基于SWAT模型对非点源污染分布特征的研究——以汾河上游为例.pdf

为了加快汾河流域水污染源治理，本文基于数字高程模型（DEM）、土壤类型、土地利用、气象、水文、农作物管理数据，构建了汾河上游 SWAT 模型，并对该地区非点源污染分布特征进行研究。研究结果显示：（1）汾河上游流域泥沙及总氮输出系数较大的区域集中于海拔较高、坡度较陡、耕地较多的中部、东部及东南部；总磷输出系数较大的区域集中于中部及中东部城镇、村庄等人类聚集地集中的地区；（2）汾河源头区，虽然海拔较高、坡度陡，但泥沙、总氮、总磷输出系数均较小，没有明显的非点源污染；（3）草地为泥沙和总磷的主要贡献来源，耕地输出系数对总氮的贡献比很大，林地对总氮和总磷的贡献较低，城镇的总氮和总磷输出系数较大，但是由于面积占比小，整体贡献较低。关键词：汾河上游SWAT 模型非点源污染中图分类号：X52文献标识码：C文章编号：1008-0120（2023）02-0045-05收稿日期：2023-05-25窑45窑2023 年第 2 期山西水土保持科技随着经济社会的快速发展，区域环境污染、生态失衡、资源枯竭等问题日趋突出，农业非点源是造成水环境逐渐恶化的重要原因之一。汾河上游是太原市重要水源地，本文对汾河上游流域非点源污染的分布情况基于 SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型进行模拟分析，可为汾河流域生态修复及保护工作提供理论基础和决策依据。本文通过卫星影像识别及解译、野外调查、资料收集、水文观测等调研方式和多种数据整理方法得到数字高程图、土壤分布图、土地利用类型分布图、农作物管理、气象站点分布图等格式统一的模型数据库，包括土壤、土地利用、气象、农作物管理和污染源数据库，利用 SRTM-30 m 数据将汾河上游流域划分为 35 个子流域，构建适用于汾河上游流域的SWAT 模型，模拟分析了汾河上游流域的非点源污染空间分布特征，研究了汾河上游流域不同土地利用类型对非点源污染源的贡献。1研究方法与数据来源1.1研究区概况汾河是山西最大的河流，也是黄河的第二大支流，自源头由北向南贯穿山西的 6 个市 45 个县，全长716 km，流域面积约 39 471 km21，占全省国土总面积的 1/4，流域内工业2、农业等各行业产值占全省经济的半数以上，被称为山西的“母亲河”。本研究所指汾河上游流域是从源头到汾河水库上游的河岔水文站，占汾河总流域面积的 1/10 左右4，占整个流域面积的19.57%，流经宁武县、岚县、娄烦县、静乐县、古交市五个县（市）3，辖区人口约占山西省总人口的 2.44%。汾河流域多年平均降水量在 434528 mm 之间，多年平均气温在 6.212.8益之间。1 月和 12 月是一年中降水量最低的月份，分别占年总降水量的 0.63%及 0.72%5，而约 24%年总降水量集中在 7 月。在汛期（6-9 月），径流量占年总径流量的比例基本在55%-62%之间6。汾河上游地区植被覆盖率高，乔灌草等植物群落相互作用，形成不同的植物组合。乔木种类多，主要有油松、侧柏、杨树等高大乔木7。在 1 4001 800 m 海拔的广大丘林沟壑地区，多以灌草植物为主，如紫穗槐、柠条、白羊草、苜蓿草等。在地下水位较高的河谷区的低洼地带，土壤湿度较高，多分布有草甸植物，均为喜湿的芦苇、蒲草8等植物。由于地质、水文、气候条件的共同作用，形成以褐壤土、棕壤土、草甸土为主的土壤类型9。其中褐壤土主要作为耕作土存在。1.2研究数据构建 SWAT 模型，需要大量的空间数据和属性数据支撑10。