高 正，黃介生，曾文治，伍靖?jìng)?武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

非點(diǎn)源污染如今已成為我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染源[1]，進(jìn)而影響整個(gè)流域生態(tài)環(huán)境。清江長(zhǎng)陽(yáng)段非點(diǎn)源污染的污染物來(lái)源主要為農(nóng)業(yè)施肥、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水等。隨著近年來(lái)長(zhǎng)陽(yáng)地區(qū)對(duì)點(diǎn)源污染的控制水平不斷提高，非點(diǎn)源污染逐漸成為清江污染的主要來(lái)源。分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是目前應(yīng)用較廣的研究非點(diǎn)源污染的模型之一，王曉燕[2]等在密云水庫(kù)北部流域使用SWAT模型模擬了流域非點(diǎn)源污染，陳媛[3,4]等研究了SWAT模型在庫(kù)區(qū)流域的適用性并模擬了不同土地利用情景對(duì)非點(diǎn)源污染的影響，謝慧[7]等應(yīng)用SWAT模型在三峽庫(kù)區(qū)進(jìn)行了非點(diǎn)源污染控制分區(qū)的劃分，上述若干研究成果正驗(yàn)證了SWAT模型在非點(diǎn)源污染模擬方面的有效性。

清江長(zhǎng)陽(yáng)段境內(nèi)多山區(qū)，降雨豐富，水土流失較為突出，同時(shí)近年來(lái)為解決庫(kù)區(qū)移民生計(jì)問(wèn)題大力發(fā)展網(wǎng)箱養(yǎng)殖，亦在一定程度上導(dǎo)致水質(zhì)惡化。本研究在清江長(zhǎng)陽(yáng)段應(yīng)用SWAT模型進(jìn)行非點(diǎn)源污染研究，通過(guò)模擬不同污染控制方案下的污染負(fù)荷變化情況，研究分析各方案對(duì)水體污染物削減效果，為制定水環(huán)境治理規(guī)劃提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

清江長(zhǎng)陽(yáng)段地處湖北省西南部，位于東經(jīng)110°22′～110°20′，北緯30°12′～30°46′，東西長(zhǎng)94.5 km，南北寬63 km，總面積3 430 km2。研究區(qū)屬于鄂西山地與江漢平原交界地帶，境內(nèi)山巒起伏，溝壑縱橫，東高西低，為丘陵起伏的半山區(qū)，最高點(diǎn)為崩子尖，海拔2 259 m，最低點(diǎn)為向溪口，海拔48.7 m。

清江長(zhǎng)陽(yáng)段主要河段為清江干流及其支流，流域涉及長(zhǎng)陽(yáng)8鎮(zhèn)(龍舟坪鎮(zhèn)、磨市鎮(zhèn)、都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)、資丘鎮(zhèn)、漁峽口鎮(zhèn)、榔坪鎮(zhèn)、賀家坪鎮(zhèn)、高家堰鎮(zhèn))3鄉(xiāng)(大堰鄉(xiāng)、鴨子口鄉(xiāng)、火燒坪鄉(xiāng))，境內(nèi)有大型水庫(kù)一座，為隔河巖水庫(kù)，上距水布埡大壩92 km，下距高壩洲大壩50 km，水庫(kù)正常蓄水位200 m，總庫(kù)容34億m3。

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與河流相對(duì)位置、大壩位置與水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面情況見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布與子流域劃分

1.2 SWAT模型的建立

SWAT是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心歷時(shí)30余年開(kāi)發(fā)的適用于較大流域的分布式水文模型，可以用于模擬計(jì)算地表水與地下水的水質(zhì)水量，能以日為步長(zhǎng)，按照土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型與坡度將流域分為若干水文響應(yīng)單元(HRU)，能夠較大地提高模擬精度。其模擬分為陸地過(guò)程與受納水體過(guò)程2部分，陸地過(guò)程可以控制每個(gè)HRU內(nèi)主河道的徑流、泥沙、營(yíng)養(yǎng)物的輸入量，受納水體過(guò)程則能夠模擬徑流、泥沙、營(yíng)養(yǎng)物等從河網(wǎng)到流域出水口的輸送運(yùn)移[1]，因此非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模擬、河道污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理模擬以及湖泊水庫(kù)水體水質(zhì)模擬等也是SWAT模型的重要功能。

SWAT模型建立需要的輸入數(shù)據(jù)主要為空間數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)等，簡(jiǎn)要介紹如下。

