基于SWAT模型的尼山水庫面源污染最佳管理措施研究

曲 玲， 于志強， 郝啟勇， 孫秀玲， 尹兒琴

(1.山東省水文中心， 山東 濟南 250002； 2.山東省煤田地質規劃勘察研究院， 山東 濟南 250104；3.山東大學 土建與水利學院， 山東 濟南 250061； 4.山東農業大學 水利土木工程學院， 山東 泰安 271018)

1 研究背景

我國流域管理基本實現了對點源污染的有效防控，而面源污染的嚴重性逐漸凸顯[1]。據《第二次全國污染源普查公報》，面源總氮(TN)排放量占總排放量的46.52%，總磷(TP)排放量占比更是高達67.22%[2]。由于面源污染具有隨機性、分散性、廣域性等特點，其治理難度非常大[3]，實施最佳管理措施(best management practices, BMPs)是目前公認的控制面源污染的有效手段[4]。鑒于流域尺度下的氣候、地理及農業經濟的復雜性，BMPs措施的制定、實施和評估需要借助水質模型[5]。

SWAT(soil and water assessment tool)模型可有效模擬多種物理化學過程并能預測不同管理方式對復雜流域水文、水質、沉積物及養分輸出的影響，在面源污染的BMPs研究中得到了廣泛的應用[6]。王敏等[7]利用SWAT模型對安徽省兆河流域進行了面源污染的最佳管理措施分析，發現通過植草河道和植被過濾帶等工程措施并增加化肥埋深和削減施肥量等非工程措施，可以有效控制面源污染。郭英壯等[8]利用SWAT模型對潮河流域的面源污染進行了最佳管理措施的配置，提出可優先采用植被緩沖帶、退耕還林和減少化肥施用量等效率高的措施。Hanief等[9]利用SWAT模型模擬了BMPs對Grand 流域沉積物和養分輸出的影響，發現植被緩沖帶可分別減少沉積物和磷負荷的23%和50%，生態溝可分別減少15%和17%。Liu等[10]利用SWAT模型分析了BMPs對緩解三峽庫區香溪河流域面源污染的有效性，結果表明退耕還林使香溪河流域的徑流和面源污染負荷均有明顯減??；保護性耕作和等高線耕作可分別使徑流減少15.99%和9.16%，總氮減少8.99%和8.00%，總磷減少7.00%和5.00%；減少肥料施用量與總氮和總磷污染負荷降低量成正比。馬放等[11]利用SWAT模型的情景模擬表明，化肥減量、等高種植、退耕還林和植被過濾帶均能削減阿什河流域面源污染的總氮與總磷負荷，其中植被過濾帶的削減作用最為明顯。

目前，國內在面源污染的BMPs應用上基本依賴于國外經驗和系統，同時由于BMPs種類繁多，應用地區地形條件復雜，無法采用標準化的優化設計[12]。本研究采用已構建并通過率定的SWAT模型[13]對尼山水庫面源污染設置不同的控制措施，對比其削減效果，并分析氮、磷污染負荷削減的時空變化特征，旨在為尼山水庫流域的面源污染治理提供技術支持。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

尼山水庫位于山東省曲阜市東南尼山鎮境內(117°08′～117°21′E，35°22′～35°34′N)，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、供水、養殖、生態旅游等綜合利用的大型水利工程，總庫容為1.128×108m3，流域面積為258.57 km2，尼山水庫流域圖見圖1。

圖1 尼山水庫流域概況 圖2 尼山水庫流域坡度分布

庫區流域處于魯中山地向魯西南平原過渡地帶，東南側是由麻巖組成的構造剝蝕丘陵區，西部和北部是由石灰巖及砂質巖組成的構造侵蝕淺山區，山上及山谷植被稀少，水土流失較為嚴重。尼山水庫流域海拔在101～615 m之間，坡度在0.00°～59.54° 之間，尼山水庫流域的坡度見圖2。

流域內主要土地利用類型為耕地和林地，分別占流域總面積的56.44%和21.48%，尼山水庫流域的土地利用分布見圖3。

圖3 尼山水庫流域土地利用分布 圖4 尼山水庫流域年降雨量空間分布(2018年)

流域內降水分布的年際變化和季節變化較大，年內雨季多集中在6-9月份。2018年尼山水庫流域降水量為481.58～672.81 mm，平均為545.77 mm，降水量整體變化趨勢為流域南部大于北部，西部大于東部，2018年尼山水庫流域的降雨量空間分布見圖4。