主要包括：DEM数字高程栅格数据（数据来源：中国科学院地理空间数据云，格式：30 m 分辨率，年份：2015 年）、土壤分类栅格数据（数据来源：中国土壤数据库，格式：1颐100 万，年份：2016 年）和土地利用栅格数据等空间数据（数据来源：中国科学院地理空间数据云，格式：Landsat-7 遥感影像解译，年份：2017年）；气象站日观测数据，如太阳辐射、降雨量和温度等（数据来源：气象科学数据共享服务网，年份：2009-2019 年）；河岔水文站月观测数据，如污染物量、泥沙量、径流量等（数据来源：山西省水利厅，年份：2009-2019 年）；主要农作物管理数据等属性数据（数据来源：太原市、忻州市生态环境局、农业统计年鉴，年份：2009-2019 年）。1.3汾河上游流域 SWAT 模型构建以获取的数字高程、土壤、土地利用、气象、农作物管理等及径流、泥沙和污染物等数据为基础，利用Arcgis10、SPAW、MATLAB、WGEN、pcpswat以及dew02等软件，经过镶嵌、掩膜提取、数据标准转换、重分类、重采样、坐标投影转换等操作以及一系列的计算，生成河网水系、子流域划分、土壤物理化学数据库、土地利用数据库、气象农作物管理数据库、污染源数据库构建11，最终构建完成 SWAT 汾河上游流域模型。将 2009 年作为预热期，2010-2016 作为率定期，2017-2019 年作为验证期，输出径流、泥沙、氮、磷污染物模拟结果。为提高模型的适用性，以河岔水文站 2009-2019年每月实测的径流、泥沙、氮、磷污染物数据为观测值，对模型中水文、泥沙、氮、磷污染物等涉及的参数使用 sensitivity analysis 软件12、SWAT-CUP 软件中的SUFI-2 反演算法及结合人工校正法13，进行参数敏感性分析、参数率定，使用百分比偏差（PBIAS）、判定系数（R2）、纳什系数（NSE）14等统计指标，对模型适用性进行评价。结果显示：径流、泥沙、氮、磷模拟结果和实测值总体拟合度较好，率定期和验证期R2、NSE 均大于 0.5，PBIAS 均小于 25%，说明构建的SWAT 模型对研究区水文模拟适用性非常好，对泥沙、总氮、总磷模拟适用性好。证明 SWAT 模型在汾河上游流域的模拟应用中具有较好的适用性。模型性能等级的评价标准见表 1，参数率定及模型适用性验证结果见表 2。窑46窑2023 年 6 月王锦志赵喜萍刘林李泽利基于 SWAT 模型对非点源污染分布特征的研究以汾河上游为例a.泥沙b.总氮c.总磷图 1基于 HRU 污染物输出系数空间分布图泥沙输出系数（t/km2）02 5002 5015 0005 0018 0008 00115 00015 00118 618总氮输出系数（kg/ha）0.003.003.016.006.0113.00总磷输出系数（kg/ha）0.000.300.311.001.011.50kilometres03 61218kilometres0361218kilometres03612182汾河上游流域非点源污染解析2.1基于 HRU（水文响应单元）解析2.1.1泥沙输出系数源解析由图 1a 可知汾河上游流域大部分区域侵蚀模数小于 2 500 t/（km2 a），属于轻度侵蚀。与 DEM 图及土地利用图比较来看，研究区北部由于为汾河源头区，多年来不间断的植树造林生态治理，使得主要土地利用类型为林地，加之各项水土保持工程措施的使用，虽然海拔较高、坡度陡，但是并没有明显的泥沙流失情况；研究区的中部及东部区域是以耕地为主的土地利用类型，虽已实施部分生态治理措施，但还未成体系，虽然坡度不高，但由于人为的扰动等因素，使得泥沙流失也较为明显。2.1.2总氮输出系数源解析图 1b 可知流域整体总氮输出系数低于 15 kg/ha。其中，流域西北部源头区总氮输出系数低于 3kg/ha，流域主河道附近的总氮输出系数普遍在 36 kg/ha之间，且在南部较为集中，南部出口处的总氮输出系数最高。与流域 DEM 和土地利用相比，对总氮输出系数影响较大的是土地利用类型，在流域源头区总氮输出系数低，主要是由于该区域主要土地利用类型为林地及草地等非耕作用地，化肥使用量极少；在主河道两侧坡度较缓地区总氮输出系数较高，主要是由于这些区域的土地利用主要为耕地，大量化肥的使用，使得该区域总氮输出系数较高。