穆 婧，史明昌，郭宏忠，魏 曦，趙錦序

(1.北京林業(yè)大學林學院，北京 100083;2.重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，重慶 401147;3.北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京 100084)

受水文循環(huán)過程、區(qū)域地理條件、土壤環(huán)境、土地利用類型等多種因素影響，加之污染物以擴散形式進入水體，其來源和排放點不固定，致使面源污染的研究和治理難度很大［1］。目前，在面源污染發(fā)生和發(fā)展規(guī)律的研究中，集成GIS、RS和DEM技術的分布式流域水文模型應用較多［2-4］，尤其是美國農(nóng)業(yè)部(USDA)開發(fā)的 SWAT 模型在黃河［5］、長江［6］、海河流域［7］等都有較好的應用。相比之前應用在較大流域尺度上，本研究嘗試選取三峽庫區(qū)陳家溝小流域作為研究對象，利用SWAT模型進行面源污染的相關研究。由于面源污染是伴隨著降水和徑流過程產(chǎn)生的，而且小流域作為一個相對獨立的匯水單元，是污染物產(chǎn)生和面源污染發(fā)展的源頭，因此選擇小流域作為研究對象能夠更客觀地反映面源污染的發(fā)生發(fā)展規(guī)律。本研究利用SWAT模型分析陳家溝小流域面源污染的時空分布規(guī)律和不同土地利用類型的污染負荷差異，并根據(jù)污染物分布特點提出相應的防治建議，以期為類似地區(qū)的面源污染研究和防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

選擇位于重慶市萬州區(qū)長嶺鎮(zhèn)喬家村的陳家溝小流域作為研究區(qū)。陳家溝小流域位于三峽庫區(qū)上游，總面積約6.26 km2，氣候溫和，日照偏少，無霜期長，年均氣溫16.1℃，年平均日照時數(shù)924 h，年降水量1 150 mm，降雨主要集中在5—9月［8］。流域內(nèi)主要土地利用類型有耕地(水田和水澆地)、林地、園地、草地，其中耕地面積最大，占總面積的46.47%，林地和園地次之;水澆地主要種植小麥、油菜和玉米;水田多為梯田，主要種植水稻;林地主要是退耕還林地，多栽植松樹;園地主要種植柑橘等經(jīng)濟林木。流域內(nèi)面源污染問題較為嚴重，前期治理時在主要支溝設有監(jiān)測和防治設施［9］。

2 研究方法

首先，通過實地監(jiān)測調(diào)查，獲取研究區(qū)土地利用、土壤、氣象、流域出口斷面(徑流、泥沙和營養(yǎng)物質(zhì))以及流域管理措施等數(shù)據(jù)，利用DEM、遙感影像以及專題圖等資料獲取其他數(shù)據(jù)，對各數(shù)據(jù)進行分析處理，建立SWAT模型空間及屬性數(shù)據(jù)庫;然后，用2006—2007年的數(shù)據(jù)進行模型建立和參數(shù)率定，用2008—2009年的數(shù)據(jù)驗證模型的模擬精度和評估模型的模擬效果，得到適用于研究區(qū)的SWAT模型;最后，根據(jù)SWAT模型模擬結(jié)果分析研究區(qū)小流域面源污染的時空分布規(guī)律和不同土地利用類型污染負荷差異，并據(jù)此提出小流域面源污染防治建議。

2.1 實地監(jiān)測調(diào)查

在研究區(qū)布設水文監(jiān)測點和土壤監(jiān)測點，其中水文監(jiān)測點包括2個自然坡面、3個支溝和陳家溝小流域水文控制站(水土保持監(jiān)測站);土壤監(jiān)測點為在小流域內(nèi)隨機均勻選取的20個點。結(jié)合研究區(qū)實際和SWAT模型對數(shù)據(jù)的要求確定監(jiān)測指標:①水文指標，包括降雨量、徑流量、土壤侵蝕量、產(chǎn)沙量;②水質(zhì)指標，包括6個水文監(jiān)測點逐月pH值、懸浮物(SS)、總氮(TN)、氨氮(AN)、總磷(TP)、化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5);③土壤指標，包括土壤類型、土壤質(zhì)地、pH值、土壤有機質(zhì)、總氮(TN)、氨氮(AN)、總磷(TP);④農(nóng)業(yè)管理指標，包括作物生長周期和化肥農(nóng)藥使用量。監(jiān)測時間為2006—2009年，水文水質(zhì)數(shù)據(jù)的觀測頻率為3次/a，土壤數(shù)據(jù)為1次/a，農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)為1次/a。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

