基于SWAT模型的典型区域高标准农田综合管理方案模拟与优化

卢江海，孔琼菊，徐解刚，邓 升，万怡国，卫 琦

（1.江西省水利科学院，南昌 330029；2.江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，南昌 330029；3.宜兴市水利局，江苏 宜兴 214200；4.河海大学农业科学与工程学院，南京 210098）

0 研究背景

高标准农田建设是我国“藏粮于地、藏粮于技”战略的重要抓手[1]，是推动农业转型升级、确保国家粮食安全的战略性举措[2,3]。因此，加快高标准农田建设对于完善灌排系统、解决农田面源污染、提高水资源利用效率具有重要现实意义。

近几年，随着我国对高标准农田建设的大力推进，田间灌排体系得到不断完善，土地流转也随之加快，传统的农业生产与经营方式不断被解构，农业种植模式越来越多样化[4]。高标准农田建设大面积推广的同时，也伴随着化肥、农药的不合理使用，这也引起了农田氮磷流失、水体富营养化的加剧，并最终导致流域生态环境的破坏。而且，高标准农田建设还沿用传统种植模式和相关规范标准进行灌溉排水系统设计，未考虑高标准农田建设与种植模式变化之间的匹配关系。灌排体系和种植结构二者之间如何进行优化构建，以减少流域农业面源污染的排放，是亟需要考虑的问题。

以往关于高标准农田建设影响的研究主要集中在耕地质量提升、灌排条件改善方面[5,6]，例如，张天恩等[5]研究表明，高标准农田建设有效改善了灌排条件，提升了耕地质量等级，其中灌排指标对耕地质量等级提升的作用最大，贡献率达51.85%。易铁坤[6]研究发现开展高标准农田建设后，项目区内水田的国家自然质量等指数提高了426、国家利用等指数提高了116，国家经济等指数提高38，耕地质量得到有效提升。综上,目前主要针对高标准农田建设对耕地质量和灌排条件改善开展了较为成熟的研究，而在灌排体系与种植结构优化构建方面还研究不足。本研究通过对不同轮作模式和高标准农田建设下流域排水特性进行研究，旨在以减少面源污染排放为目标、对农田灌排体系与农业种植结构进行优化调整，预期研究结果将对高标准农田范围面源污染防控有重要意义。

因此，本论文以高标准农田建设下的芳溪湖流域为研究对象，以该区域2019-2020年连续2年的径流和水质（总氮、总磷和产沙）监测数据为基础，率定并验证SWAT模型的适用性，研究高标准农田建设比例、灌溉排水体系建设、不同轮作模式等对流域排水水量、水质的影响，探究高标准农田建设综合管理优化方案，研究结果对于指导高标准农田灌排体系构建、鄱阳湖流域面源污染防控具有重要指导意义。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

本研究选取以南昌县境内相对封闭的芳溪湖流域为典型研究区域，该流域面积约30.80 km2，区域灌溉水源为赣抚平原灌区西总干渠二干三分渠和二干五分渠，区域产流和排水流向芳溪湖内。该区域属于亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，日照充足。多年平均降水量为1 624.4 mm，降雨日年平均为147.3 d，夏为雨季，占全年总降水量近50%，春、秋次之，冬季最少。年平均气温17.6 ℃左右。该流域范围已经开展了高标准农田建设，田间工程设施完善、基础较好，区域的水稻以双季稻为主，其他农作物主要包括蔬菜、瓜果等经济作物。研究区域的位置示意图见图1。

图1 研究区域位置示意图Fig.1 Location of the study area

1.2 研究方法

本研究采用的SWAT 模型是由701 个方程和1 013 个中间变量组成的一个结构非常复杂的模型系统，模型主要包括水文过程模型、土壤侵蚀模型和污染负荷模型3个子模型[7,8]。流域水文循环过程采用SWAT模型的水文过程子模型进行模拟和计算[9,10]，土壤侵蚀运用MUSLE模型来模拟泥沙生成，污染负荷采用OUAL2E 模型计算。在评价SWAT 模型的模拟效果时，一般用相对误差Re、决定系数R2和Nash-Suttcliffe 系数Ens来作为判断依据[11]。

