南亚热带小流域农业面源污染负荷的SWAT模型模拟研究

何卿姮， 黄智刚， 邓淑冰， 潘荣庆， 刘小梅， 郭 豪， 黎静宜

(广西大学，广西南宁 530004)

在世界范围内面源污染已成为地下水和地表水污染的主要来源[1-3]，因化肥农药使用量高、土地利用不合理、畜禽粪便无序排放等原因产生的农业面源污染是面源污染治理的重中之重。美国和欧洲的一些发达国家，都因为施用化肥农药过量而造成河流中的氮磷含量超标[4-5]。水污染问题已经成为全球现阶段首要解决的环境污染问题。我国的非点源污染情况也不容乐观，近几年非点源污染呈上升趋势[6]。

党的十九大报告强调了关于环境污染治理的问题，面源污染问题成为当下环境污染研究的重点[7]。目前国内众多学者尝试应用模型方法来应对非点源污染的预防和治理[8-10]，其中SWAT(Soil and water assessment tool)模型因其适用范围广、操作相对其他模型较为简单的特点，自国外引入国内后迅速得以推行和使用。李亚娇等把较为典型的4种非点源污染数学模型SWAT、GLWF、SPARROW、HSPF进行比较，阐明了SWAT模型的复杂程度在这4个模型中属于中等程度，更容易被广泛应用[11]。该模型更多地应用在中大型尺度的流域上，如黄河[12]、长江[13-14]及各类中大型流域、三峡库区[15-16]等；相关学者应用SWAT模型结合RS和GIS的空间数据展开非点源污染主要影响因素分析，如气候变化、土地利用[17-19]的影响效果；SWAT模型还可模拟不同削减措施下流域污染负荷变化[20-21]。于明鑫运用SWAT模型设立果园、封禁治理、保土耕作及水平梯田等治理措施各自的减流减沙效应，结果发现水平梯田较其他措施减沙效果更为显著[22]。广西作为甘蔗种植大省，甘蔗地经常遭到扰动翻新的情况，相关研究发现，甘蔗种植模式会影响土壤侵蚀的发生及不同程度的氮磷营养物流失[23]，加之农户对甘蔗地过度施肥导致氮磷流失到水体，农业面源污染现象日趋严重。由于国内学者将SWAT模型运用在蔗区小流域农业面源污染方面鲜有研究，本研究以南亚热带小流域为研究区，将SWAT模型应用在小尺度蔗区流域，分析预测农业面源污染来源情况，为后续小流域面源污染预防与治理提供参考及建议，对揭示水循环规律和水土流失治理也有重大意义。

1 研究区概况

研究区选用那辣小流域(107°39′E，22°20′N)，位于广西壮族自治区扶绥县境内，流域面积3 km2，最终汇流到客兰水库(图1)。那辣流域是南亚热带典型农业小流域甘蔗集约化种植区，亚热带湿润季风气候，以山麓丘陵为主要地形条件，平均坡度在 4°～35°，年平均气温20.8 ℃左右，平均海拔约为 1 200 m，年降水量在1 400 mm左右，夏日高温多雨，冬日暖和潮湿，雨热同期。土壤类型以赤红壤为主，主要的土地利用类型为水稻田、甘蔗地、林地、建设用地、水域这5大类；农业种植作物主要是甘蔗、水稻等。为追求更好的经济效益，流域在2018年开始实行甘蔗集约化种植模式，在原有小块甘蔗地基础上，大面积开垦农用地和林地改种甘蔗，甘蔗种植面积迅速扩增，甘蔗生产约占研究区所有土地利用面积的74%。

2 研究方法

2.1 模型原理

SWAT模型是基于物理过程的分布式水文模型，以日为步长进行长时间序列计算，基于物质循环和水文循环的宏观尺度上的模型。该模型模拟的水文过程分为水文循环的陆地阶段(即产流和坡面汇流部分)和水文循环的汇流阶段(即流域陆面部分产生的径流、泥沙、营养物等在河道的迁移转化过程)，整个水分循环系统遵循水量平衡规律，其水量平衡表达式为：

式中：SWt为土壤最终含水量；SW0为土壤初始含水量；t为计算时段；Rday为第k天降水量；Ea为第k天的蒸发量；Wseep为第k天土壤剖面底层的渗透量和侧流量；Qsurf为第k天的地表径流量；Qgw为第k天地下水含量。

