SWAT模型在我國(guó)山區(qū)小流域水質(zhì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用
——以瓊江流域?yàn)槔?/h1>
2023-10-27 11:32:42楊永安王遠(yuǎn)銘李克鋒
四川環(huán)境 2023年5期
胡 鑫，劉 兵，楊永安，王遠(yuǎn)銘，李克鋒
(1.四川省環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心，成都 610000；2. 遂寧市生態(tài)環(huán)境安全應(yīng)急中心，四川 遂寧 629000；3. 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637002；4. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)
前 言
小流域水環(huán)境受人類活動(dòng)的影響顯著。長(zhǎng)江上游山區(qū)小流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，流域內(nèi)面源污染占據(jù)主導(dǎo)地位且時(shí)空分布不均；此外，我國(guó)長(zhǎng)江上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，未來(lái)區(qū)域用地結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整變化大，當(dāng)前水污染管控尚處于較低水平，增加了山區(qū)小流域水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，為長(zhǎng)江上游山區(qū)綠色小流域的構(gòu)建帶來(lái)了挑戰(zhàn)[1]。當(dāng)前，針對(duì)山區(qū)小流域水環(huán)境的研究集中于流域山洪災(zāi)害、流域水文模擬及流域水土保持等，對(duì)山區(qū)小流域水質(zhì)的分析及預(yù)測(cè)較為缺乏[2-3]。瓊江是我國(guó)西南地區(qū)典型的流程短、流量小、面源廣、沿程工業(yè)源少的小流域，具有很強(qiáng)的代表性。近年來(lái)瓊江流域沿岸城鎮(zhèn)及農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也給瓊江帶來(lái)了巨大的生態(tài)環(huán)境壓力[4]。瓊江流域遂寧市內(nèi)的大安斷面，近年來(lái)水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，被列為四川省掛牌整治的小流域達(dá)標(biāo)考核斷面[5]。目前關(guān)于瓊江流域的水質(zhì)研究集中于關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估[6-7]，或是流域點(diǎn)、面源污染負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)與復(fù)核[1]，針對(duì)瓊江流域特征的水質(zhì)預(yù)測(cè)模型至今沒有建立，流域水質(zhì)隨著未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)空變化規(guī)律尚未被揭示，已成為瓊江流域水環(huán)境保護(hù)的重要制約因素之一。
分布式水文模型(Soil and Water Assessment Tool，簡(jiǎn)稱SWAT)是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心研發(fā)的一個(gè)基于GIS平臺(tái)的分布式流域水文模型，采用日為時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行連續(xù)模擬計(jì)算，能夠模擬和預(yù)測(cè)流域內(nèi)氣候、土地利用方式、土壤類型和農(nóng)業(yè)管理措施等對(duì)徑流量、泥沙和化學(xué)污染物質(zhì)輸出的影響[8-9]。由于SWAT模型具有適用性好、模型性能穩(wěn)健、運(yùn)算效率高、連續(xù)模擬時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在模擬流域內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移和時(shí)空演變[10]，濕地對(duì)污染物的降解能力[11]，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染空間分布[12～14]，流域內(nèi)氮、磷等污染物流失[15-16]，農(nóng)藥等污染物的運(yùn)移與轉(zhuǎn)換等方面表現(xiàn)出了良好的模擬效果[17]。本文選取瓊江流域遂寧段為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建針對(duì)瓊江流域的SWAT模型，預(yù)測(cè)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下瓊江流域遂寧段的水質(zhì)時(shí)空變化特征。本文的工作拓展了我國(guó)山區(qū)小流域的水環(huán)境研究，研究結(jié)果可為瓊江流域水環(huán)境保護(hù)和政府決策，提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域
瓊江是涪江右岸一級(jí)支流，源于四川省資陽(yáng)市樂至縣三星鄉(xiāng)金馬寺，經(jīng)該縣的棺材函后流入遂寧市安居區(qū)，于大安鄉(xiāng)陳家壩下半邊山出安居境，進(jìn)入重慶市潼南區(qū)，至銅梁縣安居鎮(zhèn)匯入涪江。瓊江全長(zhǎng)235km，全流域面積4560km2。市境內(nèi)流程117km，流域面積1008.4km2，天然落差40m，河道平均比降0.34‰，瓊江流域遂寧段水系分布如圖1所示。瓊江主要流經(jīng)的安居區(qū)下轄2個(gè)街道和21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。2017年末，全區(qū)總?cè)丝跒?8.36萬(wàn)，其中農(nóng)業(yè)人口71.09萬(wàn)，占90.73%，城鎮(zhèn)人口19.2萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率為29.91%。
數(shù)字代表劃分的子流域，星號(hào)代表流域點(diǎn)源
1.2 研究方法
基于流域數(shù)字高程地圖、土地利用類型、土壤類型和土地坡度，本文首先構(gòu)建了針對(duì)瓊江流域的SWAT模型。根據(jù)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)與區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒，分別完成SWAT模型的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與管理措施方案輸入，將瓊江實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)的污染源數(shù)據(jù)作為SWAT模型邊界條件的輸入。瓊江實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)與水質(zhì)數(shù)據(jù)也將用于SWAT模型的參數(shù)率定與驗(yàn)證。