1.3 数据来源及处理

模型的建立需要搜集DEM 数字高程模型图、当地的土壤图、土地利用资料、长系列径流系列资料、气象资料、农业管理措施等数据[9]。各部分数据来源及处理方式具体如表1、图2和图3所示。

图2 研究区域位置DEMFig.2 DEM of study area location

图3 研究区土壤类型图Fig.3 Soil type in the study area

表1 模型建立所需基础数据资料Tab.1 Basic data required for model construction

1.4 子流域划分

将搜集的DEM 数据、土壤数据、土地利用数据进行初步处理后，生成流域内河网、坡度、水文响应单元及子流域等多种数据。其中河网数据需根据卫星遥感图片和现场踏勘进行修正。选择流域出口点，然后规定合适的水文响应单元面积阈值便可以进行子流域划分，得到了9 个子流域51 个水文响应单元。在模型河网生成中，9号子流域与卫星底图差别最小，模拟效果也最准，本研究选取9号子流域做分析评价，所得到的子流域示意图如图4所示。

图4 研究区子流域示意图Fig.4 Schematic diagram of the subwatershedsin in the study area

2 结 果

2.1 SWAT模型的参数率定及效果评价

2.1.1 径流参数率定及验证

模型校正过程中，参数调节的顺序一般为先进行径流参数调节，然后进行泥沙负荷参数调节，最后进行水质参数调节。由于本项目研究期限只有3 a，实测径流资料只监测了2019年和2020年连续2年的数据，本研究中，采用2019年实测数据对模型进行率定，并采用2020年实测数据进行验证。结果分别如图5所示。

图5 径流率定和验证结果Fig.5 Runoff rate calibration and verification results

径流率定期Ens为0.86，平均相对误差为10.97%，决定系数为0.71，模拟结果较好；验证期Ens为0.88，平均相对误差为17.21%，决定系数为0.71，符合模拟精度要求。经过参数率定，得到径流敏感性参数的最终取值，完成径流参数率定工作。

2.1.2 水质参数率定及验证

与径流的率定过程类似，选取实测2019年数据进行率定，2020年数据进行验证。经过参数调整，得到率定期总氮、总磷模拟值与实测值的相对误差Re分别为-12.85%、-10.85%，决定系数R2分别为0.93、0.96，效率系数Ens分别为0.85、0.92，验证期总氮、总磷模拟值与实测值相对误差分别是-22.15%、9.93%，决定系数分别达0.92、0.93，相关性显著，Ens分别为0.82、0.64。经过参数率定，得到水质参数的最终取值，完成水质参数率定工作。总体来讲，水质部分模拟结果较好，本次水质参数率定验证结果见图6和图7。

图6 总氮率定和验证结果Fig.6 Total nitrogen calibration and verification results

图7 总磷率定和验证结果Fig.7 Total phosphorus rate calibration and verification results

2.1.3 模型模拟效果评价

以芳溪湖流域2019年、2020年作物各生育期的径流资料对构建的灌区分布式水文及面源污染模型进行了径流和水质参数率定和验证。结果显示，模型对径流模拟Nash-Suttcliffe效率系数均在0.86 以上，对水质参数模拟的Nash-Suttcliffe 效率系数在0.64 以上；对于径流，模型模拟值与实测值径流相对误差在17.21%以内，模型模拟结果与实测值的决定系数均0.71；对于水质模拟，模型模拟值与实测值径流相对误差在22.15%以内，模型模拟结果与实测值的决定系数在0.92以上。模型模拟效果总体较好，构建的灌区分布式水文及面源污染模型适用于芳溪湖流域，可以利用此模型进行芳溪湖流域的水量平衡分析。

