基于SWAT模型的尼山水库面源污染最佳管理措施研究

曲 玲， 于志强， 郝启勇， 孙秀玲， 尹儿琴

(1.山东省水文中心， 山东 济南 250002； 2.山东省煤田地质规划勘察研究院， 山东 济南 250104；3.山东大学 土建与水利学院， 山东 济南 250061； 4.山东农业大学 水利土木工程学院， 山东 泰安 271018)

1 研究背景

我国流域管理基本实现了对点源污染的有效防控，而面源污染的严重性逐渐凸显[1]。据《第二次全国污染源普查公报》，面源总氮(TN)排放量占总排放量的46.52%，总磷(TP)排放量占比更是高达67.22%[2]。由于面源污染具有随机性、分散性、广域性等特点，其治理难度非常大[3]，实施最佳管理措施(best management practices, BMPs)是目前公认的控制面源污染的有效手段[4]。鉴于流域尺度下的气候、地理及农业经济的复杂性，BMPs措施的制定、实施和评估需要借助水质模型[5]。

SWAT(soil and water assessment tool)模型可有效模拟多种物理化学过程并能预测不同管理方式对复杂流域水文、水质、沉积物及养分输出的影响，在面源污染的BMPs研究中得到了广泛的应用[6]。王敏等[7]利用SWAT模型对安徽省兆河流域进行了面源污染的最佳管理措施分析，发现通过植草河道和植被过滤带等工程措施并增加化肥埋深和削减施肥量等非工程措施，可以有效控制面源污染。郭英壮等[8]利用SWAT模型对潮河流域的面源污染进行了最佳管理措施的配置，提出可优先采用植被缓冲带、退耕还林和减少化肥施用量等效率高的措施。Hanief等[9]利用SWAT模型模拟了BMPs对Grand 流域沉积物和养分输出的影响，发现植被缓冲带可分别减少沉积物和磷负荷的23%和50%，生态沟可分别减少15%和17%。Liu等[10]利用SWAT模型分析了BMPs对缓解三峡库区香溪河流域面源污染的有效性，结果表明退耕还林使香溪河流域的径流和面源污染负荷均有明显减小；保护性耕作和等高线耕作可分别使径流减少15.99%和9.16%，总氮减少8.99%和8.00%，总磷减少7.00%和5.00%；减少肥料施用量与总氮和总磷污染负荷降低量成正比。马放等[11]利用SWAT模型的情景模拟表明，化肥减量、等高种植、退耕还林和植被过滤带均能削减阿什河流域面源污染的总氮与总磷负荷，其中植被过滤带的削减作用最为明显。

目前，国内在面源污染的BMPs应用上基本依赖于国外经验和系统，同时由于BMPs种类繁多，应用地区地形条件复杂，无法采用标准化的优化设计[12]。本研究采用已构建并通过率定的SWAT模型[13]对尼山水库面源污染设置不同的控制措施，对比其削减效果，并分析氮、磷污染负荷削减的时空变化特征，旨在为尼山水库流域的面源污染治理提供技术支持。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

尼山水库位于山东省曲阜市东南尼山镇境内(117°08′～117°21′E，35°22′～35°34′N)，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、供水、养殖、生态旅游等综合利用的大型水利工程，总库容为1.128×108m3，流域面积为258.57 km2，尼山水库流域图见图1。

图1 尼山水库流域概况 图2 尼山水库流域坡度分布

库区流域处于鲁中山地向鲁西南平原过渡地带，东南侧是由麻岩组成的构造剥蚀丘陵区，西部和北部是由石灰岩及砂质岩组成的构造侵蚀浅山区，山上及山谷植被稀少，水土流失较为严重。尼山水库流域海拔在101～615 m之间，坡度在0.00°～59.54° 之间，尼山水库流域的坡度见图2。

流域内主要土地利用类型为耕地和林地，分别占流域总面积的56.44%和21.48%，尼山水库流域的土地利用分布见图3。

图3 尼山水库流域土地利用分布 图4 尼山水库流域年降雨量空间分布(2018年)

流域内降水分布的年际变化和季节变化较大，年内雨季多集中在6-9月份。2018年尼山水库流域降水量为481.58～672.81 mm，平均为545.77 mm，降水量整体变化趋势为流域南部大于北部，西部大于东部，2018年尼山水库流域的降雨量空间分布见图4。