在完成模型的構(gòu)建、參數(shù)的率定與驗(yàn)證后，采用建立的SWAT模型，根據(jù)瓊江流域已有社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃對(duì)瓊江流域2030年河道水文、水質(zhì)過(guò)程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，解析2030年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下瓊江流域遂寧段的水質(zhì)時(shí)空變化特征。
2 結(jié)果與討論
2.1 模型的構(gòu)建與驗(yàn)證
2.1.1 模型建立
SWAT模型輸入的空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程地圖(DEM)、土地利用類型和土壤類型。DEM采用ASTER GDEM提取的30m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)圖，土地利用數(shù)據(jù)采用遂寧市安居區(qū)精度為30m的2019年土地利用類型柵格文件。將收集到的土地利用信息轉(zhuǎn)化為SWAT模型能夠識(shí)別的類型后，進(jìn)行土地利用重分類(圖2b)，瓊江流域遂寧段內(nèi)，耕地占比最多，為59.43%；林地其次，占比為20.37%；水田第三，占比為15.52%；水域占比為1.66%；其他建設(shè)用地占比1.40%；城鎮(zhèn)用地占比1.18%；裸土地占比1.00%；農(nóng)村居民點(diǎn)占比0.40%。
圖2 SWAT模型構(gòu)建瓊江流域遂寧段(a)數(shù)字高程、(b)土地利用、(c)土壤類型與(d)土地坡度Fig.2 The(a)DEM，(b)land use，(c)soil category and (d)land slope of Suining section of Qiongjiang River based on the SWAT model
土壤數(shù)據(jù)采用精度為1∶100萬(wàn)的HWSD-V1.2世界土壤數(shù)據(jù)柵格文件，建立瓊江流域遂寧段土壤類型數(shù)據(jù)庫(kù)。研究區(qū)域土壤主要包括石灰沖積土和人為土，面積超過(guò)10%的土壤類型如下圖2c所示。瓊江流域遂寧段為典型的丘陵地貌，坡度類型復(fù)雜，坡度為0～10°、10～20°、和20°以上的土地分別占28.16%、38.86%和32.98%，其中坡度為10～20°的土地占比最高(圖2d)。
氣象數(shù)據(jù)采用2011～2018年的實(shí)測(cè)值(圖3)用于模型參數(shù)率定，并結(jié)合氣候預(yù)測(cè)再分析數(shù)據(jù)模型(Climate Forecast System Reanalysis，CFSR)中的未來(lái)氣候數(shù)據(jù)構(gòu)建分布式SWAT模型的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，包括降雨、最高和最低氣溫、太陽(yáng)輻射、相對(duì)濕度和風(fēng)速。依據(jù)遂寧市安居區(qū)2017～2018年統(tǒng)計(jì)年鑒，瓊江流域遂寧段內(nèi)主要糧食作物為春小麥、大麥、玉米、水稻等，主要經(jīng)濟(jì)作物為油料和棉花等，將上述作物所需肥料用量按照耕作時(shí)間輸入模型，完成管理措施方案。
加載DEM，劃分子流域，設(shè)置流域入口、子流域出口和流域總出口?？紤]流域內(nèi)水文地質(zhì)、行政區(qū)域和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面等情況，將大安斷面設(shè)置為子流域出口，其余子流域出口由模型自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)，大安斷面在流域末端和四川省邊界，設(shè)置為流域總出口。共劃分30個(gè)子流域，見圖1。瓊江遂寧段干流控制的子流域從上游到下游依次為：17、9、5、2、3、8、11、15、20、22、25、26、27、28、30；瓊江遂寧段支流鹽井河控制的子流域?yàn)?8，蓮花河控制的子流域?yàn)?，中心場(chǎng)河控制的子流域?yàn)?0，雙龍河控制的子流域?yàn)?，白馬河控制的子流域?yàn)?，觀音河控制的子流域?yàn)?，石洞河控制的子流域?yàn)?、13和16，胡家河控制的子流域?yàn)?4，蟠龍河控制的子流域?yàn)?4，會(huì)龍河和玉豐河控制的子流域?yàn)?9、21和23。
研究收集了大安水文站點(diǎn)的流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)(NH3-N、TP)的逐月值，污染源數(shù)據(jù)用于邊界條件的輸入，主要包括點(diǎn)源污染(城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)源及規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖)和面源污染(農(nóng)村生活污水、散養(yǎng)畜禽和農(nóng)業(yè)種植)。根據(jù)瓊江流域污染負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與計(jì)算，各子流域點(diǎn)源污染統(tǒng)計(jì)見表1。非點(diǎn)源污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表2。
表1 瓊江流域遂寧段子流域點(diǎn)源污染統(tǒng)計(jì)Tab.1 The point source pollution at different sub-areas of Suining section of Qiongjiang River (kg/d)
表2 瓊江流域遂寧段子流域非點(diǎn)源污染統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of non-point source pollution in Suining section of Qiongjiang River Basin (kg/ha)
2.1.2 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證
利用收集到的水文和水質(zhì)多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)SWAT-CUP率定SWAT模型參數(shù)。將多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)劃分為模型需要的不同時(shí)期，其中，流量參數(shù)的預(yù)熱期(即初始計(jì)算時(shí)期)為2008～2011年，率定期為2014～2016年，驗(yàn)證期為2017年，水質(zhì)參數(shù)的預(yù)熱期為2008～2011年，率定期為2017年，驗(yàn)證期為2018年。
根據(jù)SWAT輸入/輸出手冊(cè)和文獻(xiàn)調(diào)研及局部敏感性分析選擇參數(shù)，利用SWAT-CUP提供的SUFI-2算法率定參數(shù)并分析靈敏度，其中地表徑流、基流、地下水、坡度、蒸散發(fā)、土壤含水等相關(guān)參數(shù)較敏感，各參數(shù)率定成果見表3。