2017-2020年尼山水庫的水質不能滿足水功能要求，富營養化率高達89.58%，其中總氮超標嚴重，超標率達79.17%，最大超標倍數為11.2倍，總磷超標率為4.17%，最大超標倍數為2.4倍。為此，在實地調查的基礎上，利用已通過率定和驗證的SWAT模型對流域內的面源污染進行了模擬分析，發現肥料流失是造成尼山水庫流域面源污染的重要原因，其總氮、總磷分別占流域總負荷的39.85%和52.95%[13]。

2.2 數據來源及模型構建

利用尼山水庫流域的數字高程圖、土地利用圖、土壤類型圖等空間數據和氣象、水文、水質、土壤屬性、污染源等屬性數據構建SWAT模型數據庫，模型所需數據具體見表1。

表1 尼山水庫流域SWAT模型所需數據[13]

因SWAT模型僅支持單出口水系流域模擬，而尼山水庫主要入庫河流有3條，因此在流域劃分過程中采用burn in功能加入參考數字河網水系，并在各河流入庫口及監測斷面處人工導入子流域出口點位，通過匯流計算，得到子流域邊界與相應的河網水系，在后續模擬最佳管理措施時均以河流入庫口以上流域模擬數據進行分析計算。

尼山水庫流域總共被劃分為57個子流域和1 069個水文響應單元[13]。 模型運行成功后，對其參數進行了調試和優化，并利用相關系數(R2)和納什系數(ENS)對模擬結果進行評價。模型參數率定采用SUFI-2算法， 利用SWAT-CUP軟件，在參數范圍內采用替換原有參數值和模型參數乘以率定值兩種方法進行修改。對參數優化后模型的驗證結果表明，模型在率定期和驗證期的徑流、總氮和總磷的模擬值與實測值均表現出較好的吻合性(R2>0.6，ENS>0.5)，說明構建的SWAT模型對尼山水庫流域的面源污染模擬結果可信[14]。

2.3 研究方法

根據尼山水庫流域面源污染負荷輸出的空間特征、污染源組成及地形特點，分別從源頭控制、過程阻截和兩者的綜合，設置了12項控制措施情景，利用SWAT模型模擬2018年BMPs對尼山水庫面源污染的削減效果，具體見表2。本次模擬設置假設研究流域內全部耕地都已施行測土配方，以化肥的使用量分別減少10%、20%、30%、40%、50%，依次設定為情景1～5；通過將子流域內坡度大于12°的耕地設定為林地，模擬退耕還林效果，設定為情景6；通過將子流域內坡度小于12°耕地的水土保持因子(USLE_P)設定為0.6，子流域內坡度大于12°耕地的水土保持因子(USLE_P)設定為0.8，水分條件Ⅱ時的初始SCS(soil conservation service)徑流曲線數(CN2)設為70，來實現提高水土保持效果和等高種植代替順坡種植的操作，設置為情景7；當坡度大于12°時，布設寬度為1.2 m、深度為0.6 m的生態溝，設置為情景8；當坡度大于12°時，植被緩沖帶面積占農田面積的比例為0.01，緩沖帶長度為1 000 m，設置為情景9；根據實際應用情況，將源頭控制措施與過程阻截措施相結合，構成3種綜合措施，分別設置為情景10～12。

表2 尼山水庫流域BMPs的模擬情景設置

3 結果與分析

3.1 BMPs對面源污染負荷的削減

不同控制措施下污染物削減的模擬結果見圖5。由圖5可以看出，當施肥量減少10%(FR10)時，總氮和總磷的年均排放量分別削減18.07%和28.25%；當施肥量減少20%(FR20)時，總氮和總磷的年均削減率分別達到了25.03%和33.89%；當施肥量削減50%(FR50)時，總氮和總磷的年均削減率分別達到了48.22%和52.41%，表明施肥量的減少與污染負荷的削減率成正相關，且總磷負荷的削減率要普遍高于總氮。實施退耕還林措施(TG)，總氮和總磷的年均削減率分別為45.17%和38.53%；以等高種植替代順坡種植(ST)，提高水土保持效果，平均每年可削減13.79%的總氮負荷和19.69%的總磷負荷。

生態溝和植被緩沖帶可通過吸附、沉淀、植物吸收等過程對氮、磷污染進行削減，同時還能降低水流對土壤的沖刷，有效減少水土流失[15]。圖5顯示，流域在坡度大于12°時設置生態溝、植被緩沖帶后氮、磷負荷削減明顯，生態溝(GT)對總氮和總磷的年均削減率分別為36.86%和52.73%，植被緩沖帶(FT)為38.31%和51.00%。

