基于SWAT 模型對非點源污染分布特征的研究
——以汾河上游為例

王錦志 趙喜萍 劉 林 李澤利

（1 山西農業大學水土保持科學研究所，山西 太原 030045 2 太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024 3 天津市環境監測中心，天津 300191）

隨著經濟社會的快速發展，區域環境污染、生態失衡、資源枯竭等問題日趨突出，農業非點源是造成水環境逐漸惡化的重要原因之一。汾河上游是太原市重要水源地，本文對汾河上游流域非點源污染的分布情況基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型進行模擬分析，可為汾河流域生態修復及保護工作提供理論基礎和決策依據。

本文通過衛星影像識別及解譯、野外調查、資料收集、水文觀測等調研方式和多種數據整理方法得到數字高程圖、土壤分布圖、土地利用類型分布圖、農作物管理、氣象站點分布圖等格式統一的模型數據庫，包括土壤、土地利用、氣象、農作物管理和污染源數據庫，利用SRTM-30 m 數據將汾河上游流域劃分為35 個子流域，構建適用于汾河上游流域的SWAT 模型，模擬分析了汾河上游流域的非點源污染空間分布特征，研究了汾河上游流域不同土地利用類型對非點源污染源的貢獻。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

汾河是山西最大的河流，也是黃河的第二大支流，自源頭由北向南貫穿山西的6 個市45 個縣，全長716 km，流域面積約39 471 km2[1]，占全省國土總面積的1/4，流域內工業[2]、農業等各行業產值占全省經濟的半數以上，被稱為山西的“母親河”。本研究所指汾河上游流域是從源頭到汾河水庫上游的河岔水文站，占汾河總流域面積的1/10 左右[4]，占整個流域面積的19.57%，流經寧武縣、嵐縣、婁煩縣、靜樂縣、古交市五個縣（市）[3]，轄區人口約占山西省總人口的2.44%。

汾河流域多年平均降水量在434～528 mm 之間，多年平均氣溫在6.2～12.8℃之間。1 月和12 月是一年中降水量最低的月份，分別占年總降水量的0.63%及0.72%[5]，而約24%年總降水量集中在7 月。在汛期（6-9 月），徑流量占年總徑流量的比例基本在55%-62%之間[6]。

汾河上游地區植被覆蓋率高，喬灌草等植物群落相互作用，形成不同的植物組合。喬木種類多，主要有油松、側柏、楊樹等高大喬木[7]。在1 400～1 800 m 海拔的廣大丘林溝壑地區，多以灌草植物為主，如紫穗槐、檸條、白羊草、苜蓿草等。在地下水位較高的河谷區的低洼地帶，土壤濕度較高，多分布有草甸植物，均為喜濕的蘆葦、蒲草[8]等植物。由于地質、水文、氣候條件的共同作用，形成以褐壤土、棕壤土、草甸土為主的土壤類型[9]。其中褐壤土主要作為耕作土存在。

1.2 研究數據

構建SWAT 模型，需要大量的空間數據和屬性數據支撐[10]。主要包括：DEM 數字高程柵格數據（數據來源：中國科學院地理空間數據云，格式：30 m 分辨率，年份：2015 年）、土壤分類柵格數據（數據來源：中國土壤數據庫，格式：1∶100 萬，年份：2016 年）和土地利用柵格數據等空間數據（數據來源：中國科學院地理空間數據云，格式：Landsat-7 遙感影像解譯，年份：2017年）；氣象站日觀測數據，如太陽輻射、降雨量和溫度等（數據來源：氣象科學數據共享服務網，年份：2009-2019 年）；河岔水文站月觀測數據，如污染物量、泥沙量、徑流量等（數據來源：山西省水利廳，年份：2009-2019 年）；主要農作物管理數據等屬性數據（數據來源：太原市、忻州市生態環境局、農業統計年鑒，年份：2009-2019 年）。

1.3 汾河上游流域SWAT 模型構建

以獲取的數字高程、土壤、土地利用、氣象、農作物管理等及徑流、泥沙和污染物等數據為基礎，利用Arcgis10、SPAW、MATLAB、WGEN、pcpswat 以及dew02等軟件，經過鑲嵌、掩膜提取、數據標準轉換、重分類、重采樣、坐標投影轉換等操作以及一系列的計算，生成河網水系、子流域劃分、土壤物理化學數據庫、土地利用數據庫、氣象農作物管理數據庫、污染源數據庫構建[11]，最終構建完成SWAT 汾河上游流域模型。將2009 年作為預熱期，2010-2016 作為率定期，2017-2019 年作為驗證期，輸出徑流、泥沙、氮、磷污染物模擬結果。

為提高模型的適用性，以河岔水文站2009-2019年每月實測的徑流、泥沙、氮、磷污染物數據為觀測值，對模型中水文、泥沙、氮、磷污染物等涉及的參數使用sensitivity analysis 軟件[12]、SWAT-CUP 軟件中的SUFI-2 反演算法及結合人工校正法[13]，進行參數敏感性分析、參數率定，使用百分比偏差（PBIAS）、判定系數（R2）、納什系數（NSE）[14]等統計指標，對模型適用性進行評價。結果顯示：徑流、泥沙、氮、磷模擬結果和實測值總體擬合度較好，率定期和驗證期R2、NSE 均大于0.5，PBIAS 均小于25%，說明構建的SWAT 模型對研究區水文模擬適用性非常好，對泥沙、總氮、總磷模擬適用性好。證明SWAT 模型在汾河上游流域的模擬應用中具有較好的適用性。