表3 瓊江流域遂寧段主要參數(shù)率定成果Tab.3 The result of parameter calibration in Suining section of the Qiongjiang River basin
采用納什效率系數(shù)(NS)和決定系數(shù)(R2)兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和最佳模擬結(jié)果的擬合度，認(rèn)為NS>0.5且R2大于0.5時(shí)模型精度可以接受。NS和R2公式如下：
(1)
(2)
大安斷面率定期和驗(yàn)證期NS分別為0.73和0.62，決定系數(shù)R2分別為0.72和0.67，根據(jù)模擬結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，率定效果良好，因此率定所得流量參數(shù)滿足本流域研究需要(圖4)。考慮到大安斷面作為瓊江流域遂寧段控制斷面，同時(shí)也是瓊江水質(zhì)在遂寧境內(nèi)的重要考核斷面，模型對(duì)大安斷面的徑流量與水質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明2014年1月～2017年12月的徑流量預(yù)測(cè)值能實(shí)測(cè)值較好地與實(shí)測(cè)值吻合，模型2018年水質(zhì)預(yù)測(cè)的結(jié)果表明，除2月外，其余各月份TP與NH3-N值都能較好地與實(shí)測(cè)值吻合(圖5)。
圖4 大安斷面流量率定及驗(yàn)證效果圖Fig.4 The calibration and validation of water flow at Da-an section
圖5 大安斷面水質(zhì)率定及驗(yàn)證效果圖Fig.5 The calibration and validation of water flow at Da-an section
2.2 瓊江流域遂寧段水質(zhì)預(yù)測(cè)
2.2.1 預(yù)測(cè)因子及工況
采用本文建立的分布式水文模型SWAT對(duì)瓊江流域河道水文、水質(zhì)過(guò)程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。根據(jù)遂寧市針對(duì)瓊江流域已有社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃[18]，預(yù)測(cè)水平年選擇2030年，預(yù)測(cè)工況考慮基于模擬的2030年流量條件下的相關(guān)治污規(guī)劃水平、以及三個(gè)控制節(jié)點(diǎn)(高灘、蘿卜園、大安)斷面在已有治污規(guī)劃水平下的水質(zhì)年內(nèi)變化過(guò)程。至2030年，安居區(qū)區(qū)域常住人口將達(dá)到77.20萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化水平為56.9%，中心城區(qū)人均綜合用水量指標(biāo)為450升/(人·天)，其他鎮(zhèn)區(qū)為400升/(人·天)。2030年安居城區(qū)將分片建設(shè)三個(gè)污水處理廠，即玉豐河污水處理廠(設(shè)計(jì)規(guī)模1m3/d)、烏木廳污水處理廠(設(shè)計(jì)規(guī)模8萬(wàn)m3/d)與龍眼井污水處理廠(設(shè)計(jì)規(guī)模2.8萬(wàn)m3/d)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)各設(shè)一座污水處理廠。中心城區(qū)污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)根據(jù)受納水體環(huán)境功能要求執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。在已有規(guī)劃治污水平下，預(yù)測(cè)年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠污水設(shè)計(jì)處理能力將大于污水排放量。根據(jù)對(duì)瓊江流域的水質(zhì)分析，預(yù)測(cè)因子選擇NH3-N、TP。
2.2.2 河道流量
根據(jù)流域產(chǎn)匯流過(guò)程，干流范圍從上游至下游流量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，大安斷面處流量達(dá)到最大值，年均流量為16.20 m3/s。各支流中蟠龍河的流量最大，年均流量達(dá)到1.13 m3/s。從時(shí)間角度來(lái)看，大安斷面逐月流量變化范圍為2.82～40.44 m3/s，其中8月流量最大。河道流量在2030年每個(gè)季度代表月沿程變化如圖6所示。
圖6 預(yù)測(cè)水平年(2030年)典型月份河道流量沿程變化Fig.6 The changes of water flow along Qiongjiang River in typical months of forecast year (2030)
2.2.3 瓊江流域遂寧段主要干支流沿程水質(zhì)模擬
干流NH3-N濃度較高，其中城區(qū)以上干流河段在1～2月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，城區(qū)以下干流河段在1～3月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。各支流中，中心場(chǎng)河和半邊河NH3-N濃度在1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；雙龍河和觀音河在1月和6月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；鹽井河和蓮花河NH3-N濃度在1～2月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；胡家溝河NH3-N濃度在1月、2月、6月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；石洞河和蟠龍河NH3-N濃度在1～3月、6月、10月、12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；玉豐河NH3-N濃度僅在6月達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從時(shí)間角度來(lái)看，研究區(qū)域內(nèi)4～5月、7～9月水質(zhì)相對(duì)較好，僅玉豐河NH3-N濃度超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余月份均有多個(gè)河段不能達(dá)標(biāo)。已有治污規(guī)劃水平下各子流域每個(gè)季度代表月NH3-N沿程變化如圖7所示。
圖7 預(yù)測(cè)水平年(2030年)已有治污規(guī)劃下典型月份流域NH3-N水質(zhì)沿程變化Fig.7 The changes of NH3-N along Qiongjiang River at typical months of forecast year (2030)
