基于ArcSWAT模型的湔江流域非點源污染物運移模擬分析與評價

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065)

水是生命之源，飲用水水源更是與人類生存息息相關(guān)。水源地尤以地表水為主，地表水源又可分為水庫水源、湖泊水源和河流水源。雖然水體具有天然納污能力和水體自凈的功能，然而隨著近年來國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水源地污染源大量增加，對水源地造成了不同程度的污染，其環(huán)境質(zhì)量和自凈能力正在不斷地下降和減弱[1]。非點源污染是繼點源污染之后的又一重要環(huán)境污染方式，已成為目前水環(huán)境研究的熱點。美國在20世紀(jì)80年代就展開了對非點源污染的情況調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明農(nóng)田中殘留的化學(xué)物質(zhì)是河流、湖泊、水庫等水體的主要污染源[2]。

20世紀(jì)初，隨著電子計算機(jī)和3S等新科學(xué)技術(shù)的興起，加上人們對非點源污染物理化過程研究的深入，非點源污染模型研究得到快速發(fā)展，為水環(huán)境評價提供了更科學(xué)的依據(jù)。20世紀(jì)80年代末到90年代初，美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心的Jeff Amonld博士把ROTO模型和WERRB模型集成形成了新一代的大型非點源污染模型SWAT[3]。Santhi和Bouraoui等[4-5]分別對美國的Bosque河流域和土耳其的Medjerda河流域進(jìn)行了模擬。SWAT模型在遙感和地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用Julian日為時間步長連續(xù)模擬多種不同的水文物理化學(xué)過程(如徑流、泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)及殺蟲劑的輸移與轉(zhuǎn)化過程)，預(yù)測大流域復(fù)雜多變的土地利用類型、土壤類型和田間管理措施對徑流、泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)的影響情況。

四川省境內(nèi)地表水豐富，截至2018年，全省主要河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率達(dá)到62.0%(137個省控監(jiān)測斷面達(dá)標(biāo)率為62.0%，全省列入國家考核的26個斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為76.2%)，Ⅰ～Ⅲ類水體斷面占61.3%，喪失了水環(huán)境使用功能的劣Ⅴ類水體斷面占13.9%。其中，湔江流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅為18.4%[6]。全省21個市(州)政府所在地集中式飲用水水源地(河流型28個，湖庫型6個，地下水5個)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為99.3%[6]；全省104個縣開展了集中式生活飲用水水源地水質(zhì)監(jiān)測，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為98.0%；全省開展監(jiān)測的鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中式飲用水源地3150個，水源水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為83.0%。全省發(fā)生的重大環(huán)境污染事件無不是水環(huán)境事件，無不涉及城鄉(xiāng)飲用水源安全問題，城鄉(xiāng)飲用水水源水質(zhì)保障堪憂，嚴(yán)重影響人民群眾生產(chǎn)生活，因水環(huán)境問題引發(fā)的群體性事件呈顯著上升趨勢，群眾反映強烈。

本文基于ArcSWAT模型，模擬四川省彭州市西河水庫匯水區(qū)——湔江流域水、沙及污染物運移情況，分析西河水庫非點源污染影響因素，評價西河水庫水質(zhì)水環(huán)境，并基于以上成果給出改善流域內(nèi)水環(huán)境的建議。

1 研究背景及意義

湔江為沱江上游三大支流之一，流域總面積2057.30km2，總長約128km[7](其中西河水庫上游匯水面積為690.85km2)。湔江流域雖然沒有大型工礦企業(yè)排污，但湔江兩岸集納了沿河兩岸居民生活、生產(chǎn)中殘留的非點源污染物，這些污染源嚴(yán)重影響了作為彭州市主要飲用水源——西河水庫的水質(zhì)。因此，正確地掌握湔江流域污染物來源影響因素、合理評價湔江水質(zhì)質(zhì)量及水環(huán)境質(zhì)量對保障彭州市居民飲水安全有極其重要的作用。

2 ArcSWAT模型構(gòu)建及運行

SWAT模型可根據(jù)研究目的建立地形數(shù)據(jù)庫、土壤數(shù)據(jù)庫、土地利用數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫、水文數(shù)據(jù)庫、營養(yǎng)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫等；結(jié)合研究區(qū)域的特點和研究目的可建立耕作數(shù)據(jù)庫、營養(yǎng)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫、土壤數(shù)據(jù)庫。此外，SWAT模型自帶有土地覆蓋/植被數(shù)據(jù)庫、城鎮(zhèn)數(shù)據(jù)庫。SWAT模型數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 SWAT模型數(shù)據(jù)處理流程

