劉鵬++楊昆++彭雙云++張韶華

摘 要：該研究應用SWAT模型對昆明市滇池流域進行了流域農(nóng)業(yè)非點源污染負荷的模擬計算，利用昆明水文站干海子2008—2014年的實測日徑流數(shù)據(jù)進行了模型的率定與驗證，驗證結(jié)果顯示，SWAT模型適用于滇池流域。并且利用驗證后的模型分析了2008—2014年滇池河流域年均的非點源污染空間分布特征，結(jié)果表明，有機氮和有機磷負荷輸出的地區(qū)大體一致?？傮w上，滇池河流域農(nóng)業(yè)非點源污染的較大負荷產(chǎn)生量集中在中部地區(qū)，少量分布在南北部角落其他地區(qū)輸出負荷相對較少。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)非點源污染；滇池；空間分布；SWAT模型

中圖分類號 X32 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）24-0080-04

水污染從源頭上劃分可分為點源和非點源污染2種類型，與點源污染污染相比，非點源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，目前已成為影響水體環(huán)境質(zhì)量的重要污染源[1]。國外對農(nóng)業(yè)非點源污染的研究和認識始于20世紀60年代，主要是美國、英國、日本等發(fā)達國家開展了對農(nóng)業(yè)非點源污染的分析和研究。我國的農(nóng)業(yè)非點源污染研究始于20世紀80年代初，國內(nèi)眾多流域已有SWAT模型研究的案例，如長江流域[2]、黃河流域[3]以及黑河流域[4]。國內(nèi)學者郝芳華[5]以官廳水庫作為研究區(qū)，對水文年的非點源污染負荷進行了模擬，結(jié)果表明流域非點源污染負荷與降水量成正相關。萬超[6]通過對3個不同的水平年進行非點源污染負荷計算，得到了潘家口水庫流域的負荷時空特征及主要影響因素。

1 SWAT模型概述

SWAT模型是一種具有較強物理機制的長期分布式水文模型，可應用于大型流域的研究。SWAT模型集成了遙感（RS）和DEM（數(shù)字高程模型），可以模擬和預測長期不同管理對流域的非點源污染負荷輸出影響，是農(nóng)業(yè)非點源污染建模的有效工具，目前已廣泛應用于世界各地。

2 研究區(qū)概況

2.1 自然地理狀況 滇池流域地處云貴高原中部，隸屬金沙江水系。滇池流域面積2 920km2 為南北長東西窄的湖盆地，地形主要以山地丘陵居多，面積2 030km2，約占69.5%；湖濱平原面積590km2，占20.2%；滇池流域水域面積約300km2，占10.3%。滇池水域分為草海、外海2個部分。草海外海分別位于滇池北部和南部外海為滇池主體，草海、外海均有人工控制出口，分別為西北部的西園隧洞和西南端的海口中灘閘，滇池出水經(jīng)螳螂川、普渡河流入金沙江。

2.2 流域農(nóng)業(yè)非點源狀況及原因 滇池流域的非點源污染方式主要包括生活污水排放、水土流失、地表徑流氮磷流失、農(nóng)田農(nóng)藥和化肥的不合理施用等。研究表明，水體污染和富營養(yǎng)化的主要來源為農(nóng)藥和化肥的使用，美國每年生產(chǎn)5億t的農(nóng)藥，其中70%用于農(nóng)田，由此引發(fā)的水污染事件不計其數(shù)，USEPA把農(nóng)業(yè)列為全美河流和湖泊污染的第一污染源[8]。據(jù)統(tǒng)計，滇池流域的水田面積最大，占38%，旱地35%，菜地19%，花卉地占8%[9]，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和經(jīng)濟發(fā)展的需求，蔬菜花卉等經(jīng)濟作物在滇池流域的種植規(guī)模將越來越大，作物施肥量也不斷遞增，化肥的不合理使用導致氮、磷元素大量流失，隨著降水和地表徑流進入水體，從而導致滇池水體污染和富營養(yǎng)化。