從空間角度來(lái)看，干流TP濃度較高，其中城區(qū)以上干流河段在1～2月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，城區(qū)范圍干流河段在1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，城區(qū)以下干流河段在1～3月、11～12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。各支流中，中心場(chǎng)河和半邊河TP濃度在1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；雙龍河和觀音河在1～2月和6月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；鹽井河TP濃度在1～2月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；蓮花河和胡家溝河TP濃度在1～2月、6月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；石洞河TP濃度在1～3月、6月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；玉豐河TP濃度在1～4月、10～12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；蟠龍河TP濃度在1～3月、5～6月、9～12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從時(shí)間角度來(lái)看，研究區(qū)域內(nèi)干支流TP在7～8月能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余月份均有部分河段不能達(dá)標(biāo)。已有治污規(guī)劃水平下每個(gè)季度代表月各子流域TP沿程變化如圖8所示。
圖8 預(yù)測(cè)水平年(2030年)已有治污規(guī)劃下典型月份子流域TP水質(zhì)沿程變化Fig.8 The changes of TP along Qiongjiang River at typical months of forecast year (2030)
2.2.4 重點(diǎn)斷面全年水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)
選擇城區(qū)以上單元控制斷面高灘斷面、城區(qū)范圍控制斷面蘿卜園斷面和城區(qū)以下控制斷面大安斷面作為水質(zhì)年內(nèi)變化過(guò)程的重點(diǎn)分析斷面。
各典型斷面NH3-N在已有治污規(guī)劃水平下的年內(nèi)變化過(guò)程如圖9所示。已有治污規(guī)劃水平下，各典型斷面NH3-N均不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。高灘斷面NH3-N濃度變化范圍為0.253～1.284 mg/L，除1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求；蘿卜園斷面NH3-N濃度變化趨勢(shì)與高灘斷面一致，變化范圍為0.299～1.012 mg/L，1月濃度超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；大安斷面較高灘、蘿卜園斷面水質(zhì)稍差，NH3-N濃度在0.408～1.863 mg/L之間波動(dòng)，其中1～3月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，1月濃度最大，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖9 預(yù)測(cè)水平年(2030年)已有治污規(guī)劃下重點(diǎn)斷面NH3-N年內(nèi)變化Fig.9 The changes of NH3-N at key sections under the exiting plan of pollution control in the forecast year (2030)
各典型斷面TP在已有治污規(guī)劃水平下的年內(nèi)變化過(guò)程如圖10所示。已有治污規(guī)劃水平下，各典型斷面TP均不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。高灘斷面TP濃度變化范圍為0.053～0.300 mg/L，除1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求；蘿卜園斷面TP濃度變化趨勢(shì)與高灘斷面一致，變化范圍為0.067～0.234 mg/L，其中1～2月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，1月濃度最大，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；大安斷面較高灘、蘿卜園斷面水質(zhì)稍差，TP濃度在0.117～0.477 mg/L之間波動(dòng)，其中1～3月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，1月濃度最大，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖10 預(yù)測(cè)水平年(2030年)已有治污規(guī)劃下重點(diǎn)斷面TP年內(nèi)變化Fig.10 The changes of TP at key sections under the exiting plan of pollution control in the forecast year (2030)
3 結(jié) 論
(1)基于瓊江流域遂寧段構(gòu)建的SWAT模型受地表徑流、基流、地下水、坡度、蒸散發(fā)與土壤含水等參數(shù)的影響較為敏感；模型在率定期和驗(yàn)證期納什效率系數(shù)分別為0.73和0.62，決定系數(shù)分別為0.72和0.67，率定效果良好；模型對(duì)大安斷面2014年1月～2017年12月的徑流量預(yù)測(cè)值能實(shí)測(cè)值較好地與實(shí)測(cè)值吻合，除2月外，2018年其余各月份TP與NH3-N值都能較好地與實(shí)測(cè)值吻合。
(2)2030年瓊江流域遂寧段干流從上游至下游流量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，大安斷面年均流量為16.20 m3/s，各支流中蟠龍河的流量最大，年均流量達(dá)到1.13 m3/s。從時(shí)間角度來(lái)看，大安斷面逐月流量變化范圍為2.82～40.44 m3/s，其中8月流量最大。
(3)2030年瓊江干流NH3-N與TP濃度較高，在枯水季節(jié)尤其1～2月水質(zhì)較差，難以滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，各支流在枯水季節(jié)水質(zhì)也有不同程度超標(biāo)。干流控制安居城區(qū)以上的高灘斷面除1月的其余各月份水質(zhì)能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求，流經(jīng)安居城區(qū)以后，干流蘿卜園斷面在2月份TP也未能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求，至出遂寧的大安斷面，水質(zhì)進(jìn)一步變差，1～3月份難以滿足Ⅲ類水質(zhì)要求。
(4)本文構(gòu)建了基于瓊江流域遂寧段構(gòu)建的SWAT模型，解析了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下瓊江流域遂寧段的水質(zhì)時(shí)空變化特征，為我國(guó)山區(qū)小流域水質(zhì)的研究提供了思路，研究結(jié)果可為瓊江流域水環(huán)境保護(hù)和政府決策，提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
