基于SWAT模型的紹興市非點(diǎn)源氮關(guān)鍵源區(qū)識別

劉珮勛，付佳偉，皮家駿，劉成林

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西南昌330029;2.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌330031)

0 引 言

隨著城市點(diǎn)源污染的削減和城市化進(jìn)程的加快，城市非點(diǎn)源污染逐漸成為城市水環(huán)境保護(hù)面臨的首要問題[1]。通過研發(fā)城市非點(diǎn)源污染的分布式模型識別關(guān)鍵源區(qū)(Critical Source Areas，CSAs)，將有限資源優(yōu)先投入CSAs進(jìn)行重點(diǎn)治理，提高城市非點(diǎn)源污染的治理效率[2]，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。國內(nèi)外學(xué)者對此展開了一系列的探索[3- 5]。Singh等[6]在阿拉巴馬州沿海的Fish流域研究了土壤數(shù)據(jù)分辨率對泥沙流失關(guān)鍵源區(qū)的影響；Niraula等[7]利用SWAT模型和GWLF模型在美國阿拉巴馬州東部的Saugahatchee流域開展了關(guān)鍵源區(qū)識別研究；葛懷風(fēng)等[8]將SWAT模型引入海河干流天津段污染關(guān)鍵源區(qū)識別中，利用10年系列數(shù)據(jù)構(gòu)建SWAT非點(diǎn)源模型，識別了各種類型污染物對關(guān)鍵源區(qū)的貢獻(xiàn)率。以上研究多集中在農(nóng)業(yè)區(qū)或城市的小型集水區(qū)，對大尺度城市非點(diǎn)源污染與關(guān)鍵源區(qū)的識別罕有報(bào)道?？梢?，大尺度城市非點(diǎn)源污染的定量技術(shù)研究仍然是亟待解決的難題。

本研究以紹興市非點(diǎn)源污染為例，采用SWAT分布式水文模型和流域邊界確定法，將紹興市的非點(diǎn)源污染問題轉(zhuǎn)化為流域非點(diǎn)源污染問題，模擬并識別非點(diǎn)源氮污染的關(guān)鍵源區(qū)，旨在為城市非點(diǎn)源污染的控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究內(nèi)容

1.1 研究區(qū)概況

紹興市位于浙東、浙西山地丘陵與浙北平原交接地帶，東經(jīng)119°53′03″～121°13′38″、北緯29°13′35″～30°17′30″之間。地貌類型多樣，西部、中部和東部多山地和丘陵，北部為紹虞平原，平均海拔5～10 m，地勢總體由西南向東北傾斜。其中，山地、丘陵占紹興市總面積的56.7%，平原、盆地占37.8%。最高點(diǎn)為會(huì)稽山脈主峰東白山，海拔1 194.6 m；最低點(diǎn)在諸暨湖田地區(qū)，海拔僅3.1 m。地表河流交錯(cuò)，布滿小型湖泊。紹興市屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、溫暖濕潤、降水相對集中，暴雨徑流導(dǎo)致的非點(diǎn)源污染問題嚴(yán)重。多年平均降水量為1 438.9 mm，空間分布不均，降水年際變化大，最多年降水為最少年的3倍，平均年降水156.2 d。研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源及前處理

本研究所需數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)2個(gè)部分。采用史料收集、野外監(jiān)測和室內(nèi)分析相結(jié)合的手段獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源及基本信息見表1。基于ArcGIS平臺，將不同空間圖件(DEM、土壤圖、土地利用圖)進(jìn)行投影變換，統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為ALBERS等積圓錐投影，使之為空間數(shù)據(jù)的疊加分析和SWAT模型所用。

表1 數(shù)據(jù)來源及基本信息

1.3 研究方法

1.3.1 WED方法

為解決大尺度城市非點(diǎn)源污染的定量問題，制作紹興市所在流域地形圖和電子水系圖，采取流域邊界確定方法(Watershed Edge Determined，WED)，將城市非點(diǎn)源污染定量問題置于流域的視角下，勾勒出含紹興市在內(nèi)的較為完整的自然流域。通過地形參數(shù)的提取、河網(wǎng)的生成、出口點(diǎn)的添加、土壤及土地利用的加載，以1992年～2011年共20年的降雨數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，初步構(gòu)建了研究區(qū)域SWAT模型，并將研究區(qū)劃分為 39個(gè)子流域和423個(gè)水文響應(yīng)單元。同時(shí)，以2011年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)與驗(yàn)證。紹興市所在流域地形和電子水系見圖2。在該區(qū)域開展非點(diǎn)源污染的SWAT分布式模擬，并采用GSM方法分析紹興城市的非點(diǎn)源氮污染。