SWAT模型的運行需要大量空間和屬性數(shù)據(jù)作為支撐，其中空間數(shù)據(jù)主要包括DEM、土地利用類型圖、土壤類型圖、水文和氣象站點位置信息、流域監(jiān)測斷面位置信息等;屬性數(shù)據(jù)主要包括土壤理化性質(zhì)、水文和氣象站點監(jiān)測數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)管理措施數(shù)據(jù)以及流域內(nèi)的徑流、泥沙、水質(zhì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。各數(shù)據(jù)的獲取方法分別為:采用1∶1萬地形圖獲取DEM;利用Quick bird遙感影像解譯獲取土地利用現(xiàn)狀圖;土壤類型圖根據(jù)實地監(jiān)測和世界土壤中心數(shù)據(jù)獲取;氣象數(shù)據(jù)來源于距離陳家溝小流域最近的萬縣氣象站，監(jiān)測時間為1999—2009年;其余數(shù)據(jù)均來源于實地監(jiān)測。將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.grd或.shp格式、屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.dbf格式導入SWAT模型數(shù)據(jù)庫。

2.3 參數(shù)率定和模型驗證

由于SWAT模型是以美國的環(huán)境要素為對象開發(fā)的，因此在我國使用時要根據(jù)研究區(qū)的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定。采用 SWAT模型自帶的 Sensitivity Analysis模塊，對SWAT模型模擬過程中較敏感的41個參數(shù)進行敏感性分析。采用2006、2007年流域出口斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)建立模型，對徑流、泥沙、污染物等參數(shù)進行率定，再利用2008、2009年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型驗證。選用 Nashe-Suttcliffe系數(shù)(Ens)［10］、相對誤差(Re)和相關系數(shù)(R2)作為評價指標，驗證結(jié)果遠優(yōu)于Ens≥0.5、Re＜30%、R2＞0.6的限定閾值，說明模型精確度良好，可以用于研究區(qū)的模擬研究。

3 面源污染負荷分布規(guī)律分析

3.1 空間分布規(guī)律

根據(jù) 1999—2009年氣象資料，利用驗證后的SWAT模型模擬小流域面源污染狀況，將研究區(qū)劃分為15個子流域，得到各子流域單位面積的年均泥沙流失量和主要面源污染物負荷(圖1、2)。圖1為各子流域年均泥沙流失量，其中10、13、14、15號子流域泥沙流失量較大，1號子流域最小，其余子流域數(shù)值比較相近。圖2為各子流域主要污染物(硝態(tài)氮、有機氮)年均負荷，其中1號和5號子流域的硝態(tài)氮和有機氮負荷較大，12號子流域兩污染物負荷均為最小，其余子流域數(shù)值相近且規(guī)律相似。根據(jù)研究區(qū)土地利用和坡度分級資料，小流域上游東南方位(10、13、14、15號子流域)地形坡度較陡，分布有大面積林地和部分水田，下游西北方位(1、5號子流域)地形坡度較緩，主要是園地和農(nóng)地。據(jù)此，分析出現(xiàn)圖1、2中情況的原因是上游陡峭的地形條件使得降水沖刷水田造成泥沙流失，而下游農(nóng)田大量施肥導致污染負荷較大。

針對面源污染物在小流域內(nèi)不同區(qū)域的空間分布差異，建議對小流域上游重點采取工程措施和林草措施，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，減少泥沙流失;對下游采取控制化肥、農(nóng)藥施用等農(nóng)田管理措施，控制污染物輸出，減少水體中面源污染負荷;出于經(jīng)濟考慮，對其他污染不嚴重的區(qū)域，可以預防措施為主。

3.2 時間分布規(guī)律

對SWAT模型模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到1999—2009年研究區(qū)各月平均泥沙流失量、主要污染物負荷，見圖3、4。由于研究區(qū)主要施用碳銨肥、磷肥、尿素等，因此進行污染物分析時在硝態(tài)氮和有機氮的基礎上增加了有機磷負荷。由圖3、4知，泥沙流失量、主要污染物負荷高峰期均集中在4—10月，尤其是4月較3月增加明顯，這與研究區(qū)雨季分布時間基本一致?？梢?，降雨是造成研究區(qū)面源污染和泥沙流失的重要原因。雨季暴雨徑流沖刷地表，泥沙和化肥、農(nóng)藥等隨農(nóng)田排水系統(tǒng)、地下水滲透以及地表徑流等進入下游水體，造成水體面源污染加劇［11］。此外，據(jù)調(diào)查當?shù)刈魑锸┓识嗉性诿磕?—6月，與4月份開始主要污染物負荷明顯增加的結(jié)果相吻合，說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥、農(nóng)藥是造成面源污染的主要污染源。