模型性能等級的評價標準見表1，參數率定及模型適用性驗證結果見表2。

表1 統計指標對模型性能等級的評價標準

表2 河岔水文站徑流、泥沙及營養鹽率定與驗證結果

2 汾河上游流域非點源污染解析

2.1 基于HRU（水文響應單元）解析

2.1.1 泥沙輸出系數源解析

由圖1a 可知汾河上游流域大部分區域侵蝕模數小于2 500 t/（km2·a），屬于輕度侵蝕。與DEM 圖及土地利用圖比較來看，研究區北部由于為汾河源頭區，多年來不間斷的植樹造林生態治理，使得主要土地利用類型為林地，加之各項水土保持工程措施的使用，雖然海拔較高、坡度陡，但是并沒有明顯的泥沙流失情況；研究區的中部及東部區域是以耕地為主的土地利用類型，雖已實施部分生態治理措施，但還未成體系，雖然坡度不高，但由于人為的擾動等因素，使得泥沙流失也較為明顯。

圖1 基于HRU 污染物輸出系數空間分布圖

2.1.2 總氮輸出系數源解析

圖1b 可知流域整體總氮輸出系數低于15 kg/ha。其中，流域西北部源頭區總氮輸出系數低于3kg/ha，流域主河道附近的總氮輸出系數普遍在3～6 kg/ha之間，且在南部較為集中，南部出口處的總氮輸出系數最高。與流域DEM 和土地利用相比，對總氮輸出系數影響較大的是土地利用類型，在流域源頭區總氮輸出系數低，主要是由于該區域主要土地利用類型為林地及草地等非耕作用地，化肥使用量極少；在主河道兩側坡度較緩地區總氮輸出系數較高，主要是由于這些區域的土地利用主要為耕地，大量化肥的使用，使得該區域總氮輸出系數較高。

2.1.3 總磷輸出系數源解析

由圖1c 可知流域整體總磷輸出系數低于1.5kg/ha，且大部分區域的總磷輸出系數低于0.3 kg/ha；主要的輸出系數貢獻子流域集中在研究區中東部區域，北部和南部的輸出系數較小，且東部比西部的總磷輸出系數偏高。與流域DEM 和土地利用圖相比，土地利用類型和坡度對總磷輸出系數都有較大影響，在研究區中東部區域坡度較陡，且耕地面積較大、城鎮及村莊較多且集中。

2.2 汾河上游流域污染分類源解析

使用已針對流域實測數據校準的SWAT 模型，基于不同土地利用類型，得到了多年平均的污染物負荷來源貢獻比例構成，以及不同污染物的輸出系數貢獻比例，詳見表3 和表4。

表3 汾河上游流域多年平均污染分類源解析評估結果表

表4 汾河上游流域污染分類源解析貢獻評估結果表（%）

泥沙：由表3 可知，草地的泥沙輸出系數最高為836 t/km2（49%），其次是林地747 t/km2（44%），耕地和城鎮輸出系數相差不大，分別是64 kg/km2（4%）和45 kg/km2（3%）。由表4 可知，草地為泥沙主要來源，占比高達60%，主要是由于草地的泥沙輸出系數高而且占地面積最大；其次是林地，占比37%，主要原因是林地面積大且泥沙輸出高；城鎮的輸出系數與耕地接近，但是面積占比小，因此負荷貢獻并不大，耕地占比3%。

總氮：由表3 可知，耕地的總氮輸出系數最大750.8 kg/km2（61%），其次是城鎮372.04 kg/km2（30%），林地和草地輸出系數相差不大，分別是40.81 kg/km2（3%）和65.78 kg/km2（6%）?？梢?，由于化肥的使用，耕地成為流域范圍內最主要的氮污染貢獻源。由表4可知，耕地依然是總氮負荷的主要來源，占比高達86%，主要是因為耕地的面積和總氮輸出系數都很高；草地僅為10%，沒有對泥沙負荷的貢獻大，雖然草地是該區域最大的土地利用類型，但是其總氮輸出系數很低；林地的總氮負荷貢獻與對泥沙負荷貢獻比例相似（6%），城鎮由于面積占比很小，所有負荷貢獻幾乎忽略不計。

總磷：由表3 可知，城鎮的總磷輸出系數占比最高為83.96 kg/km2（80%），草地其次為10.68 kg/km2（10%），耕地和林地各占10%，輸出系數約為5 kg/km2?？偭纵敵鱿禂地暙I比，城鎮都是貢獻最大者，其次為草地、耕地和林地，農作物施肥由于施磷肥量少，作用不明顯。由表4 可知，總磷的負荷貢獻最大的來源為草地占比58%，很大原因是由于草地占比面積大，而且輸出系數比耕地和林地高；耕地和林地的總磷輸出系數各占比21%，主要是因為他們在流域范圍內面積相似，而且總磷輸出系數一樣；城鎮雖然輸出系數最高，但是面積很小，貢獻忽略不計。

3 結論與討論

（1）本文分析了汾河上游非點源污染空間分布特征。研究表明，汾河上游流域泥沙及總氮負荷和輸出系數較大的區域集中于研究區的中部、東部及東南部。中部及中東部總磷輸出系數較大，泥沙、總氮、總磷負荷和輸出系數均較小，沒有明顯的面源污染情況。這些結論與胡文慧等人[15]、柴國平[16]、張學慧等人[17]對汾河流域非點源污染空間分布特征研究結論一致。

（2）本文研究了不同土地利用類型對污染源的貢獻。研究結果顯示：草地為泥沙和總磷的主要貢獻來源，耕地不論是負荷還是輸出系數對總氮的貢獻比很大，整體上林地對總氮和總磷的貢獻比較低，城鎮的總氮和總磷輸出系數較大，但是由于面積占比小，整體貢獻較低。該結論與相關研究[18]-[19]模型模擬的泥沙和氮、磷污染物主要來源為農田的結論有較大差異。