2017-2020年尼山水库的水质不能满足水功能要求，富营养化率高达89.58%，其中总氮超标严重，超标率达79.17%，最大超标倍数为11.2倍，总磷超标率为4.17%，最大超标倍数为2.4倍。为此，在实地调查的基础上，利用已通过率定和验证的SWAT模型对流域内的面源污染进行了模拟分析，发现肥料流失是造成尼山水库流域面源污染的重要原因，其总氮、总磷分别占流域总负荷的39.85%和52.95%[13]。

2.2 数据来源及模型构建

利用尼山水库流域的数字高程图、土地利用图、土壤类型图等空间数据和气象、水文、水质、土壤属性、污染源等属性数据构建SWAT模型数据库，模型所需数据具体见表1。

表1 尼山水库流域SWAT模型所需数据[13]

因SWAT模型仅支持单出口水系流域模拟，而尼山水库主要入库河流有3条，因此在流域划分过程中采用burn in功能加入参考数字河网水系，并在各河流入库口及监测断面处人工导入子流域出口点位，通过汇流计算，得到子流域边界与相应的河网水系，在后续模拟最佳管理措施时均以河流入库口以上流域模拟数据进行分析计算。

尼山水库流域总共被划分为57个子流域和1 069个水文响应单元[13]。 模型运行成功后，对其参数进行了调试和优化，并利用相关系数(R2)和纳什系数(ENS)对模拟结果进行评价。模型参数率定采用SUFI-2算法， 利用SWAT-CUP软件，在参数范围内采用替换原有参数值和模型参数乘以率定值两种方法进行修改。对参数优化后模型的验证结果表明，模型在率定期和验证期的径流、总氮和总磷的模拟值与实测值均表现出较好的吻合性(R2>0.6，ENS>0.5)，说明构建的SWAT模型对尼山水库流域的面源污染模拟结果可信[14]。

2.3 研究方法

根据尼山水库流域面源污染负荷输出的空间特征、污染源组成及地形特点，分别从源头控制、过程阻截和两者的综合，设置了12项控制措施情景，利用SWAT模型模拟2018年BMPs对尼山水库面源污染的削减效果，具体见表2。本次模拟设置假设研究流域内全部耕地都已施行测土配方，以化肥的使用量分别减少10%、20%、30%、40%、50%，依次设定为情景1～5；通过将子流域内坡度大于12°的耕地设定为林地，模拟退耕还林效果，设定为情景6；通过将子流域内坡度小于12°耕地的水土保持因子(USLE_P)设定为0.6，子流域内坡度大于12°耕地的水土保持因子(USLE_P)设定为0.8，水分条件Ⅱ时的初始SCS(soil conservation service)径流曲线数(CN2)设为70，来实现提高水土保持效果和等高种植代替顺坡种植的操作，设置为情景7；当坡度大于12°时，布设宽度为1.2 m、深度为0.6 m的生态沟，设置为情景8；当坡度大于12°时，植被缓冲带面积占农田面积的比例为0.01，缓冲带长度为1 000 m，设置为情景9；根据实际应用情况，将源头控制措施与过程阻截措施相结合，构成3种综合措施，分别设置为情景10～12。

表2 尼山水库流域BMPs的模拟情景设置

3 结果与分析

3.1 BMPs对面源污染负荷的削减

不同控制措施下污染物削减的模拟结果见图5。由图5可以看出，当施肥量减少10%(FR10)时，总氮和总磷的年均排放量分别削减18.07%和28.25%；当施肥量减少20%(FR20)时，总氮和总磷的年均削减率分别达到了25.03%和33.89%；当施肥量削减50%(FR50)时，总氮和总磷的年均削减率分别达到了48.22%和52.41%，表明施肥量的减少与污染负荷的削减率成正相关，且总磷负荷的削减率要普遍高于总氮。实施退耕还林措施(TG)，总氮和总磷的年均削减率分别为45.17%和38.53%；以等高种植替代顺坡种植(ST)，提高水土保持效果，平均每年可削减13.79%的总氮负荷和19.69%的总磷负荷。

生态沟和植被缓冲带可通过吸附、沉淀、植物吸收等过程对氮、磷污染进行削减，同时还能降低水流对土壤的冲刷，有效减少水土流失[15]。图5显示，流域在坡度大于12°时设置生态沟、植被缓冲带后氮、磷负荷削减明显，生态沟(GT)对总氮和总磷的年均削减率分别为36.86%和52.73%，植被缓冲带(FT)为38.31%和51.00%。