3 滇池流域非點源研究的SWAT模型應用

3.1 模型基礎數(shù)據(jù)庫建立

3.1.1 空間數(shù)據(jù)庫 SWAT空間數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)字高程模型，土地利用數(shù)據(jù)和土壤分類數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模式DEM和土地利用遙感影像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云，DEM主要用于確定累積流量計算的流向，河網(wǎng)以及特征參數(shù)的提取等信息。土地利用遙感數(shù)據(jù)主要通過ENVI5.1軟件預處理，使用監(jiān)督分類方法提取土地利用分布。土壤分類數(shù)據(jù)來源世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），根據(jù)流域邊界裁剪后進行重分類。滇池土地利用分類如圖1所示。

3.1.2 流域?qū)傩詳?shù)據(jù) SWAT模型屬性數(shù)據(jù)庫主要包括氣象數(shù)據(jù)、土壤分屬性數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)等，其中氣象數(shù)據(jù)來自由中國水利水電科學研究院、中國氣象局及中國科學院寒區(qū)寒區(qū)環(huán)境與工程研究所等多家參與研發(fā)的SWAT模型中國大氣同化驅(qū)動數(shù)據(jù)集CMADS（自CMADSV1.1版本數(shù)據(jù)集，水文數(shù)據(jù)采用昆明市和干海子水文站實測水文數(shù)據(jù)。

3.2 SWAT模型模擬

3.2.1 子流域劃分 劃分子流域時，首先加載流域DEM數(shù)據(jù)，然后ArcSWAT調(diào)用ArcGIS的水文模塊進行無洼地DEM生成、匯流累積量計算、水流長度計算河網(wǎng)提取以及流域分割等過程，并最終將整整個流域劃分為若干個子流域。在子流域劃分過程中，需要設定子流域面積閾值，子流域閾值面積大小決定了子流域劃分的個數(shù)，子流域面積越小，河網(wǎng)密度越大河網(wǎng)節(jié)點越多，不過集水面積闊值并非確定的越小越好，闊值越小更容易產(chǎn)生偽河道。孔凡哲等指出隨著集水區(qū)面積闊值的變小，河網(wǎng)密度或河源密度的變化趨勢趨于平緩時即被認定是最合理的集水面積闊值[10]子流域閾值面積確定之后需要設定出水口位置，子流域的出水口一般位于支干流相交處同時盡可能與流域中的水文站點。水質(zhì)站點以及河流入湖口相對應，以方便模型的校準和驗證，本研究把研究區(qū)域劃分為102個子流域。

3.2.2 水文響應單元劃分 在劃分HRUs之前，首先需要加載土地類型利用圖、土壤分類數(shù)據(jù)到SWAT模型中，并按照一定坡度進行重分類，在SWAT模型中，坡度分類主要有Single Slope和Multiple Slope兩種方式Single Slope將流域劃分為一類Multiple Slope可以將流域劃分為多個坡度，最多可以將坡度分為5類，本研究采用第二種方式將研究區(qū)坡度分為兩類。當對土地利用類型、土壤類型和坡度的進行重分類后，開始進行HRUs劃分定義，SWAT模型提供了3種方式來定義HRUs：Dominant Land Use、Soils、Slope、Dominant HRU、 Multiple HRUs；本研究采用第三種方式進行HRUs劃分設置土地利用、土壤類型，坡度的閾值分別為20%、10%、20%，最終將研究區(qū)域的102個子流域劃分為198個水文響應單元。

3.2.3 參數(shù)敏感性分析 在SWAT模型中存在大量的參數(shù)，很多參數(shù)由于測量誤差、空間差異等原因?qū)е潞芏鄥?shù)無法準確確定，為了保證模擬值與測量值的一致性，需要對模型參數(shù)進行率定，然而SWAT模型設計參數(shù)眾多，無法一一率定，故篩選出一些對模擬結(jié)果影響比較大的參數(shù)，對其進行參數(shù)敏感性分析和參數(shù)率定，從而確定模型對流域的適應性。本研究中采用SWAT-CUP2012軟件進行參數(shù)敏感性分析，并對參數(shù)進行率定和校準，SWAT-CUP2012程序中提供了Sufi2、GLUE、ParaSol、McMc、PSO等5種敏感性參數(shù)分析方法，本研究采用Sufi2方法對SWAT模型中參數(shù)進行敏感性分析，從而得到對模型影響最大的敏感性參數(shù)，對模型進行校準。