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胡 鑫，劉 兵，楊永安，王遠(yuǎn)銘，李克鋒
(1.四川省環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心，成都 610000；2. 遂寧市生態(tài)環(huán)境安全應(yīng)急中心，四川 遂寧 629000；3. 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637002；4. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)
前 言
小流域水環(huán)境受人類活動(dòng)的影響顯著。長(zhǎng)江上游山區(qū)小流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，流域內(nèi)面源污染占據(jù)主導(dǎo)地位且時(shí)空分布不均；此外，我國(guó)長(zhǎng)江上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，未來(lái)區(qū)域用地結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整變化大，當(dāng)前水污染管控尚處于較低水平，增加了山區(qū)小流域水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，為長(zhǎng)江上游山區(qū)綠色小流域的構(gòu)建帶來(lái)了挑戰(zhàn)[1]。當(dāng)前，針對(duì)山區(qū)小流域水環(huán)境的研究集中于流域山洪災(zāi)害、流域水文模擬及流域水土保持等，對(duì)山區(qū)小流域水質(zhì)的分析及預(yù)測(cè)較為缺乏[2-3]。瓊江是我國(guó)西南地區(qū)典型的流程短、流量小、面源廣、沿程工業(yè)源少的小流域，具有很強(qiáng)的代表性。近年來(lái)瓊江流域沿岸城鎮(zhèn)及農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也給瓊江帶來(lái)了巨大的生態(tài)環(huán)境壓力[4]。瓊江流域遂寧市內(nèi)的大安斷面，近年來(lái)水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，被列為四川省掛牌整治的小流域達(dá)標(biāo)考核斷面[5]。目前關(guān)于瓊江流域的水質(zhì)研究集中于關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估[6-7]，或是流域點(diǎn)、面源污染負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)與復(fù)核[1]，針對(duì)瓊江流域特征的水質(zhì)預(yù)測(cè)模型至今沒有建立，流域水質(zhì)隨著未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)空變化規(guī)律尚未被揭示，已成為瓊江流域水環(huán)境保護(hù)的重要制約因素之一。
分布式水文模型(Soil and Water Assessment Tool，簡(jiǎn)稱SWAT)是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心研發(fā)的一個(gè)基于GIS平臺(tái)的分布式流域水文模型，采用日為時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行連續(xù)模擬計(jì)算，能夠模擬和預(yù)測(cè)流域內(nèi)氣候、土地利用方式、土壤類型和農(nóng)業(yè)管理措施等對(duì)徑流量、泥沙和化學(xué)污染物質(zhì)輸出的影響[8-9]。由于SWAT模型具有適用性好、模型性能穩(wěn)健、運(yùn)算效率高、連續(xù)模擬時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在模擬流域內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移和時(shí)空演變[10]，濕地對(duì)污染物的降解能力[11]，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染空間分布[12～14]，流域內(nèi)氮、磷等污染物流失[15-16]，農(nóng)藥等污染物的運(yùn)移與轉(zhuǎn)換等方面表現(xiàn)出了良好的模擬效果[17]。本文選取瓊江流域遂寧段為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建針對(duì)瓊江流域的SWAT模型，預(yù)測(cè)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下瓊江流域遂寧段的水質(zhì)時(shí)空變化特征。本文的工作拓展了我國(guó)山區(qū)小流域的水環(huán)境研究，研究結(jié)果可為瓊江流域水環(huán)境保護(hù)和政府決策，提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域
瓊江是涪江右岸一級(jí)支流，源于四川省資陽(yáng)市樂至縣三星鄉(xiāng)金馬寺，經(jīng)該縣的棺材函后流入遂寧市安居區(qū)，于大安鄉(xiāng)陳家壩下半邊山出安居境，進(jìn)入重慶市潼南區(qū)，至銅梁縣安居鎮(zhèn)匯入涪江。瓊江全長(zhǎng)235km，全流域面積4560km2。市境內(nèi)流程117km，流域面積1008.4km2，天然落差40m，河道平均比降0.34‰，瓊江流域遂寧段水系分布如圖1所示。瓊江主要流經(jīng)的安居區(qū)下轄2個(gè)街道和21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。2017年末，全區(qū)總?cè)丝跒?8.36萬(wàn)，其中農(nóng)業(yè)人口71.09萬(wàn)，占90.73%，城鎮(zhèn)人口19.2萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率為29.91%。
數(shù)字代表劃分的子流域，星號(hào)代表流域點(diǎn)源
1.2 研究方法
基于流域數(shù)字高程地圖、土地利用類型、土壤類型和土地坡度，本文首先構(gòu)建了針對(duì)瓊江流域的SWAT模型。根據(jù)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)與區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒，分別完成SWAT模型的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與管理措施方案輸入，將瓊江實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)的污染源數(shù)據(jù)作為SWAT模型邊界條件的輸入。瓊江實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)與水質(zhì)數(shù)據(jù)也將用于SWAT模型的參數(shù)率定與驗(yàn)證。