(1)數(shù)字高程地形圖(DEM)：精度為90 m，來(lái)自于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，用于在SWAT中自動(dòng)提取水系，利用其地形數(shù)據(jù)進(jìn)行子流域劃分。

(2)土地利用圖：來(lái)自全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)，以2010年為基準(zhǔn)年，是由國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心在“863”重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下研制出的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

(3)土壤類(lèi)型圖：來(lái)自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)，比例尺1∶100萬(wàn)分類(lèi)到亞類(lèi)。各類(lèi)土壤的分層數(shù)、各層顆粒組成、有機(jī)質(zhì)含量等土壤理化性質(zhì)來(lái)自《長(zhǎng)陽(yáng)土壤志》和中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。由于我國(guó)采用的土壤各層顆粒組成為國(guó)際制，還需要轉(zhuǎn)換為美制標(biāo)準(zhǔn)方可使用。土壤密度、田間有效持水量、飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)通過(guò)美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的土壤水特性軟件SPAW進(jìn)行計(jì)算。

(4)氣象數(shù)據(jù)：主要包括全年的日最高/低氣溫、日降水量、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射量等基本數(shù)據(jù)。本文使用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自宜昌氣象站資料，時(shí)間序列為1980-2013年。

(5)水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)：2011-2013隔河巖水庫(kù)逐日入庫(kù)、出庫(kù)流量，來(lái)自清江公司；2011-2013年水質(zhì)(氨氮、總氮)每?jī)稍卤O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)自長(zhǎng)陽(yáng)地區(qū)環(huán)保部門(mén)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面為位于清江長(zhǎng)陽(yáng)段入水口處的桅桿坪監(jiān)測(cè)斷面以及隔河巖壩下的貓子灘監(jiān)測(cè)斷面。

(6)其他數(shù)據(jù)：清江長(zhǎng)陽(yáng)段主要農(nóng)作物為玉米、馬鈴薯、高山蔬菜等，氮肥主要為尿素，磷肥主要為過(guò)磷酸鈣，復(fù)合肥為磷酸二銨；畜禽養(yǎng)殖方面以散戶(hù)養(yǎng)殖為主，存欄量數(shù)據(jù)來(lái)自《長(zhǎng)陽(yáng)統(tǒng)計(jì)年鑒》；水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，長(zhǎng)陽(yáng)地區(qū)以網(wǎng)箱養(yǎng)殖為主，相關(guān)產(chǎn)量與飼料投放量由當(dāng)?shù)厮a(chǎn)部門(mén)提供；工業(yè)、生活污水依據(jù)《長(zhǎng)陽(yáng)統(tǒng)計(jì)年鑒》的分析、計(jì)算，統(tǒng)計(jì)后數(shù)據(jù)以年均日負(fù)荷常量的形式輸入模型。

在SWAT模型中輸入上述各數(shù)據(jù)后，利用DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)生成水系，并生成子流域，子流域數(shù)目依照定義的限值最小集水面積決定，其中根據(jù)子流域內(nèi)土地利用、土壤類(lèi)型以及坡度的閾值，生成由單一土壤、土地利用和坡度組成的水文響應(yīng)單元(HRU)。本研究中最終劃分為53個(gè)子流域，853個(gè)水文響應(yīng)單元，子流域的劃分見(jiàn)圖1。

1.3 SWAT模型的率定與驗(yàn)證

SWAT模型的參數(shù)調(diào)整與驗(yàn)證是模擬計(jì)算中的重要步驟，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來(lái)提高模擬的精確度，本文對(duì)清江流域長(zhǎng)陽(yáng)段的徑流、氨氮、總氮3個(gè)指標(biāo)依次進(jìn)行校驗(yàn)，利用SWAT-CUP軟件結(jié)合手動(dòng)調(diào)參對(duì)模型的模擬參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所調(diào)整的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

為評(píng)價(jià)模擬結(jié)果，本研究模型先使用2011-2013年隔河巖水庫(kù)的日出庫(kù)流量數(shù)據(jù)確定徑流參數(shù)，再依據(jù)2011-2013年位于隔河巖壩下的貓子灘監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)率定氨氮、總氮指標(biāo)，得到相關(guān)參數(shù)。2011-2012年數(shù)據(jù)作為率定，2013年數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證，使用貓子灘監(jiān)測(cè)斷面所在的16號(hào)子流域模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 模型參數(shù)及調(diào)整

