汤洁
, 刘畅, 杨巍, 李昭阳, 吴佳曦
吉林大学 环境与资源学院,吉林 长春 130012
TANG Jie, LIU Chang, YANG Wei, LI Zhao-yang, WU Jia-xi
中图分类号: X52
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2012)10-1247-07
收稿日期: 2011-12-25
修回日期: 2012-04-9
网络出版日期: 2012-10-20
版权声明: 2012 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：汤 洁（1957-）,女,吉林长春人,博士,教授,主要从事生态环境系统理论与技术研究。E-mail:tangjie@jlu.edu.cn
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摘要
应用SWAT模型对辽宁省大伙房水库汇水区农业非点源污染进行了模拟,利用2006~2009年的水文和水质监测数据对模型进行率定与验证。研究结果表明：研究区泥沙坡面产量为15.40×104 t,属于微度侵蚀,其中耕地的土壤侵蚀模数最高,为475.84 t/(km2·a),疏林地次之,灌林地、有林地的土壤侵蚀模数较小;汇水区农业非点源氮、磷产生量分别为1 248.83 t和102.88 t;不同土地利用类型氮、磷的产生量差异较大,耕地远远高于林地等其他类型。总体上,流域农业非点源污染的产生量浑河流域高于苏子河流域,社河流域最小,且河流上游地区高于下游。研究结果揭示了研究区农业非点源污染空间分布特性,可以为水土保持和非点源污染防治提供基础支持。
关键词：
Abstract
SWAT model was used to calculate the agricultural non-point source pollution in Dahuofang reservoir catchment, Liaoning Province. The monitoring data of hydrology and water quality series from 2006 to 2009 was used to calibrate the parameters and validate the model, and the results indicated that SWAT model was appropriate for Dahuofang reservoir catchment. The calibrated model was used to reveal the spatial distribution of agricultural non-point source pollution characteristic. The results show that the annual amount of soil erosion in the reservoir catchment was 1.54×105 t. In other words, there was very light soil erosion in the investigated area. The result was consistent with the actual situation of the forest coverage in this area. The various usage of lands have various degree of soil erosion. The arable lands indicated the highest soil erosion modulus, which were 475.84 t/(km2·a); the open woodlands were the second highest contributor, followed by shrub woodlands, and the soil erosion of the forests were the smallest. The slope output of both nitrogen and phosphorus in catchment were 1 248.83 t and 102.88 t, respectively. The Hun River basin ranked first in the contribution to the load of TN and TP pollution, accounted for 52.01% and 52.43%, respectively, followed by the Suzi River basin and the She River basin. The minimum contributors were the basins around the reservoir. The pollutions of nitrogen and phosphorus were various with different types of land use. The loads of TN and TP were mainly from the arable lands, which were 1 024.33 t and 93.35 t, respectively, which