基于SWAT模型的釜溪河流域非点源污染负荷模拟研究*

刘 伟 李逢港 李沁芮 杜 孟 汪嘉杨

(成都信息工程大学资源环境学院,四川 成都 610225)

水是人类赖以生存的基础自然资源,是制约社会经济发展的重要因素。随着社会经济和城镇化提速发展,水资源需求量日益增长,生态问题频频发生,水污染问题日益严重[1-2]。如何有效控制水污染已成为人们关注的重点[3-4]。非点源污染大多由氮、磷等营养物质和土壤颗粒等组成,在产生并排放后,经有效降雨和径流运载等一系列迁移转化过程进入水体[5]。其形成是一个复杂且随机的多因素影响过程,具有广泛性、模糊性和滞后性等特点[6],使得准确量化非点源污染的“源”和“汇”存在一定难度。非点源污染关乎流域水环境与水生态安全,成为流域水环境研究中共同关注的热点[7-8]。

国内外研究人员针对非点源污染及防治做了大量研究。部分学者对非点源污染来源开展了研究,得出农业对非点源污染的贡献最大,主要包括农业种植、农村生活源、畜禽养殖[9-10]。SWAT模型在长时间尺度和复杂水文条件下模拟具有较大优势,被广泛应用于河流、湖泊、水库非点源污染模拟[11-16]。有研究表明,SWAT模型还能与管理措施联用,有效评估管理措施对非点源污染的削减效果[17-19]。

釜溪河是沱江七大支流中长度最长、流域面积最大、人口最多的一级支流,也是四川省污染较为严重的河流之一,水体长期呈污染状态,面临严重的非点源污染问题[20]。近年来,釜溪河流域水质有所好转,但碳研所断面氨氮浓度常高于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类标准限值,难以稳定达标[21]。以往研究主要针对釜溪河水环境现状,分析流域水质污染规律。本研究通过构建釜溪河流域SWAT非点源污染模型,开展流域非点源污染负荷模拟研究,在此基础上设置8个情景,评估各方案对非点源污染负荷的削减效果,提出非点源氮磷污染控制对策,为釜溪河流域及其他流域开展非点源污染综合治理提供科学依据和技术支撑。

1 研究区概况

釜溪河流域地处四川盆地南部,介于104°18′E至105°1′E、29°6′N至29°45′N之间,釜溪河属于沱江下游右岸一级支流。流域面积3 472.00 km2,主要包括威远河、旭水河、长滩河及镇溪河等支流,见图1。流域属于亚热带湿润气候,年平均气温18 ℃,年平均降水量在1 000～1 080 mm之间,集中在6～9月,年平均流量42.4 m3/s。流域碳研所断面水质难以稳定达标,水质波动大,雷公滩断面水质达标困难。截至2021年,釜溪河流域农村人口为157.48万人,农村生活污染源分布广泛,生活污水较难集中处置,主要通过土地漫流进入河流。同时流域耕地面积广,农业非点源污染物排放强度大[22-23]。

图1 釜溪河流域示意图Fig.1 Sketch map of the Fuxi River Basin

2 研究方法

2.1 模型构建方法

2.1.1 SWAT模型简介

SWAT模型由美国农业部农业研究中心开发,是综合系统理论和技术产生的分布式模型,包括水文循环、土壤侵蚀和污染负荷子模块,可在长时间尺度上对不同管理措施影响下径流、氮磷等营养物质输移进行模拟和预测[24]。

2.1.2 模型数据库构建

模型数据库主要由空间及非空间数据组成,空间数据用于表达位置、方向,非空间数据又叫属性数据,起补充说明作用[25]。用于SWAT模型建立、率定和验证的数据来源见表1。考虑气象数据的可得性,故模拟时段为2008—2018年,其中2008—2010年为模型预热期、2011—2015年为率定期、2016—2018年为验证期。

