馮麒宇, 胡海英, 劉俊達(dá)
(1華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 廣州 510640; 2中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 長沙 410000)
隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,水資源、水環(huán)境問題日益突出。非點(diǎn)源污染具有隨機(jī)性、廣泛性、潛伏性和滯后性等特點(diǎn),是影響水體質(zhì)量的重要污染源。目前國內(nèi)外學(xué)者對非點(diǎn)源污染的研究大都采用機(jī)理模型法[1]。國外應(yīng)用廣泛的非點(diǎn)源污染機(jī)理模型有SWAT[2-5]、HSPF[6-9]和Ann AGNPS等[10-12]。但是目前我國許多流域都缺乏常規(guī)水質(zhì)觀測資料,這使模型參數(shù)的率定產(chǎn)生不確定性,影響了非點(diǎn)源污染模型的應(yīng)用效果。SWAT模型適用性較好,可用于缺資料地區(qū),在國內(nèi)外許多流域得到廣泛地應(yīng)用。Gerald Whittaker等[13]對西北太平洋非點(diǎn)源污染問題進(jìn)行了研究,指出SWAT模型與經(jīng)濟(jì)管理模型的聯(lián)合有助于環(huán)境和政策方針的分析;Gitau等[14]利用SWAT模型在Arkansas無資料流域進(jìn)行水文模擬,結(jié)果較好;胡連伍等[15]利用SWAT模型對豐樂河流域的水文和水質(zhì)進(jìn)行了模擬和校核;吳碧瓊等[16]在西充河流域利用SWAT模型構(gòu)建了流域非點(diǎn)源污染模擬方案;胥彥玲等[17]利用水量、泥沙和水質(zhì)資料對SWAT模型進(jìn)行參數(shù)率定,結(jié)果表明模型在黑河流域適用效果較好。
華南地區(qū)尤其是珠江三角洲地區(qū),河網(wǎng)密集,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,快速城鎮(zhèn)化和人口增長,導(dǎo)致水環(huán)境問題日益突出。本研究以廣東省江門市潭江泗合水小流域?yàn)榈湫脱芯繉ο?,基?場降雨事件的水質(zhì)、水量同步監(jiān)測數(shù)據(jù),構(gòu)建泗合水流域的非點(diǎn)源污染SWAT模型,探討機(jī)理模型在華南地區(qū)有限水文水質(zhì)資料流域的應(yīng)用問題。研究中利用平均濃度法[18]估算得到非點(diǎn)源污染年負(fù)荷,從年、月兩種尺度對SWAT模型進(jìn)行參數(shù)率定。最后分析得到流域非點(diǎn)源污染時(shí)空分布規(guī)律并進(jìn)行情景模擬,其成果可為珠江三角洲地區(qū)水資源保護(hù)和水污染控制提供參考依據(jù)。
泗合水流域地處廣東省鶴山市雙合鎮(zhèn)境內(nèi),位于東經(jīng)112°25′—112°36′,北緯22°34′—22°44′。泗合水流域面積為131 km2,地表起伏變異大,植被生長良好,森林覆蓋率為81.5%。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,季風(fēng)顯著,風(fēng)暖濕潤,春夏季雨熱相宜。流域內(nèi)雨量充沛,多年平均降水量為1 661.1 mm,降水量年際變化大。流域多年平均蒸發(fā)量和徑流量分別為877.7 mm和1.145 3億m3。流域內(nèi)土壤類型以麻赤紅壤和頁赤紅壤為主,土地利用類型以林地和耕地為主,主要分布在流域中下游以及河網(wǎng)附近水資源豐富區(qū)域。經(jīng)調(diào)查流域內(nèi)農(nóng)作物以水稻和粉葛為主,施用化肥主要為氮肥和磷肥。本流域?qū)偬烊涣饔?,區(qū)域內(nèi)無污染企業(yè),可排除點(diǎn)源污染對流域污染負(fù)荷的影響。
