一、引言

2015年3月18日通過了《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》后，農(nóng)業(yè)部部長韓長賦主持召開部常務(wù)會議，強(qiáng)調(diào)要把農(nóng)業(yè)面源污染防治作為一項重要工作來抓，作為轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的重大舉措，作為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)來實施。要確保實現(xiàn)“一控兩減三基本”（嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)用水總量，減少化肥、農(nóng)藥施用量，地膜、秸稈、畜禽糞便基本資源化利用）目標(biāo)。要明確思路措施，通過推進(jìn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、發(fā)展現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)、節(jié)水農(nóng)業(yè)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染綜合防控示范區(qū)建設(shè)等途徑推進(jìn)防治工作。因此可見，農(nóng)業(yè)面源污染問題已經(jīng)引起高度重視，有效治理面源污染更是迫在眉睫。

由于面源污染具有分散性和隱蔽性，隨機(jī)性和不確定性以及不易檢測性和空間異質(zhì)性等特點，定量化研究面源污染問題比較復(fù)雜且難度較大，但由于治理農(nóng)業(yè)面源問題是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的重中之重，因此國內(nèi)有不少研究者對此問題作過研究。國內(nèi)翟玥，尚曉，沈劍等 [1]利用驗證后的SWAT模型定量分析云南洱海流域內(nèi)各區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染源結(jié)構(gòu)，識別洱海流域重點農(nóng)業(yè)污染源和農(nóng)業(yè)污染村鎮(zhèn)。李玉慶，張文賢等 [2]通過在前郭灌區(qū)布置不同氮磷施用量及不同灌水量的田間試驗，在不同位置提取水樣，測定水樣中的氨氮、硝氮、磷酸鹽和化學(xué)需氧量，研究了地表水中農(nóng)業(yè)面源污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律與遷移轉(zhuǎn)化特征。劉偉，周娟 [3]運用博弈論的理論和方法構(gòu)建農(nóng)業(yè)面源污染控制中政府、農(nóng)資經(jīng)銷商和農(nóng)戶博弈模型，分析其純策略納什均衡并求出混合策略納什均衡解。唐浩，熊麗君，黃沈發(fā)等 [4]綜述了農(nóng)業(yè)面源污染防治相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，對農(nóng)業(yè)面源污染控制領(lǐng)域未來重點研究方向進(jìn)行了展望，并提出了需要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等各個層面控制面源污染的相關(guān)建議。眾多研究中，傳統(tǒng)的野外實測法已經(jīng)逐漸被SWAT模型模擬研究法取代，含有GIS技術(shù)的SWAT模型對面源污染問題可以提供更加精確和有效的防控措施。所以，本文利用SWAT模型對梁子湖面源污染問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的政策建議，以期為對改善梁子湖水質(zhì)和科學(xué)制定面源污染政策提供一定理論依據(jù)。

二、梁子湖面源污染現(xiàn)狀

梁子湖東連鄂州、西接武漢、南銜咸寧，距武漢、鄂州、黃石、咸寧四城市均在50公里以內(nèi)，全湖42萬畝，流域面積3265平方公里，是湖北省面積第二大、蓄水量第一大的淡水湖。據(jù)湖北省政府網(wǎng)站知，梁子湖武漢水域沿岸共有9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街、125個行政村，常住人口約為12.1萬，這些常住人口大多主要從事農(nóng)業(yè)耕種和水產(chǎn)養(yǎng)殖。該流域共有耕地115萬畝，占流域面積的37%。根據(jù)《梁子湖生態(tài)保護(hù)規(guī)劃》知，梁子湖主要入湖污染物總氮、總磷和COD的有效環(huán)境容量分別為1972噸/年、99噸/年和13061噸/年，而2008年入湖量分別為2101噸、196噸和9943噸，即總氮超過環(huán)境容量7%、總磷超過98%、COD尚有一定剩余。到2014年，如果不加以嚴(yán)格控制，總氮、總磷和COD的入湖量將分別達(dá)到2435噸、227噸和11526噸，總磷超出環(huán)境容量1.3倍，總氮超過0.23倍。