在完成模型的構(gòu)建、參數(shù)的率定與驗(yàn)證后，采用建立的SWAT模型，根據(jù)瓊江流域已有社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃對(duì)瓊江流域2030年河道水文、水質(zhì)過(guò)程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，解析2030年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下瓊江流域遂寧段的水質(zhì)時(shí)空變化特征。
2 結(jié)果與討論
2.1 模型的構(gòu)建與驗(yàn)證
2.1.1 模型建立
SWAT模型輸入的空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程地圖(DEM)、土地利用類型和土壤類型。DEM采用ASTER GDEM提取的30m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)圖，土地利用數(shù)據(jù)采用遂寧市安居區(qū)精度為30m的2019年土地利用類型柵格文件。將收集到的土地利用信息轉(zhuǎn)化為SWAT模型能夠識(shí)別的類型后，進(jìn)行土地利用重分類(圖2b)，瓊江流域遂寧段內(nèi)，耕地占比最多，為59.43%；林地其次，占比為20.37%；水田第三，占比為15.52%；水域占比為1.66%；其他建設(shè)用地占比1.40%；城鎮(zhèn)用地占比1.18%；裸土地占比1.00%；農(nóng)村居民點(diǎn)占比0.40%。
圖2 SWAT模型構(gòu)建瓊江流域遂寧段(a)數(shù)字高程、(b)土地利用、(c)土壤類型與(d)土地坡度Fig.2 The(a)DEM，(b)land use，(c)soil category and (d)land slope of Suining section of Qiongjiang River based on the SWAT model
土壤數(shù)據(jù)采用精度為1∶100萬(wàn)的HWSD-V1.2世界土壤數(shù)據(jù)柵格文件，建立瓊江流域遂寧段土壤類型數(shù)據(jù)庫(kù)。研究區(qū)域土壤主要包括石灰沖積土和人為土，面積超過(guò)10%的土壤類型如下圖2c所示。瓊江流域遂寧段為典型的丘陵地貌，坡度類型復(fù)雜，坡度為0～10°、10～20°、和20°以上的土地分別占28.16%、38.86%和32.98%，其中坡度為10～20°的土地占比最高(圖2d)。
氣象數(shù)據(jù)采用2011～2018年的實(shí)測(cè)值(圖3)用于模型參數(shù)率定，并結(jié)合氣候預(yù)測(cè)再分析數(shù)據(jù)模型(Climate Forecast System Reanalysis，CFSR)中的未來(lái)氣候數(shù)據(jù)構(gòu)建分布式SWAT模型的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，包括降雨、最高和最低氣溫、太陽(yáng)輻射、相對(duì)濕度和風(fēng)速。依據(jù)遂寧市安居區(qū)2017～2018年統(tǒng)計(jì)年鑒，瓊江流域遂寧段內(nèi)主要糧食作物為春小麥、大麥、玉米、水稻等，主要經(jīng)濟(jì)作物為油料和棉花等，將上述作物所需肥料用量按照耕作時(shí)間輸入模型，完成管理措施方案。
加載DEM，劃分子流域，設(shè)置流域入口、子流域出口和流域總出口?？紤]流域內(nèi)水文地質(zhì)、行政區(qū)域和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面等情況，將大安斷面設(shè)置為子流域出口，其余子流域出口由模型自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)，大安斷面在流域末端和四川省邊界，設(shè)置為流域總出口。共劃分30個(gè)子流域，見圖1。瓊江遂寧段干流控制的子流域從上游到下游依次為：17、9、5、2、3、8、11、15、20、22、25、26、27、28、30；瓊江遂寧段支流鹽井河控制的子流域?yàn)?8，蓮花河控制的子流域?yàn)?，中心場(chǎng)河控制的子流域?yàn)?0，雙龍河控制的子流域?yàn)?，白馬河控制的子流域?yàn)?，觀音河控制的子流域?yàn)?，石洞河控制的子流域?yàn)?、13和16，胡家河控制的子流域?yàn)?4，蟠龍河控制的子流域?yàn)?4，會(huì)龍河和玉豐河控制的子流域?yàn)?9、21和23。
研究收集了大安水文站點(diǎn)的流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)(NH3-N、TP)的逐月值，污染源數(shù)據(jù)用于邊界條件的輸入，主要包括點(diǎn)源污染(城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)源及規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖)和面源污染(農(nóng)村生活污水、散養(yǎng)畜禽和農(nóng)業(yè)種植)。根據(jù)瓊江流域污染負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與計(jì)算，各子流域點(diǎn)源污染統(tǒng)計(jì)見表1。非點(diǎn)源污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表2。
表1 瓊江流域遂寧段子流域點(diǎn)源污染統(tǒng)計(jì)Tab.1 The point source pollution at different sub-areas of Suining section of Qiongjiang River (kg/d)
表2 瓊江流域遂寧段子流域非點(diǎn)源污染統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of non-point source pollution in Suining section of Qiongjiang River Basin (kg/ha)
2.1.2 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證
利用收集到的水文和水質(zhì)多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)SWAT-CUP率定SWAT模型參數(shù)。將多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)劃分為模型需要的不同時(shí)期，其中，流量參數(shù)的預(yù)熱期(即初始計(jì)算時(shí)期)為2008～2011年，率定期為2014～2016年，驗(yàn)證期為2017年，水質(zhì)參數(shù)的預(yù)熱期為2008～2011年，率定期為2017年，驗(yàn)證期為2018年。
根據(jù)SWAT輸入/輸出手冊(cè)和文獻(xiàn)調(diào)研及局部敏感性分析選擇參數(shù)，利用SWAT-CUP提供的SUFI-2算法率定參數(shù)并分析靈敏度，其中地表徑流、基流、地下水、坡度、蒸散發(fā)、土壤含水等相關(guān)參數(shù)較敏感，各參數(shù)率定成果見表3。
表3 瓊江流域遂寧段主要參數(shù)率定成果Tab.3 The result of parameter calibration in Suining section of the Qiongjiang River basin
