基于SWAT 模型对非点源污染分布特征的研究——以汾河上游为例

王锦志 赵喜萍 刘 林 李泽利

（1 山西农业大学水土保持科学研究所，山西 太原 030045 2 太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024 3 天津市环境监测中心，天津 300191）

随着经济社会的快速发展，区域环境污染、生态失衡、资源枯竭等问题日趋突出，农业非点源是造成水环境逐渐恶化的重要原因之一。汾河上游是太原市重要水源地，本文对汾河上游流域非点源污染的分布情况基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型进行模拟分析，可为汾河流域生态修复及保护工作提供理论基础和决策依据。

本文通过卫星影像识别及解译、野外调查、资料收集、水文观测等调研方式和多种数据整理方法得到数字高程图、土壤分布图、土地利用类型分布图、农作物管理、气象站点分布图等格式统一的模型数据库，包括土壤、土地利用、气象、农作物管理和污染源数据库，利用SRTM-30 m 数据将汾河上游流域划分为35 个子流域，构建适用于汾河上游流域的SWAT 模型，模拟分析了汾河上游流域的非点源污染空间分布特征，研究了汾河上游流域不同土地利用类型对非点源污染源的贡献。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

汾河是山西最大的河流，也是黄河的第二大支流，自源头由北向南贯穿山西的6 个市45 个县，全长716 km，流域面积约39 471 km2[1]，占全省国土总面积的1/4，流域内工业[2]、农业等各行业产值占全省经济的半数以上，被称为山西的“母亲河”。本研究所指汾河上游流域是从源头到汾河水库上游的河岔水文站，占汾河总流域面积的1/10 左右[4]，占整个流域面积的19.57%，流经宁武县、岚县、娄烦县、静乐县、古交市五个县（市）[3]，辖区人口约占山西省总人口的2.44%。

汾河流域多年平均降水量在434～528 mm 之间，多年平均气温在6.2～12.8℃之间。1 月和12 月是一年中降水量最低的月份，分别占年总降水量的0.63%及0.72%[5]，而约24%年总降水量集中在7 月。在汛期（6-9 月），径流量占年总径流量的比例基本在55%-62%之间[6]。

汾河上游地区植被覆盖率高，乔灌草等植物群落相互作用，形成不同的植物组合。乔木种类多，主要有油松、侧柏、杨树等高大乔木[7]。在1 400～1 800 m 海拔的广大丘林沟壑地区，多以灌草植物为主，如紫穗槐、柠条、白羊草、苜蓿草等。在地下水位较高的河谷区的低洼地带，土壤湿度较高，多分布有草甸植物，均为喜湿的芦苇、蒲草[8]等植物。由于地质、水文、气候条件的共同作用，形成以褐壤土、棕壤土、草甸土为主的土壤类型[9]。其中褐壤土主要作为耕作土存在。

1.2 研究数据

构建SWAT 模型，需要大量的空间数据和属性数据支撑[10]。主要包括：DEM 数字高程栅格数据（数据来源：中国科学院地理空间数据云，格式：30 m 分辨率，年份：2015 年）、土壤分类栅格数据（数据来源：中国土壤数据库，格式：1∶100 万，年份：2016 年）和土地利用栅格数据等空间数据（数据来源：中国科学院地理空间数据云，格式：Landsat-7 遥感影像解译，年份：2017年）；气象站日观测数据，如太阳辐射、降雨量和温度等（数据来源：气象科学数据共享服务网，年份：2009-2019 年）；河岔水文站月观测数据，如污染物量、泥沙量、径流量等（数据来源：山西省水利厅，年份：2009-2019 年）；主要农作物管理数据等属性数据（数据来源：太原市、忻州市生态环境局、农业统计年鉴，年份：2009-2019 年）。

1.3 汾河上游流域SWAT 模型构建

以获取的数字高程、土壤、土地利用、气象、农作物管理等及径流、泥沙和污染物等数据为基础，利用Arcgis10、SPAW、MATLAB、WGEN、pcpswat 以及dew02等软件，经过镶嵌、掩膜提取、数据标准转换、重分类、重采样、坐标投影转换等操作以及一系列的计算，生成河网水系、子流域划分、土壤物理化学数据库、土地利用数据库、气象农作物管理数据库、污染源数据库构建[11]，最终构建完成SWAT 汾河上游流域模型。将2009 年作为预热期，2010-2016 作为率定期，2017-2019 年作为验证期，输出径流、泥沙、氮、磷污染物模拟结果。

为提高模型的适用性，以河岔水文站2009-2019年每月实测的径流、泥沙、氮、磷污染物数据为观测值，对模型中水文、泥沙、氮、磷污染物等涉及的参数使用sensitivity analysis 软件[12]、SWAT-CUP 软件中的SUFI-2 反演算法及结合人工校正法[13]，进行参数敏感性分析、参数率定，使用百分比偏差（PBIAS）、判定系数（R2）、纳什系数（NSE）[14]等统计指标，对模型适用性进行评价。结果显示：径流、泥沙、氮、磷模拟结果和实测值总体拟合度较好，率定期和验证期R2、NSE 均大于0.5，PBIAS 均小于25%，说明构建的SWAT 模型对研究区水文模拟适用性非常好，对泥沙、总氮、总磷模拟适用性好。证明SWAT 模型在汾河上游流域的模拟应用中具有较好的适用性。

