何卿姮， 黃智剛， 鄧淑冰， 潘榮慶， 劉小梅， 郭 豪， 黎靜宜

(廣西大學(xué)，廣西南寧 530004)

在世界范圍內(nèi)面源污染已成為地下水和地表水污染的主要來(lái)源[1-3]，因化肥農(nóng)藥使用量高、土地利用不合理、畜禽糞便無(wú)序排放等原因產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染是面源污染治理的重中之重。美國(guó)和歐洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，都因?yàn)槭┯没兽r(nóng)藥過(guò)量而造成河流中的氮磷含量超標(biāo)[4-5]。水污染問(wèn)題已經(jīng)成為全球現(xiàn)階段首要解決的環(huán)境污染問(wèn)題。我國(guó)的非點(diǎn)源污染情況也不容樂(lè)觀，近幾年非點(diǎn)源污染呈上升趨勢(shì)[6]。

黨的十九大報(bào)告強(qiáng)調(diào)了關(guān)于環(huán)境污染治理的問(wèn)題，面源污染問(wèn)題成為當(dāng)下環(huán)境污染研究的重點(diǎn)[7]。目前國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者嘗試應(yīng)用模型方法來(lái)應(yīng)對(duì)非點(diǎn)源污染的預(yù)防和治理[8-10]，其中SWAT(Soil and water assessment tool)模型因其適用范圍廣、操作相對(duì)其他模型較為簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，自國(guó)外引入國(guó)內(nèi)后迅速得以推行和使用。李亞嬌等把較為典型的4種非點(diǎn)源污染數(shù)學(xué)模型SWAT、GLWF、SPARROW、HSPF進(jìn)行比較，闡明了SWAT模型的復(fù)雜程度在這4個(gè)模型中屬于中等程度，更容易被廣泛應(yīng)用[11]。該模型更多地應(yīng)用在中大型尺度的流域上，如黃河[12]、長(zhǎng)江[13-14]及各類中大型流域、三峽庫(kù)區(qū)[15-16]等；相關(guān)學(xué)者應(yīng)用SWAT模型結(jié)合RS和GIS的空間數(shù)據(jù)展開非點(diǎn)源污染主要影響因素分析，如氣候變化、土地利用[17-19]的影響效果；SWAT模型還可模擬不同削減措施下流域污染負(fù)荷變化[20-21]。于明鑫運(yùn)用SWAT模型設(shè)立果園、封禁治理、保土耕作及水平梯田等治理措施各自的減流減沙效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水平梯田較其他措施減沙效果更為顯著[22]。廣西作為甘蔗種植大省，甘蔗地經(jīng)常遭到擾動(dòng)翻新的情況，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗種植模式會(huì)影響土壤侵蝕的發(fā)生及不同程度的氮磷營(yíng)養(yǎng)物流失[23]，加之農(nóng)戶對(duì)甘蔗地過(guò)度施肥導(dǎo)致氮磷流失到水體，農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。由于國(guó)內(nèi)學(xué)者將SWAT模型運(yùn)用在蔗區(qū)小流域農(nóng)業(yè)面源污染方面鮮有研究，本研究以南亞熱帶小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，將SWAT模型應(yīng)用在小尺度蔗區(qū)流域，分析預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)面源污染來(lái)源情況，為后續(xù)小流域面源污染預(yù)防與治理提供參考及建議，對(duì)揭示水循環(huán)規(guī)律和水土流失治理也有重大意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選用那辣小流域(107°39′E，22°20′N)，位于廣西壯族自治區(qū)扶綏縣境內(nèi)，流域面積3 km2，最終匯流到客蘭水庫(kù)(圖1)。那辣流域是南亞熱帶典型農(nóng)業(yè)小流域甘蔗集約化種植區(qū)，亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，以山麓丘陵為主要地形條件，平均坡度在 4°～35°，年平均氣溫20.8 ℃左右，平均海拔約為 1 200 m，年降水量在1 400 mm左右，夏日高溫多雨，冬日暖和潮濕，雨熱同期。土壤類型以赤紅壤為主，主要的土地利用類型為水稻田、甘蔗地、林地、建設(shè)用地、水域這5大類；農(nóng)業(yè)種植作物主要是甘蔗、水稻等。為追求更好的經(jīng)濟(jì)效益，流域在2018年開始實(shí)行甘蔗集約化種植模式，在原有小塊甘蔗地基礎(chǔ)上，大面積開墾農(nóng)用地和林地改種甘蔗，甘蔗種植面積迅速擴(kuò)增，甘蔗生產(chǎn)約占研究區(qū)所有土地利用面積的74%。

