杨 勇

(葫芦岛市绥中县水利事务服务中心，辽宁 葫芦岛 125200)

0 引 言

为促进人水和谐发展和改善水资源短缺现状，针对点源造成的水环境污染问题人们普遍加大了防控力度，从而导致非点源污染成为当前亟需解决的重要问题。污染源普查公报显示，2007-2010年非点源污染在水污染排放量中的比例超过40%，总排放量中非点源污染引起的化学需氧量、磷排放量和氮排放量贡献率分别为67.4%、57.2%、50.0%。近年来，中国非点源污染中农业活动引起的污染逐渐占据主导地位，降水、径流冲刷作用下引起的大量污染物质和氮磷流失，使得非点源污染问题较为严重。其中，4种形态的有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮为总氮的主要成分，土壤中主要存在氮氧化物释放、氨氮挥发和硝态氮淋溶等过程。4种形态的无机、有机、颗粒和溶解磷为组成总磷的主要物质，只有极少数部分被作物吸收，其他大多数吸附于土壤。关于土壤中氮磷流失问题国内外学者开展了大量的研究，降水和径流为驱动氮磷流失的内在动力，其流失形式存在吸附于泥沙颗粒表面和径流流失两种。六股河主要有大屯河、黑山科川河、五道岭河、娘娘庙河等11条支流，年均输水量6.84亿m3，河流面积1722.9km2。沿河畜禽粪便、农业化肥、工业和生活污水等对河流的污染较为严重，使得河流水环境容量已超过极限能力，对当地经济持续发展、水体功能和水质等构成严重的威胁[1]。

根据有关研究资料，在三峡库区、柴河水库流域、万家沟小流域以及中小型河灌区等，SWAT模型均已得到广泛应用并取得良好的成效。因此，文章对六股河绥中县境内的面源污染特征利用SWAT模型研究，从而确定适用于六股河流域的敏感性参数值和SWAT模型数据库，通过对氮磷污染负荷的定量计算揭示其变化特征[2-5]。研究成果对于流域水资源管理、城市饮水安全、水源地保护和流域内面源污染控制及管理等具有重要意义，并可为六股河流域面源污染决策、规划、控制和水资源保护提供科学依据。

1 流域概况

六股河流域发源于建昌县玲珑塔乡北娄子山，干流全长153km，流域面积3267km2，流经建昌、绥中、兴城等市县，属于山溪型河流。研究河段为半干旱半湿润气候，其特点为冬季寒冷干燥、夏季炎热多雨、春秋季多风，四季分明，降水量560mm/a。河流总体呈南北宽、东西窄的牵牛花状走势，地势西北高、东南低，地形起伏变化较小，平均海拔200m。其中，绥中县境内支流4条，占地面积862.2km2，河宽30-55m，平均深度0.6m，绥中县宝仓屯、成后村、巫家河沿、常家沟等地建设有提水工程[6-7]。

2 数据的处理

属性和空间数据沟SWAT模型构建的基础数据，其中空间数据包括气象站点及水文站点的空间位置、土壤类型和土地利用GIS图、DEM数字高程图等；属性数据包括农业管理方式、水文气象、水质、土壤类型和污染源等，且必须在同一坐标上构建数据库。考虑选用Albers等积圆锥投影获取空间数据坐标，六股河绥中县境内投影参数表，见表1。

表1 六股河绥中县境内投影参数表

相关资料来源于绥中县环保局提供的六股河生态环境保护方案、水污染评估项目成果报告等，数据来源、格式和精度，见表2。

表2 数据来源、格式和精度

2.1 子流域划分

SWAT模型对子流域的划分和最终水系的生成，其基本依据为已知的水系图和DEM图。根据出水口位置和河网分布状况，将整个流域利用SWAT模型的离散化功能划分为若干子流域，生成的水系详细程度与集水面积最小阈值呈正相关性，即设置阈值越小则划分的子流域个数就越多。最后，通过叠加处理各子流域的坡度、土壤、土地利用等属性数据，最终生成多个或一个响应单元。SWAT模拟的基本单位为具有统一水文效应的HRU，文章设定400hm2作为集水面积的最小阈值，河流典型断面为六股河绥中县的出口断面，由此将研究河段划分为12个子流域。