為估算泗合水流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷用于SWAT模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證,在該流域出口處設(shè)立徑流觀測和取樣斷面。野外監(jiān)測試驗(yàn)共獲取了8場降雨事件的降雨量、水位、徑流量和各污染物輸出濃度的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)。8場降雨事件均發(fā)生在汛期的5—9月,每次降雨事件降雨前對河水先采樣一次。降雨開始后不久流域產(chǎn)流時(shí)測流并同步采樣,一般一小時(shí)采集一次,降雨后期雨量變小則逐步延長采樣間隔時(shí)間。采集的水樣當(dāng)場密封、編號,并于24 h內(nèi)及時(shí)送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行污染物測定。
用于SWAT模型構(gòu)建和參數(shù)率定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括空間和屬性數(shù)據(jù)??臻g數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)字高程模型(DEM數(shù)據(jù))、土壤類型圖、土地利用類型圖以及流域水系圖等。屬性數(shù)據(jù)庫包括水文數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫、土壤屬性數(shù)據(jù)庫和農(nóng)業(yè)管理措施數(shù)據(jù)等[19]。其中DEM數(shù)據(jù)來源于國家地理信息中心,分辨率90 m;土地利用數(shù)據(jù)來源于廣東省國土資源廳(2006),對其重分類后劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地5種類別;土壤類型主要分為麻赤紅壤和頁赤紅壤,根據(jù)土壤資料參照SWAT模型土壤數(shù)據(jù)庫建立方法[20]計(jì)算得到土壤理化屬性;模型所需氣象數(shù)據(jù)包括氣溫、太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度數(shù)據(jù),由鄰近流域陽江氣象站監(jiān)測得到;泗合水流域周邊設(shè)置的雨量站有布尚、棠密、吉塘、板村和雙橋,降雨資料由雨量站監(jiān)測所得;流域出口處設(shè)置有雙橋水文站,徑流數(shù)據(jù)由測站監(jiān)測獲得;流域的作物可概化為水稻和粉葛兩種。SWAT模型通過流域—子流域—水文響應(yīng)單元(HRU)的空間離散方法反映子流域內(nèi)不同土地利用方式和土壤類型的空間組合情況[21]。設(shè)定泗合水子流域劃分的集水面積閾值為4 km2,生成23個(gè)子流域。設(shè)定土地利用類型、土壤類型、坡度類型分別占子流域面積3%,5%,5%以上部分參與生成HRU,最終生成127個(gè)水文響應(yīng)單元。
基于若干場降雨事件水文、水質(zhì)監(jiān)測資料計(jì)算流域年非點(diǎn)源污染負(fù)荷。假定單次降雨事件污染物平均濃度為Cj,Cj可表示為:
(1)
式中:WL為該次降雨事件攜帶的負(fù)荷量(g);WA為該次降雨事件產(chǎn)生的徑流量(m3);QTi為Ti時(shí)刻的實(shí)測流量(m3/s);CTi為Ti時(shí)刻的污染物濃度(mg/L);QBi為Ti時(shí)刻的枯季流量(m3/s);CBi為Ti時(shí)刻的枯季污染物濃度(mg/L);n為該次降雨事件監(jiān)測次數(shù);Δti=(ti+1-ti-1)/2。
多次降雨事件污染物的加權(quán)平均濃度為Cm,將其近似作為年地表徑流污染物的平均濃度。Cm可表示為:
(2)
非點(diǎn)源污染年負(fù)荷量為Wn,可表示為:
Wn=Ws·Cm
(3)
式中:m是降雨事件次數(shù);Ws為年地表徑流總量(m3);Cj為第j場暴雨產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染平均濃度;WAj為第j場暴雨產(chǎn)生的徑流量(m3)。
