劉建奇 張曉惠 劉紅磊 盧學(xué)強(qiáng) 聞 鐵 陳 晨

(1.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津 300191；3.天津臨港園林建設(shè)有限公司，天津 300452)

SWAT模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA-ARS)開(kāi)發(fā)的一種非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算模型，用于計(jì)算不同氣候條件、土壤類(lèi)型以及管理措施下的各種土地利用形式的非點(diǎn)源污染物負(fù)荷模擬與評(píng)估[1-2]。SWAT模型主要基于SWRRB，集合了GREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO等模型的優(yōu)點(diǎn)，且模型自推出以來(lái)，不斷地進(jìn)行軟件升級(jí)與組建更新，迄今為止已在美國(guó)眾多國(guó)家項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，其有效性得到了國(guó)外許多研究者以及研究項(xiàng)目的證明[3]。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)SWAT模型的應(yīng)用主要集中在流域徑流、環(huán)境變化下水文氣候效應(yīng)的模擬研究上，研究者先后在陜西禿尾河[4]、山東黃水河[5]、甘肅金塔河[6]、青海湟水[7]、黑龍江黑河[8]、太湖[9]進(jìn)行了流域徑流模擬研究。研究表明，模型對(duì)基流與表面流模擬效果良好，對(duì)月時(shí)間尺度敏感性更高。目前，我國(guó)各流域內(nèi)土地利用形式及其管理措施復(fù)雜且多樣化，缺乏長(zhǎng)系列水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此SWAT在非點(diǎn)源污染模擬中的研究工作難以深入[10]。本研究以天津臨港生態(tài)濕地公園為研究區(qū)，模擬土地覆被為多年生禾本植物和一年生草本植物條件下的氮、磷遷移與流失過(guò)程，探索SWAT模型在濕地系統(tǒng)對(duì)非點(diǎn)源氮、磷污染物的模擬，為我國(guó)非點(diǎn)源污染控制以及農(nóng)業(yè)管理提供參考依據(jù)。

1 模型模擬原理

SWAT模型屬于流域分布式水文物理模型，由1 013個(gè)變量、701個(gè)方程構(gòu)成，對(duì)流域內(nèi)部水體運(yùn)動(dòng)、泥沙運(yùn)移以及污染物遷移轉(zhuǎn)化等多種水文循環(huán)物理過(guò)程進(jìn)行模擬，其開(kāi)發(fā)目的是在具有多種土壤類(lèi)型、土地利用形式和管理措施的復(fù)雜流域，預(yù)測(cè)長(zhǎng)期土地管理措施對(duì)水、泥沙以及農(nóng)業(yè)污染物的影響。模型以相對(duì)均質(zhì)的水文響應(yīng)單元為模擬單元，模擬河道中水流、泥沙、藻類(lèi)、有機(jī)氮、氨氮、有機(jī)磷、可溶性磷、亞硝酸鹽、硝酸鹽、礦物質(zhì)磷、BOD、DO、農(nóng)藥、重金屬等不同水質(zhì)指標(biāo)的濃度變化過(guò)程[11-13]。

模型運(yùn)行完全基于物理過(guò)程，而不是通過(guò)回歸方程對(duì)輸入輸出關(guān)系的簡(jiǎn)單描述，通過(guò)輸入流域內(nèi)氣候、土壤性質(zhì)、地形、植被以及施肥、灌溉等管理措施的詳細(xì)信息，可進(jìn)行連續(xù)時(shí)間的模擬，其優(yōu)點(diǎn)在于定量化評(píng)價(jià)不同植被條件與管理措施對(duì)水質(zhì)和其他變量的相對(duì)影響，對(duì)沒(méi)有監(jiān)測(cè)資料的流域也可進(jìn)行模擬[14-15]。

研究區(qū)面積不大，但是地形以及植被類(lèi)型較復(fù)雜，而且研究區(qū)建成時(shí)間不久，對(duì)其徑流與非點(diǎn)源污染開(kāi)展的監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，缺乏長(zhǎng)系列的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，基于SWAT模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行模擬具有其他方法沒(méi)有的一些優(yōu)勢(shì)。

2 研究區(qū)概況

臨港生態(tài)濕地公園(見(jiàn)圖1)位于天津市臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，于2012年11月建成，北起長(zhǎng)江道，南至珠江路，西鄰海濱大道，東至渤海十路，總占地面積約63 hm2，是一座以水處理為主題兼具景觀效果的國(guó)內(nèi)唯一一座大型工業(yè)區(qū)內(nèi)的生態(tài)公園，工程總投資2.65億元人民幣[16]。該公園建設(shè)前為淺海灘涂，加之上游地區(qū)污染物下泄和自然環(huán)境的變遷，區(qū)域環(huán)境質(zhì)量逐步惡化。構(gòu)建河道式人工濕地處理系統(tǒng)作為生態(tài)廊道系統(tǒng)的源或庫(kù)，不但節(jié)約了水資源，而且大規(guī)模的生態(tài)濕地工程和河湖水系的構(gòu)建也大大改善了臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。該公園水系面積約17 hm2，其中調(diào)節(jié)塘2.1 hm2，水平潛流濕地4.7 hm2，淺水表流濕地及主體湖區(qū)(平均水深約0.5 m，最大水深約2.0 m)10.2 hm2。陸地面積46 hm2，其中綠化面積大約37 hm2，喬、灌、藤、花、草相結(jié)合構(gòu)成多層次、多品種植被綠地景觀[17]。