4 結(jié)果與分析

本研究將滇池流域劃分為102個子流域，結(jié)合滇池流域內(nèi)的土地利用分布圖和土壤類型空間分布圖進行模型模擬，最終得到2008—2014滇池流域農(nóng)業(yè)非點源污染年均氮和磷負荷空間分布圖（圖3、圖4）。

SWAT模型氮污染負荷主要以有機氮和硝酸鹽氮2種形式輸出，滇池流域氮負荷輸出空間分布主要分析如下：

滇池流域有機氮和硝酸鹽氮負荷的空間分布特征如圖3所示。由圖3可知，流域單位面積有機氮的輸出區(qū)主要集中在子流域15、18、35、36、37、38、41、45，單位面積有機氮負荷達到6.65kg/hm2·a相對于有機氮負荷較大輸出空間分布，硝態(tài)氮范圍相對較小，主要集中子流域15、18、25、36，這些流域是硝態(tài)氮的主要產(chǎn)區(qū)。綜合有機氮和硝態(tài)氮的空間分布特征，氮分布主要集中在城區(qū)和耕地，城區(qū)人類活動密集，氮污染主要來源道路交通、城市公園綠化氮肥施用而農(nóng)田耕地過量有機氮肥施用、肥料利用率低下是導致該區(qū)域氮素流失的關鍵因素。

滇池流域有機磷和可溶性磷負荷的空間如圖4所示。由圖4可知，流域單位面積有機磷的輸出區(qū)主要集中在子流域15、18、25、38、41、44、45、63，單位面積有機磷負荷達到1.59kg/hm2·a以上，而可溶性磷較大負荷輸出空間分布相比于機磷分布范圍有所擴大，除了和有機磷較大負荷分布的中部區(qū)域外，流域上部和右邊部分有所擴展，總體來說磷負荷和氮較大負荷區(qū)域分布大體相當，說明氮磷污染有著密切相關的聯(lián)系；另一方面磷流失也與農(nóng)業(yè)耕作和過量施肥有著密切的關系，影響因素與氮素流失具有相同的特點。

4 結(jié)論

通過上述結(jié)果分析得知，研究區(qū)的非點源污染主要集中在建筑區(qū)和耕地，耕地作為農(nóng)業(yè)用地，需要大量施用各類肥料，導致產(chǎn)生相對較多的氮、磷非點源污染，而建設用地人口的聚集，人類活動產(chǎn)生的各種富含氮、磷的污染源增多，因此，今后應大力推廣科學合理的施肥技術(shù)以及減少城市非點源污染排放。

參考文獻

[1]李健忠，龐明，葉朝霞，等.我國農(nóng)業(yè)非點源污染研究進展及其防治措施[J].廣州化學，2008，33（2）：54-58，79

[2]張佳，霍艾迪，張駿.基于SWAT模型的長江源區(qū)巴塘河流域徑流模擬[J].長江科學院院報，2016，05：18-22，27.

[3]李道峰，田英，劉昌明.黃河河源區(qū)變化環(huán)境下分布式水文模擬[J].地理學報，2004，59（4）：565-573.

[4]黃清華，張萬昌.SWAT分布式水文模型在黑河干流山區(qū)流域的改進及應用[J].南京林業(yè)大學學報：自然科學版，2004，28（2）：22-26.

[5]郝芳華，孫峰，張建永.官廳水庫流域非點源污染研究進展[J].地學前緣，2002，9（2）：387-389.

[6]萬超，張思聰.基于GIS的潘家口水庫面源污染負荷計算[J].水力發(fā)電學報，2003（81）：62-68.

[7]秦福來，王曉燕，張美華.基于GIS的流域水文模型-SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型的動態(tài)研究[J].首都師范大學學校：自然科學版，2006，1.

[8]USEPA.National water quality inventory.RePortto Congress Exeeutive Summary WashingtonD.C：USEPA，1995：497.

[9]陸軼峰，李宗遜，雷寶坤.滇池流域農(nóng)田氮、磷肥施用現(xiàn)狀與評價[J].云南環(huán)境科學，2003，01：34-37.

[10]孔凡哲，李莉莉.利用DEM提取河網(wǎng)時集水面積閩值的確定[J].水電能源科學，2005，23（4）：65-67. （責編：張宏民）