圖5 BMPs對尼山水庫流域氮、磷負荷的削減效果

綜合措施ZH2(20%化肥削減量+生態溝)和ZH3(20%化肥削減量+等高種植+生態溝)表現出了很好的污染削減效果，兩種情景總氮和總磷年均分別削減64.42%、71.63%和65.06%、72.86%。比較3種綜合措施發現，設置過程阻截措施情景方案的污染削減效果明顯高于未設置的情景方案，說明過程阻截是尼山水庫流域氮、磷污染防控的重要措施。

3.2 面源污染負荷削減的時間變化特征

不同控制措施下的面源污染總氮、總磷月均入庫負荷變化過程如圖6所示。圖6表明，年內總氮和總磷入庫負荷主要集中在豐水期(6-9月)，與降雨量呈正相關，最大值出現在8月份，其次為6月份。減少化肥使用量、退耕還林、設置植被緩沖帶、生態溝等措施均有利于控制豐水期氮磷的入庫量，其中生態溝和植被緩沖帶對總氮和總磷的入庫量的削減效果最為明顯。針對尼山水庫流域的特點，在源頭上采取減少化肥使用量、退耕還林等措施，同時在污染物遷移路徑上采取設置生態溝、植被緩沖帶等措施可減少因水土流失導致的氮、磷流失。

圖6 不同控制措施下的尼山水庫流域面源污染總氮、總磷月均入庫負荷變化過程

3.3 面源污染負荷削減的空間變化特征

不同控制措施下的面源污染總氮、總磷負荷的空間分布如圖7所示。分析圖7可知，在源頭控制措施中，化肥削減措施對總氮和總磷空間分布的影響基本一致，化肥削減20%對尼山水庫周邊子流域55～57的氮、磷削減最為明顯，其次為流域南部的43、44、46、52、53子流域(圖7(c)、7(d))。這主要是因為55～57子流域污染負荷高，且靠近尼山水庫，降雨量及流域平均坡度較大；43、44、46、52、53子流域的降雨量僅次于55～57子流域，且流域內耕地占比大(58.77%)。對坡度大于12°的耕地采用退耕還林措施對子流域56、57、23、48、49的氮、磷削減最為明顯(圖7(e)、7(f))，這與子流域內平均坡度相對較高且流域內坡度大于12°的耕地占比較大有直接關系。等高種植對子流域55～57、44、46的氮、磷削減最為明顯(圖7(g)、7(h))，這主要與子流域內坡度較大的耕地占比大有關。過程阻截措施中(圖7(i)～7(l))，生態溝和植被緩沖帶對尼山水庫流域總氮和總磷的空間分布有較大影響，其中對子流域56、57、52、53、44、46影響最為明顯，主要是因為這些子流域內耕地占比大，氮、磷污染負荷重，且降雨量大；生態溝和植被緩沖帶對子流域23、33、48、54的影響相對較小，主要是由于這些子流域內林地占比較大。綜合管理措施3對子流域56、57、55、52、44、46、32氮磷削減最為明顯，與生態溝和植被緩沖帶對各子流域的影響基本一致(圖7(m)、7(n))。

圖7 不同控制措施下的尼山水庫流域面源污染總氮、總磷負荷的空間分布

4 討 論

BMPs的核心是在污染物進入水體前，通過各種經濟、高效、生態的措施使面源污染得到有效控制。由于面源污染的分散性和隨機性，使得源頭控制成為面源污染控制的關鍵[16]。源頭控制主要包括優化肥料管理、改善種植制度和方式等，如減少化肥使用量、采用水肥一體化技術、退耕還林、作物輪作、等高種植等[1]。譚德水等[17]在南四湖玉米種植中發現采用氮磷鉀平衡施用、控釋氮肥、有機肥代替無機肥等措施可有效減少徑流中氮的流失；呂宏偉等[18]在河南省新野縣研究露地菜田徑流中氮磷的流失時發現，有機肥替代27.5%化肥和有機肥替代27.5%化肥+節水灌溉30%可分別減少硝態氮、可溶性總磷徑流量的16.43%、12.24%和26.48%、34.69%；辛艷等[19]以大豆為載體研究了耕作模式對坡耕地土壤養分流失的影響，發現免耕或少耕、秸稈覆蓋、等高種植等方式可有效降低氮磷流失；Poudel等[20]發現等高線耕作、陳曉冰等[21]發現粉壟耕作和秸稈覆蓋均可以提高土壤含水率，從而減低因土壤流失導致的面源污染。