2.2 水文相应单元分配

将每个子流域按照土地利用、土壤和坡度类型的不同划分为基本单元，通过计算各基本单元HRU的营养物质污染负荷、输沙量、径流量等，评价分析子流域污染特征。为了更好的适应土地利用类型在SWAT模型非点源模拟中的分类，将土地利用类型按照流域内原有类型重新分类编码，土地利用和土壤类型处理方法基本相同。然后对分类后的坡度、土壤和土地利用数据蝶姐，文章设施坡度、土壤和土地利用阈值为15%、25%、20%，由此划分的响应单元共45个。

2.3 模型的写入及编辑

确定各类实测数据后，将有关数据输入模型，由此建立包含各类输入文件的SWAT模型，涉及到的文件有河流水质、池塘数据、土壤化学性、农业管理、地下水文、主河道、水资源利用、水文响应单元、子流域、气象文件、土壤类型、结构等，所对应的文件格式为(.swq)、(.pnd)、(.chm)、(.mgt)、(.gw)、(.rte)、(.wus)、(.hru)、(.sub)、(.wgn)、(.soil)、(.fig)。

3 参数的率定和验证

为了使得模拟结果与实际值更加接近要不断的校准模型参数，通过率定与校准SWAT模型提高模拟结果的合理性和准确性。从空间和时间的角度认为，模型参数的率定涉及上下游、干支流、粗细时段等方面；从内容校准的角度，参数率定应满足先径流后污染负荷的原则。模拟过程中涉及到的运算复杂、参数多，不可能也没必要校准每一个参数，这就要求分析各参数的敏感性，确定能够显著影响模拟结果的参数，并校准这些参数。自动和人工校准为SWAT模型校准的两种常用方式，文章对参数的校准考虑选用以上两种方法。根据上述流程确定的敏感性参数，其初始取值利用系统自带的SCE-UA法确定，输入优化后的参数并对比实测值和模拟值。若3个校准指标能够符合精准度要求，则敏感性参数值取自动校准后的值；若不能满足精准度要求，则采用人工校准法适当调整敏感性参数，直至达到误差允许范围。

采用2012-2016年六股河绥中县出口监测断面实测污染负荷、流量数据，模型预热期和率定期为2011年、2012-2014年数据，验证期为2015-2016年数据。

3.1 参数敏感性分析

对六股河径流、氮、磷负荷敏感性利用模型自带的计算模块分析，调整参数设定为排序靠前的几个参数，为节省运算量和获取更好的模拟结果，选取最优参数值最为敏感性指标值。SWAT模型敏感性参数表，见表3。

表3 SWAT模型敏感性参数表

3.2 径流的调试与验证

当前，还未形成统一的标准判别模拟结果是否被接受，通常情况下若Re≤0.3%、Ens>0.5、R2>0.6，则认为模拟精度较高、结果可靠。SWAT模型月径流模拟及验证结果，见表4，月径流量实测值和模拟值对比，见图1。根据表4和图1可知，SWAT模型具有较高的模拟精度，能够较好的模拟六股河月尺度的径流过程，其中引起模拟偏差的要素较多，包括数据的准确性、模型自身结构的不确定性和空间差异性分布等因素。

表4 SWAT模型月径流模拟及验证结果

图1六股河月径流对比图

3.3 氮、磷污染负荷的调试与验证

模拟分析氨氮负荷的影响因素较径流模拟更多，模拟结果存在更大的随机性，所以较径流模拟精度而言氨氮负荷要求较低。SWAT模型氨氮负荷模拟及验证结果，见表5；TN、TP的月日均负荷的实测值和模拟值对比，六股河月径流对比图，见图2。

表5 SWAT模型氨氮负荷模拟及验证结果

图2六股河月径流对比图

根据以上分析结果，氨氮实测和模拟值存在一定的差异，这主要与径流模拟的精确度相关，同时引起实测值和模拟值存在偏差的另一重要因素为污染负荷的迁移变化过程。

4 面源污染的特征分析

4.1 面源污染时间变化规律

根据1980-2016年绥中县多平均降雨资料和研究区3个气象站的降雨数据，将一年分为枯水期(12-3月)、丰水期(5-9月)、平水期(其它月份)3个时期，以上3个时期的降水量占全年的10%、72%和18%。依据研究期间的平均产值可知，平水期的TP、TN产量和产水量明显小于丰水期，枯水期和丰水期产值比重分别为<5%、70%-90%之间，由此表明产生面源污染的关键时期为丰水期，该时期与面源污染程度密切相关。其原因为径流冲刷为产生面源污染的内在驱动力，土壤侵蚀量最为严重的月份为降水最大的月份，由此造成的氮磷负荷携带量偏高。六股河绥中县段各时期产流情况，见表6。