采用納什效率系數(shù)(NS)和決定系數(shù)(R2)兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和最佳模擬結(jié)果的擬合度，認(rèn)為NS>0.5且R2大于0.5時(shí)模型精度可以接受。NS和R2公式如下：
(1)
(2)
大安斷面率定期和驗(yàn)證期NS分別為0.73和0.62，決定系數(shù)R2分別為0.72和0.67，根據(jù)模擬結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，率定效果良好，因此率定所得流量參數(shù)滿足本流域研究需要(圖4)。考慮到大安斷面作為瓊江流域遂寧段控制斷面，同時(shí)也是瓊江水質(zhì)在遂寧境內(nèi)的重要考核斷面，模型對(duì)大安斷面的徑流量與水質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明2014年1月～2017年12月的徑流量預(yù)測(cè)值能實(shí)測(cè)值較好地與實(shí)測(cè)值吻合，模型2018年水質(zhì)預(yù)測(cè)的結(jié)果表明，除2月外，其余各月份TP與NH3-N值都能較好地與實(shí)測(cè)值吻合(圖5)。
圖4 大安斷面流量率定及驗(yàn)證效果圖Fig.4 The calibration and validation of water flow at Da-an section
圖5 大安斷面水質(zhì)率定及驗(yàn)證效果圖Fig.5 The calibration and validation of water flow at Da-an section
2.2 瓊江流域遂寧段水質(zhì)預(yù)測(cè)
2.2.1 預(yù)測(cè)因子及工況
采用本文建立的分布式水文模型SWAT對(duì)瓊江流域河道水文、水質(zhì)過(guò)程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。根據(jù)遂寧市針對(duì)瓊江流域已有社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃[18]，預(yù)測(cè)水平年選擇2030年，預(yù)測(cè)工況考慮基于模擬的2030年流量條件下的相關(guān)治污規(guī)劃水平、以及三個(gè)控制節(jié)點(diǎn)(高灘、蘿卜園、大安)斷面在已有治污規(guī)劃水平下的水質(zhì)年內(nèi)變化過(guò)程。至2030年，安居區(qū)區(qū)域常住人口將達(dá)到77.20萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化水平為56.9%，中心城區(qū)人均綜合用水量指標(biāo)為450升/(人·天)，其他鎮(zhèn)區(qū)為400升/(人·天)。2030年安居城區(qū)將分片建設(shè)三個(gè)污水處理廠，即玉豐河污水處理廠(設(shè)計(jì)規(guī)模1m3/d)、烏木廳污水處理廠(設(shè)計(jì)規(guī)模8萬(wàn)m3/d)與龍眼井污水處理廠(設(shè)計(jì)規(guī)模2.8萬(wàn)m3/d)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)各設(shè)一座污水處理廠。中心城區(qū)污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)根據(jù)受納水體環(huán)境功能要求執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。在已有規(guī)劃治污水平下，預(yù)測(cè)年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠污水設(shè)計(jì)處理能力將大于污水排放量。根據(jù)對(duì)瓊江流域的水質(zhì)分析，預(yù)測(cè)因子選擇NH3-N、TP。
2.2.2 河道流量
根據(jù)流域產(chǎn)匯流過(guò)程，干流范圍從上游至下游流量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，大安斷面處流量達(dá)到最大值，年均流量為16.20 m3/s。各支流中蟠龍河的流量最大，年均流量達(dá)到1.13 m3/s。從時(shí)間角度來(lái)看，大安斷面逐月流量變化范圍為2.82～40.44 m3/s，其中8月流量最大。河道流量在2030年每個(gè)季度代表月沿程變化如圖6所示。
圖6 預(yù)測(cè)水平年(2030年)典型月份河道流量沿程變化Fig.6 The changes of water flow along Qiongjiang River in typical months of forecast year (2030)
2.2.3 瓊江流域遂寧段主要干支流沿程水質(zhì)模擬
干流NH3-N濃度較高，其中城區(qū)以上干流河段在1～2月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，城區(qū)以下干流河段在1～3月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。各支流中，中心場(chǎng)河和半邊河NH3-N濃度在1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；雙龍河和觀音河在1月和6月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；鹽井河和蓮花河NH3-N濃度在1～2月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；胡家溝河NH3-N濃度在1月、2月、6月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；石洞河和蟠龍河NH3-N濃度在1～3月、6月、10月、12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；玉豐河NH3-N濃度僅在6月達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從時(shí)間角度來(lái)看，研究區(qū)域內(nèi)4～5月、7～9月水質(zhì)相對(duì)較好，僅玉豐河NH3-N濃度超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余月份均有多個(gè)河段不能達(dá)標(biāo)。已有治污規(guī)劃水平下各子流域每個(gè)季度代表月NH3-N沿程變化如圖7所示。
圖7 預(yù)測(cè)水平年(2030年)已有治污規(guī)劃下典型月份流域NH3-N水質(zhì)沿程變化Fig.7 The changes of NH3-N along Qiongjiang River at typical months of forecast year (2030)