降雨后產生的地表徑流是面源污染物進入水體的重要途徑，如何通過過程阻截措施降低污染物流失量，增加下滲率是控制面源污染的重點。生態溝、植被緩沖帶等位于污染源和水體之間，能有效去除徑流中的污染物，被認為是面源污染有效的過程阻截措施。在昆明滇池流域對面源污染的控制中發現，生態溝對農村復合污水中總氮和總磷的平均去除率可達到60%和64%[15]。游海林等[22]在研究贛南蘇區“三江源”區域面源污染時也發現，生態溝對農村小流域面源污染物具有較高的去除效果，總氮和總磷的去除率可達到89.03%和86.95%。Ha等[23]在美國愛荷華州的南?？撕恿饔蚶谜剂饔蚩偯娣e15.2%的低生產力土地種植柳枝稷，使泥沙、總氮和總磷負荷分別減少了69.3%、55.5%和46.1%，顯著抑制了面源污染。孫東耀等[24]在研究九龍江上游北溪流域的面源污染時發現，不同植被的緩沖帶對徑流量和總磷的削減效果存在明顯差異，表現為草本>灌草>灌木，草本緩沖帶對徑流量的削減率可達到86.93%，在高濃度進水時對總磷濃度的削減率可達到95.20%。

源頭控制可以減少污染物的產生，過程阻截可以在遷移路徑上對污染物進行有效削減，但不能完全控制污染物進入水體[25]，所以前置庫、滯留塘、濕地等末端治理技術也發揮著重要的作用。在宜興市大浦鎮開展的前置庫示范工程中發現，無降雨和小降雨輸入期間，總氮和總磷的去除率為65.1%和45.3%；強降雨初期，總氮和總磷的去除率達到70.5%和84.6%，強降雨后期，可達 到91.7%和96.2%[26]。阮家進等[27]研究了垂直流、水平潛流和復合型人工濕地對面源污染的治理效果，發現3種濕地對有機物和氨氮的去除率高達66%～70%和96%～97%。Hey等[28]在對美國伊利諾斯州東北部的德斯普萊恩斯河濕地示范項目的研究中發現，2%的濕地保護面積就可以使流域水質發生實質性的改善。

由于面源污染的不確定性和復雜性，應從污染物的排放、遷移、污染成災等全過程入手，實行“源頭減量-過程阻斷-末端治理”的全過程控制[29]，更應根據流域特點、削減效果及成本投入，布置最佳管理措施(BMPs)實現面源污染的有效控制。尼山水庫流域耕地占比大，肥料流失嚴重，因此科學施肥是最有效措施[13]；該流域處于山地向平原的過渡地帶，相對坡度大，年內降雨集中，單次降雨量大，水土流失嚴重，生態溝和植被緩沖帶等工程措施對面源污染削減效果明顯；以等高種植代替順坡種植雖氮、磷削減率相對較小，但該措施單位成本較低[3]。因此，根據尼山水庫流域的實際情況，對耕地多、降雨量大、坡度大的氮、磷流失高風險區應采取化肥削減措施并布設生態溝、植被緩沖帶等工程措施，而在氮、磷輸出負荷占比較小的區域應實行化肥削減措施和等高種植等投入成本相對較低的管理措施，并積極開展退耕還林工作。

5 結 論

(1)減少化肥使用量、設置生態溝和植被緩沖帶以及退耕還林措施均具有很好的氮、磷削減效果，綜合管理措施對氮、磷的削減要優于單項管理措施。

(2)總氮和總磷入庫負荷主要集中在年內豐水期，與降雨量呈正相關。減少化肥使用量、退耕還林、設置植被緩沖帶和生態溝等措施均有利于控制豐水期氮、磷的入庫量，其中生態溝和植被緩沖帶對總氮和總磷的入庫量的削減效果最為明顯。

(3)不同控制措施對總氮和總磷削減的空間分布影響較大。減少化肥使用量對降雨量多、耕地多、坡度大的子流域氮、磷削減效果更為明顯；退耕還林措施對坡度大、耕地占比大的子流域氮、磷削減效果明顯；等高種植對坡度大、耕地較多的子流域氮、磷削減效果明顯；設置生態溝和植被緩沖帶對耕地占比大、氮磷污染負荷重、降雨量大的子流域氮、磷削減效果明顯，所以在進行面源污染控制時，應根據其時空特點進行規劃和設計。