2.1 湔江流域地理數(shù)據(jù)庫

本文采用1∶5萬的地形圖，首先利用AutoCAD勾畫出湔江關(guān)口水文站斷面以上流域的匯水范圍，并只留下計曲線和首曲線?；贕IS生成柵格影像后修正多余流域邊界，湔江流域數(shù)字高程見圖2。

2.2 湔江流域土地利用數(shù)據(jù)庫

本文采用的土地利用圖比例尺為1∶5萬(見圖3)。湔江流域土地利用類型有水田、旱地、林地、草地、河流、湖泊、水庫、河漫地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點。本文將湔江流域土地利用圖重分類以符合SWAT模型要求。湔江流域土地利用圖重分類見表1。

圖3 土地利用圖重分類圖

SWAT代碼1234567土地利用方式林 地草 地旱 地水 田居民點水 域未利用地面積/hm23449725456543611705198731134

2.3 湔江流域土壤數(shù)據(jù)庫

本文采用1∶5萬的土壤類型圖(見圖4)。根據(jù)《四川土種志》[8]，湔江流域土壤類型共3個土類，5個亞類。將湔江流域土壤類型圖重分類以符合SWAT模型要求。湔江流域土壤類型圖重分類見表2。該研究區(qū)SWAT土壤數(shù)據(jù)庫構(gòu)建采用中國土壤數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 土壤類型圖重分類圖

SWAT代碼12345土 類黃 壤紫色土沖積土亞 類面黃泥土堿性紫泥中性紫泥酸性紫泥鈣質(zhì)紫河沙面積/hm2837746833123123119687

2.4 湔江流域氣象數(shù)據(jù)庫

彭州氣象站僅提供月氣象資料，故本文采用成都國家級氣象站1998—2018年的逐日觀測資料構(gòu)建SWAT模型天氣發(fā)生器數(shù)據(jù)庫。本文構(gòu)建天氣發(fā)生器采用計算程序SWATWeather。

3 基于ArcSWAT模型的湔江流域水沙及污染物模擬與分析

本文選用湔江流域2015—2016年逐月實測徑流量、實測泥沙量、實測水質(zhì)濃度(總氮、總磷、BOD5、溶解氧)對模型進(jìn)行率定、校準(zhǔn)，以2017—2018年逐月實測資料進(jìn)行驗證。引入相關(guān)系數(shù)Re和效率系數(shù)Ens作為ArcSWAT模型的適用性評價指標(biāo)。

3.1 湔江流域?qū)崪y數(shù)據(jù)

ArcSWAT模型的校正與敏感性分析需要對模擬值與實測值進(jìn)行對比分析，調(diào)整校核模型的參數(shù)后，再對模型運行準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。湔江流域徑流量及泥沙量采用關(guān)口水文站提供的實測數(shù)據(jù)；水質(zhì)實測數(shù)據(jù)由彭州市環(huán)保局提供，水質(zhì)實測項目包括總氮、總磷、BOD5、溶解氧。

3.2 ArcSWAT模型參數(shù)率定及取值

ArcSWAT 模型運行過程中涉及眾多的影響產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出模擬效果的參數(shù)，由于參數(shù)的賦值通常存在空間變異性，而且這些參數(shù)對模型模擬結(jié)果的影響程度不一，因此有必要選取模型較為敏感的參數(shù)進(jìn)行率定、校正，然后將這些參數(shù)的最優(yōu)值帶入模型，方可獲得較好的模擬結(jié)果，以提高研究區(qū)內(nèi)ArcSWAT 模型的模擬精度。

由于 ArcSWAT模型敏感性參數(shù)數(shù)量較多，利用ArcSWAT模型自帶的SCE優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)率定收斂速度并不理想且較為繁瑣，很難達(dá)到較好的率定結(jié)果。為了解決這一問題，本文采用SWAT-CUP率定和校正ArcSWAT模型參數(shù)。

SWAT-CUP是專門用于ArcSWAT模型參數(shù)率定和校正的軟件，率定及校正結(jié)果并不是取得ArcSWAT模型參數(shù)最優(yōu)解，而是得到使模型模擬結(jié)果較好的參數(shù)的集合[9]。本文采用的是Sufi_2算法，利用SWAT-CUP模型內(nèi)定的采樣方法[10]，對需要調(diào)整的參數(shù)設(shè)定不同值，然后調(diào)用SWAT_Edit來修改SWAT模型的輸入文件，再調(diào)用ArcSWAT重新運行模型。利用GLUE_extract_rch比較模型輸出值與觀測值，計算NSE系數(shù)，如果系數(shù)值高于門閾值則保留并記錄此次運行的結(jié)果，否則棄掉。重復(fù)以上過程直至達(dá)到最大次數(shù)，這樣得到的是一系列符合門閾值的參數(shù)集合，即最終的敏感性參數(shù)值。湔江流域ArcSWAT模型的參數(shù)最優(yōu)取值結(jié)果略。