2014年湖北生產(chǎn)總農(nóng)用氮、磷、鉀化學(xué)肥料12090186.91噸，同比上升了1.91%。根據(jù)流域內(nèi)四市區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展趨勢預(yù)測，2014年梁子湖流域生產(chǎn)總值將比2009年增加75%以上，若不能嚴(yán)格控制新增污染項目，預(yù)計全流域廢水排放量將增加約35%，對梁子湖環(huán)境保護(hù)將構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著梁子湖流域的人民生活水平提高，生存與環(huán)境的矛盾已經(jīng)演化成沿湖經(jīng)濟(jì)發(fā)展與湖泊環(huán)境保護(hù)的正面沖突，特別是房地產(chǎn)和旅游開發(fā)也正在向湖岸延伸。2014年全區(qū)共接待游客200萬人次，同比增長26%；實現(xiàn)旅游綜合收入12.5億元，同比增長25%。如果化肥使用量按照這樣遞增的速率，同時伴隨人口數(shù)量增加、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)以及梁子湖流域在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、旅游業(yè)的快速發(fā)展，居民生活污染物排放必然會急劇增加，梁子湖水質(zhì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

根據(jù)《2014年湖北省環(huán)境質(zhì)量狀況》知，2014年梁子湖水質(zhì)總體為優(yōu)，營養(yǎng)狀態(tài)級別為中營養(yǎng)，總磷、化學(xué)需氧量、氨氮等主要污染物均未超標(biāo)，八個測點水質(zhì)全部符合Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)功能區(qū)達(dá)標(biāo)率為100%。與2013年相比，鄂州水域入湖口點位水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，其余測點水質(zhì)無明顯變化，梁子湖總體水質(zhì)保持穩(wěn)定。但梁子湖70%水域按Ⅱ類水質(zhì)保護(hù)，30%水域按Ⅲ類水質(zhì)保護(hù)，目前局部水域水質(zhì)已達(dá)IV類甚至V類，污染態(tài)勢不容樂觀，水生態(tài)系統(tǒng)功能十分脆弱。為改善梁子湖這種水質(zhì)現(xiàn)狀，不讓梁子湖淪為第二個“滇池”，面源污染治理的任務(wù)更是刻不容緩。

三、SWAT模型在梁子湖流域農(nóng)業(yè)面源污染中的應(yīng)用

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）的農(nóng)業(yè)研究中心Jeff Amonld博士1994年開發(fā)的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，SWAT模型經(jīng)過不斷改進(jìn)、完善，由雛形SWRRB搖身變成多功能的分布式流域水文模型，可以模擬降雨徑流過程、氣候?qū)λ挠绊?、營養(yǎng)物質(zhì)以及殺蟲劑的輸移與轉(zhuǎn)化過程等水文物理化學(xué)過程，SWAT模型中污染物負(fù)荷模塊是模擬主渠道中各個子流域所含營養(yǎng)物質(zhì)量以及確定通過流域河網(wǎng)流出的總負(fù)荷量的總過程，有連續(xù)時間序列模擬特性的SWAT模型對于面源污染物遷移過程的模擬具有較強(qiáng)的適用性。

由于模型涉及面較廣，各個模塊對數(shù)據(jù)要求較多，對于污染物負(fù)荷模塊，主要數(shù)據(jù)不僅需要空間數(shù)據(jù)還需要屬性數(shù)據(jù)，例如：地形、土壤、氣象相關(guān)數(shù)據(jù)、施肥時間和數(shù)量以及作物類型等，在巨多數(shù)據(jù)需求中，由于梁子湖區(qū)域部分?jǐn)?shù)據(jù)采集難度較大，因此本文具體介紹SWAT模型應(yīng)用于面源污染問題的操作方法。

（一）數(shù)據(jù)收集與處理

模型的精準(zhǔn)度由數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)處理的合理性決定，因此數(shù)據(jù)收集與處理是模型建立的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在空間數(shù)據(jù)的收集方面，可以通過國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)得到水系圖和地形高程圖，還可以通過土壤研究所獲得土壤圖，另外需要格外注意的是要將土壤圖和土地利用類型圖進(jìn)行重分類；對于一些屬性數(shù)據(jù)的收集，可以通過氣象局獲得有關(guān)氣象數(shù)據(jù)，也可以通過實地調(diào)查獲取種植時間和作物施肥量信息、梁子湖流域內(nèi)人口數(shù)量、畜禽養(yǎng)殖情況和居民生活污染物排放等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都要經(jīng)過處理，變成SWAT模型能識別的數(shù)據(jù)類型。

（二）子流域劃分以及HRU的分配

數(shù)據(jù)處理后輸入SWAT模型中，模型中TOPAZ軟件會自動對收集的數(shù)據(jù)分析，并在已知的子流域閥值下，有相同氣象數(shù)據(jù)、地形特征等的流域就會被歸為同一子流域，接著模型會根據(jù)相同的土壤類型和土地利用類型劃分出相對應(yīng)的水文響應(yīng)單元HRU。最后，模型會展現(xiàn)出梁子湖流域有m個子流域和n個水文響應(yīng)單元。梁子湖流域的大小、輸入的空間數(shù)據(jù)詳細(xì)程度決定了用來模擬子流域的數(shù)目m。

