基于WRF模型的澎溪河流域非点源污染预测

张万顺，卜思凡，彭 虹，夏 函，朱 磊，刘 馨

(1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430072； 2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072； 3.武汉大学中国发展战略与规划研究院，湖北 武汉 430072；4.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072)

流域非点源污染过程受自然和人类活动等多重影响[1-5]，非点源污染精细化模拟预测研究对保障流域水环境安全和提高生态环境监管水平具有重要意义，是流域水环境管理领域的研究热点[6-7]。降水是影响流域非点源污染过程的关键因素[8-11]，精准反映局部气象过程的空间异质性成为制约非点源污染模拟预测精度的瓶颈。传统的研究多将气象站点的降水数据进行空间插值，导致降水等气象条件局部差异的均化，造成在反映区域气象过程的空间异质性方面存在一定误差[12-15]。综合考虑大气和陆面过程的气象研究与预报(weather research and forecasting, WRF)模型具有分辨率高、参数化方案丰富、时空连续性强等特点，在流域洪水预报、径流模拟、水质预报等领域得到广泛应用[16-18]。WRF模型是基于非静力平衡的数值模型，可作为全球模式和区域模式进行天气现象的数值模拟。WRF模型可有效地将降水数据降尺度至精细化格点单元[19-20]，作为水文模型的边界条件，精准模拟流域非点源过程，反映局部空间单元上非点源污染的异质性。Lee等[21]通过耦合WRF模型和分布式水文模型(soil and water assessment tool, SWAT)研究不同流量条件下气象数据分辨率对流域径流模拟的影响，显著提高了模拟精度。Yuan等[22]构建了集成空气质量(community multiscale air quality, CMAQ)模型、WRF模型和SWAT模型的流域水质综合评估方法，对大型流域氮的迁移转化评估表现出较好的模拟效果。

三峡库区流域特殊的降水、地形地貌和土地利用的空间异质性和复杂性加剧了流域水文和水质过程的不确定性，流域非点源污染问题突出。本文以三峡库区典型支流澎溪河为研究区域，基于WRF模型，构建了能反映流域3 km×3 km精细格点降水的流域非点源污染模拟预测模型，能精准模拟流域非点源过程，准确反映局部空间单元非点源污染的异质性，为水资源科学管控和水环境精细化治理提供参考。

1 研究区概况

澎溪河位于北纬30°50′～31°42′、东经107°56′～108°54′，是三峡库区上游北岸的一级支流，干流全长约182 km，面积5 172.5 km2，流域内有东河、桃溪河、南河和普里河等支流，如图1所示。流域海拔高度为148～2 549 m，地势北高南低。流域处于亚热带季风区，降雨相对充沛，气候潮湿，多年平均降水量和温度分别为800～1 500 mm和18.5 ℃。根据支流入汇情况将流域划分为东河、桃溪河-南河、普里河-澎溪河干流3个区域。

图1 澎溪河流域

2 模型构建

2.1 WRF模型

WRF模型是完全可压缩的非静力中尺度模型，模型水平方向采用Arakawa-C网格，垂直方向采用地形跟随坐标系；采用Runge-Kutta时间积分方案求解非静力欧拉方程，在中尺度天气模拟预报方面表现出突出的优势[23]。本文设置双层嵌套区域，格点水平分辨率分别为9 km和3 km，WRF格点设置和澎溪河流域6个气象站点分布如图2所示，其中，澎溪河流域内共设置568个3 km×3 km格点。将ERA-interim再分析数据集作为WRF模型的初始场和边界条件，采用国家气象观测站数据进行数据同化校正，模型运行时间为2009—2012年，输出时间间隔为24 h。

图2 WRF模型格点

2.2 非点源模型

SWAT模型是基于过程的分布式水文模型，通过将流域划分为子流域和水文响应单元(hydrological response unit, HRU)模拟预测复杂流域的水文过程和产流产污规律[7]。模型以HRU为基本计算单元，再汇集到子流域中，将多个子流域汇集成整个流域进行计算，模拟流域径流过程和污染物迁移转化规律。

本文分别将气象站降水和WRF模型输出降水作为SWAT模型的输入，采用单向耦合方式将WRF模型内层嵌套的3 km×3 km精细格点上模拟的降水过程通过数据处理和尺度转换输入SWAT模型，进行流域径流和非点源污染模拟。输入SWAT模型的污染源包括点源和附加非点源，其中点源主要包括工业点源和城镇污水处理厂，非点源主要包括农村生活污水、畜禽养殖和农业化肥等。