2.2 数据获取

以SWAT2012为研究工具，收集那辣流域空间和属性数据库，包括流域DEM高程图、土地利用类型、土壤类型、气象数据、水文水质监测数据等资料，进行模型构建及模拟运行。本研究用到0.5 m空间分辨率的DEM数字高程图，利用 ArcGIS 10.2提取流域范围并建立流域地形基础；土地利用和土壤数据库用于构建研究区下垫面数据库；气象数据源于中国气象数据网，逐日降水数据采用研究区气象站；水文水质数据由流域内水文站点监测得到(表1)。

表1 构建模型的基本资料

2.3 SWAT模型构建

首先导入DEM数据，设置集水面积，提取河网并自动划分子流域，模型最终划分出21个子流域；随后将研究区重分类好的土地利用类型、 土壤类型图添加到SWAT模型，并对土地利用、土壤类型和坡度分级分别设置面积阈值(20%、20%、20%)，形成47个水文响应单元(HRU)，每个HRU对应1种土地利用、土壤类型和坡度等级。随后输入气象数据、农田管理措施等属性数据及设置模型模拟时间，即初步构建好研究区的SWAT模型。由于模型的初始参数并不都适用于研究区的实际情况，需要对模型率定与验证，在合理范围内不断调整参数，使得模拟值和实测值越趋吻合，尽可能减少与实测值的误差。利用本研究区水文站的月径流、总氮、总磷实测数据进行模型的校准和验证。选用相关系数(R2)、Nash Sutcliffe模型效率系数(Ens)作为评价指标，验证结果优于Ens、R2的限定阈值(Ens>0.6，R2>0.5)[24]，说明该模型在流域适用性良好，可用于研究区的模拟研究。其表达式分别见公式(1)、公式(2)。

(1)

(2)

2.4 模型率定与验证

设置研究区模拟时间为3年(2018年1月1日至2020年12月31日)，径流量、总氮、总磷的率定期为2018—2019年，验证期为2020年。径流校准采用逐月平均流量监测数据，在SWAT-CUP软件中采用SUFI-2算法进行率定和验证，以及参数灵敏性分析，有关参数的选取由参考文献[25-26]及查阅资料得到，将参数多次迭代计算得到的率定期模型评价指标结果见表2，敏感性参数排行及最佳取值见表3、表4。根据前面提到的评价标准，该模型适用于本研究流域，可用于后续的模拟分析。由于获取到的总氮、总磷水质监测数据为水环境中的指标浓度， mg/L；模型的校准和验证采用的是污染物月平均总负荷，kg；因此需对实测数据总氮和总磷负荷量转化，计算公式如下：

表2 率定期和验证期评价结果

表3 径流敏感性参数排行及范围

表4 氮磷敏感性参数取值范围及最佳取值

L=C×F×S×10-3。

式中：L为月平均总负荷量，kg；C流域监测实测指标浓度， mg/L；F为流域监测断面实测月平均径流量，m3/s；S为时间，s。

3 面源污染负荷时空分布规律

3.1 空间分布规律

利用构建好的SWAT模型模拟研究区的面源污染状况，得到各子流域的输出强度分布见图2。从2018—2020年期间污染物流失总量上看，流域中总氮流失总量最高的是10、14、15号子流域，总氮年平均流失负荷约为6 000 kg/年；其次是13、16、18号子流域，总氮年流失负荷为4 300 kg/年。流域总磷年均流失负荷最高的是10、13、14、15、16、18号子流域，总磷年均流失负荷平均为40kg/年；其次是8、17号子流域，年均总磷流失负荷为17 kg/年左右。总氮、总磷污染最为严重的区域都分布在靠近流域出口的10、14、15号子流域，水系东部的上游子流域的污染较轻。在预防面源污染的发生时，应着重管控河道下游靠近流域出口的水质，同时也要从源头预防，减少氮磷污染的发生。