3.3 ArcSWAT模型模擬結(jié)果與分析

本文采用2015—2016年湔江主河道逐月實測資料對ArcSWAT模型進(jìn)行率定及校準(zhǔn)，模型修正后用2017—2018年逐月實測資料進(jìn)行驗證，ArcSWAT模型模擬結(jié)果與實測數(shù)值對比見圖5～圖10。

圖5 流量模擬結(jié)果與實測值對比

圖6 泥沙模擬結(jié)果與實測值對比

圖7 總氮模擬結(jié)果與實測值對比

圖8 總磷模擬結(jié)果與實測值對比

圖9 BOD5模擬結(jié)果與實測值對比

圖10 溶解氧模擬結(jié)果與實測值對比

農(nóng)業(yè)非點源污染物從陸地運移到河流和水體中是土壤侵蝕風(fēng)化和降雨徑流共同作用的結(jié)果。在正常pH值條件下，大多數(shù)土壤帶負(fù)電荷，而污染物質(zhì)可吸附在土壤顆粒上，隨著地表徑流、側(cè)向流和滲流遷移到河道中。由圖5～圖10可以看出，湔江流域內(nèi)產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出模擬值與實測值擬合度較好，同時污染物質(zhì)隨時間的變化規(guī)律與產(chǎn)流、產(chǎn)沙具有明顯的相關(guān)性。圖5～圖10顯示，湔江流域內(nèi)產(chǎn)流7—8月流量達(dá)到峰值，而泥沙和污染物質(zhì)在8—9月泥沙量達(dá)到峰值，表現(xiàn)為產(chǎn)沙、污染物輸出相較產(chǎn)流具有一定的滯后性，滯后時間大約在10～20天；而產(chǎn)沙與污染物輸出具有較強的同步性，亦印證了“沙隨水走，泥沙是污染物質(zhì)運移的重要載體”的理論。此外，模型對個別實測值峰值沒有響應(yīng)，初步估計是模型參數(shù)率定精度問題。

3.4 ArcSWAT模型適用性評價

本文采用相對誤差Re和效率系數(shù)Ens來評價ArcSWAT模型的適用性。研究表明，相對誤差在±15%范圍內(nèi)，效率系數(shù)Ens達(dá)到0.6以上時，可認(rèn)為SWAT模型較好地模擬了研究區(qū)內(nèi)的產(chǎn)沙、產(chǎn)流過程[4]。由表3可知，ArcSWAT模型對湔江流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出模擬具有較高的適用性。

表3 產(chǎn)流、產(chǎn)沙及營養(yǎng)物運移模擬適用性評價指標(biāo)

4 基于ArcSWAT模型的湔江流域預(yù)測模擬

ArcSWAT模型集成了敏感性分析和自動校準(zhǔn)與不確定性分析模塊，并且增加了日以下步長的降水量生成器和允許用戶定義天氣預(yù)測期，為ArcSWAT模型的短期預(yù)報打下了基礎(chǔ)。這種改進(jìn)對評價流域內(nèi)預(yù)測天氣的影響非常有用，為預(yù)測一定規(guī)劃年氣象條件下流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出的情況提供了可能性。本文基于ArcSWAT模型對湔江流域土地利用、氣象變化進(jìn)行情景模擬，預(yù)測2020年土地利用變化、降雨量變化對流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出的影響。

彭州市“十三五”內(nèi)將繼續(xù)實施退耕還林還草政策[11]，至2020年彭州市湔江流域內(nèi)林地面積預(yù)計增長1.21%，草地面積增長0.94%；旱地面積減少7.66%，水田面積減少13.68%。此外居民點面積增加5.39%，未利用地減少8.86%，水域面積減少0.46%。變化情況見圖11。