性能等级R2和 NSEPBIAS/%径流泥沙氮、磷非常好0.75R2（NSE）1PBIAS10PBIAS15PBIAS25好0.65R2（NSE）0.7510PBIAS1515PBIAS3025PBIAS40令人满意0.50R2（NSE）0.6515PBIAS2530PBIAS5540PBIAS70一般R2（NSE）0.50PBIAS25PBIAS55PBIAS70表 1统计指标对模型性能等级的评价标准表 2河岔水文站径流、泥沙及营养盐率定与验证结果模拟指标率定期（2010-2016）验证期（2017-2019）性能等级R2NSEPBIAS/%R2NSEPBIAS/%径流0.9120.901-5.60.8610.812-6.5非常好泥沙0.7010.689-12.40.7240.731-10.2好总氮0.7010.68414.20.7210.71312.9好总磷0.6590.66216.40.6710.66915.2好窑47窑2023 年第 2 期山西水土保持科技2.1.3总磷输出系数源解析由图1c可知流域整体总磷输出系数低于1.5kg/ha，且大部分区域的总磷输出系数低于 0.3 kg/ha；主要的输出系数贡献子流域集中在研究区中东部区域，北部和南部的输出系数较小，且东部比西部的总磷输出系数偏高。与流域 DEM 和土地利用图相比，土地利用类型和坡度对总磷输出系数都有较大影响，在研究区中东部区域坡度较陡，且耕地面积较大、城镇及村庄较多且集中。2.2汾河上游流域污染分类源解析使用已针对流域实测数据校准的 SWAT 模型，基于不同土地利用类型，得到了多年平均的污染物负荷来源贡献比例构成，以及不同污染物的输出系数贡献比例，详见表 3 和表 4。泥沙：由表 3 可知，草地的泥沙输出系数最高为836 t/km2（49%），其次是林地 747 t/km2（44%），耕地和城镇输出系数相差不大，分别是 64 kg/km2（4%）和45 kg/km2（3%）。由表 4 可知，草地为泥沙主要来源，占比高达 60%，主要是由于草地的泥沙输出系数高而且占地面积最大；其次是林地，占比 37%，主要原因是林地面积大且泥沙输出高；城镇的输出系数与耕地接近，但是面积占比小，因此负荷贡献并不大，耕地占比 3%。总氮：由表 3 可知，耕地的总氮输出系数最大750.8 kg/km2（61%），其次是城镇 372.04 kg/km2（30%），林地和草地输出系数相差不大，分别是 40.81 kg/km2（3%）和 65.78 kg/km2（6%）。可见，由于化肥的使用，耕地成为流域范围内最主要的氮污染贡献源。由表 4可知，耕地依然是总氮负荷的主要来源，占比高达86%，主要是因为耕地的面积和总氮输出系数都很高；草地仅为 10%，没有对泥沙负荷的贡献大，虽然草地是该区域最大的土地利用类型，但是其总氮输出系数很低；林地的总氮负荷贡献与对泥沙负荷贡献比例相似（6%），城镇由于面积占比很小，所有负荷贡献几乎忽略不计。总磷：由表 3 可知，城镇的总磷输出系数占比最高为 83.96 kg/km2（80%），草地其次为 10.68 kg/km2（10%），耕地和林地各占 10%，输出系数约为 5kg/km2。总磷输出系数贡献比，城镇都是贡献最大者，其次为草地、耕地和林地，农作物施肥由于施磷肥量少，作用不明显。由表 4 可知，总磷的负荷贡献最大的来源为草地占比 58%，很大原因是由于草地占比面积大，而且输出系数比耕地和林地高；耕地和林地的总磷输出系数各占比 21%，主要是因为他们在流域范围内面积相似，而且总磷输出系数一样；城镇虽然输出系数最高，但是面积很小，贡献忽略不计。3结论与讨论（1）本文分析了汾河上游非点源污染空间分布特征。研究表明，汾河上游流域泥沙及总氮负荷和输出系数较大的区域集中于研究区的中部、东部及东南部。中部及中东部总磷输出系数较大，泥沙、总氮、总磷负荷和输出系数均较小，没有明显的面源污染情况。