遼河重污染支流招蘇臺河徑流和泥沙模擬研究

湯 潔，張愛麗，侯克怡，李昭陽，田 雷，林曉晟，王 博

（吉林大學 環境與資源學院，長春130012）

由于自然因素及人類對水土資源的不合理開發利用，土壤覆蓋物遭受破壞，在外力作用下易引發水土流失。我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，水土流失面積已達到367萬km2，占國土面積的38.2%，每年土壤流失量為50億t［1－2］，總體上呈現強度高、發展快、成因復雜、危害嚴重等特征。水土流失的危害主要表現在降低土壤肥力、泥沙淤積阻礙地表徑流，導致土地荒漠化等，另外，泥沙具有相當數量的黏土礦物和無機、有機膠體，在水體中是很好的吸附劑，多種污染物質可附著于泥沙顆粒表面，隨泥沙運移進入河流，帶來嚴重的環境問題。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一個連續模擬地表徑流、泥沙和非點源污染的分布式水文模型，集成了3S技術、徑流曲線數法（SCS）及修正的通用土壤流失方程（RUSLE），SWAT模型以其強大的功能、先進的模型結構及高效的計算，在水文模型中占有重要的地位，已成為現代水文模擬研究的熱點［3］。國內外學者開展了大量的水文模擬研究，并對土地利用、氣候及其他情景變化的水文效應進行分析［4－8］，證明了SWAT模型在模擬地表徑流、地下徑流、泥沙的有效性。

招蘇臺河流經吉林省四平市，是重要的農業灌溉水源和污染物受納水體。近年來，由于人類無節制的開發，地表植被破壞嚴重，水土流失和水體污染等生態環境問題日益突出，給農業生產帶來極大的安全隱患。本文應用SWAT模型模擬吉林省境內招蘇臺河流域的2004—2009年徑流及輸沙量，以期為研究區水土保持和河流污染治理提供數據和管理決策支持。

1 研究區概況

招蘇臺河發源于四平市梨樹縣三家子鄉，是遼河的一級支流，由東向西流經梨樹縣梨樹鎮、郭家店鎮等7個鄉鎮，在該縣四棵樹鄉流入遼寧省，在遼寧省通江口鄉匯入遼河（圖1）。招蘇臺河流域地理位置位于東經124°17′—124°57′，北緯44°13′—44°35′，流域面積1 120km2，吉林省境內長度103km。流域處于溫帶和暖溫帶，具有大陸性和季風性氣候特征，氣溫低，寒冷周期長。該河徑流量年內分布具有明顯的季節特點，6—9月份為豐水期，徑流量占年徑流量的60%～70%，3—5月和10月份為平水期，11月份進入枯水期，流量顯著減少。

圖1 招蘇臺河流域地理位置及站點

招蘇臺河流域以農業種植和牧業養殖為支柱產業，無工業企業，流域內水體污染以農業面源污染為主，據2010年的統計數據，流域內共有耕地856.27 km2，占土地總面積的76.59%，養殖場及養殖小區202家。梨樹縣環境監測數據顯示，招蘇臺河2004—2010年多個斷面為劣Ⅴ類水質，是遼河流域跨省界河流污染最嚴重的支流之一。隨徑流和泥沙攜帶進入河流的面源污染物是造成水體污染的重要原因，因此，研究重污染河流徑流和泥沙的運動規律，對于流域水土保持和水污染治理具有十分重要的意義。

2 模型與數據處理

2.1 SWAT模型

SWAT模型由美國農業部（USDA）農業研究局（ARS）基于SWRRB模型開發的流域尺度模型，屬物理模型，適用于具有不同土壤類型、土地利用和管理方式下的復雜流域的模擬，可在資料缺乏的地區建模，模型在美國、加拿大、中國等40多個國家有廣泛應用，主要集中在模擬地表水和地下水的水質、水量，預測土地管理措施對大尺度流域的水文、泥沙和非點源污染等方 面［5，9－13］。SWAT 模型主要包 括 水 文過程、土壤侵蝕和污染負荷三個子模型。水文過程可分為水循環陸地階段和水循環水面階段。水循環陸地階段指的是流域的產流和坡面匯流，控制著每個子流域內主河道的水、沙、營養物質等的輸入量；水循環水面階段也就是河道中的匯流部分，決定了水、沙等物質向流域出口的輸移運動。土壤侵蝕子模型使用RUSLE方程計算泥沙的生成量，方程用徑流代替降水因子，改善了泥沙量的預測。污染負荷子模型可用來模擬氮、磷污染負荷及其在河道中的遷移轉化過程［10，14］。