2.3 模型率定与验证

本文采用Pearson相关系数(r)和均方根误差(RMSE)2个指标对WRF模型降水模拟效果进行评价[23]，采用决定系数(R2)评价SWAT模型对径流量、总磷(TP)和总氮(TN)的模拟效果[8]。

选取澎溪河流域周围6个气象站点2009—2012年逐日连续降水观测数据对WRF模型降水模拟效果进行评价。如表1所示，日尺度降水模拟的r为0.27～0.44，RMSE为7.43～12.83 mm/d；月尺度降水模拟的r为0.58～0.89，RMSE为65.76～175.39 mm/月。模拟效果与现有研究结果接近[23-24]，模拟效果较为可靠，可用于研究降水对流域径流和污染负荷时空分布的影响。

表1 WRF模型模拟降水验证结果

采用澎溪河流域温泉水文站的逐日径流监测数据对SWAT模型径流过程模拟效果进行评价，以2011年为模型率定期，2012年为验证期，模拟效果如表2和图3所示。采用WRF模型输出降水的径流模拟精度均高于采用气象站降水，验证期模型径流模拟精度提高了27%，径流模拟结果满足模型模拟精度要求。因此，基于WRF模型输出降水构建的SWAT模型可用于模拟澎溪河流域径流过程。

(a) WRF降水模拟径流

表2 SWAT模型径流和水质率定验证结果

采用澎溪河流域水东坝监测断面逐月水质监测数据对SWAT模型水质模拟效果进行评价，以2011年为模型率定期，2012年为验证期，模拟效果如表2和图4所示。采用WRF模型输出降水的水质模拟精度均高于采用气象站降水，验证期模型TP质量浓度模拟精度提高了31%，TN质量浓度模拟精度提高了36%，水质模拟结果满足模型模拟精度要求。因此，基于WRF模型输出降水构建的SWAT模型可用于澎溪河流域非点源污染研究。

(a) WRF降水模拟TP质量浓度

3 结果与分析

3.1 降水量时空分布

WRF模型模拟降水和气象站降水过程如图5和图6所示。WRF模型模拟降水量与气象站降水量峰值对应较好，流域内60%～80%的降水量集中在6—9月，降水量峰值多出现在7—8月，降水量较少的月份出现在11月至次年3月，呈现出明显的丰枯月差异。WRF模型模拟的日降水量最大值为 141.4 mm，气象站日降水量最大值为122.6 mm；WRF模拟的月均降水量约为120 mm，月降水量最大值为585.7 mm；气象站月均降水量约为95 mm，月降水量最大值为340.9 mm。

(a) 奉节站

(a) 奉节站

WRF模型模拟的2011年3月、6月、9月和12月降水量空间分布如图7所示，降水量呈精细格点状分布，空间异质性明显，4个典型月降水量均呈现出从东北向西南递减趋势，降水量较多的区域主要分布在流域东北部和南部边缘等区域，这些区域多为海拔较高的林地和草地，对水汽具有阻挡抬升作用，容易形成降水[25]。

(a) 3月

从各格点单元月降水量看，澎溪河流域3月、6月、9月和12月格点单元降水量最大值分别为 209 mm、699 mm、553 mm和82 mm。从区域分布上，3月最大降水量从大到小依次分布在东河、桃溪河-南河、普里河-澎溪河干流；6月和9月最大降水量从大到小依次分布在东河、普里河-澎溪河干流、桃溪河-南河；12月最大降水量从大到小依次分布在普里河-澎溪河干流、东河、桃溪河-南河。

从各区域月平均降水量来看，月平均降水量最大的区域均集中在东河，3月、6月、9月和12月东河月平均降水量分别为92 mm、268 mm、272 mm和43 mm，各区域月平均降水量从大到小依次为：东河、桃溪河-南河、普里河-澎溪河干流。

3.2 径流量时空分布

采用WRF模型输出的降水数据作为非点源模型输入条件，模拟的澎溪河流域2010—2012年年径流量分别为54.04亿m3、42.54亿m3和35.28亿m3，呈下降趋势。澎溪河流域多年平均年径流量约为35.80亿m3[26]，基于WRF模型降水数据模拟的年径流量范围与Shi等[7]研究中模拟的年径流量范围31.90亿～47.30亿m3接近。