HRU分配原則決定了各個子流域的HRU之間互不影響，因此，只要計算每單個HRU的的污染負(fù)荷，然后將各HRU的污染負(fù)荷值相加就可以確定梁子湖流域的總共污染物負(fù)荷量。當(dāng)同時模擬某個子流域的不同HRU的運行過程時，子流域內(nèi)水溫循環(huán)的陸地階段也會自動進(jìn)行模擬，而且也會匯總各子流域內(nèi)所有的HRU負(fù)荷，子流域的凈負(fù)荷可以通過流域河網(wǎng)進(jìn)行演算。

（三）模型參數(shù)敏感性分析及模型率定驗證

盡管SWAT模型是一個物理基礎(chǔ)模型，但是由于模型在設(shè)定參數(shù)方面跟實際污染物遷移過程肯定有一定出入，所以想要保證模型應(yīng)用的精確性，敏感性分析這一環(huán)節(jié)必不可少，通過變動參數(shù)值，主要是變動模擬過程中較為敏感的數(shù)值，進(jìn)而減少得到模型率定的工作量。想要得到模擬值與實際數(shù)據(jù)最接近的一組參數(shù)值，率定工作就顯得尤為重要，在進(jìn)行率定操作時，將過去幾年完整的數(shù)據(jù)分別輸入模型中進(jìn)行調(diào)試，并將所得模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在此過程基礎(chǔ)下，將模型各個參數(shù)相對調(diào)整，得到最優(yōu)的一組參數(shù)值。

四、政策建議

（一）大力發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，引進(jìn)先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)

面源污染的三個主要途徑分別是：農(nóng)藥化肥的過度使用、任意排放生活污水、畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染物。這三個主要途徑中，如果在大力推廣農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、引進(jìn)先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的情況下，最少可以控制兩個主要源頭。農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)能將畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染物再利用變成可用資源，最終變廢為寶，最后不僅能產(chǎn)出清潔能源沼氣，還能產(chǎn)出有機(jī)肥沼渣，對面源污染的控制有較好的作用。引進(jìn)先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，教會農(nóng)民科學(xué)種田，讓農(nóng)民不再為了追求經(jīng)濟(jì)利益而高投入化肥量，而是根據(jù)SWAT模型模擬得出的科學(xué)數(shù)據(jù)，改善農(nóng)田灌溉方式，遵循農(nóng)作物的養(yǎng)分需求量，采取不同的施肥量與時間，得到高產(chǎn)出的回報與良好的生態(tài)環(huán)境。

（二）健全農(nóng)業(yè)面源污染治理法規(guī)

雖然對于農(nóng)業(yè)面源污染治理有一系列法規(guī)文件，但《梁子湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》對湖泊功能定位、保護(hù)治理目標(biāo)等明顯滯后形勢發(fā)展的需要，且梁子湖流域跨越4個市，由10多個部門管理，如果10多個部門不能合作管理，該規(guī)劃在治理方面很難起到真正作用。因此，健全梁子湖流域的治理法規(guī)尤為重要，只有合理制定法規(guī)，才能真正防治農(nóng)業(yè)面源污染問題。

（三）加大環(huán)保宣傳力度，提高農(nóng)民環(huán)保意識

給農(nóng)民科普當(dāng)今時代是環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的時代，在追求個人經(jīng)濟(jì)利益時，不可以對環(huán)境置之不理，科普水流域水質(zhì)污染嚴(yán)重將會影響人類飲水質(zhì)量及身體健康等知識，幫助農(nóng)村居民了解農(nóng)村環(huán)境存在的問題、發(fā)展趨勢及其危害，喚起農(nóng)民的生態(tài)意識和可持續(xù)發(fā)展意識，增強(qiáng)全民生態(tài)環(huán)境保護(hù)的責(zé)任感和使命感，讓農(nóng)民自覺做到保護(hù)環(huán)境、自覺參與治理面源污染的行動中。只有這樣才能建設(shè)一個“生產(chǎn)發(fā)展、生活寬裕、鄉(xiāng)風(fēng)文明、村容整潔、管理民主”的社會主義新農(nóng)村，才能高效治理農(nóng)業(yè)面源污染問題。

（注：本文系湖北水事研究中心項目階段性成果，項目名稱：農(nóng)田面源污染物遷移數(shù)學(xué)模型研究，項目編號：2013B007）