模型徑流參數(shù)率定主要以流域出口雙橋水文站流量過程擬合度作為判別標(biāo)準(zhǔn),選取Nash-Sutcliffe系數(shù)和相對誤差作為評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)資料收集情況,選定2010—2012年為率定期,2013—2014年為驗(yàn)證期,模型運(yùn)行成功后基于SUFI-2算法對徑流計(jì)算所采用的共計(jì)28個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析[22]。通過參數(shù)自動率定1 000次,得到年徑流率定及驗(yàn)證結(jié)果見圖1。從對比結(jié)果可得,率定期和驗(yàn)證期年徑流相對誤差為4.4%~17.3%。月徑流過程實(shí)測值與模擬值對比見表1。結(jié)果顯示,月徑流率定期和驗(yàn)證期結(jié)果相對偏差均小于10%,Nash系數(shù)較高,分別為0.83,0.92。結(jié)果表明SWAT模型在泗合水流域的徑流模擬效果較好。
圖1 實(shí)測和模擬年徑流量對比表1 月徑流率定與驗(yàn)證
模型徑流參數(shù)校驗(yàn)完成后,進(jìn)一步對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行率定及驗(yàn)證。利用平均濃度法根據(jù)8場降雨事件水文污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)估算流域非點(diǎn)源污染年負(fù)荷。根據(jù)估算得到的流域2011年污染負(fù)荷數(shù)據(jù)采用試錯(cuò)法對影響模型泥沙、總氮、總磷輸出的模型參數(shù)進(jìn)行率定,并根據(jù)2014年污染負(fù)荷數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。率定及驗(yàn)證成果見圖2和圖3。從污染物負(fù)荷率定及驗(yàn)證結(jié)果可以看出,泥沙、總氮、總磷年負(fù)荷模擬誤差均控制在30%以內(nèi),說明SWAT模型能夠較好地反映泗合水流域非點(diǎn)源污染變化情況,可用于該流域非點(diǎn)源污染的描述及預(yù)測。
圖2 年污染負(fù)荷率定
圖3 年污染負(fù)荷驗(yàn)證
應(yīng)用SWAT模型對泗合水流域泥沙、總氮、總磷負(fù)荷進(jìn)行模擬和計(jì)算,分析得出2010—2014年汛期污染物輸出總量占全年的比例。從表2可以看出,流域內(nèi)全年非點(diǎn)源污染負(fù)荷分布不均,80%以上都集中在汛期(4—9月)。2012年、2013年流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷年內(nèi)分布與降雨量分布對比見圖4。可以得出流域泥沙、氮磷污染物年內(nèi)各月分布與降雨量分布較同步,降雨對非點(diǎn)源污染輸出起著重要作用,這與國內(nèi)許多研究是一致的[23-24]。非點(diǎn)源污染物在日常非降雨條件下積累在地表,降雨時(shí)通過徑流沖刷遷移進(jìn)入水體,降雨過程中的雨滴濺擊和徑流沖刷搬運(yùn)是水土流失的基本動力。
圖4 2012-2013年月均污染負(fù)荷輸出分布
表2 2010-2014年汛期污染輸出總量占全年比例
2010—2014年期間泗合水流域總氮負(fù)荷輸出范圍介于13.05~65.61 kg/hm2,總磷負(fù)荷輸出范圍介于1.66~10.66 kg/hm2。泗合水各子流域總氮、總磷負(fù)荷空間分布見圖5。從圖5可知,泗合水流域總氮和總磷污染負(fù)荷空間分布較相似,污染負(fù)荷主要分布在流域下游和上游東北部區(qū)域。流域下游人口密度大,人類活動影響顯著,污染負(fù)荷輸出較大;流域上游東北部村落富集,耕地比例較大,因此污染負(fù)荷輸出也較大。非點(diǎn)源污染流失的關(guān)鍵源區(qū)主要分布在農(nóng)業(yè)和坡耕地區(qū)[25]。農(nóng)業(yè)坡耕地區(qū)土壤中的非點(diǎn)源污染物極易在降雨沖刷作用下隨徑流進(jìn)入到河流造成水體污染,其中坡度對泥沙和非點(diǎn)源污染物遷移有重要影響。此外,城鎮(zhèn)居民建筑用地和工礦用地單位面積的貢獻(xiàn)率也不容忽視。