2.2 基于率定SWAT 模型模拟的农田灌排体系建设对流域排水的影响

2.2.1 高标准农田建设比例对排水的影响

在SWAT 模型中，修改研究区典型9 号子流域高程为高标准农田建设整治时的挖填方平衡、地块平整的地形。DEM 修改为该区域原有点高程的加权平均值，分别设置0%、20%、40%、60%、80%、100%共5级高标准农田占现有农田耕地面积比例。

以2019-2020年实际气候条件为现状背景，将上述不同的高标准农田建设比例情景输入SWAT 模型的DEM 中，子流域不予重新划分，并维持生成的河网为原状，土地利用方式维持原有的水田、旱地面积比例，并维持水肥管理措施不变，统计分析2019-2020年的平均输出结果。表2描述了高标准农田建设比例变化情境下，9号子流域平均入湖径流相对于现状情景的变化率，通过9号子流域出口处的径流、总氮、总磷及泥沙的变化率进行评价。

表2 芳溪湖9号子流域不同情景模式子流域出口平均入湖径流变化%Tab.2 Variation of average inflow runoff at the outlet of the sub watershed under different scenarios in sub watershed No.9 of Fangxi Lake

根据上述结果，进行高标准农田建设后，随面积的比例增加，径流减少了1.51%～6.93%，流域出口的总氮减少了2.26%～7.81%，总磷减少了1.83%～8.11%，泥沙排放减少了1.70%～9.27%。但是，在高标准农田建设比例达到60%（情景3）后，随建设比例的增加，径流变化率、氮磷和泥沙排放的增加比例减缓。

2.2.2 灌溉排水系统优化对排水的影响

根据模拟方案，5种情景模式都按照《江西省高标准农田面源污染防控工程技术指南（试行）》（以下简称《技术指南》）所推荐的塘堰与稻田湿地面积比1∶15 设置塘堰湿地，在此塘堰湿地比例下设置不同的排水沟密度（见表3），情景0为流域现状且不设置塘堰湿地，研究不同情景模式下子流域9出口处径流水量水质变化规律。

表3 芳溪湖9号子流域灌排系统不同情景模式设置Tab.3 Different scenarios of irrigation and drainage system in No.9 sub watershed of Fangxi Lake

以2019-2020年实际气候条件为现状背景，根据不同情景所采用的河网密度用于表示不同的排水沟密度，DEM 维持现状不变，子流域不予重新划分，并维持水肥管理措施不变，统计分析2019-2020年9 号子流域平均输出结果。在高标准农田建设背景下，设置塘堰湿地面积比为1∶15、不同的排水沟建设密度对流域出口排水水量和水质的影响结果见表4。

表4 不同情境模式9号子流域出口排水水量水质变化%Tab.4 Various in water quality and quantity of outlet drainage of No.9 sub watershed under different scenarios

根据上述模拟分析结果，情景1 与情景0 相比，子流域9可以有效减少排水量，径流减少了5.22%，同时可减少区域氮磷排放，总氮减少了7.81%，总磷减少了7.32%，泥沙减少了6.52%，具有正面效应。当维持现有的塘堰湿地面积比不变，而高标准农田增加河网密度时，随排水沟密度的增加，子流域内排水沟的总长度也随之增大，同时流域的径流总量、氮磷排放量及产沙量会随之减少。当达到模型DEM 精度下最小的控制单元时，排水沟密度和长度均达到最大，这时，径流总量减小值可以达到18.9%，且总氮、总磷、泥沙的排放均减小20%以上。说明按照《技术指南》的要求，开展生态沟渠和塘堰湿地建设，可以在削减总排水量的同时，实现流域尺度氮、磷和泥沙的减排[12,13]。