图5 BMPs对尼山水库流域氮、磷负荷的削减效果

综合措施ZH2(20%化肥削减量+生态沟)和ZH3(20%化肥削减量+等高种植+生态沟)表现出了很好的污染削减效果，两种情景总氮和总磷年均分别削减64.42%、71.63%和65.06%、72.86%。比较3种综合措施发现，设置过程阻截措施情景方案的污染削减效果明显高于未设置的情景方案，说明过程阻截是尼山水库流域氮、磷污染防控的重要措施。

3.2 面源污染负荷削减的时间变化特征

不同控制措施下的面源污染总氮、总磷月均入库负荷变化过程如图6所示。图6表明，年内总氮和总磷入库负荷主要集中在丰水期(6-9月)，与降雨量呈正相关，最大值出现在8月份，其次为6月份。减少化肥使用量、退耕还林、设置植被缓冲带、生态沟等措施均有利于控制丰水期氮磷的入库量，其中生态沟和植被缓冲带对总氮和总磷的入库量的削减效果最为明显。针对尼山水库流域的特点，在源头上采取减少化肥使用量、退耕还林等措施，同时在污染物迁移路径上采取设置生态沟、植被缓冲带等措施可减少因水土流失导致的氮、磷流失。

图6 不同控制措施下的尼山水库流域面源污染总氮、总磷月均入库负荷变化过程

3.3 面源污染负荷削减的空间变化特征

不同控制措施下的面源污染总氮、总磷负荷的空间分布如图7所示。分析图7可知，在源头控制措施中，化肥削减措施对总氮和总磷空间分布的影响基本一致，化肥削减20%对尼山水库周边子流域55～57的氮、磷削减最为明显，其次为流域南部的43、44、46、52、53子流域(图7(c)、7(d))。这主要是因为55～57子流域污染负荷高，且靠近尼山水库，降雨量及流域平均坡度较大；43、44、46、52、53子流域的降雨量仅次于55～57子流域，且流域内耕地占比大(58.77%)。对坡度大于12°的耕地采用退耕还林措施对子流域56、57、23、48、49的氮、磷削减最为明显(图7(e)、7(f))，这与子流域内平均坡度相对较高且流域内坡度大于12°的耕地占比较大有直接关系。等高种植对子流域55～57、44、46的氮、磷削减最为明显(图7(g)、7(h))，这主要与子流域内坡度较大的耕地占比大有关。过程阻截措施中(图7(i)～7(l))，生态沟和植被缓冲带对尼山水库流域总氮和总磷的空间分布有较大影响，其中对子流域56、57、52、53、44、46影响最为明显，主要是因为这些子流域内耕地占比大，氮、磷污染负荷重，且降雨量大；生态沟和植被缓冲带对子流域23、33、48、54的影响相对较小，主要是由于这些子流域内林地占比较大。综合管理措施3对子流域56、57、55、52、44、46、32氮磷削减最为明显，与生态沟和植被缓冲带对各子流域的影响基本一致(图7(m)、7(n))。

图7 不同控制措施下的尼山水库流域面源污染总氮、总磷负荷的空间分布

4 讨 论

BMPs的核心是在污染物进入水体前，通过各种经济、高效、生态的措施使面源污染得到有效控制。由于面源污染的分散性和随机性，使得源头控制成为面源污染控制的关键[16]。源头控制主要包括优化肥料管理、改善种植制度和方式等，如减少化肥使用量、采用水肥一体化技术、退耕还林、作物轮作、等高种植等[1]。谭德水等[17]在南四湖玉米种植中发现采用氮磷钾平衡施用、控释氮肥、有机肥代替无机肥等措施可有效减少径流中氮的流失；吕宏伟等[18]在河南省新野县研究露地菜田径流中氮磷的流失时发现，有机肥替代27.5%化肥和有机肥替代27.5%化肥+节水灌溉30%可分别减少硝态氮、可溶性总磷径流量的16.43%、12.24%和26.48%、34.69%；辛艳等[19]以大豆为载体研究了耕作模式对坡耕地土壤养分流失的影响，发现免耕或少耕、秸秆覆盖、等高种植等方式可有效降低氮磷流失；Poudel等[20]发现等高线耕作、陈晓冰等[21]发现粉垄耕作和秸秆覆盖均可以提高土壤含水率，从而减低因土壤流失导致的面源污染。