were much higher than the other land use types. Overall, the non-point source pollution around the Hun River basin was higher than the Suzi River′s, while the She River basin was minimum. The output intensity of non-point source pollution of the upstream region was higher than the downstream. This study indicated the spatial spread features of non-point source pollution at target areas, and the results provide a significant support to prevent both soil erosion and non-point source pollution.
Keywords：
目前,全球范围内有30%~50%的地表水受到非点源污染的影响,而由农业生产和生活活动产生的非点源污染已经成为水污染的主要来源[1,2]。至2005年,农业非点源污染已占中国全部污染的1/3,并有继续恶化的趋势[3]。随着农业非点源污染的日益严重,农业非点源污染成为环境污染领域的研究热点,其模型化研究也是一个活跃分支。20世纪90年代以来,3S技术与非点源污染模型的集成成为农业非点源污染研究的重要手段。根据相关研究可知[4~9]：SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是在国内外应用较好的流域分布式水文模型,该模型被广泛应用于非点源污染机理过程模拟、监测控制及污染负荷时空分布研究等诸多方面。
辽宁大伙房水库是辽河流域重要的水库型饮用水源地,被列为全国城市供水九大重点水源地之一。近年来水库汇水区农药、化肥施用量逐年增加,总氮、总磷施用量分别从1997年的4 770 t和444 t增加到2000年的5 135 t和570 t,流域农业非点源污染加剧,入库污染负荷增加[10,11]。针对这种情况,国内学者刘瑞民[12]等基于遥感和GIS手段对大伙房水库汇水区内营养物质氮磷的输出风险进行了分析,结果表明该区非点源污染输出的风险概率比较小;杨巍[13]等采用SWAT模型模拟研究了汇水区入库水量和泥沙量的关系,但对该区农业非点源污染空间分布特性的研究较少,因此,本文在对SWAT模型参数率定和模型验证的基础上,对大伙房水库汇水区的农业非点源污染负荷空间分布与变化规律进行模拟与分析,为该饮用水源地保护区的水土保持、非点源污染治理和水库水质改善提供基础支持。
辽宁大伙房水库汇水区地处长白山支脉西南延续部分的低山区,位于辽宁省抚顺市的抚顺县、清原县和新宾县境内,地理位置介于124°05′E~125°17′E, 41°29′N~42°16′N,地势东南高、西北低,见图1。大伙房水库建于1958年,是兼防洪、灌溉、供水等多种功能的水利枢纽工程,水库总库容22.68×108 m3,汇水区面积为5 437 km2,库区水域总面积66.67 km2,整个库区定为集中式生活饮用水水源地一级保护区。水库将成为沈阳、抚顺、鞍山和大连等辽宁中、南7座城市的主要水源地,供水人口达到2 300万人。
大伙房水库汇水区内主要河流有浑河(清原段)、苏子河和社河。区内多年平均降水量为650~800 mm,主要集中在7、8月,约占全年降水量的50%左右。多年平均年水面蒸发量约为1 100~1 600 mm,平均相对湿度在65%~70%之间。研究区内土地利用类型以林地和耕地为主,林地占总面积的62%,耕地占9.7%。研究区主要土壤类型有暗棕壤、棕壤、草甸土、白浆土、沼泽土、水稻土6个土类,其中以棕壤分布最为广泛[14]。
本文通过外业调查与资料收集等方法建立研究区基础信息数据库,结合数字高程模型(Digital Elevation Model ,DEM)与地理信息系统（GIS）技术,利用水文和水质监测站的观测数据对SWAT模型进行参数率定与模型验证,模拟并分析汇水区农业非点源污染空间分布特征及其影响因素。
根据研究区特点和非点源污染模拟的需求,SWAT模型所需要的数据按照存储方式和建模要求分为空间数据和属性数据。空间数据包括经过1:25万水系图校正的DEM数据、土地利用类型图、土壤类型图和水系图等,空间数据输入采用统一的Albers等积圆锥投影,主要利用GIS软件完成格式的转换。属性数据包括气象数据、农作物管理措施和土壤物理化学属性数据等。所需数据及其来源见表1。
SWAT模型的建立首先需利用DEM提取流域内的水系,综合考虑DEM分辨率、土地利用类型分布等因素设定子流域集水面积阈值,并将流域分为45个子流域,模拟水系和子流域见图1。根据子流域不同土壤和土地利用类型的组合,模拟反映不同组合间的水文差异,进行水文响应单元（HRU）的划分。本文土地利用和土壤阈值分别设定为6%和12%,将汇水区划分为277个HRU,加载气象数据等其他数据库文件后在SWAT VIEW界面下进行模型的初次模拟。
