黃曉秋

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

由于面源污染缺少污染檢測監(jiān)控系統(tǒng)，其模擬效果精度很難達到預(yù)期要求，所以流域面源污染模擬成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點和難點。隨著社會科技的發(fā)展和進步，地理信息和計算機技術(shù)得到快速發(fā)展，面源污染源模型在此基礎(chǔ)上得到研究和應(yīng)用，為流域面源污染模擬提供了一個有效的模擬平臺。分布式水文SWAT模型被美國學(xué)者最先提出并得到研究和應(yīng)用，該模型具有參數(shù)設(shè)置少、操作簡便等優(yōu)點，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于流域面源污染模擬分析。SWAT(soil and water assessment tool)模型設(shè)置參數(shù)包括河道匯流、地下水、徑流、土壤水、降水以及蒸發(fā)散發(fā)等，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)管理措施、面源污染計算、徑流模擬等方面。此外，在預(yù)測土壤類型、土地利用/覆蓋變化、泥沙以及污染物轉(zhuǎn)移方面，SWAT也能得到很好的應(yīng)用。學(xué)者通過SWAT模型的應(yīng)用，探究了流域面源污染負荷分布特征，并探討了流域格局時空變化對面源污染的影響。

本文通過收集整理實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，校準驗證了SWAT模型的精確度和可使用性。然后通過設(shè)置大凌河流域的下墊面、面污染、水文氣象等參數(shù)，建立一套適合面源污染評價的定量分析方法。通過模擬計算農(nóng)業(yè)流域面源污染的遷移變化，系統(tǒng)分析了流域面源污染物的排放量、分布特點，得出重點面源污染物的排放規(guī)律和控制要點，以大凌河流域的TN、TP污染為例，得出了流域內(nèi)重點污染源和重點污染區(qū)的人類生產(chǎn)、生活生產(chǎn)、化肥污染等農(nóng)業(yè)活動，同時為我國其他河流領(lǐng)域面源污染影響分析提供參考和依據(jù)[1]。

1 區(qū)域模型搭建

1.1 區(qū)域概況

本文所研究的大凌河流域位于遼寧省西部，該流域水土流失嚴重，泥沙含量為57kg/m3。流域大小支干交錯，全長398km，所占面積約為2.35萬km2。資料顯示，9、10月是該流域的降雨旺季，年降水量約為450～600mm，徑流量約為16.67億m3，流經(jīng)沉積巖、碎屑巖和黃土等地質(zhì)。

本文SWAT模型中的河流水質(zhì)模型是通過將混合水質(zhì)模型改進而來，故采用四級水資源分區(qū)將大凌河流域劃分為21個計算單元，以確保計算單元和水資源分區(qū)便捷保持一致，保證農(nóng)業(yè)面源污染物的匯入與用水、降水的同步性。SWAT模擬計算分析不僅考慮大凌河流域水資源規(guī)劃、分區(qū)、功能，同時還應(yīng)考慮降水特性和排水管理等影響。

1.2 方法與原理

SWAT(soil and water assessment tool)是目前被廣泛應(yīng)用于流域污染負荷計算的模型，由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)將SWRRB和ROTO模型綜合利用形成，目前已在50多個不同國家的流域得到應(yīng)用和推廣。該模型由不同組件組成，其中主要包括氣候檢測、水文地質(zhì)、土壤溫度、農(nóng)作物生產(chǎn)等，可計算流域進出口TN和TP污染負荷，得到不同生活生產(chǎn)活動對流域面源污染的貢獻系數(shù)?？紤]到SWAT模型流域水文模擬較為復(fù)雜，故將模擬過程分為兩個步驟：首先為陸相水文循環(huán)，確定各子流域匯入大凌河流域中的水流量、污染物、營養(yǎng)鹽、農(nóng)藥化肥負荷。然后進行水相水文循環(huán)，確定流出的水流量、農(nóng)藥化肥、生活垃圾等。本文重點對氮磷隨流經(jīng)的循環(huán)過程進行模擬，該過程不但受降水量、河流匯入以及和生物生長吸收等因素影響，且與水域流動發(fā)生的二次循環(huán)過程相關(guān)[2]。