SWAT模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為相關(guān)系數(shù)R2與納什系數(shù)Ens，前者越接近1，則表明實(shí)測(cè)值與模擬值吻合程度越高，后者大于0.5時(shí)，可以認(rèn)為模擬效果較好。表2給出了SWAT模型模擬徑流、氨氮、總氮的率定期與驗(yàn)證期的模擬效果，由表可見(jiàn)模擬效果較為理想。

表2 模型率定與驗(yàn)證效果表

2 模型的應(yīng)用與分析

2.1 降水與地表產(chǎn)流、營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷相關(guān)性分析

在完成模型校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行分析。以隔河巖壩下貓子灘斷面所在的16號(hào)子流域?yàn)槔?，由圖2研究徑流、氨氮、總氮隨著降雨呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，每年的汛期降雨量峰值也是對(duì)應(yīng)徑流、氨氮、總氮的峰值。具體而言，2011-2013年3 a徑流、氨氮、總氮與降雨量的月平均相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.52、0.52和0.54，氨氮與徑流的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.93，總氮與徑流的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。由此可見(jiàn)，污染負(fù)荷與降雨存在一定的相關(guān)性，與徑流的相關(guān)性則更為明顯。

圖2 貓子灘斷面降雨、徑流、污染負(fù)荷隨時(shí)間變化情況

2.2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)流產(chǎn)沙與污染負(fù)荷的空間分布

通過(guò)SWAT模型劃分的子流域與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的關(guān)系，計(jì)算得到2011年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)流、泥沙、總氮的產(chǎn)量分布情況，按照自上游到下游的順序排列，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，清江長(zhǎng)陽(yáng)段上下游的月均產(chǎn)水量并未表現(xiàn)出較大差異，基本維持在相近水平，但泥沙產(chǎn)量與總氮產(chǎn)量均呈現(xiàn)上游向下游逐漸減少的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樯嫌梧l(xiāng)鎮(zhèn)的地形較為陡峻，坡度較大，相同徑流量侵蝕的泥沙量也更多，相應(yīng)的污染負(fù)荷的產(chǎn)量也越大。中部地區(qū)的泥沙產(chǎn)量有一個(gè)峰值，主要是由于中部地區(qū)火燒坪、鴨子口、都鎮(zhèn)灣地區(qū)種植高山蔬菜比較多，因此耕地較密集，更容易產(chǎn)生水土流失。下游地區(qū)地形相對(duì)平坦，因此位于下游的龍舟坪與磨市的污染負(fù)荷量最小。賀家坪與高家堰是位于清江支流丹水上的2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，雖然地形也多屬于山地，但是耕地相對(duì)較少，因此泥沙負(fù)荷雖然比龍舟坪與磨市大，但是整體污染負(fù)荷在11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中仍屬于相對(duì)較低的水平。

圖3 研究區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)流、泥沙與污染負(fù)荷變化情況

3 不同污染控制措施對(duì)長(zhǎng)陽(yáng)段污染的影響分析

3.1 污染控制措施設(shè)置

根據(jù)清江長(zhǎng)陽(yáng)段的實(shí)際情況，本研究提出3種污染控制措施，分別為減少20%的化肥使用量、取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖和設(shè)置過(guò)濾帶3類(lèi)，其中設(shè)置過(guò)濾帶方案分為2、5、10 m 3種級(jí)別，除基準(zhǔn)情景外，共設(shè)置8種情景，5種單獨(dú)措施情景，3種組合措施情景。具體設(shè)置如下。

(1)Q0?；鶞?zhǔn)情景：以2011年為基準(zhǔn)年，不采取任何措施。

(2)Q1～Q3。分別為設(shè)置2 m過(guò)濾帶、5 m過(guò)濾帶、10 m過(guò)濾帶，不采取其他組合措施。

(3)Q4。削減20%化肥用量，不采取其他組合措施。

(4)Q5。取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖，不采取其他組合措施。

(5)Q6。組合措施1：設(shè)置2 m過(guò)濾帶，削減20%化肥施用量，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖。

(6)Q7。組合措施2：設(shè)置5 m過(guò)濾帶，削減20%化肥施用量，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖。

(7)Q8。組合措施3：設(shè)置10 m過(guò)濾帶，削減20%化肥施用量，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖。

3.2 污染控制措施對(duì)污染負(fù)荷的影響分析

以2011年研究區(qū)域中16號(hào)子流域出口處年污染負(fù)荷與21號(hào)子流域入口年污染負(fù)荷之差作為隔河巖水庫(kù)年凈污染負(fù)荷增加量，將各種情景下氨氮、總氮及總磷負(fù)荷的凈污染負(fù)荷增加量與相對(duì)基準(zhǔn)情景的污染負(fù)荷減少比例列出見(jiàn)表3。