圖11 2015—2020年湔江流域土地利用變化率

2020年(預(yù)測年)時在豐、平、枯3個典型水文年湔江流域的產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出量變化見圖12。

a.流域內(nèi)產(chǎn)流對于降雨的變化比較敏感，產(chǎn)沙及污染物質(zhì)輸出對降雨產(chǎn)流的變化比較敏感。

b.湔江流域平水年、枯水年時產(chǎn)沙及污染物輸出量較2015年(現(xiàn)狀年)均有減少，可見，彭州市“十三五”退耕還林還草政策將對減少流域內(nèi)產(chǎn)沙及污染物的輸出有顯著效果。

c.湔江流域豐水年時產(chǎn)沙及污染物輸出量較現(xiàn)狀年有明顯幅度的增加，表明降雨產(chǎn)流對產(chǎn)沙及污染物輸出有較大的影響。

d.流域內(nèi)水土流失情況及污染物輸出情況與當(dāng)年的降雨量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，降雨量大小影響了泥沙及污染物輸出，較2015年(現(xiàn)狀年)的下降幅度為:枯水年>平水年>豐水年。

圖12 ArcSWAT模型 2020年各典型水文年模擬情況

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

a.本文建立了基于ArcSWAT的湔江流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出模型，模擬了湔江流域2015—2018年產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出情況。分析表明：農(nóng)業(yè)污染物質(zhì)從陸地運移到河流和水體中是土壤侵蝕風(fēng)化和降雨徑流共同作用的結(jié)果?；贏rcSWAT的湔江流域內(nèi)產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出模擬值與實測值擬合度較好，污染物質(zhì)隨時間的變化規(guī)律與產(chǎn)流、產(chǎn)沙具有明顯的相關(guān)性，而產(chǎn)沙、污染物輸出隨時間的變化相較產(chǎn)流具有一定的滯后性。

b.基于ArcSWAT模型對湔江流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙及污染物輸出進(jìn)行了預(yù)測模擬，根據(jù)模擬結(jié)果得到以下結(jié)論：?流域內(nèi)產(chǎn)流對于降雨的變化比較敏感，產(chǎn)沙及污染物質(zhì)輸出對降雨產(chǎn)流的變化比較敏感；?彭州市“十三五”退耕還林還草政策將對減少流域內(nèi)產(chǎn)沙及污染物的輸出有顯著效果；?湔江流域水土流失情況及污染物輸出情況與當(dāng)年的降雨量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。

5.2 建議

a.盡快建立和完善西河水庫水源地保護(hù)規(guī)劃。全面規(guī)劃，合理布局，進(jìn)行區(qū)域性綜合治理。對可能出現(xiàn)的水體污染，要采取預(yù)防措施。遵照有關(guān)規(guī)定，做好西河水庫水源地的建設(shè)項目的報批、驗收工作?；谖骱铀畮旎A(chǔ)情況調(diào)研，提出初步治理方案，明確水源地保護(hù)目標(biāo)、任務(wù)、責(zé)任和措施。

b.嚴(yán)格控制湔江流域農(nóng)業(yè)非點源污染源。調(diào)整湔江流域土地利用結(jié)構(gòu)，利用自然修復(fù)、綜合治理、農(nóng)村面源污染控制、水土保持等措施，有效控制農(nóng)業(yè)面源污染。采取科學(xué)的農(nóng)業(yè)灌溉方式，控制農(nóng)業(yè)非點源污染物隨徑流遷移而造成的損失。通過生物措施，提高植物覆蓋率、改善土壤質(zhì)地、增加土壤微生物種類和數(shù)量，促進(jìn)對化肥、農(nóng)藥等主要農(nóng)業(yè)非點源污染物的植物吸收、微生物降解、化學(xué)降解作用。此外通過水土保持工程措施控制侵蝕和搬運過程來控制非點源污染物的擴(kuò)散，切斷非點源污染物的污染鏈和減少污染通量，從而減少吸附的營養(yǎng)物，達(dá)到凈化水質(zhì)、保護(hù)水體工程的目的。

c.全面調(diào)查湔江流域內(nèi)的點源污染源，根據(jù)各點源污染源的排放狀況，明確水源污染 防治重點，依法查處水源地排放污染物的個人及企業(yè)。杜絕城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水任意排放。同行業(yè)廢水應(yīng)集中處理，以減少污染源的數(shù)目，便于管理。

d.制定西河水庫污染事故處理應(yīng)急預(yù)案，及時處置威脅水源安全的突發(fā)性事件。處置可能的污染事件，把突發(fā)事件環(huán)境影響控制在最小范圍內(nèi)。在湔江重要河段建設(shè)預(yù)警監(jiān)控體系。加強西河水庫水源地水環(huán)境管理信息系統(tǒng)建設(shè)，為政府提供信息支持，提高水庫管理的科學(xué)化、信息化、效率化。