2.2 數據庫構建

數據庫對SWAT模型的運行至關重要，模型通過調用數據庫提取流域、地形、土壤等信息模擬流域的水文特征及物質的遷移轉化。模型模擬所需數據主要有空間數據、非空間屬性數據，以及用于校準、驗證的水文監測數據?？臻g數據庫包括數字高程模型（DEM）、土地利用圖、土壤類型圖等，其建立和管理均由ArcGIS 10.0軟件完成。所有圖件的地理坐標設為WGS1984，為保證投影后面積的真實性，本研究采用Albers等積圓錐投影。非空間屬性數據一般考慮氣象資料和土壤屬性數據。SWAT模型數據庫及數據來源見表1。

2.3 模型校準與驗證

本文利用2004—2007年、2008—2009年的徑流、泥沙等水文監測數據進行校準與驗證，選用相關系數R2、相對誤差Re和Nash－Suttcliffe系數Ens用于評價模擬值與實測數據的吻合程度。R2可通過線性回歸的方法得到，Re和Ens計算公式為：

式中：Q0——實測值；Qp——模擬值；Qavg——實測平均值；n——實測數據數量。模型校準要求年徑流量Re＜20%、年泥沙負荷Re＜30%，月均值的評價系數R2≥0.6，且Ens≥0.5。

表1 SWAT模型數據庫及數據來源

2.4 SWAT模型運行

SWAT模型基于DEM在面積閾值為18km2的尺度上提取流域的水系，應用Burn－In功能以現有水系為基礎調整后，將研究區劃分為27個子流域（圖1）。模型根據土地利用、土壤類型等空間信息，以子流域為單位劃分水文響應單元（HRU），以反映不同組合間的水文特征。綜合分析各子流域土地利用和土壤類型組合及分布，將其最小面積閾值比分別定為4%和5%，即小于閾值的土地利用及土壤類型重新劃分，與其他類型合并，土地利用圖和土壤類型圖疊加后，共劃分為153個水文響應單元。

通過SWAT模型的敏感性分析模塊，確定對模擬影響較大的敏感因子：SCS徑流曲線系數（CN2）、土壤蒸發補償系數（ESCO）、土壤可利用水量（SOIL＿AWC）、最大冠層需水量（CANMX）、基流α系數（ALPHA＿BF）等?；诿舾行苑治龅慕Y果及梨樹水文站的監測數據，對年徑流量、月徑流量、年輸沙量和月輸沙量依次進行校準，2004—2007年為校準期，2008—2009年為驗證期。年徑流量Re為14.47%，年泥沙負荷Re為4.4%，月校準和驗證的結果見表2、圖2，表明SWAT模型應用在招蘇臺河流域徑流和輸沙量的評估和預測研究是可行的。

表2 招蘇臺河流域校準和驗證結果

3 結果與分析

根據SWAT模型模擬結果，招蘇臺河流域2004—2009年6a的年均徑流量為1.64m3／s，入河泥沙量、輸沙量分別為6.90萬t、6.71萬t，在河道中輸移損失0.19萬t，土壤侵蝕模數為62.93 t／（km2·a），根據水利部土壤侵蝕分類分級標準［15］，侵蝕強度屬于微度侵蝕?；赟WAT 模型年模擬結果，統計不同土地利用類型的產沙量。耕地產生的泥沙量為6.48萬t／a，占總量的93.86%，居民地的產沙量為0.42萬t／a，占總量的6.13%，林地、草地等的產沙量占總量的1.00%；耕地的土壤侵蝕模數為79.02 t／（km2·a），林地為0.17t／（km2·a），草地為0.65 t／（km2·a）。因此耕地是該河泥沙產生的主要來源。

3.1 模擬結果時空分析

3.1.1 時間分析 由圖2可以看出，枯水期、平水期和豐水期的徑流量差異顯著，平均徑流量分別為0.45，0.91，3.71m3／s?？菟谔幱诙?，河水結冰，基本無徑流量，或以污水為主的少量徑流；豐水期徑流量較大，在7月、8月份達到峰值，這與降雨的峰值相一致，降雨是直接補給徑流的主要途徑。招蘇臺河輸沙量最大值亦出現在7月、8月份，即隨著降雨量的增大，土壤侵蝕的強度和泥沙的輸移能力均明顯提高。輸沙量在3月份出現小峰值，其原因是春季融雪產流，導致沒有植被覆蓋的表層土壤易隨徑流進入河流。

對2004—2009年模擬結果的統計分析表明（表3），徑流量與降雨量呈顯著正相關，相關系數R2為0.88（P＜0.05），降雨是水文循環的直接動力，是影響徑流的重要因素。輸沙量與徑流量的R2為0.58（P＜0.1），有一定的相關性，這是因為河道產沙伴隨著水文循環過程發生，但也較多受到植被類型、地形、土壤侵蝕因子、農業管理和水土保持措施等的影響，導致二者的相關系數較小。

