基于SWAT模型的青山湖流域氮污染時空分布特征研究

陳 丹，張 冰，曾逸凡，張海平（同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

基于SWAT模型的青山湖流域氮污染時空分布特征研究

陳 丹，張 冰，曾逸凡，張海平*（同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

基于SWAT模型構(gòu)建了青山湖流域的氮負荷模型，利用2005～2011年的徑流觀測資料和2011年7月15日～8月4日的水質(zhì)監(jiān)測資料對模型進行率定和驗證.青山湖流域氮污染的主要來源包括農(nóng)田化肥、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)點源及濕沉降，其中對流域出口TN濃度貢獻最大的來源是化肥施用，占34.3%.對流域現(xiàn)狀氮負荷的時空分布特征進行分析，結(jié)果表明:NO3--N流失量的時空分布特征明顯，6～9月的流失量最大，占62.5%，空間上中部流失量比西北部自然林區(qū)域大，坡面流是NO3--N主要流失途徑；有機氮流失量較大的區(qū)域主要分布在中部農(nóng)田比例較高的子流域.研究結(jié)果可為流域的氮污染控制和研究提供科學(xué)依據(jù).

SWAT模型；青山湖流域；氮負荷；時空分布特征

氮是生物的基本營養(yǎng)元素，同時也是引起水體富營養(yǎng)化和水質(zhì)變差的根源因子.氮素污染已引起全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注， 很多學(xué)者正致力于區(qū)域和全球范圍的氮循環(huán)和氮平衡問題［1-4］，其中氮素流失是研究流域氮循環(huán)與氮平衡的基本環(huán)節(jié).資料顯示，歐洲由于農(nóng)業(yè)活動造成的氮污染達到入海氮通量的60%［5］，在丹麥，270條河流94%的氮負荷由非點源污染引起［6］，荷蘭由農(nóng)業(yè)非點源提供的總氮（TN）也占到水環(huán)境污染總量的60%之多［7］.在我國富營養(yǎng)化日趨嚴重的巢湖、滇池和太湖地區(qū)，由農(nóng)業(yè)活動所造成的總氮污染貢獻率已達到60%～70%［5］.開展對流域氮污染的研究及流域內(nèi)氮污染特征分析，可為流域非點源污染治理提供理論依據(jù).

SWAT為美國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所（ARS）開發(fā)的一個流域尺度模型，目前在國內(nèi)外農(nóng)業(yè)非點源污染研究中得到了廣泛的應(yīng)用［8-11］，模型已被應(yīng)用于流域徑流模擬、流量預(yù)測和非點源污染評價等方面，并取得了顯著研究成果.Grizzetti等［12］利用SWAT模型研究了芬蘭Vantaanioki流域的氮素循環(huán)和轉(zhuǎn)化.Panagopoulos等［13］基于GIS利用SWAT模型模擬了希臘Arachtos中等尺度流域的氮流失情況，并指出了氮負荷關(guān)鍵源區(qū)，為降低流域氮污染提供了參考.Bouraou等［14］用SWAT來確定控制營養(yǎng)物流失的主要過程和途徑. Daniel等［15］利用SWAT模擬氮肥施用和排水溝渠對氮流失的影響.SWAT在中國已有十多年的運用實踐，一些學(xué)者在丹江口水庫［16］、北京密云水庫［17］、三峽庫區(qū)大寧河流域［18］、山美水庫［19］的非點源污染模擬均取得了較好的效果.

流域氮素流失量與降雨徑流過程、土壤性質(zhì)、植被、管理措施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式（如化肥類型、施肥方式）等因素密切相關(guān).這些影響因素的時間尺度差異較大，從年周期到一次暴雨過程不等，因此在應(yīng)用SWAT模型模擬流域氮素輸出時，應(yīng)盡可能采用高頻率的水文水質(zhì)監(jiān)測資料率定模型參數(shù)，以準確反映流域各種物理、化學(xué)、生物過程及人類活動對氮素輸出的影響，提高模擬精度.目前，國內(nèi)外已有研究多以月尺度或年尺度的實測資料率定SWAT模型.本研究嘗試在青山湖流域應(yīng)用日徑流、水質(zhì)監(jiān)測資料率定SWAT模型；以此為基礎(chǔ)，分析流域氮素污染的主要來源，探討流域氮負荷的時空分布特征，以期為青山湖流域氮污染控制提供依據(jù)，并為其他流域的氮污染研究提供參考.