这些结论与胡文慧等人15、柴国平16、张学慧等人17对汾河流域非点源污染空间分布特征研究结论一致。（2）本文研究了不同土地利用类型对污染源的贡献。研究结果显示：草地为泥沙和总磷的主要贡献来源，耕地不论是负荷还是输出系数对总氮的贡献比很大，整体上林地对总氮和总磷的贡献比较低，城镇的总氮和总磷输出系数较大，但是由于面积占比小，整体贡献较低。该结论与相关研究18-19模型模拟的泥沙和氮、磷污染物主要来源为农田的结论有较大差异。土地利用类型泥沙输出系数泥沙负荷总氮输出系数总氮负荷总磷输出系数总磷负荷t/km2t/akg/km2t/akg/km2t/a耕地64.761 312.7750.8711.55.034.77城镇45.720.8372.00.283.960.04林地747.3650 464.040.835.55.414.71草地836.01 050 749.065.882.710.6813.43土地利用类型泥沙输出系数泥沙负荷总氮输出系数总氮负荷总磷输出系数总磷负荷耕地3.823.4861.0785.734.7920.78城镇2.700.0030.260.0279.900.17林地44.1336.903.324.285.1520.54草地49.3659.625.359.9610.1658.52表 3汾河上游流域多年平均污染分类源解析评估结果表表 4汾河上游流域污染分类源解析贡献评估结果表（%）窑48窑2023 年 6 月3.2产沙分析结果保土方面，植物措施自然植被、乔木、灌木的效果要优于白羊草。工程措施水平沟、水平阶、石坎梯田优于鱼鳞坑和隔坡梯田。3.3效益分析结果植物措施在蓄水保土效果方面，自然植被跃乔木跃灌木跃白羊草。工程措施在蓄水保土效果方面，水平沟、水平阶、石坎梯田优于鱼鳞坑和隔坡梯田。作者简介贾俊杰（1990-）：男，工程师；主要从事水资源及水土保持方面的研究；E-mail：小区编号产生径流降雨量/mm径流深/mm土壤流失量/t/hm2蓄水量/mm 蓄水效益/%保土量/t/km2保土效益/%A920.4168.618.824 4B649.91.30.012 5167.399.23%18.811 999.93%C920.47.30.204161.395.67%18.620 498.92%D778.32.50.015 7166.198.52%18.808 799.92%E845.12.90.013 9165.798.28%18.810 599.93%F920.45.90.147 8162.796.50%18.676 699.21%G803.51.80.021 2166.898.93%18.803 299.89%H657.51.50.012 1167.199.11%18.812 399.94%I920.47.60.055 616195.49%18.768 899.70%J778.32.10.007 6166.598.75%18.816 899.96%注：蓄水保土效益=（裸地小区-措施小区）/裸地小区*100%表 4各小区蓄水保土效益情况表参考文献1邹琴英，师学义，张 臻.汾河上游土壤侵蚀时空变化及景观格局的影响J.水土保持研究，2021，28（4）：15-21.2朱宇恩，文瀚萱，李唐慧娴，等.汾河沿岸农田土壤微塑料分布特征及成因解析J.环境科学，2021，42（8）：3894-3903.3师海鸥.汾河上游土地利用类型的生态系统服务价值研究J.山西水土保持科技，2016（2）：22-24.4刘 林，李金峰，李泽利，等.汾河上游流域 SWAT 模型构建及适用性评价J.人民黄河，2020，42（11）：58-62+96.5焦 鹏，赵臻真，赵春敬.汾河流域近 60 年降水特征及趋势分析 C/中国水利学会.2022 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模型对非点源污染分布特征的研究以汾河上游为例窑49窑