基于SWAT的滇池流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染空間分布特征研究

劉鵬++楊昆++彭雙云++張韶華

摘 要：該研究應(yīng)用SWAT模型對昆明市滇池流域進(jìn)行了流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模擬計(jì)算，利用昆明水文站干海子2008—2014年的實(shí)測日徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型的率定與驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示，SWAT模型適用于滇池流域。并且利用驗(yàn)證后的模型分析了2008—2014年滇池河流域年均的非點(diǎn)源污染空間分布特征，結(jié)果表明，有機(jī)氮和有機(jī)磷負(fù)荷輸出的地區(qū)大體一致?？傮w上，滇池河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的較大負(fù)荷產(chǎn)生量集中在中部地區(qū)，少量分布在南北部角落其他地區(qū)輸出負(fù)荷相對較少。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染；滇池；空間分布；SWAT模型

中圖分類號 X32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）24-0080-04

水污染從源頭上劃分可分為點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染2種類型，與點(diǎn)源污染污染相比，非點(diǎn)源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，目前已成為影響水體環(huán)境質(zhì)量的重要污染源[1]。國外對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的研究和認(rèn)識始于20世紀(jì)60年代，主要是美國、英國、日本等發(fā)達(dá)國家開展了對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的分析和研究。我國的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究始于20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)眾多流域已有SWAT模型研究的案例，如長江流域[2]、黃河流域[3]以及黑河流域[4]。國內(nèi)學(xué)者郝芳華[5]以官廳水庫作為研究區(qū)，對水文年的非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷與降水量成正相關(guān)。萬超[6]通過對3個(gè)不同的水平年進(jìn)行非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算，得到了潘家口水庫流域的負(fù)荷時(shí)空特征及主要影響因素。

1 SWAT模型概述

SWAT模型是一種具有較強(qiáng)物理機(jī)制的長期分布式水文模型，可應(yīng)用于大型流域的研究。SWAT模型集成了遙感（RS）和DEM（數(shù)字高程模型），可以模擬和預(yù)測長期不同管理對流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出影響，是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染建模的有效工具，目前已廣泛應(yīng)用于世界各地。

2 研究區(qū)概況

2.1 自然地理狀況 滇池流域地處云貴高原中部，隸屬金沙江水系。滇池流域面積2 920km2 為南北長東西窄的湖盆地，地形主要以山地丘陵居多，面積2 030km2，約占69.5%；湖濱平原面積590km2，占20.2%；滇池流域水域面積約300km2，占10.3%。滇池水域分為草海、外海2個(gè)部分。草海外海分別位于滇池北部和南部外海為滇池主體，草海、外海均有人工控制出口，分別為西北部的西園隧洞和西南端的海口中灘閘，滇池出水經(jīng)螳螂川、普渡河流入金沙江。

2.2 流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源狀況及原因 滇池流域的非點(diǎn)源污染方式主要包括生活污水排放、水土流失、地表徑流氮磷流失、農(nóng)田農(nóng)藥和化肥的不合理施用等。研究表明，水體污染和富營養(yǎng)化的主要來源為農(nóng)藥和化肥的使用，美國每年生產(chǎn)5億t的農(nóng)藥，其中70%用于農(nóng)田，由此引發(fā)的水污染事件不計(jì)其數(shù)，USEPA把農(nóng)業(yè)列為全美河流和湖泊污染的第一污染源[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，滇池流域的水田面積最大，占38%，旱地35%，菜地19%，花卉地占8%[9]，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，蔬菜花卉等經(jīng)濟(jì)作物在滇池流域的種植規(guī)模將越來越大，作物施肥量也不斷遞增，化肥的不合理使用導(dǎo)致氮、磷元素大量流失，隨著降水和地表徑流進(jìn)入水體，從而導(dǎo)致滇池水體污染和富營養(yǎng)化。

3 滇池流域非點(diǎn)源研究的SWAT模型應(yīng)用

3.1 模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立

3.1.1 空間數(shù)據(jù)庫 SWAT空間數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)字高程模型，土地利用數(shù)據(jù)和土壤分類數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模式DEM和土地利用遙感影像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云，DEM主要用于確定累積流量計(jì)算的流向，河網(wǎng)以及特征參數(shù)的提取等信息。土地利用遙感數(shù)據(jù)主要通過ENVI5.1軟件預(yù)處理，使用監(jiān)督分類方法提取土地利用分布。土壤分類數(shù)據(jù)來源世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），根據(jù)流域邊界裁剪后進(jìn)行重分類。滇池土地利用分類如圖1所示。

3.1.2 流域?qū)傩詳?shù)據(jù) SWAT模型屬性數(shù)據(jù)庫主要包括氣象數(shù)據(jù)、土壤分屬性數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)等，其中氣象數(shù)據(jù)來自由中國水利水電科學(xué)研究院、中國氣象局及中國科學(xué)院寒區(qū)寒區(qū)環(huán)境與工程研究所等多家參與研發(fā)的SWAT模型中國大氣同化驅(qū)動數(shù)據(jù)集CMADS（自CMADSV1.1版本數(shù)據(jù)集，水文數(shù)據(jù)采用昆明市和干海子水文站實(shí)測水文數(shù)據(jù)。