1 研究區(qū)域概況

青山湖位于浙江省臨安市境內(nèi)（圖1），流域面積654km2，主要入湖河流有南苕溪、錦溪、橫溪、靈溪和雙林溪等.青山湖流域?qū)儆谥衼啛釒駶櫺图撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫15.9℃，多年平均降水1613.9mm，降水日158d.降水量隨海拔高程遞減，山區(qū)大于平原，西部大于東部；降水量年際變化較大，差異在1.71～2.25:1（最大與最小年降水量比）.年內(nèi)降水量分布規(guī)律明顯，5～7月雨量充沛，其中梅雨季節(jié)常持續(xù)20d左右；7～8月間，處于副熱帶高氣壓控制下，天氣晴朗；11月至次年的3月為枯水季節(jié)，雨量稀少.目前青山湖流域面臨嚴重的氮污染問題，對太湖氮素入湖量的貢獻較大，迫切需要治理.

圖1 青山湖及水文水質(zhì)監(jiān)測點位置Fig.1 Location of Qingshan Lake and hydrological and water quality stations

2 研究方法

2.1 SWAT模型簡介

SWAT模型是一個半分布式的水文模型，主要包括水文過程子模型、土壤侵蝕子模型和污染負荷子模型［20］.在運行模型之前，要首先進行亞流域的劃分和最小水文響應(yīng)單元（HRU）的劃分.本研究中，整個流域劃分為46個亞流域、189個HRU，進行分布式模擬計算.

2.2 模型率定與驗證

圖2 橋東水文站實測和模擬月均徑流量比較Fig.2 Observed and simulated monthly runoff at Qiaodong Station

為合理模擬流域的水文過程和氮負荷特征，不僅需要掌握流域內(nèi)實際情況，而且需要通過模型率定和驗證，對模型參數(shù)值進行合理調(diào)整，使模型能夠真實反映流域特征.2011年7～8月對研究流域?qū)嵤┝舜笠?guī)模調(diào)研，掌握人口、畜禽養(yǎng)殖、化肥施用（量及時間）、工業(yè)污染等信息，用于模型輸入.選取2003～2004年為模型運行的預(yù)熱期，南苕溪橋東水文站2008～2011年日觀測徑流數(shù)據(jù)用于水文模型的率定，南苕溪臨安水文站的2005～2007年日觀測徑流數(shù)據(jù)作為水文模型的驗證數(shù)據(jù).2011年7月15日～8月4日的實測日氮負荷通量（實測河道斷面流量與濃度的乘積）作為水質(zhì)模型的率定數(shù)據(jù).流域水文水質(zhì)監(jiān)測點位置見圖1.

采用確定性系數(shù)R2、Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens作為模型精度評價指標.一般認為， R2≥0.6、Ens≥0.5時，模型的模擬結(jié)果是可以接受的.評價結(jié)果表明，率定期月徑流模擬的R2、Ens分別為0.87和0.78，日徑流模擬的R2、Ens值分別為0.82 和0.71；驗證期月徑流模擬的R2、Ens分別為0.86 和0.69，日徑流模擬的R2、Ens值分別為0.77和0.63. 圖2～圖3分別為率定期月尺度及日尺度橋東水文站實測與模擬徑流量的比較.對長達6年的歷史日徑流觀測資料的高精度重演表明，所構(gòu)建的模型較為準確地反映了流域水文特征，可合理描述流域的地表徑流過程.對氮素負荷通量的模擬結(jié)果（圖4）顯示，各監(jiān)測點硝態(tài)氮（NO3-N）通量模擬的R2、Ens值分別在0.81、0.55以上，TN通量模擬的R2、Ens值分別在0.78、0.53以上，表明模型能較好模擬各亞流域的氮素產(chǎn)生和運移過程.