大凌河流域結(jié)構(gòu)空間參數(shù)以及地質(zhì)土壤屬性是建立SWAT模型的數(shù)據(jù)計算基礎(chǔ)，其中空間結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括數(shù)字高程圖(DEM)(研究區(qū)域數(shù)據(jù)在GIS截出，用于水系提取和流域離散化，精度為1∶33萬)、土地利用圖(資料顯示，精度為1∶10萬)、土壤類型圖(精度為1∶33萬，包括土壤類型分布和土壤化學(xué)屬性，通過模型的功能屬性預(yù)熱計算可得到土壤化學(xué)屬性中N、P含量)、天氣資料(建立天氣發(fā)生發(fā)生器，輸入流域多年內(nèi)平均氣候特征，包括2003～2015年的溫度、濕度、太陽輻射、風(fēng)速和降水量)。各土壤類型中不同成分土中含有的無機氮含量、有機氮含量以及有機磷含量見表1。

表1 土壤化學(xué)屬性數(shù)據(jù) 單位：mg/kg

本文對SWAT模型進行校準和驗證，采用人工調(diào)整參數(shù)和自動率定相結(jié)合的方法進行率定。校驗過程選用2003～2012年作為率定期，2013～2015年為驗證期，選擇流域狹窄處作為徑流和氮磷負荷模擬校核斷面，模型使用性指標采用經(jīng)過統(tǒng)計分析得出確定性系數(shù)R2以及效率系數(shù)ENS確定。SWAT模型模擬氮循環(huán)主要包括有機氮、農(nóng)作物氮以及硝酸鹽氮通過徑流、測流以及滲流的方式將各種形態(tài)的氮進行遷移轉(zhuǎn)化。模型模擬轉(zhuǎn)化過程主要包括生物固化、有機無機之間的轉(zhuǎn)化、溶解性氮隨水流的轉(zhuǎn)移以及氨氮轉(zhuǎn)化。溶解型和吸附型磷的循環(huán)轉(zhuǎn)化是有機磷在模型模擬過程中的兩種形態(tài)，磷的循環(huán)流失計算應(yīng)考慮農(nóng)作物的吸收、土壤表層聚集、徑流量等因素[3]。SWAT模型模擬磷在肥料、土壤與植物中遷移轉(zhuǎn)化的過程，大凌河流域磷的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化形式主要包括河流的匯入及匯出攜帶、地表無機類磷鹽的結(jié)晶固化以及農(nóng)作物的吸收與溶解等生物過程

本文在分析比較的基礎(chǔ)上，為計算模型模擬效果的可靠性，通過計算效率系數(shù)(ENS)、相對誤差(Dv)以及徑流過程線得出確定性系數(shù)(R2)。流域水量偏差估計一般采用徑流過程線和相對誤差(Dv)參數(shù)；模型的整體模擬效果以及準確性分析通常采用效率系數(shù)(ENS)和確定性系數(shù)(R2)。

(1)

式中，Dv—相對誤差；O—觀測的平均值；P—預(yù)測平均值。

(2)

式中，ENS—流域污染模擬效率系數(shù)；Oi—i時刻的觀測值；Pi—i時刻的模擬值；O—觀測的平均值。

(3)

式中，各字母含義同上。

2 SWAT模型運行模擬

2.1 總氮與總磷模擬

在徑流、泥沙以及面源污染負荷模擬計算過程中，SWAT模型共使用了38個參數(shù)，參數(shù)較多計算復(fù)雜，故需對參數(shù)進行敏感性分析并找出對計算結(jié)果影響最為顯著的參數(shù)進行率定[4]。考慮到大凌河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，可供參考借鑒的依據(jù)有限，故本文只對凈流進行參數(shù)的率定和校準[5]。率定結(jié)果顯示，在流域驗證期ENS和R2指標均在要求范圍之內(nèi)，Dv值均小于20%滿足可靠性分析。SWAT模型經(jīng)過率定后，滿足精確度要求，可用于對其他方面的研究模擬計算。SWAT模型主要對氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)進行模擬。結(jié)果見表2、3和圖1～4。

表2 SWAT模型總氮模擬參數(shù)率定結(jié)果

表3 SWAT模型總磷模擬參數(shù)率定結(jié)果

為提高模擬計算的可使用性，文中以2003～2012年為率定期，以2013～2015年為驗證期大凌河流域模擬值進行驗證。率定結(jié)果為總氮ENS均大于0.65、R2均大于0.80；總磷ENS均大于0.65，R2均大于0.82，模擬值較實測值偏高，但變化過程基本一致，總體反映了研究區(qū)的實際情況，滿足流域面源污染模擬的精確度規(guī)范要求。