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1 地理空間數(shù)據(jù)

收集研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)(1∶250 000)、土地利用圖(1∶10 000)、土壤類(lèi)型分布圖(1∶100 000)，文件數(shù)據(jù)格式均為ESRI grid柵格格式，坐標(biāo)系為WGS_1984_UTM_Zone_50N坐標(biāo)，柵格單元為30 m×30 m。DEM用于提取子流域以及河流信息等，注意在模擬時(shí)應(yīng)對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充處理；土地利用圖一般通過(guò)高清晰遙感影像解譯獲取，根據(jù)解譯的地表覆被類(lèi)型判定地表水的蒸騰和運(yùn)移情況；土壤類(lèi)型分布圖通過(guò)與土地利用圖以及DEM疊加劃分流域水文響應(yīng)單元。

圖1 臨港生態(tài)濕地公園簡(jiǎn)圖Fig.1 Map of Lingang Wetlend Park

3.2 屬性數(shù)據(jù)

模型構(gòu)建前首先建立研究區(qū)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)、研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)置于SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)中。

土壤參數(shù)主要包括土層厚度、有機(jī)碳、土壤層有效含水量、土壤飽和導(dǎo)水率、土壤容重以及不同土層黏土、粉土、沙土含量等。本研究中土壤數(shù)據(jù)庫(kù)采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)公開(kāi)的和諧世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)與華盛頓州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的土壤水特性模型SPAW相結(jié)合的方法建立，數(shù)據(jù)源為第2次全國(guó)土地調(diào)查中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供的1∶1 000 000土壤數(shù)據(jù)，采用的土壤分類(lèi)系統(tǒng)主要為FAO-90[18-19]。

氣象數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)置在SWAT數(shù)據(jù)庫(kù)中，可根據(jù)多年逐月氣象資料模擬生成逐日氣象資料，主要用于彌補(bǔ)氣象數(shù)據(jù)的缺失，其主要輸入數(shù)據(jù)有月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、最高氣溫標(biāo)準(zhǔn)偏差、最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)偏差、月平均降雨量、平均降雨天數(shù)、降雨量標(biāo)準(zhǔn)偏差、降雨偏度系數(shù)、月內(nèi)干日日數(shù)、月內(nèi)濕日日數(shù)、露點(diǎn)溫度、月平均太陽(yáng)輻射量。數(shù)據(jù)來(lái)源為SWAT官網(wǎng)下載數(shù)據(jù)(溫度、降雨量、濕度、風(fēng)速、輻射)，結(jié)合pcpSTAT模型計(jì)算得出[20]。收集的雨量站資料為2000年1月至2015年9月的塘沽站日降雨量、日氣溫最高和最低數(shù)據(jù)資料。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

研究區(qū)進(jìn)、出口水質(zhì)數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)時(shí)間為2012年10月至2015年9月，其中2012年10月至2014年9月數(shù)據(jù)用于模型參數(shù)校準(zhǔn)，2014年10月至2015年9月數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證。臨港生態(tài)濕地公園綠地管理數(shù)據(jù)包括施肥、灌溉為3年記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

4 SWAT模型建立

4.1 模型構(gòu)建

4.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集

建立SWAT模型所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)DEM、土地利用圖、土壤類(lèi)型分布圖、土壤屬性數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù)等。

4.1.2 模型數(shù)據(jù)庫(kù)建立

建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)即制作可直接導(dǎo)入到SWAT模型中利用的數(shù)據(jù)。依據(jù)2013年TM遙感影像，獲取landuse柵格數(shù)據(jù)并導(dǎo)入模型，得出研究區(qū)不同土地覆被類(lèi)型的面積比(見(jiàn)表1)。根據(jù)HWSD，獲取landsoil柵格數(shù)據(jù)通過(guò)建立土壤類(lèi)型檢索表導(dǎo)入模型，得出研究區(qū)不同土壤類(lèi)型的面積比(見(jiàn)表2)。

表1 研究區(qū)不同土地覆被類(lèi)型的面積比

表2 研究區(qū)不同土壤類(lèi)型的面積比

4.1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入模型并運(yùn)行

定義土地覆被閾值為5%，土壤類(lèi)型閾值為20%，坡度閾值為20%，導(dǎo)入模型并運(yùn)行，流域共劃分為12個(gè)水文響應(yīng)單元。繼續(xù)加載模型所需要的水文站、雨量站等水文氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)行模型。