表3 各污染控制措施下年污染負(fù)荷變化情況

由表3可以看出，Q1～Q5各單獨(dú)措施中，只削減20%化肥施用量(Q4)對(duì)污染負(fù)荷的削減效果最??；只取締網(wǎng)箱的措施(Q5)效果對(duì)總磷負(fù)荷削減比較明顯，但是對(duì)總氮與氨氮負(fù)荷削減則相對(duì)較差；只設(shè)置過(guò)濾帶的措施對(duì)氨氮、總氮、總磷的削減效果都比較好，其中10 m過(guò)濾帶效果最佳。

出現(xiàn)上述情況的原因是：只削減化肥施用量雖然從源頭上減少了污染物的輸入，但是土壤本身的氮磷本底值并未受到控制，仍能隨徑流進(jìn)入水體，因此減少化肥施用量并不能使污染負(fù)荷產(chǎn)生大的削減，最大削減率僅有9.86%；取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)總氮總磷的污染負(fù)荷削減效果較好(其中總磷削減率達(dá)到48.52%)，但是對(duì)氨氮削減效果較差(僅5.72%)，這是因?yàn)榘钡饕獊?lái)源是工業(yè)等點(diǎn)源污染，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)點(diǎn)源污染削減效果并不大；設(shè)置過(guò)濾帶的措施對(duì)污染負(fù)荷削減效果最為明顯，其中性?xún)r(jià)比最高的是2 m過(guò)濾帶，對(duì)各項(xiàng)污染負(fù)荷削減率均能到到30%以上，效果最好的是10 m過(guò)濾帶，氨氮削減率達(dá)48.03%，總氮削減率達(dá)95.24%，這是因?yàn)檫^(guò)濾帶可以較好地減少水土流失(因污染物多隨泥沙遷移進(jìn)入水體，因此過(guò)濾帶相比減少化肥施用量能更好地?cái)r截土壤中本底氮磷養(yǎng)分的流失)。

Q6～Q8這3種組合措施中，隨著過(guò)濾帶寬度的增加，污染負(fù)荷的凈增量明顯減少，其中Q8情景下，總氮、總磷的凈增量為負(fù)值，污染負(fù)荷削減率總氮總磷均大于100%，說(shuō)明隔河巖水庫(kù)對(duì)水體中的污染物起到了沉降攔截作用，污染負(fù)荷產(chǎn)生量不及水體沉降、消耗量。Q6情景采用2m過(guò)濾帶、削減20%化肥使用量及取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)總氮負(fù)荷削減率也達(dá)到60%以上，總磷負(fù)荷削減率達(dá)到107.21%?？紤]到10 m過(guò)濾帶較大的占地面積，采用2 m過(guò)濾帶的組合措施更為經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié) 論

(1)本研究應(yīng)用SWAT模型，進(jìn)行了清江流域長(zhǎng)陽(yáng)段的污染負(fù)荷的模擬分析，結(jié)果表明：SWAT模型可以應(yīng)用于清江流域長(zhǎng)陽(yáng)段的污染研究，其對(duì)徑流、氨氮及總氮的模擬效果基本令人滿(mǎn)意。但是由于模型建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的精確度還有待提高，以及SWAT模型內(nèi)部參數(shù)設(shè)置偏重于陸域水文模擬，河道演算模塊還有待完善等原因，該模型模擬過(guò)程仍需進(jìn)一步完善。

(2)清江流域長(zhǎng)陽(yáng)段的徑流、污染負(fù)荷和降雨在時(shí)間變化上存在較強(qiáng)的相關(guān)性，每年汛期，隨著雨量增加，徑流與污染負(fù)荷也隨之增大?？臻g上，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自上游向下游產(chǎn)水量基本一致，但是產(chǎn)沙量與產(chǎn)污量卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樯嫌尾糠值牡匦屋^為陡峭，相同地表徑流條件下土壤侵蝕更為嚴(yán)重，且中游地區(qū)多種植高山蔬菜，耕地較多，導(dǎo)致產(chǎn)沙與污染負(fù)荷相對(duì)較大。

(3)在其他條件相同的情況下，單獨(dú)的污染控制措施中，設(shè)置過(guò)濾帶效果最好，削減化肥用量效果最差，這與土壤本底氮磷流失有關(guān)；在不同的組合污染控制措施下，選用10 m過(guò)濾帶的組合措施截污效果最好，但2 m過(guò)濾帶的組合措施最為經(jīng)濟(jì)。

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