2 研究方法

2.1 模型原理

SWAT模型是基于物理過(guò)程的分布式水文模型，以日為步長(zhǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列計(jì)算，基于物質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán)的宏觀尺度上的模型。該模型模擬的水文過(guò)程分為水文循環(huán)的陸地階段(即產(chǎn)流和坡面匯流部分)和水文循環(huán)的匯流階段(即流域陸面部分產(chǎn)生的徑流、泥沙、營(yíng)養(yǎng)物等在河道的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程)，整個(gè)水分循環(huán)系統(tǒng)遵循水量平衡規(guī)律，其水量平衡表達(dá)式為：

式中：SWt為土壤最終含水量；SW0為土壤初始含水量；t為計(jì)算時(shí)段；Rday為第k天降水量；Ea為第k天的蒸發(fā)量；Wseep為第k天土壤剖面底層的滲透量和側(cè)流量；Qsurf為第k天的地表徑流量；Qgw為第k天地下水含量。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

以SWAT2012為研究工具，收集那辣流域空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，包括流域DEM高程圖、土地利用類型、土壤類型、氣象數(shù)據(jù)、水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等資料，進(jìn)行模型構(gòu)建及模擬運(yùn)行。本研究用到0.5 m空間分辨率的DEM數(shù)字高程圖，利用 ArcGIS 10.2提取流域范圍并建立流域地形基礎(chǔ)；土地利用和土壤數(shù)據(jù)庫(kù)用于構(gòu)建研究區(qū)下墊面數(shù)據(jù)庫(kù)；氣象數(shù)據(jù)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，逐日降水?dāng)?shù)據(jù)采用研究區(qū)氣象站；水文水質(zhì)數(shù)據(jù)由流域內(nèi)水文站點(diǎn)監(jiān)測(cè)得到(表1)。

表1 構(gòu)建模型的基本資料

2.3 SWAT模型構(gòu)建

首先導(dǎo)入DEM數(shù)據(jù)，設(shè)置集水面積，提取河網(wǎng)并自動(dòng)劃分子流域，模型最終劃分出21個(gè)子流域；隨后將研究區(qū)重分類好的土地利用類型、 土壤類型圖添加到SWAT模型，并對(duì)土地利用、土壤類型和坡度分級(jí)分別設(shè)置面積閾值(20%、20%、20%)，形成47個(gè)水文響應(yīng)單元(HRU)，每個(gè)HRU對(duì)應(yīng)1種土地利用、土壤類型和坡度等級(jí)。隨后輸入氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)田管理措施等屬性數(shù)據(jù)及設(shè)置模型模擬時(shí)間，即初步構(gòu)建好研究區(qū)的SWAT模型。由于模型的初始參數(shù)并不都適用于研究區(qū)的實(shí)際情況，需要對(duì)模型率定與驗(yàn)證，在合理范圍內(nèi)不斷調(diào)整參數(shù)，使得模擬值和實(shí)測(cè)值越趨吻合，盡可能減少與實(shí)測(cè)值的誤差。利用本研究區(qū)水文站的月徑流、總氮、總磷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。選用相關(guān)系數(shù)(R2)、Nash Sutcliffe模型效率系數(shù)(Ens)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，驗(yàn)證結(jié)果優(yōu)于Ens、R2的限定閾值(Ens>0.6，R2>0.5)[24]，說(shuō)明該模型在流域適用性良好，可用于研究區(qū)的模擬研究。其表達(dá)式分別見公式(1)、公式(2)。

(1)

(2)