降雨后产生的地表径流是面源污染物进入水体的重要途径，如何通过过程阻截措施降低污染物流失量，增加下渗率是控制面源污染的重点。生态沟、植被缓冲带等位于污染源和水体之间，能有效去除径流中的污染物，被认为是面源污染有效的过程阻截措施。在昆明滇池流域对面源污染的控制中发现，生态沟对农村复合污水中总氮和总磷的平均去除率可达到60%和64%[15]。游海林等[22]在研究赣南苏区“三江源”区域面源污染时也发现，生态沟对农村小流域面源污染物具有较高的去除效果，总氮和总磷的去除率可达到89.03%和86.95%。Ha等[23]在美国爱荷华州的南福克河流域利用占流域总面积15.2%的低生产力土地种植柳枝稷，使泥沙、总氮和总磷负荷分别减少了69.3%、55.5%和46.1%，显著抑制了面源污染。孙东耀等[24]在研究九龙江上游北溪流域的面源污染时发现，不同植被的缓冲带对径流量和总磷的削减效果存在明显差异，表现为草本>灌草>灌木，草本缓冲带对径流量的削减率可达到86.93%，在高浓度进水时对总磷浓度的削减率可达到95.20%。

源头控制可以减少污染物的产生，过程阻截可以在迁移路径上对污染物进行有效削减，但不能完全控制污染物进入水体[25]，所以前置库、滞留塘、湿地等末端治理技术也发挥着重要的作用。在宜兴市大浦镇开展的前置库示范工程中发现，无降雨和小降雨输入期间，总氮和总磷的去除率为65.1%和45.3%；强降雨初期，总氮和总磷的去除率达到70.5%和84.6%，强降雨后期，可达 到91.7%和96.2%[26]。阮家进等[27]研究了垂直流、水平潜流和复合型人工湿地对面源污染的治理效果，发现3种湿地对有机物和氨氮的去除率高达66%～70%和96%～97%。Hey等[28]在对美国伊利诺斯州东北部的德斯普莱恩斯河湿地示范项目的研究中发现，2%的湿地保护面积就可以使流域水质发生实质性的改善。

由于面源污染的不确定性和复杂性，应从污染物的排放、迁移、污染成灾等全过程入手，实行“源头减量-过程阻断-末端治理”的全过程控制[29]，更应根据流域特点、削减效果及成本投入，布置最佳管理措施(BMPs)实现面源污染的有效控制。尼山水库流域耕地占比大，肥料流失严重，因此科学施肥是最有效措施[13]；该流域处于山地向平原的过渡地带，相对坡度大，年内降雨集中，单次降雨量大，水土流失严重，生态沟和植被缓冲带等工程措施对面源污染削减效果明显；以等高种植代替顺坡种植虽氮、磷削减率相对较小，但该措施单位成本较低[3]。因此，根据尼山水库流域的实际情况，对耕地多、降雨量大、坡度大的氮、磷流失高风险区应采取化肥削减措施并布设生态沟、植被缓冲带等工程措施，而在氮、磷输出负荷占比较小的区域应实行化肥削减措施和等高种植等投入成本相对较低的管理措施，并积极开展退耕还林工作。

5 结 论

(1)减少化肥使用量、设置生态沟和植被缓冲带以及退耕还林措施均具有很好的氮、磷削减效果，综合管理措施对氮、磷的削减要优于单项管理措施。

(2)总氮和总磷入库负荷主要集中在年内丰水期，与降雨量呈正相关。减少化肥使用量、退耕还林、设置植被缓冲带和生态沟等措施均有利于控制丰水期氮、磷的入库量，其中生态沟和植被缓冲带对总氮和总磷的入库量的削减效果最为明显。

(3)不同控制措施对总氮和总磷削减的空间分布影响较大。减少化肥使用量对降雨量多、耕地多、坡度大的子流域氮、磷削减效果更为明显；退耕还林措施对坡度大、耕地占比大的子流域氮、磷削减效果明显；等高种植对坡度大、耕地较多的子流域氮、磷削减效果明显；设置生态沟和植被缓冲带对耕地占比大、氮磷污染负荷重、降雨量大的子流域氮、磷削减效果明显，所以在进行面源污染控制时，应根据其时空特点进行规划和设计。