基于SWAT模型的小流域面源污染負荷時空分異研究——以重慶市萬州區陳家溝小流域為例

穆 婧，史明昌，郭宏忠，魏 曦，趙錦序

(1.北京林業大學林學院，北京 100083;2.重慶市水土保持生態環境監測總站，重慶 401147;3.北京地拓科技發展有限公司，北京 100084)

受水文循環過程、區域地理條件、土壤環境、土地利用類型等多種因素影響，加之污染物以擴散形式進入水體，其來源和排放點不固定，致使面源污染的研究和治理難度很大［1］。目前，在面源污染發生和發展規律的研究中，集成GIS、RS和DEM技術的分布式流域水文模型應用較多［2-4］，尤其是美國農業部(USDA)開發的 SWAT 模型在黃河［5］、長江［6］、海河流域［7］等都有較好的應用。相比之前應用在較大流域尺度上，本研究嘗試選取三峽庫區陳家溝小流域作為研究對象，利用SWAT模型進行面源污染的相關研究。由于面源污染是伴隨著降水和徑流過程產生的，而且小流域作為一個相對獨立的匯水單元，是污染物產生和面源污染發展的源頭，因此選擇小流域作為研究對象能夠更客觀地反映面源污染的發生發展規律。本研究利用SWAT模型分析陳家溝小流域面源污染的時空分布規律和不同土地利用類型的污染負荷差異，并根據污染物分布特點提出相應的防治建議，以期為類似地區的面源污染研究和防治提供參考。

1 研究區概況

選擇位于重慶市萬州區長嶺鎮喬家村的陳家溝小流域作為研究區。陳家溝小流域位于三峽庫區上游，總面積約6.26 km2，氣候溫和，日照偏少，無霜期長，年均氣溫16.1℃，年平均日照時數924 h，年降水量1 150 mm，降雨主要集中在5—9月［8］。流域內主要土地利用類型有耕地(水田和水澆地)、林地、園地、草地，其中耕地面積最大，占總面積的46.47%，林地和園地次之;水澆地主要種植小麥、油菜和玉米;水田多為梯田，主要種植水稻;林地主要是退耕還林地，多栽植松樹;園地主要種植柑橘等經濟林木。流域內面源污染問題較為嚴重，前期治理時在主要支溝設有監測和防治設施［9］。

2 研究方法

首先，通過實地監測調查，獲取研究區土地利用、土壤、氣象、流域出口斷面(徑流、泥沙和營養物質)以及流域管理措施等數據，利用DEM、遙感影像以及專題圖等資料獲取其他數據，對各數據進行分析處理，建立SWAT模型空間及屬性數據庫;然后，用2006—2007年的數據進行模型建立和參數率定，用2008—2009年的數據驗證模型的模擬精度和評估模型的模擬效果，得到適用于研究區的SWAT模型;最后，根據SWAT模型模擬結果分析研究區小流域面源污染的時空分布規律和不同土地利用類型污染負荷差異，并據此提出小流域面源污染防治建議。

2.1 實地監測調查

在研究區布設水文監測點和土壤監測點，其中水文監測點包括2個自然坡面、3個支溝和陳家溝小流域水文控制站(水土保持監測站);土壤監測點為在小流域內隨機均勻選取的20個點。結合研究區實際和SWAT模型對數據的要求確定監測指標:①水文指標，包括降雨量、徑流量、土壤侵蝕量、產沙量;②水質指標，包括6個水文監測點逐月pH值、懸浮物(SS)、總氮(TN)、氨氮(AN)、總磷(TP)、化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5);③土壤指標，包括土壤類型、土壤質地、pH值、土壤有機質、總氮(TN)、氨氮(AN)、總磷(TP);④農業管理指標，包括作物生長周期和化肥農藥使用量。監測時間為2006—2009年，水文水質數據的觀測頻率為3次/a，土壤數據為1次/a，農業管理數據為1次/a。

2.2 數據獲取與處理

SWAT模型的運行需要大量空間和屬性數據作為支撐，其中空間數據主要包括DEM、土地利用類型圖、土壤類型圖、水文和氣象站點位置信息、流域監測斷面位置信息等;屬性數據主要包括土壤理化性質、水文和氣象站點監測數據、農業管理措施數據以及流域內的徑流、泥沙、水質統計數據等。各數據的獲取方法分別為:采用1∶1萬地形圖獲取DEM;利用Quick bird遙感影像解譯獲取土地利用現狀圖;土壤類型圖根據實地監測和世界土壤中心數據獲取;氣象數據來源于距離陳家溝小流域最近的萬縣氣象站，監測時間為1999—2009年;其余數據均來源于實地監測。將空間數據轉換為.grd或.shp格式、屬性數據轉換為.dbf格式導入SWAT模型數據庫。