模型性能等级的评价标准见表1，参数率定及模型适用性验证结果见表2。

表1 统计指标对模型性能等级的评价标准

表2 河岔水文站径流、泥沙及营养盐率定与验证结果

2 汾河上游流域非点源污染解析

2.1 基于HRU（水文响应单元）解析

2.1.1 泥沙输出系数源解析

由图1a 可知汾河上游流域大部分区域侵蚀模数小于2 500 t/（km2·a），属于轻度侵蚀。与DEM 图及土地利用图比较来看，研究区北部由于为汾河源头区，多年来不间断的植树造林生态治理，使得主要土地利用类型为林地，加之各项水土保持工程措施的使用，虽然海拔较高、坡度陡，但是并没有明显的泥沙流失情况；研究区的中部及东部区域是以耕地为主的土地利用类型，虽已实施部分生态治理措施，但还未成体系，虽然坡度不高，但由于人为的扰动等因素，使得泥沙流失也较为明显。

图1 基于HRU 污染物输出系数空间分布图

2.1.2 总氮输出系数源解析

图1b 可知流域整体总氮输出系数低于15 kg/ha。其中，流域西北部源头区总氮输出系数低于3kg/ha，流域主河道附近的总氮输出系数普遍在3～6 kg/ha之间，且在南部较为集中，南部出口处的总氮输出系数最高。与流域DEM 和土地利用相比，对总氮输出系数影响较大的是土地利用类型，在流域源头区总氮输出系数低，主要是由于该区域主要土地利用类型为林地及草地等非耕作用地，化肥使用量极少；在主河道两侧坡度较缓地区总氮输出系数较高，主要是由于这些区域的土地利用主要为耕地，大量化肥的使用，使得该区域总氮输出系数较高。

2.1.3 总磷输出系数源解析

由图1c 可知流域整体总磷输出系数低于1.5kg/ha，且大部分区域的总磷输出系数低于0.3 kg/ha；主要的输出系数贡献子流域集中在研究区中东部区域，北部和南部的输出系数较小，且东部比西部的总磷输出系数偏高。与流域DEM 和土地利用图相比，土地利用类型和坡度对总磷输出系数都有较大影响，在研究区中东部区域坡度较陡，且耕地面积较大、城镇及村庄较多且集中。

2.2 汾河上游流域污染分类源解析

使用已针对流域实测数据校准的SWAT 模型，基于不同土地利用类型，得到了多年平均的污染物负荷来源贡献比例构成，以及不同污染物的输出系数贡献比例，详见表3 和表4。

表3 汾河上游流域多年平均污染分类源解析评估结果表

表4 汾河上游流域污染分类源解析贡献评估结果表（%）

泥沙：由表3 可知，草地的泥沙输出系数最高为836 t/km2（49%），其次是林地747 t/km2（44%），耕地和城镇输出系数相差不大，分别是64 kg/km2（4%）和45 kg/km2（3%）。由表4 可知，草地为泥沙主要来源，占比高达60%，主要是由于草地的泥沙输出系数高而且占地面积最大；其次是林地，占比37%，主要原因是林地面积大且泥沙输出高；城镇的输出系数与耕地接近，但是面积占比小，因此负荷贡献并不大，耕地占比3%。

总氮：由表3 可知，耕地的总氮输出系数最大750.8 kg/km2（61%），其次是城镇372.04 kg/km2（30%），林地和草地输出系数相差不大，分别是40.81 kg/km2（3%）和65.78 kg/km2（6%）。可见，由于化肥的使用，耕地成为流域范围内最主要的氮污染贡献源。由表4可知，耕地依然是总氮负荷的主要来源，占比高达86%，主要是因为耕地的面积和总氮输出系数都很高；草地仅为10%，没有对泥沙负荷的贡献大，虽然草地是该区域最大的土地利用类型，但是其总氮输出系数很低；林地的总氮负荷贡献与对泥沙负荷贡献比例相似（6%），城镇由于面积占比很小，所有负荷贡献几乎忽略不计。

总磷：由表3 可知，城镇的总磷输出系数占比最高为83.96 kg/km2（80%），草地其次为10.68 kg/km2（10%），耕地和林地各占10%，输出系数约为5 kg/km2。总磷输出系数贡献比，城镇都是贡献最大者，其次为草地、耕地和林地，农作物施肥由于施磷肥量少，作用不明显。由表4 可知，总磷的负荷贡献最大的来源为草地占比58%，很大原因是由于草地占比面积大，而且输出系数比耕地和林地高；耕地和林地的总磷输出系数各占比21%，主要是因为他们在流域范围内面积相似，而且总磷输出系数一样；城镇虽然输出系数最高，但是面积很小，贡献忽略不计。

3 结论与讨论

（1）本文分析了汾河上游非点源污染空间分布特征。研究表明，汾河上游流域泥沙及总氮负荷和输出系数较大的区域集中于研究区的中部、东部及东南部。中部及中东部总磷输出系数较大，泥沙、总氮、总磷负荷和输出系数均较小，没有明显的面源污染情况。这些结论与胡文慧等人[15]、柴国平[16]、张学慧等人[17]对汾河流域非点源污染空间分布特征研究结论一致。

（2）本文研究了不同土地利用类型对污染源的贡献。研究结果显示：草地为泥沙和总磷的主要贡献来源，耕地不论是负荷还是输出系数对总氮的贡献比很大，整体上林地对总氮和总磷的贡献比较低，城镇的总氮和总磷输出系数较大，但是由于面积占比小，整体贡献较低。该结论与相关研究[18]-[19]模型模拟的泥沙和氮、磷污染物主要来源为农田的结论有较大差异。