圖1 2010年總氮

圖2 2010年總磷

圖3 2014年總氮

圖4 2014年總磷

為進行更好的對比分析實測與模擬總氮磷含量，提高SWAT模型在大凌河流域的可使用性，本文選用2010年和2014年實測與模擬總氮磷含量變化過程分析，如圖1～4所示。由圖中折現(xiàn)波動趨勢可以看出，模擬的總氮和總磷與實測的總氮和總磷各月份的變化情況具有一定的同步性，結(jié)果表明，模擬氮磷含量變化規(guī)律同實測值相差不大，該模型具有良好的可使用性[6]。

2.2 結(jié)果與分析

土壤本身是營養(yǎng)物流失來源之一，土壤流失強度與很多因素有關(guān)，其中主要包括土地使用類型、土地地形、氣候條件和地表沉積物等[7]。本文通過模擬計算污染源輸入時面源污染負荷變化，得出在研究區(qū)域內(nèi)各污染源對污染負荷的貢獻。研究結(jié)果表明，在研究區(qū)內(nèi)面源(生活面源、生產(chǎn)面源、農(nóng)業(yè)化肥和)所產(chǎn)生的氮磷污染負荷占總量比例高達88.42%、82.97%，TN、TP負荷產(chǎn)量分別為7800t、324t，點源污染貢獻率僅為12%左右，TN、TP產(chǎn)量分別為950t、38t。綜上所述，大凌河流域面源污染重氮和磷污染源主要來源于生活及農(nóng)業(yè)化肥的面源污染。

人類生產(chǎn)和生活所產(chǎn)生的點源和面源污染以及農(nóng)業(yè)化肥營養(yǎng)物污染占研究流域內(nèi)負荷總量的80%左右，但此類污染源可通過有效的防范措施得到一定的合理控制。通過模型模擬運算結(jié)果可知，農(nóng)業(yè)化肥所產(chǎn)生的TN、TP含量所占比重最高，分別為46%、55%。農(nóng)業(yè)化肥所產(chǎn)生的面源污染可通過措施防控，加強排放管理，合理使用化肥等措施加以防控[8]；其次為生活污染，TN和TP負荷產(chǎn)量比重分別為32%、30%。所以，結(jié)合SWAT模型模擬結(jié)果分析，為提高改善大凌河流域水質(zhì)和環(huán)境，應(yīng)重點對農(nóng)業(yè)化肥和生活面源污染采取有效改善措施。此外，還可以采取因地制宜的退耕還林措施，種植綠色植被，保護自然生態(tài)環(huán)境，通過這種措施可有效降低因土壤流失所帶來的污染負荷。

3 結(jié)論

(1)本文采用SWAT模型模擬大凌河流域面源污染影響進行研究分析，模型模擬結(jié)果顯示，率定系數(shù)均在0.8以上，通過驗證期徑流和氨氮負荷含量，模擬結(jié)果顯示R2和ENS符合要求精確度。所采用的模型參數(shù)經(jīng)率定后，在所模擬的各年份總氮和總磷年與實際測量值之間的誤差小于18%，符合流域非點源污染模擬精度要求，SWAT模型對于大凌河流域面源污染模擬有一定的適用性。

(2)從各污染源貢獻率分析來看，生活面源污染和農(nóng)業(yè)化肥是大凌河流域(氮磷)負荷污染的主要來源。其主要是由農(nóng)業(yè)化肥和生活生產(chǎn)污水糞便流失所造成的，所以科學(xué)地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和加強生活生產(chǎn)排放的管理是生活面源污染控制的重點。

(3)由于大凌河流域缺少基流數(shù)據(jù)，研究中主要對總氮總磷進行參數(shù)率定和校準。大凌河流域面源污染影響受多方面因素影響，如污染物的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生流入等，故有待進一步研究探討。同時模型模擬結(jié)果表明，降水量變化可對大凌河流域面源污染負荷量產(chǎn)生影響，且影響幅度大于因徑流變化引起的負荷變化率。

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