表1 SWAT模型输入数据及来源Table 1 Input data and source for SWAT model

2.1.3 模型率定与验证

利用SWAT-CUP软件进行参数敏感性分析,借助不确定性适应算法(SUFI-2)中t检验值、p值对模型参数进行率定[26]。利用相关系数(R2)、纳什系数(Ens)等评价指标评价模型适用性[27]。由于R2侧重于评价相关性,仅采用R2无法对系统误差进行识别;Ens侧重于评价拟合度,仅采用Ens会导致部分值较小的模拟误差被忽略,因此,为提高模型在流域的适用性,本研究同时采用上述两个指标进行模型率定和验证,当R2≥0.6且Ens≥0.5时,模型模拟准确性较好,模拟结果可以接受[28]。

2.2 情景设置与评估

考虑釜溪河流域的实际情况与非点源污染负荷特征,将模型现状设为情景1,同时设置化肥削减、改变耕作方式、增加植被缓冲带或植草水道等情景,见表2。在SWAT模型中,通过改变参数和变量来构建不同情景,利用非点源污染负荷削减率作为评价指标,削减率指各情景下非点源污染负荷削减量与基础情景非点源污染负荷的比值[29]。

表2 情景及相关参数设置Table 2 Scenarios and related parameters setting

3 结果与分析

3.1 模型构建结果与分析

3.1.1 SWAT模型构建结果

在SWAT模型中,以流域DEM为基础,将土地利用、土壤数据进行提取和重分类,得出釜溪河流域土地利用类型(分为耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地及未利用土地),其中耕地占比最大。土壤类型分为艳色高活性淋溶土、不饱和雏形土、石灰性疏松岩性土、人为堆积土、简育高活性强酸土等。以釜溪河入沱江干流处为研究区出口,将整个流域划分为15个子流域、309个水文响应单元。各子流域水文响应单元见表3。

3.1.2 SWAT模型率定与验证

月均径流模拟值与观测值的对比结果见图2。由图2可知,多年月均径流拟合效果较好,率定期R2=0.77,Ens=0.71,验证期R2=0.73,Ens=0.69,符合模型的精度要求。流域总氮、总磷负荷模拟值与观测值如图3、图4所示,模拟值与观测值的相关性和拟合度较好,率定期邓关断面总氮负荷R2=0.72,Ens=0.65;总磷负荷R2=0.75,Ens=0.62;验证期总氮负荷R2=0.73,Ens=0.68;总磷负荷R2=0.71,Ens=0.63;模型模拟结果均符合精度要求。综上,采用SWAT模型对釜溪河流域非点源污染负荷模拟具有精确性和合理性。模型敏感性参数见表4。

图2 率定期与验证期径流模拟结果Fig.2 Simulation results of runoff in calibration and validation period

注:月份序号中的1为2011年1月,96为2018年12月,其余类推;图4同。

图4 率定期与验证期总磷负荷模拟结果Fig.4 Simulation results of total phosphorus load in calibration and validation period

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 时间分布特征

根据模型运行结果统计流域内非点源污染负荷(总氮、总磷负荷)的月均值,结果见表5。总氮、总磷负荷随时间变化较为明显,雨季的总氮、总磷负荷明显高于旱季。除9月外,整体呈先上升后下降的趋势,1月至3月总氮、总磷负荷均呈较低状态;4月至6月总氮、总磷负荷出现上升,原因可能是该时间段作物处于生长期,施肥量大,且氮、磷等营养元素容易随降雨迁移入河;7月至8月作物逐渐生长,叶面积增大,氮、磷不易被降雨冲刷入河;9月由于新一轮作物耕作,施肥量有所增长,导致污染负荷上升,10月至12月污染负荷变化程度较小。

表5 月均非点源污染负荷模拟结果Table 5 Monthly average non-point source pollution load simulation results

3.2.2 空间分布特征

以15个子流域为基本单元,结合ArcGIS软件分析2011—2018年总氮、总磷年平均负荷空间分布特征,结果如图5、图6所示。流域干流处的子流域总氮负荷较其他子流域高,主要包括11、13、14号子流域,该区域地势较为平缓,人口密集,且位于流域下游,所以总氮负荷较大。下游处的子流域总磷负荷高于上游子流域,13、14、15号子流域的总磷负荷在流域中较大,可能是因为磷肥不易被植物吸收,导致磷素在河道中累积,同时14号子流域为整个釜溪河流域的出水口,磷随着水流汇集在此处。