表6 六股河绥中县段各时期产流情况

4.2 面源污染空间分布规律

对面源污染分布情况从空间的角度分析，各子流域面源污染分布，见表7。根据表4可知，TN输出系数较大的子流域有5#、11#、10#，处于5534-5912kg/km2，西部地区的产量较东部低；TP输出系数较大的子流域有10#、11#、12#，且上游地区相对较大。总体而言，氮磷负荷较为严重的子流域有10#、11#和3#，负荷最轻的为4#，下游地区的TP负荷和东部地区的TN负荷较为严重，这可能与各子流域污染排放情况、下垫面差异性等因素相关。

表7 各子流域面源污染分布

续表7 各子流域面源污染分布

4.3 重要污染源识别

基于流域水文地理特征的SWAT模型能够较为准确的模拟各子流域的污染负荷总量，但通常难以判别污染来源。因此，为了准确判别面源和点源污染类型比重及其主要来源，采用对比分析法计算模拟结果和排放量。

1) 主要污染源识别。根据年均模拟值和实际污染排放量可知，各子流域的点源污染比重较小，污染排放类型以面源污染为主，年均模拟值大小和面源污染排放量基本吻合，模拟值越大的子流域其排放量也越大。由于点源污染排放量大大低于各子流域面源污染，因此流域污染类型以面源污染为主，为保护水体环境应加强对该河段的面源污染防治。

2) 面源污染类型识别。化肥污染、禽畜养殖污染和农村生活污染为面源污染的主要类型，从TN污染的空间分布特征可知，面源污染排量较大的为10#、11#子流域，其中化肥污染、禽畜养殖污染和农村生活污染贡献率依次为42%、8%、50%；从TP污染的空间分布特征可知，面源污染排量较大的为10#、11#、12#子流域，同时其模拟产值也较多，其中化肥污染、禽畜养殖污染和农村生活污染贡献率依次为56%、20%、24%。由此表明，面源污染受化肥污染的影响最为突出，其次为禽畜养殖和农村生活污水。

4.4 污染关键区识别

根据研究区水环境质量状况和相关研究资料，将TN、TP年均模拟值分为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ5个等级，所对应的TN模拟值为61-57、57-53、53-49、49-45、45-41km/hm2，所对应的TP模拟值为2.0-1.8、1.8-1.6、1.6-1.4、1.4-1.2、1.2-1.0km/hm2，最终的识别结果如表4。研究表明，TN负荷隶达到Ⅴ级的子流域有3#、5#、9#、10#，TP负荷达到Ⅴ级的子流域有6#、10#、11#、12#，因此非点源污染重点治理区域为10#子流域。

5 结 论

文章以六股河绥中县段面源污染为例，依据SWAT模型和GIS系统定量模拟了面源污染负荷，在此基础上揭示了其变化规律，得出的结论有：

1) 根据研究河段水质监测数据和径流资料，设定模型预热期和率定期为2011年、2012-2014年数据，验证期为2015-2016年数据，为校准模型准确性引入评价指标相对系数R2，Nash系数Ens和相对误差Re。研究表明，所构建的SWAT模型具有较高的模拟精度和参数敏感性可信度，对于河流面源污染负荷模拟具有良好的适用性。

2) TP、TN产量和年产水量间存在作用关系，枯水期和丰水期产值比重分别为<5%、70%-90%之间，由此表明产生面源污染的关键时期为丰水期，该时期与面源污染程度密切相关。模拟年均总值和污染排放量保持相互对应关系，各子流域污染类型以面源污染为主。研究表明，非点源污染重点治理区域为10#子流域。虽然SWAT模型能够以多个水文响应单元模拟各个子流域污染状况，考虑了时空异质性特征，流域尺度和输入之间的转化程度受评价单元的划分影响显著。同时，仍需要进一步研究模型参数难以获取、结构本身不完善、数据精度和分辨率等模拟结果的影响。