針對研究區(qū)4—10月水體面源污染嚴重的情況，建議農(nóng)田施肥時間應盡量避開雨季，加強田間管理，將田面水靜置一段時間后再排放;調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，在坡度較陡的地區(qū)實施退耕還林(草)，加強梯田建設和林地養(yǎng)護，嚴禁亂砍濫伐、破壞生態(tài)環(huán)境。

3.3 不同土地利用類型面源污染分布規(guī)律

研究區(qū)主要土地利用類型有水田、水澆地、林地、園地、草地等。根據(jù)SWAT模型模擬結(jié)果，不同土地利用類型年均泥沙流失量和主要污染物年均負荷見圖5、6。其中，耕地(水田和水澆地)泥沙流失量和主要污染物負荷均較大，是面源污染的主要來源，尤其是水澆地的污染負荷大于水田，而當?shù)厮锒酁樘萏铮f明實施坡改梯有助于減少面源污染;林地的泥沙流失量和主要污染物負荷均最小，說明林地對面源污染具有削減作用;由于化肥和農(nóng)藥的施用，園地的污染負荷較大;草地的泥沙流失量較大，這與草地覆蓋率較低有關。

由上述分析知，不合理的土地利用方式是造成面源污染的重要原因，因此在經(jīng)濟和技術可行的前提下，合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，有助于減少面源污染的發(fā)生。結(jié)合研究區(qū)地形地貌和經(jīng)濟發(fā)展狀況，建議在泥沙流失和污染負荷嚴重的地區(qū)實施退耕還林(草)，其他地區(qū)則通過實施坡改梯或采取種植等高植物籬等措施減少土壤流失;河道兩岸是接受污染物最多的區(qū)域，也是污染物過濾的最后一道防線，因此可以在河流兩岸布設植物緩沖帶，利用植物對污染物的削減作用達到凈化水質(zhì)的目的;為合理施肥、科學用藥，建議在果園推廣測土配方施肥，加大低毒、無毒農(nóng)藥的研制和使用;對原有草地進行補種，增加地表覆蓋，減輕徑流沖刷。

4 結(jié)語

結(jié)合實地監(jiān)測調(diào)查和DEM、衛(wèi)星影像、專題資料等，建立并驗證SWAT模型，經(jīng)過參數(shù)率定，得出適用于研究區(qū)的SWAT模型，并利用模型模擬分析研究區(qū)面源污染負荷的時空分異規(guī)律以及不同土地利用類型污染負荷的分布規(guī)律，得出以下結(jié)論:

(1)在空間上，小流域內(nèi)不同子流域的污染負荷存在差異。上游東南方向子流域，由于坡度較陡且分布有大面積林地和部分水田，在降雨的沖刷作用下，大量泥沙隨徑流進入水體，造成泥沙流失量增大;而下游西北方向子流域坡度較緩，主要是園地和農(nóng)地，大量農(nóng)藥、化肥隨降雨徑流進入水體，導致污染負荷增大。針對面源污染的空間分布差異，考慮經(jīng)濟因素，建議在上游重點控制泥沙流失，下游采取田間管理措施，減少進入水體的化肥農(nóng)藥量，其他區(qū)域則以預防為主。

(2)在時間上，小流域泥沙流失量和主要污染物負荷高峰期均集中在4—10月，與化肥、農(nóng)藥施用期及降水分布期相吻合，說明降水是造成面源污染的主要驅(qū)動力，而化肥、農(nóng)藥則是主要污染源。因此，建議農(nóng)田施肥時間應盡量避開雨季，并加強田間管理，輔以工程措施，減少泥沙流失和污染負荷。

(3)不同土地利用類型面源污染負荷存在差異。耕地污染負荷最大，林地最小，說明不合理的土地利用方式是造成面源污染的重要原因。因此，要在經(jīng)濟和技術可行的前提下，合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，例如對坡度大于25°的坡耕地實施退耕還林(草)。

(4)防治研究區(qū)面源污染應綜合考慮土地利用方式、小流域局部地形地貌、區(qū)域氣候差異以及治理和開發(fā)等問題，針對小流域的生態(tài)和經(jīng)濟發(fā)展需要，處理好環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展的關系，既要保證下游水源安全，又能改善當?shù)剞r(nóng)民的生產(chǎn)生活條件。

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