圖2 紹興市所在流域地形和電子水系

1.3.2 SWAT模型

SWAT模型以水量平衡為基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)力，水文循環(huán)過程包括陸地與河道演算2個(gè)階段。在陸地演算階段，其水量平衡方程為

(1)

式中，SWt為土壤最終含水量；SW0為土壤前期含水量；t為時(shí)間步長；Rday為第i天降雨量；Qsurf為第i天的地表徑流；Ea為第i天的蒸發(fā)量；Wseep為第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和側(cè)流量；Qgw為第i天地下水含量。

土壤中的非點(diǎn)源氮通過地表徑流和泥沙移入河道，其定量計(jì)算公式為

(2)

式中，N0為隨泥沙輸移進(jìn)入地表徑流的有機(jī)氮負(fù)荷量；Co為地表10 mm土層中有機(jī)氮濃度；S為日模擬泥沙產(chǎn)量；Ah為水文響應(yīng)單元的面積；εN為氮富集系數(shù)。

圖4 氨氮與總氮的擬合曲線

SWAT模型采用分布式參數(shù)模擬方法，對研究區(qū)域的非點(diǎn)源污染進(jìn)行定量模擬和計(jì)算。首先，在單個(gè)水文響應(yīng)單元(Hydrological Response Units，HRUs)中進(jìn)行模擬計(jì)算，解決空間異質(zhì)性問題，從而實(shí)現(xiàn)污染物流失和遷移的分布式模擬；其次，對每個(gè)子流域的信息進(jìn)行匯總，模擬污染物負(fù)荷在河道、水庫等水體中的分配和遷移，河道水質(zhì)模型部分采用QUAL2E模型計(jì)算[9]；最后，輸出子流域和HRUs尺度的非點(diǎn)源污染數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SWAT模擬的全過程。SWAT模型中非點(diǎn)源氮的遷移與轉(zhuǎn)化過程見圖3，其具體的遷移轉(zhuǎn)化過程詳見文獻(xiàn)[10]。

圖3 SWAT模型模擬氮循環(huán)示意

2 模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證

選擇氨氮和總氮作為紹興市非點(diǎn)源氮的研究對象。研究表明[11- 12]，模型中氮營養(yǎng)物的敏感參數(shù)主要有：作物管理參數(shù)、化肥施用參數(shù)和土壤參數(shù)、化肥施用量和土壤中氮含量。在徑流與泥沙校準(zhǔn)與驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，調(diào)整以上5個(gè)參數(shù)對模型進(jìn)行率定。校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)(湯浦匯合口和百官鎮(zhèn)下游)氨氮與總氮的擬合曲線見圖4。

由圖4可以看出，在校準(zhǔn)期與驗(yàn)證期，氨氮和總氮的模擬值均圍繞實(shí)測值小幅波動(dòng)，擬合曲線的走勢大體一致。此外，多數(shù)情況下，峰值處模擬值比實(shí)測值略大，表明本次建立的SWAT模型對峰值處的模擬偏高?？赡苁且?yàn)椋趯δＰ蛥?shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，過于考慮較低值的擬合精度，而導(dǎo)致整體上提高了峰值負(fù)荷。校準(zhǔn)期與驗(yàn)證期氨氮和總氮模擬值與實(shí)測值的相對誤差均低于30%，所建立的SWAT模型滿足研究區(qū)非點(diǎn)源污染定量模擬與評價(jià)的精度要求，為后續(xù)非點(diǎn)源污染的時(shí)空演變分析和關(guān)鍵源區(qū)的識別提供實(shí)用模型。

3 結(jié)果分析

3.1 非點(diǎn)源污染負(fù)荷時(shí)間分布特征

利用已建立的SWAT模型，以1992年～2011年紹興市氣象資料為驅(qū)動(dòng)，對研究區(qū)的非點(diǎn)源氨氮和總氮負(fù)荷進(jìn)行了模擬，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析得到了兩者的年負(fù)荷變化(見圖5)，多年月均負(fù)荷變化(見圖6)。