径流和泥沙的率定与验证采用南章党、占贝和北口前（二）3个水文站点2006~2009年的逐月观测数据,水质率定与验证采用研究区台沟、古楼和北杂木3个水质监测站2006~2009年的逐月总氮、总磷监测数据,水文站和水质监测站空间分布见图1。模型预热时间为2005年,率定时间为2006~2007年,验证时间为2008~2009年。模型率定的顺序是：时间上先进行年校准再进行月校准;项目上先校准径流,再校准泥沙,最后校准氮、磷营养物。参数率定采用计算机自动优化法和人工试错法相结合的方式进行,参数率定目标方程为SSQ方程。
本文选择相对误差Re（式1）、决定系数R2（式2）和Nashe-Suttcliffe系数Ens（式3）来评价模型的适用性,其中,相对误差应小于规定标准,即Re<20%,评价系数(Ens和R2)应达到规定的精度标准,一般要求R2>0.6且Ens>0.5[17]。对浑河、苏子河和社河3个流域分别进行参数率定和模型验证,合并的评价结果见表2和图2。
表1 SWAT模型主要输入数据及来源
Table 1 Input parameters of SWAT model and data sources
| 数据类型 | 包含参数 | 数据来源 |
|---|---|---|
| 图件 | 30m×30m的DEM数据（GRID格式） | https://wist.echo.nasa.gov |
| 2006年土地利用图（1:5万）SHAPE格式 | 购置 | |
| 土壤类型图（1:5万）SHAPE格式 | ||
| 水系图（1:25万）SHAPE格式 | 本课题组数据库系统 | |
| 气 象 | 日降水数据、日最高、最低气温、日太阳辐射量、日露点温度和日平均风速 | 中国气象科学数据共享服务网;中华人民共和国水文年鉴-辽河流域 |
| 土壤理化性质 | 土壤粒径级配百分比、土壤容重、有效含水率、土壤硝态氮、有机氮、有机磷等 | 《抚顺土壤》[15]、《辽宁土壤》[16] |
| 农作物管理措施 | 耕种、施肥、施用农药、灌溉、收割 | 现场调查、抚顺市环境保护局生态处统计资料 |
图1 研究区地理位置及气象站点、水文站点空间分布
Fig.1 Geographical loacations of the study area and meteorological and hydrological stations
式中：Qobs是实测值;Psim是模拟值;Qavg是实测平均值;Pavg是模拟平均值。
如表2所示,参数率定期月径流量、输沙量、TN和TP负荷的R2均在0.68以上,Nash-Suttcliffe系数均在0.66以上;模型验证期月径流量、输沙量、TN和TP负荷的R2和Nash-Suttcliffe系数均在0.67以上,说明经率定和验证后的SWAT模型适用于大伙房水库汇水区农业非点源污染研究。
非点源污染空间分布特征与流域的降水量、径流量、输沙量、土地利用方式和土壤类型等因素有关[7~9,18~20]。鉴于径流量和降水量有较强的相关性,本文结合大伙房水库汇水区降水、土地利用方式和土壤类型的空间分布情况,利用GIS的空间分析功能,分析该流域农业非点源污染的空间分布特征及影响因素。
水库汇水区2006~2009年4 a平均降水量为724.75 mm,但其空间分布不均匀,降水主要集中在清原县西部、新宾县西南部和抚顺县东部,清原县东北部、新宾县东部降水量最少,见图3。浑河的9、38、42和苏子河的41子流域的年均降水量最高,为848.76 mm;苏子河的23、25及浑河3、7、8、10子流域的年均降水量也较高,在817.66~838.66 mm之间;其他地区的降水量以这些子流域为中心逐渐减少,社河的31子流域降水量最少,为699.88 mm。区内降水量最大和最小差为148.88 mm。
表2 参数率定和模型验证结果
Table 2 Parameter calibration and model testing results
| 模拟时期 | 拟合项 | 实测月均值 | 模拟月均值 | Re | Ens | R2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 校准期 | 径流量（m3/s） | 31.12 | 29.53 | -5.13% | 0.85 | 0.86 |
| 输沙量（t） | 5069.23 | 4756.39 | -6.17% | 0.91 | 0.92 | |
| TN负荷（t） | 181.62 | 194.16 | 6.09% | 0.66 | 0.71 | |
| TP负荷（t） | 10.02 | 11.46 | 14.37% | 0.69 | 0.68 | |
| 验证期 | 径流量（m3/s） | 21.19 | 22.63 | 6.81% | 0.84 | 0.85 |
| 输沙量（t） | 3142.23 | 3619.35 | 15.18% | 0.69 | 0.74 | |
| TN负荷（t） | 153.34 | 159.46 | 3.99% | 0.67 | 0.69 | |
| TP负荷（t） | 7.85 | 8.52 | 8.58% | 0.73 | 0.68 |
图2 2006~2009年逐月径流(a)、泥沙(b)、总氮(c)和总磷(d)的模拟与实测结果
Fig.2 Simulated and observed values of monthly runoff, sediment, TN and TP in 2006-2009