3.2 SWAT模型模擬

3.2.1 子流域劃分 劃分子流域時(shí)，首先加載流域DEM數(shù)據(jù)，然后ArcSWAT調(diào)用ArcGIS的水文模塊進(jìn)行無洼地DEM生成、匯流累積量計(jì)算、水流長度計(jì)算河網(wǎng)提取以及流域分割等過程，并最終將整整個(gè)流域劃分為若干個(gè)子流域。在子流域劃分過程中，需要設(shè)定子流域面積閾值，子流域閾值面積大小決定了子流域劃分的個(gè)數(shù)，子流域面積越小，河網(wǎng)密度越大河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)越多，不過集水面積闊值并非確定的越小越好，闊值越小更容易產(chǎn)生偽河道?？追舱艿戎赋鲭S著集水區(qū)面積闊值的變小，河網(wǎng)密度或河源密度的變化趨勢趨于平緩時(shí)即被認(rèn)定是最合理的集水面積闊值[10]子流域閾值面積確定之后需要設(shè)定出水口位置，子流域的出水口一般位于支干流相交處同時(shí)盡可能與流域中的水文站點(diǎn)。水質(zhì)站點(diǎn)以及河流入湖口相對應(yīng)，以方便模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證，本研究把研究區(qū)域劃分為102個(gè)子流域。

3.2.2 水文響應(yīng)單元劃分 在劃分HRUs之前，首先需要加載土地類型利用圖、土壤分類數(shù)據(jù)到SWAT模型中，并按照一定坡度進(jìn)行重分類，在SWAT模型中，坡度分類主要有Single Slope和Multiple Slope兩種方式Single Slope將流域劃分為一類Multiple Slope可以將流域劃分為多個(gè)坡度，最多可以將坡度分為5類，本研究采用第二種方式將研究區(qū)坡度分為兩類。當(dāng)對土地利用類型、土壤類型和坡度的進(jìn)行重分類后，開始進(jìn)行HRUs劃分定義，SWAT模型提供了3種方式來定義HRUs：Dominant Land Use、Soils、Slope、Dominant HRU、 Multiple HRUs；本研究采用第三種方式進(jìn)行HRUs劃分設(shè)置土地利用、土壤類型，坡度的閾值分別為20%、10%、20%，最終將研究區(qū)域的102個(gè)子流域劃分為198個(gè)水文響應(yīng)單元。

3.2.3 參數(shù)敏感性分析 在SWAT模型中存在大量的參數(shù)，很多參數(shù)由于測量誤差、空間差異等原因?qū)е潞芏鄥?shù)無法準(zhǔn)確確定，為了保證模擬值與測量值的一致性，需要對模型參數(shù)進(jìn)行率定，然而SWAT模型設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，無法一一率定，故篩選出一些對模擬結(jié)果影響比較大的參數(shù)，對其進(jìn)行參數(shù)敏感性分析和參數(shù)率定，從而確定模型對流域的適應(yīng)性。本研究中采用SWAT-CUP2012軟件進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，并對參數(shù)進(jìn)行率定和校準(zhǔn)，SWAT-CUP2012程序中提供了Sufi2、GLUE、ParaSol、McMc、PSO等5種敏感性參數(shù)分析方法，本研究采用Sufi2方法對SWAT模型中參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，從而得到對模型影響最大的敏感性參數(shù)，對模型進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 結(jié)果與分析

本研究將滇池流域劃分為102個(gè)子流域，結(jié)合滇池流域內(nèi)的土地利用分布圖和土壤類型空間分布圖進(jìn)行模型模擬，最終得到2008—2014滇池流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染年均氮和磷負(fù)荷空間分布圖（圖3、圖4）。

SWAT模型氮污染負(fù)荷主要以有機(jī)氮和硝酸鹽氮2種形式輸出，滇池流域氮負(fù)荷輸出空間分布主要分析如下：

滇池流域有機(jī)氮和硝酸鹽氮負(fù)荷的空間分布特征如圖3所示。由圖3可知，流域單位面積有機(jī)氮的輸出區(qū)主要集中在子流域15、18、35、36、37、38、41、45，單位面積有機(jī)氮負(fù)荷達(dá)到6.65kg/hm2·a相對于有機(jī)氮負(fù)荷較大輸出空間分布，硝態(tài)氮范圍相對較小，主要集中子流域15、18、25、36，這些流域是硝態(tài)氮的主要產(chǎn)區(qū)。綜合有機(jī)氮和硝態(tài)氮的空間分布特征，氮分布主要集中在城區(qū)和耕地，城區(qū)人類活動密集，氮污染主要來源道路交通、城市公園綠化氮肥施用而農(nóng)田耕地過量有機(jī)氮肥施用、肥料利用率低下是導(dǎo)致該區(qū)域氮素流失的關(guān)鍵因素。

滇池流域有機(jī)磷和可溶性磷負(fù)荷的空間如圖4所示。由圖4可知，流域單位面積有機(jī)磷的輸出區(qū)主要集中在子流域15、18、25、38、41、44、45、63，單位面積有機(jī)磷負(fù)荷達(dá)到1.59kg/hm2·a以上，而可溶性磷較大負(fù)荷輸出空間分布相比于機(jī)磷分布范圍有所擴(kuò)大，除了和有機(jī)磷較大負(fù)荷分布的中部區(qū)域外，流域上部和右邊部分有所擴(kuò)展，總體來說磷負(fù)荷和氮較大負(fù)荷區(qū)域分布大體相當(dāng)，說明氮磷污染有著密切相關(guān)的聯(lián)系；另一方面磷流失也與農(nóng)業(yè)耕作和過量施肥有著密切的關(guān)系，影響因素與氮素流失具有相同的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過上述結(jié)果分析得知，研究區(qū)的非點(diǎn)源污染主要集中在建筑區(qū)和耕地，耕地作為農(nóng)業(yè)用地，需要大量施用各類肥料，導(dǎo)致產(chǎn)生相對較多的氮、磷非點(diǎn)源污染，而建設(shè)用地人口的聚集，人類活動產(chǎn)生的各種富含氮、磷的污染源增多，因此，今后應(yīng)大力推廣科學(xué)合理的施肥技術(shù)以及減少城市非點(diǎn)源污染排放。

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