圖7 非點(diǎn)源氨氮、總氮負(fù)荷強(qiáng)度等級空間分布

圖5 氨氮、總氮年負(fù)荷變化

圖6 氨氮、總氮年內(nèi)月均負(fù)荷變化

從圖5、6可以看出，1992年～2011年紹興市非點(diǎn)源氮污染的時(shí)間演變特征如下：①氨氮、總氮年水平負(fù)荷與地表徑流量曲線走勢相似，具有一致性，表明氨氮、總氮負(fù)荷以徑流為載體，并隨徑流量的變化而呈現(xiàn)相似的變化趨勢。②年內(nèi)月均輸出曲線顯示，月均徑流量、氨氮和總氮負(fù)荷與降雨量有很大關(guān)系，1月～12月，降雨呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，非點(diǎn)源氮的月均輸出呈現(xiàn)類似的趨勢，且于6月達(dá)到峰值水平。③對年內(nèi)月均輸出統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，汛期(4月～8月)徑流、氨氮和總氮負(fù)荷占全年的百分比范圍分別為37.12%～78.25%、74.28%～92.45%和70.90%～88.25%，汛期的徑流及非點(diǎn)源負(fù)荷所占比例極大，反映水土流失及非點(diǎn)源氮輸出主要是由汛期降雨引起，說明強(qiáng)降雨是形成非點(diǎn)源污染的最主要驅(qū)動(dòng)力。

3.2 非點(diǎn)源污染的空間分布與關(guān)鍵源區(qū)的識別

基于ArcGIS平臺，統(tǒng)計(jì)子流域尺度SWAT的模擬結(jié)果，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，按照等間隔方法將紹興市非點(diǎn)源氨氮和總氮負(fù)荷的強(qiáng)度分為5級。獲得各強(qiáng)度等級空間分布的比例見圖7。非點(diǎn)源氮污染負(fù)荷強(qiáng)度等級為5級的區(qū)域視為關(guān)鍵源區(qū)，并將其作為非點(diǎn)源氮污染控制的主要區(qū)域。非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度等級分布比例見表1。

表1 非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度等級分布比例 %

綜上分析，紹興市非點(diǎn)源氮的關(guān)鍵源區(qū)具有以下特點(diǎn)：①氨氮和總氮的關(guān)鍵源區(qū)分別為23.2%和14.5%，說明通過對關(guān)鍵源區(qū)的非點(diǎn)源氮控制，可以將有限的資源優(yōu)先投入到污染最嚴(yán)重的地區(qū)，從而有針對性地控制非點(diǎn)源氮污染。②氨氮與總氮的強(qiáng)度等級空間分布具有一定的相似性，其關(guān)鍵源區(qū)主要集中在城市居民區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)，反映了人類活動(dòng)產(chǎn)生的非點(diǎn)源氮污染較為嚴(yán)重，同時(shí)，農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)以及大量施肥極大影響非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度。③對比研究區(qū)的土地利用狀況可以得到，林地的單位面積非點(diǎn)源污染最低，反映了林地對非點(diǎn)源污染有較好的緩沖和削減效果。通過增加林地面積，如退耕還林或設(shè)置林地緩沖帶等，可以有效降低紹興市的非點(diǎn)源氮污染。

4 結(jié) 語

本研究以大尺度城市非點(diǎn)源污染的定量難題為出發(fā)點(diǎn)，通過將城市面源污染的問題轉(zhuǎn)化為流域非點(diǎn)源污染問題，利用SWAT實(shí)現(xiàn)了非點(diǎn)源污染的定量模擬，分析了紹興市流域非點(diǎn)源氮污染負(fù)荷的時(shí)空分布特征，并識別了關(guān)鍵源區(qū)，得出以下結(jié)論：

(1)在時(shí)間分布上，一方面，年水平和月水平的非點(diǎn)源氨氮與總氮負(fù)荷與徑流量存在著較強(qiáng)的一致性，豐水年和枯水年的非點(diǎn)源氮輸出差別很大；另一方面，月水平非點(diǎn)源氨氮與總氮負(fù)荷在6月份達(dá)到峰值，且汛期(4月～8月)徑流、氨氮和總氮負(fù)荷占全年的百分比范圍分別為37.12%～78.25%、74.28%～92.45%和70.9%～88.25%，揭示了汛期強(qiáng)降雨是形成非點(diǎn)源污染的最主要驅(qū)動(dòng)力。

(2)在空間分布上，關(guān)鍵源區(qū)識別結(jié)果顯示，氨氮和總氮的關(guān)鍵源區(qū)分別為23.2%和14.5%，且主要集中在城市居民和農(nóng)業(yè)密集的區(qū)域，揭示了人類活動(dòng)是非點(diǎn)源氮污染的重要因素，可通過退耕還林或設(shè)置林地緩沖帶等措施，有效降低城市的非點(diǎn)源氮污染。

(3)本文結(jié)論可為大尺度城市非點(diǎn)源氮的定量模擬提供實(shí)用模型，并為非點(diǎn)源污染的削減和控制提供依據(jù)。