圖3 橋東水文站實測和模擬日徑流量比較Fig.3 Observed and simulated daily runoff at Qiaodong Station

圖4 各監(jiān)測點N-N率定結(jié)果Fig.4 Calibration results for N-N at all stations

3 流域氮污染來源分析

青山湖流域現(xiàn)狀氮素來源主要包括農(nóng)田化肥、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)點源（城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水）及濕沉降.各項污染源對流域現(xiàn)狀氮素的年貢獻量分別為:農(nóng)田化肥施用4173t、農(nóng)村生活與畜禽養(yǎng)殖為1140t、城鎮(zhèn)點源量243t以及來源于濕沉降的870t.

表1 流域氮源輸入量及輸出貢獻率Table 1 Input amount of nitrogen source and output contribution rate in Qingshan Lake Basin

應(yīng)用青山湖流域SWAT模型，分析了各氮源對流域氮素流失的貢獻，見表1.有機氮流失多來源于植物的殘留，因此在有機氮輸出中，流域背景值（主要來自植物殘留）貢獻最高，為24t.農(nóng)田化肥施用造成的N-N輸出量最高，達341t，其次是來自濕沉降，第三是農(nóng)村生活與畜禽養(yǎng)殖.與其他氮源相比，濕沉降的N-N更容易流失，流失率為24.3%，這是由于部分NN隨降雨直接沉降于溪流、湖泊等水體表面，或者被坡面徑流攜帶進入溪流. N-N的輸出量絕大部分來源于城鎮(zhèn)點源，為147t.從對流域出口TN輸出的貢獻上分析，農(nóng)田化肥的貢獻最高，對TN濃度貢獻為1.07mg/L，占34.3%，表明削減農(nóng)田化肥用量是流域氮素污染治理的一個主要方向.城鎮(zhèn)點源的輸入量雖然不高，但由于其氮素沒有經(jīng)過土壤系統(tǒng)削減，直接排入水體，削減率很低，造成在流域輸出量很高，表明控制點源量是流域氮素污染治理的一種有效方案.

4 流域氮素流失時間分布特征

4.1 年際變化特征

降雨是氮素流失的驅(qū)動力，對氮素流失影響顯著.表2為流域水文及氮素流失年際變化趨勢. 2005～2011年降雨量1250～1450mm.徑流深年均770mm，徑流系數(shù)為0.57. NN流失量年均1170t，呈現(xiàn)出逐年減少趨勢，有機氮（ON）流失量年均426t，最高發(fā)生在2006年，達616t.從年尺度上分析，NN流失量與降雨量流失年相關(guān)系數(shù)僅為0.40，有機氮流失量與降雨量相關(guān)系數(shù)為-0.46，這表明氮素流失量與降雨量之間的分布無明顯規(guī)律，兩者的相關(guān)性不大.

表2 流域水文及氮素流失年際變化Table 2 Yearly variation of precipitation-runoff and nitrogen loss in Qingshan Lake Basin

4.2 月際變化特征

圖5 流域氮素流失的月變化趨勢Fig.5 Seasonal trend of nitrogen loss in the basin

2005～2011年流域降雨的月分布特征明顯，降雨量主要集中在6～8月份，約占年降雨總量的43.6%.圖5為氮素流失的月變化趨勢. N-N流失月變化特征明顯，集中在6～9月份，與降雨分布基本一致，占總流失量的62.5%.通過分析模型結(jié)果發(fā)現(xiàn)，影響NN月變化特征的因素除降雨外，施肥時機也十分重要，7～9月份農(nóng)田施肥量較大，當(dāng)遇到強度較大的降雨時，氮素很容易從土壤系統(tǒng)中大量流失.因此，優(yōu)化施肥時機和方式可有效降低流域氮素流失量.