3.1.2 空間分析 由招蘇臺河流域不同子流域年均產流和產沙的空間分布可以看出（圖3），子流域18及河流發源地（子流域19，22，26）對流域年徑流量貢獻較大，4個子流域產生的年徑流量為0.36億m3，占流域總量的32.45%，為流域的主要產流區。產沙量較大的是子流域5，10，18，19，22，26，產沙量達2.93萬t，占總產沙量的42.50%，是流域主要的產沙區。比較子流域的坡度發現，產流、產沙大的子流域平均坡度大于其他子流域，且土地利用以耕地為主，地理特征及土地利用類型為產流、產沙提供了良好的條件。

圖2 2004－2009年逐月徑流量和輸沙量模擬與實測結果

表3 招蘇臺河流域2004－2009年模擬結果

圖3 研究區年徑流量和產沙量空間分布

3.2 水土保持措施模擬

利用SWAT模型模擬水土保持措施，對于制定和實施水土保持措施具有理論指導意義，以往研究表明［16］，研究區坡度不同，所采取的水土保持措施也有所差異。應用ArcGIS 10.0軟件，基于DEM提取流域坡度（表4）。區內坡度以0～6°的平耕地為主，占流域總面積的95.61%，坡度大于6°的面積為49.08 km2，僅占總面積的1.39%。根據招蘇臺河流域平耕地的土壤類型以黑土和草甸土為主的特點，適宜在河流兩岸修建植被緩沖帶，以減少水土流失量。以往研究表明，河岸的植被保護緩沖帶能有效攔截進入河流的泥沙、氮、磷等污染物質，改善水體水質，且在緩沖帶內種植灌木、喬木等根系發達的植物可起到更好的固土作用［14，17－19］。

表4 招蘇臺河流域坡度分布

為探討緩沖帶對招蘇臺河流域徑流和泥沙的影響，本文利用SWAT模型中土地管理和情景模擬模塊設定不同控制措施情景，結果見表5。

表5 不同植被緩沖帶情景下產沙量模擬結果

植被緩沖帶具有降低洪枯比的作用，可有效改善水文循環。修建緩沖帶后年均徑流量為3.01m3／s，較無緩沖帶時增加了83.5%，緩沖寬度對徑流的影響不顯著。分析其原因，植被緩沖帶能改變流域水文條件，增加枯水期的流量，另外，研究區地處東北寒冷地區，冬季積雪80～120d，植被緩沖帶具有較好的滯留雪的能力。春季融雪時，有植被覆蓋區域的反射率較其他地區高，因而可以吸收的太陽能量、蒸騰量相應有所減少，有利于增加徑流補給［20］。相對于無水土保持措施，修建1m，2m，5m，10m，15m緩沖帶使研究區泥沙入河量分別降低了22.56%，27.84%，39.18%，50.85%，57.43%。緩沖帶對入河泥沙量有一定的削減作用，且呈現出寬度越大，削減效果越好的趨勢。緩沖帶的功能隨時間有顯著變化，分析2004—2009年修建緩沖帶后入河泥沙量，2005年開始明顯減小，之后趨于平緩，但在實際應用時，由于受到植被生長周期的影響，截留泥沙量是一個緩慢的過程。植被緩沖帶減少泥沙是因為植被緩沖帶改變了原有地表植被類型和微地形，保護土壤團聚體避免降雨的直接破壞，從而影響土壤侵蝕的動力和抗侵蝕阻力系統，減少土壤侵蝕作用［21］。

4 結論

（1）對模型進行校準和驗證后，評價參數均滿足要求，表明SWAT模型對招蘇臺河流域的應用研究是可行的。

（2）招蘇臺河流域年平均徑流量、輸沙量為1.64 m3／s、6.71萬t，土壤侵蝕強度屬于微度侵蝕。徑流量、輸沙量的年內分布具有季節性特點，7月、8月份徑流量和輸沙量達到峰值。產流、產沙與地形和土地利用類型有關，產流量較大的是子流域18，19，22，26，占總量的33.07%；產沙量較大的子流域是5，10，18，19，22，26，占研究區總量的42.69%。

（3）河流兩岸修建植被緩沖帶后年徑流量有所增加，泥沙入河量顯著減少，緩沖帶可有效改善水文循環，緩沖帶的寬度應綜合考慮流域地形、坡度、土壤結構、植物類型等因素進行確定。

（4）招蘇臺河兩岸目前多為耕地，無任何河岸護坡設施，居民區附近畜禽糞便及生活垃圾隨意堆放，泥沙運移易攜帶大量的污染物和植物性營養物進入河流，導致水體污染嚴重。因此，揭示泥沙產生、運移的規律，實施有效的水土保持工程，不僅可減少水土流失量，也是改善河流污染，減緩跨省界河流污染負荷的重要措施。

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