從空間角度來(lái)看，干流TP濃度較高，其中城區(qū)以上干流河段在1～2月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，城區(qū)范圍干流河段在1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，城區(qū)以下干流河段在1～3月、11～12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。各支流中，中心場(chǎng)河和半邊河TP濃度在1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；雙龍河和觀音河在1～2月和6月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；鹽井河TP濃度在1～2月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；蓮花河和胡家溝河TP濃度在1～2月、6月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；石洞河TP濃度在1～3月、6月和12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；玉豐河TP濃度在1～4月、10～12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；蟠龍河TP濃度在1～3月、5～6月、9～12月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從時(shí)間角度來(lái)看，研究區(qū)域內(nèi)干支流TP在7～8月能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余月份均有部分河段不能達(dá)標(biāo)。已有治污規(guī)劃水平下每個(gè)季度代表月各子流域TP沿程變化如圖8所示。
圖8 預(yù)測(cè)水平年(2030年)已有治污規(guī)劃下典型月份子流域TP水質(zhì)沿程變化Fig.8 The changes of TP along Qiongjiang River at typical months of forecast year (2030)
2.2.4 重點(diǎn)斷面全年水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)
選擇城區(qū)以上單元控制斷面高灘斷面、城區(qū)范圍控制斷面蘿卜園斷面和城區(qū)以下控制斷面大安斷面作為水質(zhì)年內(nèi)變化過(guò)程的重點(diǎn)分析斷面。
各典型斷面NH3-N在已有治污規(guī)劃水平下的年內(nèi)變化過(guò)程如圖9所示。已有治污規(guī)劃水平下，各典型斷面NH3-N均不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。高灘斷面NH3-N濃度變化范圍為0.253～1.284 mg/L，除1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求；蘿卜園斷面NH3-N濃度變化趨勢(shì)與高灘斷面一致，變化范圍為0.299～1.012 mg/L，1月濃度超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；大安斷面較高灘、蘿卜園斷面水質(zhì)稍差，NH3-N濃度在0.408～1.863 mg/L之間波動(dòng)，其中1～3月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，1月濃度最大，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖9 預(yù)測(cè)水平年(2030年)已有治污規(guī)劃下重點(diǎn)斷面NH3-N年內(nèi)變化Fig.9 The changes of NH3-N at key sections under the exiting plan of pollution control in the forecast year (2030)
各典型斷面TP在已有治污規(guī)劃水平下的年內(nèi)變化過(guò)程如圖10所示。已有治污規(guī)劃水平下，各典型斷面TP均不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。高灘斷面TP濃度變化范圍為0.053～0.300 mg/L，除1月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求；蘿卜園斷面TP濃度變化趨勢(shì)與高灘斷面一致，變化范圍為0.067～0.234 mg/L，其中1～2月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，1月濃度最大，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；大安斷面較高灘、蘿卜園斷面水質(zhì)稍差，TP濃度在0.117～0.477 mg/L之間波動(dòng)，其中1～3月超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，1月濃度最大，其余月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖10 預(yù)測(cè)水平年(2030年)已有治污規(guī)劃下重點(diǎn)斷面TP年內(nèi)變化Fig.10 The changes of TP at key sections under the exiting plan of pollution control in the forecast year (2030)
3 結(jié) 論
(1)基于瓊江流域遂寧段構(gòu)建的SWAT模型受地表徑流、基流、地下水、坡度、蒸散發(fā)與土壤含水等參數(shù)的影響較為敏感；模型在率定期和驗(yàn)證期納什效率系數(shù)分別為0.73和0.62，決定系數(shù)分別為0.72和0.67，率定效果良好；模型對(duì)大安斷面2014年1月～2017年12月的徑流量預(yù)測(cè)值能實(shí)測(cè)值較好地與實(shí)測(cè)值吻合，除2月外，2018年其余各月份TP與NH3-N值都能較好地與實(shí)測(cè)值吻合。
(2)2030年瓊江流域遂寧段干流從上游至下游流量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，大安斷面年均流量為16.20 m3/s，各支流中蟠龍河的流量最大，年均流量達(dá)到1.13 m3/s。從時(shí)間角度來(lái)看，大安斷面逐月流量變化范圍為2.82～40.44 m3/s，其中8月流量最大。
(3)2030年瓊江干流NH3-N與TP濃度較高，在枯水季節(jié)尤其1～2月水質(zhì)較差，難以滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，各支流在枯水季節(jié)水質(zhì)也有不同程度超標(biāo)。干流控制安居城區(qū)以上的高灘斷面除1月的其余各月份水質(zhì)能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求，流經(jīng)安居城區(qū)以后，干流蘿卜園斷面在2月份TP也未能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求，至出遂寧的大安斷面，水質(zhì)進(jìn)一步變差，1～3月份難以滿足Ⅲ類水質(zhì)要求。
(4)本文構(gòu)建了基于瓊江流域遂寧段構(gòu)建的SWAT模型，解析了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下瓊江流域遂寧段的水質(zhì)時(shí)空變化特征，為我國(guó)山區(qū)小流域水質(zhì)的研究提供了思路，研究結(jié)果可為瓊江流域水環(huán)境保護(hù)和政府決策，提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
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