2.3 參數率定和模型驗證

由于SWAT模型是以美國的環境要素為對象開發的，因此在我國使用時要根據研究區的實地監測數據進行參數率定。采用 SWAT模型自帶的 Sensitivity Analysis模塊，對SWAT模型模擬過程中較敏感的41個參數進行敏感性分析。采用2006、2007年流域出口斷面監測數據建立模型，對徑流、泥沙、污染物等參數進行率定，再利用2008、2009年的監測數據進行模型驗證。選用 Nashe-Suttcliffe系數(Ens)［10］、相對誤差(Re)和相關系數(R2)作為評價指標，驗證結果遠優于Ens≥0.5、Re＜30%、R2＞0.6的限定閾值，說明模型精確度良好，可以用于研究區的模擬研究。

3 面源污染負荷分布規律分析

3.1 空間分布規律

根據 1999—2009年氣象資料，利用驗證后的SWAT模型模擬小流域面源污染狀況，將研究區劃分為15個子流域，得到各子流域單位面積的年均泥沙流失量和主要面源污染物負荷(圖1、2)。圖1為各子流域年均泥沙流失量，其中10、13、14、15號子流域泥沙流失量較大，1號子流域最小，其余子流域數值比較相近。圖2為各子流域主要污染物(硝態氮、有機氮)年均負荷，其中1號和5號子流域的硝態氮和有機氮負荷較大，12號子流域兩污染物負荷均為最小，其余子流域數值相近且規律相似。根據研究區土地利用和坡度分級資料，小流域上游東南方位(10、13、14、15號子流域)地形坡度較陡，分布有大面積林地和部分水田，下游西北方位(1、5號子流域)地形坡度較緩，主要是園地和農地。據此，分析出現圖1、2中情況的原因是上游陡峭的地形條件使得降水沖刷水田造成泥沙流失，而下游農田大量施肥導致污染負荷較大。

針對面源污染物在小流域內不同區域的空間分布差異，建議對小流域上游重點采取工程措施和林草措施，調整土地利用結構，減少泥沙流失;對下游采取控制化肥、農藥施用等農田管理措施，控制污染物輸出，減少水體中面源污染負荷;出于經濟考慮，對其他污染不嚴重的區域，可以預防措施為主。

3.2 時間分布規律

對SWAT模型模擬結果進行統計分析，得到1999—2009年研究區各月平均泥沙流失量、主要污染物負荷，見圖3、4。由于研究區主要施用碳銨肥、磷肥、尿素等，因此進行污染物分析時在硝態氮和有機氮的基礎上增加了有機磷負荷。由圖3、4知，泥沙流失量、主要污染物負荷高峰期均集中在4—10月，尤其是4月較3月增加明顯，這與研究區雨季分布時間基本一致?？梢?，降雨是造成研究區面源污染和泥沙流失的重要原因。雨季暴雨徑流沖刷地表，泥沙和化肥、農藥等隨農田排水系統、地下水滲透以及地表徑流等進入下游水體，造成水體面源污染加?。?1］。此外，據調查當地作物施肥多集中在每年4—6月，與4月份開始主要污染物負荷明顯增加的結果相吻合，說明農業生產中的化肥、農藥是造成面源污染的主要污染源。

針對研究區4—10月水體面源污染嚴重的情況，建議農田施肥時間應盡量避開雨季，加強田間管理，將田面水靜置一段時間后再排放;調整土地利用結構，在坡度較陡的地區實施退耕還林(草)，加強梯田建設和林地養護，嚴禁亂砍濫伐、破壞生態環境。

3.3 不同土地利用類型面源污染分布規律

研究區主要土地利用類型有水田、水澆地、林地、園地、草地等。根據SWAT模型模擬結果，不同土地利用類型年均泥沙流失量和主要污染物年均負荷見圖5、6。其中，耕地(水田和水澆地)泥沙流失量和主要污染物負荷均較大，是面源污染的主要來源，尤其是水澆地的污染負荷大于水田，而當地水田多為梯田，說明實施坡改梯有助于減少面源污染;林地的泥沙流失量和主要污染物負荷均最小，說明林地對面源污染具有削減作用;由于化肥和農藥的施用，園地的污染負荷較大;草地的泥沙流失量較大，這與草地覆蓋率較低有關。