3.2 时间分布规律

由径流量与降水量随时间的变化情况及总氮和总磷月平均负荷变化(图3、图4)可以看出，降水与径流量呈正相关关系，降水与径流量集中在每年的雨季(4—9月)，同时每年的1—3月、10—12月径流量都较低，且较为稳定，无明显波动；河道中总氮、总磷的流失主要发生在每年夏季，随着降水量变化而呈现丰枯季节变化，分别在2018年达最大值(TN 1 184 kg、TP 9.441 kg)，在2020年、2019年分别达TN和TP的最低值(TN 0.404 1 kg、TP 3.759×10-6kg)。从图4可以看出，2018—2020年总氮和总磷的变化趋势一致，其年均流失总量都在逐年降低，且月均流失量峰值也在逐年降低，但是从总氮、总磷占全年污染物流失的贡献率来看，却在逐年递增，总氮、总磷在4—9月的总流失负荷占年度流失负荷的75%以上。

3.3 不同土地利用类型氮磷流失规律

那辣小流域土地利用类型以耕地(水田、旱地)为主，占87.56%；其次是林地，占7.59%；水域、建设用地分别占4.32%、0.54%。在划分流域的水文响应单元时，将坡度分为0～30°、>30°～70° 2个等级，其中0～30°的子流域占整个流域面积的97.03%；坡度为>30°～70°的土地类型主要是林地，也有少部分耕地。

利用构建好的SWAT模型模拟的2018—2020年的各土地利用类型单位面积总氮和总磷年均负荷见图5。旱地的总氮、总磷流失量分别占整个研究区流失总量的97.81%、91.67%，坡度高(>30°～70°)的耕地产生的污染负荷相比坡度小(0～30°)的区域污染大；由于城镇用地所占面积小，氮磷污染总量的贡献率仅为2%～6%，但总氮、总磷的单位面积流失量都较大；林地氮磷流失极小，分别为TN 0.836 kg/(hm2·年)、TP 0.386 kg/(hm2·年)。在相关研究成果中，同样得到居民用地的氮、磷流失量最大的结果[27-28]，也认为林地具有较好的水土保持效果[17]。以上分析可知，旱地是整个研究区非点源污染的主要来源，林地具有较好的面源污染防治效果。

4 结论与建议

4.1 结论

经过率定和验证后的SWAT模型模拟结果良好，可以用于研究区域的非点源污染氮磷数值模拟分析。利用SWAT模型对那辣流域进行农业面源污染的模拟及分析，得到以下主要结论：(1) 那辣流域的时间分布规律表明，主要污染负荷高峰期集中在每年4—9月，降水是造成氮磷流失的关键驱动因素；径流与降水量呈正相关，同时径流与河道中的总氮、总磷也呈现极显著正相关关系。(2) 农业面源污染的氮磷流失形态中，硝态氮是氮流失的主要形态，矿物磷是磷流失的主要形态。(3) 研究区非点源污染的空间分布规律表明，研究区非点源污染在空间上表现为流域东部污染较轻，中部一直到靠近流域出口处污染负荷有逐渐加重的趋势，水系主干道区域的污染负荷高于支流区域。(4) 不同土地利用类型上的氮磷污染负荷状况表明，城镇建设用地和旱地是流域内氮磷污染的主要来源，旱地对整个流域的氮磷负荷来源的贡献最大，虽然城镇用地的氮磷流失总量小，但其单位面积上的磷污染排放负荷最大，因此也要注意管控城镇用地的磷排放。

4.2 建议

(1)根据广西壮族自治区那辣流域作为甘蔗核心种植区的特点，为使经济效益和生态效益平衡发展，蔗区尽量以种植宿根蔗为主，减少因种植新植蔗对土壤的翻耕和土地扰动而导致氮磷养分流失急剧扩增；(2)完善蔗区的农田管理制度，实行测土配方施肥，在不造成作物减产的情况下减少肥料施用，既可以提高肥料利用率，同时减轻流域水环境污染，这将有利于促进农业发展和水资源的开发利用；(3)改变流域下垫面条件，如水稻田改为梯田、坡度大的(>25°)甘蔗地改种林地；(4)河岸两侧可增加防护栏及种植保持水土、吸附氮磷污染物的植被。

本研究通过SWAT模型实现了该流域氮磷污染负荷的定量模拟，证明了SWAT模型在广西壮族自治区那辣小流域的适用性，在流域农业面源污染方面的研究中是一个方便快速的水文模拟分析工具。同时，该模型也存在不足之处，流域基础实测数据较少，需进一步完善，另外该流域没有涉及不同气候条件、最佳管理措施等方面的非点源污染流失规律分析，今后还有待进一步研究阐明。