子流域，在31.29～42.03 t/a之间。区域共同特点为工业、人口密集，因此总氮负荷量较高。

图3 石臼湖流域污染负荷空间分布Fig.3 Spatial distribution of pollution load in Shijiu Lake Basin

2018年石臼湖流域总磷负荷总量为100.17 t/a，各子流域总磷负荷量在0.02～73.36 t/a之间。总磷主要是通过省界河中流河、马鞍山片区的博望河、以及南京市溧水区的农坎河、天生桥河、新桥河等河流进入石臼湖流域。总磷负荷量最大的是50号子流域，达到73.36 t/a，其次是41、46、10、26、18号子流域，在1.02～1.38 t/a之间。区域共同特点为农村生活污水污染较严重，且农田面积占比较大，土壤类型主要为水稻土，污染物易通过地下渗流流失，因此总磷负荷量较高。

3.3 面源污染治理关键区识别

根据石臼湖研究区域地理位置以及SWAT模型对子流域的划分结果，将研究区域划分为四个部分，各区域面源污染负荷统计如表3所示。石臼湖流域涉及当涂县面积为87.7 km2，为面积最小的行政区，但该区域产生的总磷、总磷负荷却为四个区域中最高，所占比例分别达73.1%和73.5%。当涂县土地利用方式主要以水田为主，农田种植范围较广、施肥量较高导致其总氮、总磷负荷均最高，当涂县农业面源污染是石臼湖流域面源污染防治的重点。

表3 石臼湖流域各区域面源污染负荷统计Tab.3 Statistics of non-point source pollution load in Shijiu Lake Basin

4 结 论

本文以石臼湖流域面源污染为研究对象，以分布式水文模型SWAT为研究工具，探讨该模型在石臼湖流域的适用性；定量计算研究区内总氮和总磷污染负荷，并分析其特征，主要结论如下。

4.1 模型径流模拟、总氮模拟和总磷模拟决定系数R2均大于0.6，SWAT模型评价参数满足精度要求，表明SWAT模型在石臼湖流域面源污染模拟研究中具有一定适用性。

4.2 石臼湖流域2018年总氮负荷总量为2 783.44 t/a，总磷负荷总量为100.17 t/a，氮、磷污染物主要通过安徽省和江苏省界河中流河进入石臼湖。

4.3 当涂县因种植范围较广，其农业面源污染是石臼湖流域面源污染防治的重点。