圖5 2010-2014年總氮、總磷負(fù)荷空間分布
提取每一水文響應(yīng)單元不同土地類型的污染負(fù)荷,得到耕地、林地、建筑用地、草地4種土地利用類型的非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率見圖6??梢钥闯?,泥沙、有機(jī)氮、有機(jī)磷和無機(jī)磷流失規(guī)律一致,流失強(qiáng)度由小到大分別為林地、建設(shè)用地、草地、耕地。硝基氮流失強(qiáng)度由小到大分別為:林地、建設(shè)用地、草地、耕地。溶解磷流失強(qiáng)度由小到大分別為草地、耕地、林地、建設(shè)用地,但數(shù)量上4種土地類型差別并不大,溶解磷流失強(qiáng)度普遍偏低??傮w上說,由于周期性農(nóng)業(yè)耕作和施肥活動的影響,單位面積耕地對泥沙侵蝕和氮磷污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率最大。林地對于污染物質(zhì)流失有較好的削減效果,單位面積林地非點(diǎn)源污染流失強(qiáng)度最小[25]。
圖6 污染負(fù)荷流失強(qiáng)度對比
各種土地類型對流域污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)不同,泗合水流域耕地對流域泥沙、總氮和總磷負(fù)荷的產(chǎn)出貢獻(xiàn)較大。研究表明,耕地是流域氮磷污染的主要來源,流域退耕還林措施使得流域內(nèi)坡耕地面積減少,林地面積增加,林草植被通過根系涵養(yǎng)水源,提高土壤的抗蝕性[26]。下面我們調(diào)整變換不同土地類型參數(shù)來模擬退耕還林情景,得到各年污染控制效果見表3??梢钥闯鲈?010—2014年期間,實(shí)行退耕還林措施將使流域徑流量、泥沙、氮、磷負(fù)荷分別減少3.2%,35.8%,46.1%,35.8%。通過設(shè)置氮肥施用量減少50%、磷肥施用量減少50%兩種情景來模擬施肥量減少對污染控制的影響,得到結(jié)果見表4??梢钥闯?,施肥量減少對流域產(chǎn)沙和徑流幾乎沒有影響,減少50%氮肥,可降低總氮負(fù)荷18.1%;減少50%磷肥,可降低總磷負(fù)荷8.9%。由此可見,在流域內(nèi)實(shí)施退耕還林措施和減少化肥施用量能有效控制非點(diǎn)源污染輸出負(fù)荷[27]。
表3 退耕還林對2010-2014年污染輸出的影響
表4 施肥措施對2010-2014年污染輸出的影響
(1) 以廣東省江門市潭江泗合水流域?yàn)槔?,分析有限水文、水質(zhì)資料條件下平均濃度法在SWAT模型參數(shù)率定中的應(yīng)用問題。水質(zhì)參數(shù)率定及驗(yàn)證結(jié)果表明利用平均濃度法對SWAT模型進(jìn)行參數(shù)率定能使其具有較高的適用性。
(2) 流域內(nèi)全年非點(diǎn)源污染負(fù)荷分布不均,80%以上集中在汛期的4—9月。流域泥沙、總氮和總磷年內(nèi)各月分布與降雨量分布非常一致,降雨對非點(diǎn)源污染輸出起著重要作用。
(3) 流域總氮、總磷污染負(fù)荷空間分布較相似,表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性。流域下游受人類活動影響,污染負(fù)荷較大,流域上游東北部區(qū)域村落富集以及耕地比例較大,污染負(fù)荷較大。
(4) 不同土地利用類型泥沙流失強(qiáng)度差異顯著,由低到高依次為:林地、建設(shè)用地、草地、耕地,有機(jī)氮、有機(jī)磷、無機(jī)磷流失規(guī)律與泥沙一致,硝基氮與溶解磷則有所不同。
(5) 降低施肥量和實(shí)施退耕還林措施可有效降低典型農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的輸出。實(shí)行退耕還林措施,流域泥沙、TN和TP負(fù)荷依次減少35.8%,46.1%和35.8%;減少氮肥和磷肥施用量50%,TN和TP負(fù)荷分別減少18.1%和8.9%。