4.2 參數(shù)率定與驗(yàn)證

SWAT模擬時(shí)參數(shù)眾多，本研究選取徑流模擬敏感參數(shù)(見(jiàn)表3)進(jìn)行率定。

表3 徑流模擬敏感參數(shù)率定

參數(shù)率定時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素包括流域總水量平衡、暴雨徑流時(shí)間遲滯或錯(cuò)位以及流量過(guò)程線的形狀。本研究采用納什模擬系數(shù)(Ens)、日平均徑流相對(duì)誤差(Er)以及決定系數(shù)(r2)評(píng)價(jià)模擬結(jié)果[21]，具體見(jiàn)式(1)至式(3)。其中，Ens用于衡量徑流量模擬值與實(shí)測(cè)值間的擬合程度，當(dāng)其越接近于1時(shí)，表明兩者的擬合度越高，通常認(rèn)為Ens>0.5時(shí)滿足模型模擬要求；Er評(píng)價(jià)徑流量模擬值與實(shí)測(cè)值間的偏離程度，值越小表明模擬值與實(shí)測(cè)值越接近；通常認(rèn)為r2>0.6時(shí)滿足模型模擬要求。

(1)

(2)

(3)

圖2 降雨徑流模擬校準(zhǔn)Fig.2 Calibration of rainfall for runoff simulation

圖3 降雨徑流模擬驗(yàn)證Fig.3 Validation of of rainfall for runoff simulation

4.3 公園綠地管理

研究區(qū)公園綠地作物以喬灌木為主，除本地物種白蠟、臭椿、國(guó)槐、連翹、馬藺外，還引入金葉皂角、美國(guó)紅櫨、流蘇、抱印槐等，為保證綠地植物的正常營(yíng)養(yǎng)供給，每年都會(huì)定期對(duì)其進(jìn)行施肥、灌溉，而施肥將會(huì)產(chǎn)生一定程度的面源污染。目前，面源污染是造成周邊水體污染、水質(zhì)惡化的主要原因之一，面源污染的產(chǎn)生過(guò)程主要包括降雨徑流、土壤侵蝕、地表溶質(zhì)溶出及土壤溶質(zhì)滲透4個(gè)過(guò)程，其產(chǎn)生量與施肥、灌溉具有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，施肥量越大，灌溉強(qiáng)度越大，與施肥時(shí)間越接近，非點(diǎn)源污染流失的量也越大。

結(jié)合濱海地區(qū)水文氣候條件，綠地每年需進(jìn)行兩次灌溉，灌溉時(shí)間為春(返青水)、冬(凍水)兩季，采用分時(shí)節(jié)水灌溉方式，3 d內(nèi)灌水量體積比為6∶2∶2，以防止水肥流失。施肥種類(lèi)包括長(zhǎng)效肥和速效肥，春季施加長(zhǎng)效肥，夏季施加速效肥，以滿足植被不同時(shí)期的用肥需求。根據(jù)2013—2015年公園綠地水肥管理模式，在SWAT管理模塊中導(dǎo)入以上公園綠地施肥、灌溉管理數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)SWAT非點(diǎn)源模型，對(duì)進(jìn)入水體的氮、磷量進(jìn)行測(cè)算。

5 結(jié)果與分析

5.1 公園綠地非點(diǎn)源污染測(cè)算

以2014年為例，全年降雨量為756 mm，年徑流量143萬(wàn)m3。根據(jù)SWAT模型模擬，臨港生態(tài)濕地公園氮、磷流失量分別為41、1.83 kg。由表4可見(jiàn)，非點(diǎn)源氮、磷流失量與降雨量正相關(guān)，即隨著降雨量的增加，非點(diǎn)源氮、磷流失量增加。春季非點(diǎn)源氮、磷流失量低是由于降雨量少，而8月非點(diǎn)源氮、磷流失量達(dá)到最大值，與降雨量和夏季速效肥的施加有關(guān)。

表4 研究區(qū)非點(diǎn)源氮、磷流失量

圖4 研究區(qū)進(jìn)、出口TN、TP對(duì)比Fig.4 Contrast of TN and TP in the output and input of the study area

5.2 濕地系統(tǒng)納污能力分析

對(duì)公園水體進(jìn)、出口進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2014年1—12月，為加大汛期水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次，1—3、11—12月每月監(jiān)測(cè)一次，4—6、9—10月每月監(jiān)測(cè)兩次，7—8月每月監(jiān)測(cè)4次，研究區(qū)進(jìn)、出口TN、TP對(duì)比見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，公園水體出口水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于入口，濕地對(duì)污染物的降解能力顯著。通過(guò)計(jì)算得出，2014年臨港生態(tài)濕地公園氮、磷降解量分別為5 764.38、2 070.79 kg。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1) SWAT模型在臨港生態(tài)濕地公園的徑流模擬情況基本良好。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究認(rèn)為SWAT模型在大流域、地形起伏大的山地、丘陵地區(qū)的適應(yīng)性更強(qiáng)，但模型效率系數(shù)影響因素并不是單一的，因此對(duì)模型的適用性探索以及模擬結(jié)果的驗(yàn)證仍需大量的研究工作。

(2) 研究以非點(diǎn)源污染測(cè)算模型SWAT為處理工具，對(duì)臨港生態(tài)濕地公園非點(diǎn)源污染狀況進(jìn)行了模擬計(jì)算，并結(jié)合2014年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)濕地公園污染物降解能力進(jìn)行了評(píng)估，為濕地公園的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提供了參考依據(jù)。

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