5 流域氮素流失空間分布特征

除降雨徑流外，氮素流失受下墊面的影響也較大.圖6為流域內(nèi)氮素流失量的空間分布，顯示各區(qū)域具有較大的差異性.2005～2011年，青山湖流域單位N-N流失量為6～50kg/hm2，流失量較大區(qū)域主要集中在流域中部農(nóng)田比例較高的子流域.流域西北部雖然坡度較大，但由于土地利用以自然林為主，氮素輸入量低， N-N流失大多低于10kg/hm2. N-N為3種不同形式徑流攜帶，坡面流流失量約占總流失量的47.2%，并且與后者空間分布基本一致. NN側(cè)向流流失量占總流失量的34.6%，在流域中部較高，流失量為15～20kg/hm2，其余區(qū)域流失量較低，為2～10kg/hm2. NN基流流失量占總流失量的18.2%，在0～10kg/hm2之間，空間分布差異不大，與基流深分布一致，這可能是由于N-N容易在深層土壤中殘留累積［21］，使區(qū)域間濃度差異變小.ON流失量較大的區(qū)域分布在流域中部農(nóng)田比例較高的子流域，年均流失負荷達到24.7kg/hm2，其余流域的ON流失量多在0～17kg/hm2之間.

圖6 流域氮素流失單位負荷量的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the unit load of nitrogen loss in Qingshan Lake Basin

6 結(jié)論

6.1 構(gòu)建適合青山湖流域氮素動態(tài)模擬的SWAT模型，利用實測水文（2005～2011年日徑流數(shù)據(jù)）及氮素負荷通量（2011年7月15日～8月4日水文水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)）資料對模型進行率定和驗證.月徑流量的R2和Ens值分別達到0.87和0.78，日徑流量的和Ens值分別為0.82和0.71，8個水質(zhì)監(jiān)測點TN和NO3--N日負荷通量的R2值均大于0.81、Ens值大于0.53，表明模擬精度較高，所建立的模型能合理描述流域氮素輸出負荷對地表徑流過程的動態(tài)響應(yīng).

6.2 在ON輸出中，流域植物殘留導(dǎo)致的流域背景值貢獻最大，為24t；農(nóng)田化肥施用是NO3--N輸出的最大貢獻者，達341t； NO3--N的輸出量絕大部分來源于城鎮(zhèn)點源，為147t.對流域出口TN濃度貢獻最大的氮素來源是農(nóng)田化肥，其貢獻為1.07mg/L，占34.3%，表明控制農(nóng)田化肥施用是流域氮素污染治理的一個主要方向.

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致謝：本論文的前期調(diào)研由同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)11屆及10屆環(huán)科師生協(xié)助完成，在此表示感謝.

Analysis of temporal and spatial characteristics of nitrogen pollution in Qingshan Lake basin based on SWAT model.

CHEN Dan， ZHANG Bing， ZENG Yi-fan， ZHANG Hai-ping*（College of Environmental Science and Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：1216～1222

A nitrogen load model has been constructed for Qingshan Lake Basin based on SWAT model. The model was calibrated and verified using the runoff measurements during 2005to 2011and water quality measurements during July 15to August 4， 2011. Main nitrogen sources include fertilizer use， domestic sewage， livestock， urban point source and wet deposition， among which fertilizer use is the biggest contributor to TN concentration at the outlet of the basin， amounting to 34.3% of the total. Temporal and spatial characteristics of the nitrogen load distribution have been analyzed using the model. The results show that seasonal characteristics of NO3--N loss are distinct， with 62.5% of the yearly total loss concentrated on the period of June to September； highest in the middle region and lowest in the northern west region （covered mostly by natural forest）； overland flow is the main loss route for NO3--N； the highest loss of organic nitrogen is found in the middle region of the basin where farmland is the dominant land-use type. The results of the present study can contribute to the management and study of nitrogen pollution in basins.

SWAT model；Qingshan Lake Basin；nitrogen load；temporal and spatial characteristics

X524，X171

A

1000-6923（2015）04-1216-07

陳 丹（1990-），女，河南新安人，碩士，主要從事生態(tài)水力學(xué)研究.

2014-09-20

國家水體污染控制與治理科技重大專項課題（2008ZX07101-006-07）

* 責(zé)任作者， 教授， hpzhang@#edu.cn