由上述分析知，不合理的土地利用方式是造成面源污染的重要原因，因此在經濟和技術可行的前提下，合理調整土地利用結構，有助于減少面源污染的發生。結合研究區地形地貌和經濟發展狀況，建議在泥沙流失和污染負荷嚴重的地區實施退耕還林(草)，其他地區則通過實施坡改梯或采取種植等高植物籬等措施減少土壤流失;河道兩岸是接受污染物最多的區域，也是污染物過濾的最后一道防線，因此可以在河流兩岸布設植物緩沖帶，利用植物對污染物的削減作用達到凈化水質的目的;為合理施肥、科學用藥，建議在果園推廣測土配方施肥，加大低毒、無毒農藥的研制和使用;對原有草地進行補種，增加地表覆蓋，減輕徑流沖刷。

4 結語

結合實地監測調查和DEM、衛星影像、專題資料等，建立并驗證SWAT模型，經過參數率定，得出適用于研究區的SWAT模型，并利用模型模擬分析研究區面源污染負荷的時空分異規律以及不同土地利用類型污染負荷的分布規律，得出以下結論:

(1)在空間上，小流域內不同子流域的污染負荷存在差異。上游東南方向子流域，由于坡度較陡且分布有大面積林地和部分水田，在降雨的沖刷作用下，大量泥沙隨徑流進入水體，造成泥沙流失量增大;而下游西北方向子流域坡度較緩，主要是園地和農地，大量農藥、化肥隨降雨徑流進入水體，導致污染負荷增大。針對面源污染的空間分布差異，考慮經濟因素，建議在上游重點控制泥沙流失，下游采取田間管理措施，減少進入水體的化肥農藥量，其他區域則以預防為主。

(2)在時間上，小流域泥沙流失量和主要污染物負荷高峰期均集中在4—10月，與化肥、農藥施用期及降水分布期相吻合，說明降水是造成面源污染的主要驅動力，而化肥、農藥則是主要污染源。因此，建議農田施肥時間應盡量避開雨季，并加強田間管理，輔以工程措施，減少泥沙流失和污染負荷。

(3)不同土地利用類型面源污染負荷存在差異。耕地污染負荷最大，林地最小，說明不合理的土地利用方式是造成面源污染的重要原因。因此，要在經濟和技術可行的前提下，合理調整土地利用結構，例如對坡度大于25°的坡耕地實施退耕還林(草)。

(4)防治研究區面源污染應綜合考慮土地利用方式、小流域局部地形地貌、區域氣候差異以及治理和開發等問題，針對小流域的生態和經濟發展需要，處理好環境保護和經濟發展的關系，既要保證下游水源安全，又能改善當地農民的生產生活條件。

［1］梁常德.長江寸灘斷面以上流域輸入三峽庫區非點源氮磷負荷研究［D］.重慶:重慶大學，2006:1-4.

［2］王中根，劉昌明，吳險峰.基于DEM的分布式水文模型的研究綜述［J］.自然資源學報，2003，18(2):168-173.

［3］Xu Liang，Xie Zhenghui.A new surface runoff parameterization with subgrid-scale soil heterogeneity for land surface models［J］.Advances in Water Resource，2001，24(9-10):1173-1193.

［4］郭生練，熊立華，楊井，等.基于DEM的分布式流域水文物理模型［J］.武漢水利電力大學學報，2000，33(6):1-5.

［5］羅睿，徐宗學，程磊.SWAT模型在三川河流域的應用［J］.水資源與水工程學報，2008，19(5):28-33.

［6］馬廣文.長江流域農業區氮平衡研究［D］.呼和浩特:內蒙古師范大學，2008:59-78.

［7］張永勇，王中根，于磊，等.SWAT水質模塊的擴展及其在海河流域典型區的應用［J］.資源科學，2009，31(l):94-100.

［8］楊艷霞.重慶三峽庫區典型小流域面源污染研究［D］.北京:北京林業大學，2009:15-17.

［9］魏曦，史明昌，郭宏忠，等.小流域面源污染監測技術體系的構建［J］.中國水土保持，2010(11):15-16.

［10］Nash J E，Sutcliffe J V.River flow forecasting through conceptual models part I:A discussion of principles［J］.Journal of Hydrology，1970，10(3):282-290.

［11］毛戰坡，尹澄清，單保慶，等.研究濕地有效面積對暴雨徑流調控作用的多因子模型［J］.水利學報，2002(7):57-58.