2.4 模型率定與驗(yàn)證

設(shè)置研究區(qū)模擬時(shí)間為3年(2018年1月1日至2020年12月31日)，徑流量、總氮、總磷的率定期為2018—2019年，驗(yàn)證期為2020年。徑流校準(zhǔn)采用逐月平均流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在SWAT-CUP軟件中采用SUFI-2算法進(jìn)行率定和驗(yàn)證，以及參數(shù)靈敏性分析，有關(guān)參數(shù)的選取由參考文獻(xiàn)[25-26]及查閱資料得到，將參數(shù)多次迭代計(jì)算得到的率定期模型評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果見表2，敏感性參數(shù)排行及最佳取值見表3、表4。根據(jù)前面提到的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該模型適用于本研究流域，可用于后續(xù)的模擬分析。由于獲取到的總氮、總磷水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為水環(huán)境中的指標(biāo)濃度， mg/L；模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證采用的是污染物月平均總負(fù)荷，kg；因此需對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總氮和總磷負(fù)荷量轉(zhuǎn)化，計(jì)算公式如下：

表2 率定期和驗(yàn)證期評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 徑流敏感性參數(shù)排行及范圍

表4 氮磷敏感性參數(shù)取值范圍及最佳取值

L=C×F×S×10-3。

式中：L為月平均總負(fù)荷量，kg；C流域監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)指標(biāo)濃度， mg/L；F為流域監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)月平均徑流量，m3/s；S為時(shí)間，s。

3 面源污染負(fù)荷時(shí)空分布規(guī)律

3.1 空間分布規(guī)律

利用構(gòu)建好的SWAT模型模擬研究區(qū)的面源污染狀況，得到各子流域的輸出強(qiáng)度分布見圖2。從2018—2020年期間污染物流失總量上看，流域中總氮流失總量最高的是10、14、15號(hào)子流域，總氮年平均流失負(fù)荷約為6 000 kg/年；其次是13、16、18號(hào)子流域，總氮年流失負(fù)荷為4 300 kg/年。流域總磷年均流失負(fù)荷最高的是10、13、14、15、16、18號(hào)子流域，總磷年均流失負(fù)荷平均為40kg/年；其次是8、17號(hào)子流域，年均總磷流失負(fù)荷為17 kg/年左右。總氮、總磷污染最為嚴(yán)重的區(qū)域都分布在靠近流域出口的10、14、15號(hào)子流域，水系東部的上游子流域的污染較輕。在預(yù)防面源污染的發(fā)生時(shí)，應(yīng)著重管控河道下游靠近流域出口的水質(zhì)，同時(shí)也要從源頭預(yù)防，減少氮磷污染的發(fā)生。

3.2 時(shí)間分布規(guī)律

由徑流量與降水量隨時(shí)間的變化情況及總氮和總磷月平均負(fù)荷變化(圖3、圖4)可以看出，降水與徑流量呈正相關(guān)關(guān)系，降水與徑流量集中在每年的雨季(4—9月)，同時(shí)每年的1—3月、10—12月徑流量都較低，且較為穩(wěn)定，無(wú)明顯波動(dòng)；河道中總氮、總磷的流失主要發(fā)生在每年夏季，隨著降水量變化而呈現(xiàn)豐枯季節(jié)變化，分別在2018年達(dá)最大值(TN 1 184 kg、TP 9.441 kg)，在2020年、2019年分別達(dá)TN和TP的最低值(TN 0.404 1 kg、TP 3.759×10-6kg)。從圖4可以看出，2018—2020年總氮和總磷的變化趨勢(shì)一致，其年均流失總量都在逐年降低，且月均流失量峰值也在逐年降低，但是從總氮、總磷占全年污染物流失的貢獻(xiàn)率來(lái)看，卻在逐年遞增，總氮、總磷在4—9月的總流失負(fù)荷占年度流失負(fù)荷的75%以上。

3.3 不同土地利用類型氮磷流失規(guī)律

那辣小流域土地利用類型以耕地(水田、旱地)為主，占87.56%；其次是林地，占7.59%；水域、建設(shè)用地分別占4.32%、0.54%。在劃分流域的水文響應(yīng)單元時(shí)，將坡度分為0～30°、>30°～70° 2個(gè)等級(jí)，其中0～30°的子流域占整個(gè)流域面積的97.03%；坡度為>30°～70°的土地類型主要是林地，也有少部分耕地。