各子流域2006~2009年4 a年均坡面泥沙产量分别为：浑河（清原段）8.09×104 t,苏子河5.80×104 t,社河1.17×103 t,水库周边小流域3.34×103 t。区内土壤平均侵蚀模数为37.76 t/(km2·a),小于200 t/(km2·a),根据土壤侵蚀分类分级标准(SL 190-2007)[21]可知,该区土壤侵蚀强度属于微度,与汇水区林地覆盖率较高的实际情况相符。由土壤侵蚀模数空间分布（图4）可知,浑河流域土壤侵蚀相对严重,其次是苏子河流域,社河流域较小。土壤侵蚀强度较大的区域为浑河的4、8、10、42及社河上游的30子流域,侵蚀模数在65.8~76.4 t/(km2·a)之间,属于微度侵蚀;其次为浑河的2、5、9、13、38及苏子河的29、36、44子流域,侵蚀模数为50.4~65.8 t/(km2·a);浑河的14、16,苏子河的34、35和社河的31子流域土壤侵蚀最弱,侵蚀模数为0.6~10.0 t/(km2·a)。
汇水区土地利用类型以林地为主,耕地为辅,耕地主要分布在河道两侧,且河流上游地区高于下游。本文将林地划分为疏林地、灌林地及有林地3种类型,耕地分为水田及旱田。各地类的土壤侵蚀模数特征如图5所示,旱田的土壤侵蚀模数最大,为579.22 t/(km2·a);林地的土壤侵蚀模数在0.046~1.78 t/(km2·a)之间,其中,疏林地>灌林地>有林地。区内旱田产生的泥沙量高达1.45×105 t,占流域产沙总量的94.4%,是流域汇水区泥沙产量的主要贡献者。
水库汇水区土壤侵蚀的空间分布特征与该区降水量的空间分布相似,土壤侵蚀与降水量有较强的相关性;另外,土壤侵蚀相对严重的子流域主要集中在3条河流的上游,分析原因为这些地区农业用地所占比重较大,加上子流域的平均坡度大于下游地区,因此,土壤侵蚀强度较高。综上,降水和土地利用类型是影响大伙房水库汇水区土壤侵蚀强度的重要因素。
研究区4 a年均农业非点源污染总氮和总磷产生量分别为1 248.83 t和102.88 t。其中,浑河流域的总氮和总磷产出最大,分别占总量的52.01%和52.43%;其次为苏子河流域,氮、磷贡献率分别为40.83%和40.48%;社河流域分别为4.82%和4.72%;水库周边小流域的贡献率最小。研究区不同土地利用类型的总氮和总磷产出相差较大,其中,耕地的总氮和总磷产生量分别为1 024.33 t和93.35 t,林地、草地等其他地类的产生量为224.50 t和9.53 t,耕地是区内氮、磷产出的主要贡献者。
根据总氮和总磷的模拟结果,可获取汇水区2006~2009年4 a年均农业非点源总氮和总磷负荷的空间分布,如图6所示。汇水区年均总氮负荷较大的地区为浑河的4、8、10、42子流域及苏子河的29、36、44子流域,单位面积产生量在3.63~4.78 kg/hm2之间;浑河的14、16,苏子河的25、34及社河的31子流域的总氮负荷较小,低于0.79 kg/hm2。流域平均总磷负荷为0.20 kg/hm2。总磷产出较大的地区位于浑河的2、4、10、42和苏子河的29、36、44子流域,单位面积产生量为0.32~0.43 kg/hm2;浑河的5、8、38及苏子河的20、26、41子流域的总磷负荷也较大,为0.26~0.28 kg/hm2;浑河的7、14、16,苏子河的25、34、35及社河的31、39子流域的总磷负荷较小,低于0.10 kg/hm2。
对比年平均氮、磷负荷的空间分布（图6）发现,浑河的4、10、42及苏子河的29、36、44子流域的总氮和总磷负荷均较高,主要是因为这些地区耕地所占比重较大,平均为26.8%,而汇水区平均耕地面积所占比重仅为9.7%。耕地由于施用化肥与农药等原因,表层土壤中硝酸盐态氮、有机氮、溶解态磷及泥沙结合态磷的含量较其他地类高,并且耕地土壤人为扰动剧烈,植物根系少于林地,对氮、磷营养物的拦截作用较弱。此外,子流域2、4、5、8、10和26、29、44分别位于浑河和苏子河上游,其土壤侵蚀强度较大,而氮、磷营养物易随土壤侵蚀产出,故总氮和总磷产出量较高。位于浑河的38和苏子河的41子流域总氮和总磷产出也较高,分别与降水量较大和分布着易于发生土壤流失的暗棕壤有关。
大伙房水库汇水区农业非点源污染的产生与流域降水量和土壤侵蚀模数有很好的相关性,土地利用类型、土壤类型等因素对其也有一定影响,其中,降水是土壤侵蚀的主要驱动力,土壤侵蚀强度直接影响氮、磷的流失量。
本研究检验了SWAT模型在大伙房水库汇水区进行农业非点源污染模拟的适用性,结合GIS软件,揭示了流域降水、产沙和氮、磷污染的空间分布特征,得出以下结论：
1) 在流域基础信息数据库的支持下,SWAT模型对大伙房水库汇水区水文和氮磷营养物的模拟具有较好的适用性。
2) 汇水区土壤侵蚀强度属于微度侵蚀,与其林地覆盖率较高的实际情况较为符合。流域的土壤侵蚀空间分布特征为降水量较大的浑河、苏子河以及社河上游地区的产沙量高于下游地区,河流附近农田较多的地区大于其他地区。
3) 汇水区年均农业非点源总氮和总磷污染负荷的空间分布特征表现为：浑河>苏子河>社河>水库周边小流域,流域上游高于下游;氮、磷的产出模数与流域降水强度、土壤侵蚀模数、土地利用类型和土壤类型等密切相关,产出较高的地区与土壤侵蚀较严重的地区大致相同,其土地利用类型主要为耕地,相应的土壤类型为棕壤性土和暗棕壤。
4) 为减少大伙房水库的农业非点源污染,保证大伙房水库的水质与生态安全,提高水库蓄水和防洪能力,应减少化肥农药的施用量并提高其利用率,恢复和修建能截留污染物质的缓冲带,加强大伙房水库汇水区的水土保持工作。
The authors have declared that no competing interests exist.
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