2.3 基于率定SWAT 模型模拟的不同轮作模式对流域排水的影响

不同轮作模式下，因耕作方式、降雨强度、降雨量、降雨历时、土壤类型、作物类型及作物叶面积指数、施肥水平等因素尤其是施肥不同，对农田氮磷损失及环境潜在影响都具有差异性。在本项目田间试验的基础上，为研究流域尺度不同的种植结构模式对流域径流水量水质的影响，模型中设置了3种种植模式，其中旱作分阶段作物系数设置为：空心菜生长初期0.40、生长中期1.00、生长末期0.80；小白菜生长初期0.35、生长中期0.97、生长末期0.67；土豆生长初期0.72、生长中期1.10、生长末期0.61。具体模式、茬口安排、作物施肥量设置见表5。

表5 不同种植模式情景设置Tab.5 Scenario settings of different planting patterns

现状情景0 种植结构为65.30%的面积为水稻田（双季稻），12.52%为水面，其他为旱作物种植地和居民用地等。其他3 种模拟情景以2019-2020年实际气候条件为现状背景，维持原有的DEM、土地利用、土壤类型、子流域划分等参数不变，修改农业管理措施，不同种植结构情景模式9号子流域出口排水水量水质结果分析如表6所示。

表6 不同种植结构情境9号子流域出口排水水量水质变化%Tab.6 Changes in water quality and quantity of outlet drainage in No.9 sub watershed under different planting structure scenarios

由上述结果，当全部调整为情景1旱作模式时，与现状情景0 相比流域径流增加了12.51%，总氮排放增加了13.83%，总磷排放增加了15.22%，泥沙排放增加了14.3%，排水总量最大，同时带来了更多的总氮、总磷和泥沙流失；当全部调整为情景2 水旱轮作模式时，与现状相比流域径流增加了6.52%，总氮排放增加了8.35%，总磷排放增加了9.45%，泥沙排放增加了7.54%；当全部调整为情景3 水作模式时，与现状相比流域径流减少了3.53%，总氮排放减少了5.32%，总磷排放减少了8.48%，泥沙排放减少了7.35%，水作模式下，流域排水量最小，总氮、总磷和泥沙流失量也最小。

2.4 基于率定SWAT 模型模拟的高标准农田建设综合管理方案优化

在高标准农田建设比例、灌溉排水系统优化、种植结构等模拟基础上，选取各项最优的指标[14]，确定考虑不同的高标准农田建设比例、灌溉排水系统优化调整、种植结构优化的综合管理方案，以子流域9号为例，研究综合管理措施对流域出口径流水量水质的影响。

综合管理措施设置：9号子流域内高标准农田建设比例为60%（兼具经济性和较佳的减污效果）；设置塘堰湿地面积比（6.67%，1∶15），同时子流域内排水沟密度为1.029 km/km2，排水沟面积比为3 346.36 m2/km2，子流域9 河网总长度6.363 km，利用排水沟和塘堰湿地收集排水，并净化水质；种植模式为：早稻-晚稻-休耕；施肥量不变。在综合管理措施情景下，相比于现状未进行高标准农田改造建设，流域排水量减少了24.59%，总氮、总磷及泥沙分别削减38.57%、38.39%和36.36%（见表7）。

表7 最优综合管理方案下9号子流域出口径流水量水质削减Tab.7 Reduction of runoff and water quality at the outlet of sub watershed No.9 under the optimal comprehensive management scheme

3 讨 论

高标准农田建设面积比例的变化对流域径流排水密切相关。例如，凌九州等[15]通过研究高标准农田建设对仪征丘陵区水资源利用影响，结果发现高标准农田建设能有效提高地区农业水资源承载力，效益提升能达到73.4%左右，其中坡改梯工程贡献为6.4%，高标准农田土地平整将丘陵区坡地改造为适宜耕作的水平梯田，有效的增加了农田拦截雨水的能力，提高了当地雨水资源利用率。本研究中，随着高标准农田建设面积比例提高，流域径流也随之减少，其原因可能是由于土地平整后，使得坡度减少，河道或排水沟可以有更多的蓄水容积，从而导致总排水量减少；同时土壤水由于减少了水力梯度，也导致了径流的基流降低，并最终引起子流域排水量减少，与上述研究成果较为一致。此外，本研究还发现总氮、总磷、泥沙的含量均随径流的减少而降低（表2），这可能与排水过程的减缓有关。总之，上述结果表明开展高标准农田建设，可以提高农田的防洪标准（排水减少说明子流域存蓄洪水增加，降雨利用率提高），同时实现节水减排。