基于WRF模型输出降水模拟的澎溪河流域地表径流深空间分布如图8所示，整体上呈现东北部大、东南部次之、中部最小的规律。2010—2012年，澎溪河流域径流深总体呈现出逐年递减的趋势，年平均径流深依次为1 617 mm、1 270 mm和1 021 mm，平均径流深最大的区域均集中在东河，各区域平均径流深由大到小依次为：东河、桃溪河-南河、普里河-澎溪河干流。径流深大于1 200 mm的子流域单元集中分布在东河东北部，径流深小于500 mm的子流域单元多集中在普里河北岸以及澎溪河干流附近。流域东北部地势高，对水汽具有阻挡抬升作用，易形成降水，增加了流域产流量；流域南部植被覆盖度较高，水源涵养能力较强，产流相对其他区域较小。

(a) 2010年

3.3 非点源负荷时空分布

采用WRF模型输出的降水数据作为非点源模型输入条件，模拟的澎溪河流域2010—2012年TP负荷分别为1 402.50 t/a、1 140.06 t/a和911.50 t/a，均值为1 151.35 t/a；TN负荷量分别为14 503.39 t/a、11 487.39 t/a和9 288.37 t/a，均值为11 759.72 t/a，总体呈下降趋势，与径流量变化趋势吻合度较高。高银超等[26]研究中，澎溪河流域TN负荷年均值为8 335.23 t/a，石荧原等[7]研究中澎溪河流域TP负荷范围为802～1 432 t/a，TN负荷范围为7 674～13 775 t/a，与本文研究结果接近。

基于WRF模型输出降水模拟的澎溪河流域氮磷负荷空间分布如图9和图10所示。TN、TP负荷空间分布总体呈现出“局部集中、靠近水体”的特点[27]。2010年，澎溪河流域各区域最大单位面积TP负荷为8.00 kg/hm2，各区域单位面积TP负荷由大到小依次为：东河、桃溪河-南河、普里河-澎溪河干流；2011年，各区域最大单位面积TP负荷为11.99 kg/hm2，各区域单位面积TP负荷由大到小依次为：桃溪河-南河、普里河-澎溪河干流、东河；2012年，各区域最大单位面积TP负荷为9.27 kg/hm2，各区域单位面积TP负荷由大到小依次为：桃溪河-南河、普里河-澎溪河干流、东河。2010—2012年，澎溪河流域单位面积TN负荷最大的区域均为东河，单位面积TN负荷量依次为99.58 kg/hm2、81.37 kg/hm2和62.23 kg/hm2，各区域单位面积TN负荷由大到小依次为：东河、桃溪河-南河、普里河-澎溪河干流。单位面积TP负荷高于10 kg/hm2的子流域单元主要集中于东河东北部、桃溪河西岸、南河上游两岸和普里河南岸；单位面积TN负荷高于80 kg/hm2的子流域单元主要集中于东河东北部、普里河南岸。流域东北部区域海拔较高、坡度较大，降雨冲刷作用强，易造成水土和养分流失；流域南部耕地和草地面积比例较大，农药化肥使用量大，导致该区域非点源污染负荷增大[28]。

(a) 2010年

(a) 2010年

4 结 论

a.本文构建的WRF模型模拟的降水呈精细格点状分布，对日尺度降水模拟的相关系数最大可达到0.44，RMSE为7.43～12.83 mm/d；月尺度降水模拟的相关系数最大可达到0.89，RMSE为65.76～175.39 mm/月，模拟效果较好。

b.基于WRF模型，构建了能反映流域3 km×3 km 精细格点降水的流域非点源污染预测模型。与由澎溪河流域6个气象站点2009—2012年观测降水资料得到的模拟结果相比，基于WRF模型输出降水的径流量模拟精度提高了27%，TP和TN质量浓度模拟精度分别提高了31%和36%。

c.采用WRF模型输出降水模拟的澎溪河流域年径流量范围为35.28亿～54.04亿m3，径流深大于1 200 mm的子流域单元分布在东河东北部，年径流量表现出较明显的空间异质性。

d.基于WRF模型输出降水模拟的TP负荷范围为911.50～1 402.50 t/a，TN负荷范围为9 288.37～14 503.39 t/a。单位面积TP负荷高于10 kg/hm2的子流域单元主要集中于东河东北部、桃溪河西岸、南河上游两岸和普里河南岸；单位面积TN负荷高于 80 kg/hm2的子流域单元多集中在东河东北部、普里河南岸，空间分布差异显著。