图6 总磷年平均负荷分布Fig.6 Distribution of annual average total phosphorus load

3.2.3 关键源区识别

采用流失强度指数法识别流域关键源区,以总氮、总磷单位面积流失强度作为评价指标,采用自然裂点分级法对各子流域氮、磷流失强度进行等级划分,分级标准见表6。依据分析结果,将流失强度高的子流域作为流域非点源污染首要治理区域。釜溪河流域总氮、总磷关键源区划分结果见图7、图8。

表6 关键源区评价指标等级划分Table 6 Classification of evaluation indicators for key source areas

图7 总氮流失强度等级Fig.7 Intensity level of total nitrogen loss

图8 总磷流失强度等级Fig.8 Intensity level of total phosphorus loss

由图7、图8可知,流失强度高的子流域分布在威远河和干流所在区域,8、9、11号子流域的总氮流失强度为重度流失,3、13、14号子流域总氮为较重流失,6个子流域面积之和占流域面积的28.56%,但总氮负荷占比为70.85%。8、9、11、13、14、15号子流域的总磷流失较为严重,6个子流域占整个流域29.21%,但总磷负荷占比为74.29%。综上,研究区域内非点源污染关键源区为8、9、11、13、14号子流域,5个子流域面积占比仅21.99%,但输出的总氮负荷占比为62.30%,总磷负荷占比为60.54%,占比均超过一半。

3.3 不同情景评估结果分析

各情景下关键源区(8、9、11、13、14号子流域)非点源氮、磷污染负荷的削减效果见表7。由表7可知,各情景削减率表现为情景8(10 m植被缓冲带)>情景7(5 m植被缓冲带)>情景6(植草水道)>情景5(残茬覆盖)>情景3(化肥减施10%)>情景4(免耕)>情景2(化肥减施5%)。从单个情景来看,情景6、情景7和情景8对总氮、总磷负荷削减效果较好,总氮负荷削减率分别为16.41%、22.94%、30.31%,总磷负荷削减率分别为53.78%、61.58%、67.20%。其次为情景3、情景5,总氮、总磷负荷削减率均大于10%,情景2、情景4总氮负荷削减率在10%以下。从类别看,情景6～8(工程措施)的削减效果均优于情景2～5(非工程措施),这是由于工程措施可以让污染负荷迅速降低,而非工程措施通常实施起来周期较长,污染负荷削减缓慢。

表7 关键源区各情景下的削减效果Table 7 Reduction effects under different scenarios in key source areas

4 结 论

(1) 通过构建釜溪河流域SWAT模型,将研究区划分为15个子流域和309个水文响应单元,月尺度上径流、总氮、总磷率定验证结果均达到R2≥0.6且Ens≥0.5,说明模型模拟值与观测值有较高一致性,模型在釜溪河流域适用性较好。

(2) 对流域非点源污染负荷特征进行分析,时间上,总氮、总磷负荷集中在雨季,主要受到耕种施肥和雨水冲刷等的影响;空间上非点源污染负荷具有一定差异性,下游大于上游,主要由地势及水流汇集决定。由于8、9、11、13、14号子流域的总氮负荷占流域总量的62.30%,总磷负荷占比为60.54%,因此确定这5个子流域为釜溪河流域非点源污染首要治理区域。

(3) 对各情景下非点源污染负荷削减效果进行评估,各情景削减率表现为情景8(10 m植被缓冲带)>情景7(5 m植被缓冲带)>情景6(植草水道)>情景5(残茬覆盖)>情景3(化肥减施10%)>情景4(免耕)>情景2(化肥减施5%)。建议可针对流域实际情况进行分区治理,采用不同措施,在非点源污染负荷流失强度较大的地区可试点采用植被缓冲带,同时在农业种植较多的区域采取削减化肥使用、残茬覆盖和生态循环等自然措施,以此来削减非点源污染负荷。