设置塘堰湿地和增加河网密度均能有效减少流域范围径流、氮、磷和泥沙的排放。例如，武淑霞等[16]研究发现通过结合排水沟渠、池塘、湿地和相应工程措施构建生态拦截技术，能起到对面源污染物进行拦截、吸附、降解的效果，能有效改善和净化水质，实现农业面源污染防控。杨林章等[17]通过在太湖流域监测发现生态拦截型沟渠对稻田径流排水中氮磷的平均去除率可达48.36%和40.53%，杨士红等[18]研究发现通过水生蔬菜湿地-生态沟渠系统进行控制排水可以减少稻田的面源污染，卫琦等[19]研究成果表明，在稻田低洼地带建设水生作物湿地可以拦截大量稻田的氮素输出，具有较高的经济效益。本研究中，当按照面积比1∶15设置塘堰湿地时，流域排水与维持现状相比，径流减少了5.22%，总氮减少了7.81%，总磷减少了7.32%，泥沙减少了6.52%，在此塘堰湿地面积比下，随着排水沟密度的提高，流域的径流总量、氮磷排放量及产沙量也会随之减少。与上述研究成果较为一致。

不同轮作模式中，水作模式能有效减少流域径流、氮磷和泥沙的排放。陈昱等[4]通过小区试验，对不同种植模式下农田水肥流失规律研究发现，在自然降雨条件下，径流量表现为旱作模式＞轮作模式＞水作模式，总氮、总磷和硝态氮流失量呈现为旱作模式＞水旱轮作模式＞水作模式。本研究中，对不同轮作模式下的流域排水影响进行了模拟，发现情景3水作模式与现状条件相比减少了径流、总氮、总磷和泥沙的排放，同时也是3种模式中径流、总氮、总磷和泥沙流排放最小的，导致这种结果的原因可能是由于旱作物相比于水稻其施肥量水平更高，如空心菜生长期施肥量为N：400 kg/hm2；P：180 kg/hm2；K：180 kg/hm2，相较于水稻的N：180 kg/hm2；P：67.5 kg/hm2；K：180 kg/hm2明显偏高，同时由于水稻的产流较旱地作物较少，由于径流量的减少，同时叠加了较少的施肥量，导致水作模式产生了最少的径流量和污染物排放，本研究结论与上述成果一致。

4 结 论

（1）参数率定后的SWAT模型模拟效果总体较好，构建的灌区分布式水文及面源污染模型适用于芳溪湖流域，可以利用此模型进行芳溪湖流域的水量平衡分析。

（2）高标准农田建设可以减少流域总排水量，实现节水减排；但当高标准农田建设面积达到或超过60%以后，增加建设面积实现节水减排的效益增速会有所降低，经济性可能受影响。

（3）适当提高塘堰汇流面积比例，增加生态沟的建设密度和长度，可提高塘堰和排水沟集流、净化能力，有效减少地表径流；同时，又可以在一定程度上减少总氮、总磷负荷的排放，既提高了水的利用率，又有效地控制了稻田氮、磷面源污染负荷的排放。

（4）对不同轮作模式下流域排水研究发现，水作模式与现状相比减少了流域径流、总氮、总磷和泥沙的排放；相比旱作和水旱轮作模式，水作模式流域径流量排放最小，总氮、总磷和泥沙流失量也最小。

（5）高标准农田建设综合管理优化方案，相较于现状土地利用，可以减少流域出口排水总量24.59%、减少总氮、总磷和泥沙38.57%、38.39%和36.36%。