利用構(gòu)建好的SWAT模型模擬的2018—2020年的各土地利用類型單位面積總氮和總磷年均負(fù)荷見圖5。旱地的總氮、總磷流失量分別占整個(gè)研究區(qū)流失總量的97.81%、91.67%，坡度高(>30°～70°)的耕地產(chǎn)生的污染負(fù)荷相比坡度小(0～30°)的區(qū)域污染大；由于城鎮(zhèn)用地所占面積小，氮磷污染總量的貢獻(xiàn)率僅為2%～6%，但總氮、總磷的單位面積流失量都較大；林地氮磷流失極小，分別為TN 0.836 kg/(hm2·年)、TP 0.386 kg/(hm2·年)。在相關(guān)研究成果中，同樣得到居民用地的氮、磷流失量最大的結(jié)果[27-28]，也認(rèn)為林地具有較好的水土保持效果[17]。以上分析可知，旱地是整個(gè)研究區(qū)非點(diǎn)源污染的主要來(lái)源，林地具有較好的面源污染防治效果。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

經(jīng)過(guò)率定和驗(yàn)證后的SWAT模型模擬結(jié)果良好，可以用于研究區(qū)域的非點(diǎn)源污染氮磷數(shù)值模擬分析。利用SWAT模型對(duì)那辣流域進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染的模擬及分析，得到以下主要結(jié)論：(1) 那辣流域的時(shí)間分布規(guī)律表明，主要污染負(fù)荷高峰期集中在每年4—9月，降水是造成氮磷流失的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素；徑流與降水量呈正相關(guān)，同時(shí)徑流與河道中的總氮、總磷也呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。(2) 農(nóng)業(yè)面源污染的氮磷流失形態(tài)中，硝態(tài)氮是氮流失的主要形態(tài)，礦物磷是磷流失的主要形態(tài)。(3) 研究區(qū)非點(diǎn)源污染的空間分布規(guī)律表明，研究區(qū)非點(diǎn)源污染在空間上表現(xiàn)為流域東部污染較輕，中部一直到靠近流域出口處污染負(fù)荷有逐漸加重的趨勢(shì)，水系主干道區(qū)域的污染負(fù)荷高于支流區(qū)域。(4) 不同土地利用類型上的氮磷污染負(fù)荷狀況表明，城鎮(zhèn)建設(shè)用地和旱地是流域內(nèi)氮磷污染的主要來(lái)源，旱地對(duì)整個(gè)流域的氮磷負(fù)荷來(lái)源的貢獻(xiàn)最大，雖然城鎮(zhèn)用地的氮磷流失總量小，但其單位面積上的磷污染排放負(fù)荷最大，因此也要注意管控城鎮(zhèn)用地的磷排放。

4.2 建議

(1)根據(jù)廣西壯族自治區(qū)那辣流域作為甘蔗核心種植區(qū)的特點(diǎn)，為使經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益平衡發(fā)展，蔗區(qū)盡量以種植宿根蔗為主，減少因種植新植蔗對(duì)土壤的翻耕和土地?cái)_動(dòng)而導(dǎo)致氮磷養(yǎng)分流失急劇擴(kuò)增；(2)完善蔗區(qū)的農(nóng)田管理制度，實(shí)行測(cè)土配方施肥，在不造成作物減產(chǎn)的情況下減少肥料施用，既可以提高肥料利用率，同時(shí)減輕流域水環(huán)境污染，這將有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展和水資源的開發(fā)利用；(3)改變流域下墊面條件，如水稻田改為梯田、坡度大的(>25°)甘蔗地改種林地；(4)河岸兩側(cè)可增加防護(hù)欄及種植保持水土、吸附氮磷污染物的植被。

本研究通過(guò)SWAT模型實(shí)現(xiàn)了該流域氮磷污染負(fù)荷的定量模擬，證明了SWAT模型在廣西壯族自治區(qū)那辣小流域的適用性，在流域農(nóng)業(yè)面源污染方面的研究中是一個(gè)方便快速的水文模擬分析工具。同時(shí)，該模型也存在不足之處，流域基礎(chǔ)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，需進(jìn)一步完善，另外該流域沒(méi)有涉及不同氣候條件、最佳管理措施等方面的非點(diǎn)源污染流失規(guī)律分析，今后還有待進(jìn)一步研究闡明。