張 狄

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003)

氮、磷等營養(yǎng)元素是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中重要的組成部分，然而人類活動排放的過量營養(yǎng)物質(zhì)會破壞其循環(huán)的平衡，導(dǎo)致富營養(yǎng)化問題。水中氮磷污染主要分為點源和非點源(或面源)兩大類，其中非點源污染是中國主要的水體污染方式，同時也是流域氮磷污染的主要來源[1]，2020年發(fā)布的《第二次全國污染源普查公報》中指出，中國農(nóng)業(yè)非點源污染排放的總氮和總磷分別占2種污染物總量的47%、67%[2]。因此，研究氮、磷營養(yǎng)元素的非點源污染過程有助于流域的水環(huán)境保護。

陸源非點源氮磷污染對海洋、湖泊和水庫等“匯集區(qū)”的影響主要通過河道運輸來實現(xiàn)，因此河流物質(zhì)運移通量對于流域水環(huán)境研究十分重要[1]。20世紀70年代以來，美國農(nóng)業(yè)部陸續(xù)開發(fā)了CREAMS(Chemicals,Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems)、GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)、EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)等模型，并將CREAMS模型的日降雨水文模塊、GLEAMS模型的殺蟲劑模塊、EPIC模型的作物生長模塊合并，開發(fā)出了以日為時間步長、劃分子流域計算的SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型。20世紀90年代，SWRRB模型與河道演算ROTO(Routing Outputs to Outlet)模型整合，成為SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型。SWAT模型歷經(jīng)多個版本的發(fā)展和完善，適用性不斷提高，并增加了敏感性分析、自動率定和不確定性分析等功能，現(xiàn)已成為適用于復(fù)雜流域的基于物理機制的分布式水文模型，在流域水文過程、非點源污染與農(nóng)業(yè)管理措施的模擬上均有較好的效果[3-8]。

SWAT模型在國內(nèi)非點源污染研究中得到了較好的應(yīng)用。桂峰等[9]利用SWAT模型模擬太湖流域上游氮磷入湖通量，發(fā)現(xiàn)有3個入湖口的氮磷貢獻率達到20%以上，以此確定流域外源營養(yǎng)物質(zhì)管理和控制的重要區(qū)域。Liu等[10]利用SWAT模型模擬香溪河流域氮磷負荷，結(jié)合人口密度與水質(zhì)要求進行流域關(guān)鍵源區(qū)識別。薛菲等[11]建立萬安典型農(nóng)業(yè)小流域的SWAT模型對非點源氮磷輸出進行模擬，結(jié)果基本反映了流域內(nèi)非點源污染風(fēng)險區(qū)的情況，證明SWAT模型同樣適用于面積為10 km2左右的小流域。近年來SWAT模型在南方山區(qū)流域的應(yīng)用逐步從徑流模擬拓展到泥沙、污染物模擬。翟午琛[12]構(gòu)建SWAT模型模擬東江流域河源段非點源氮磷污染負荷，發(fā)現(xiàn)不同土地利用的溶解態(tài)氮磷污染負荷占比較大。黃國如、陳曉麗等[13-14]利用SWAT模型識別飛來峽庫區(qū)流域非點源污染優(yōu)先控制區(qū)，發(fā)現(xiàn)氨氮、總氮濃度較高的區(qū)域分別位于主河道地區(qū)、上游農(nóng)業(yè)耕種區(qū)。鄭宇[15]通過改進土壤數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、SWAT-CUP率定驗證等建模過程，模擬韓江流域非點源污染，結(jié)果表明研究區(qū)水質(zhì)呈惡化趨勢，寧江流域為總氮污染關(guān)鍵區(qū)。

梅州市梅江河流域清涼山水庫是梅州城區(qū)重要水源地之一，其水質(zhì)直接影響梅州市居民的用水安全。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，清涼山水庫水質(zhì)尚可，但總磷、總氮、氨氮等指標不達Ⅱ類水標準，且?guī)靸?nèi)曾出現(xiàn)過藍藻水華，這與輸入庫區(qū)的氮磷營養(yǎng)鹽密切相關(guān)。因此，研究清涼山水庫入庫氮磷具有重要意義。本文構(gòu)建SWAT模型對清涼山水庫流域的水文過程與入庫氮磷通量進行模擬，探究流域內(nèi)徑流與氮磷營養(yǎng)鹽的時空變化規(guī)律，以期為當?shù)乜刂频?、磷污染負荷提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

清涼山水庫位于廣東省梅州市梅江區(qū)西陽鎮(zhèn)，水庫壩址位于梅江一級支流白宮河中游石壁背村，水庫集雨面積約為94.1 km2(圖1)。水庫流域內(nèi)地形以河谷盆地、丘陵和山地為主，土壤多為頁紅壤與頁赤紅壤，且多在凝灰質(zhì)礫巖、板巖和砂頁巖等母質(zhì)風(fēng)化上發(fā)育而成[16]，入庫支流主要有新田水和溪田水。水庫流域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植以水稻、茶葉、水果為主，化肥施用以氮肥為主，其次為復(fù)合肥。流域內(nèi)無工業(yè)生產(chǎn)。流域年平均降雨量1 525.6 mm[17]，徑流由降水補給，汛期(4—9月)降雨量約占全年70%～80%，徑流量約占全年的65%～80%。

圖1 清涼山水庫流域

2 數(shù)據(jù)來源與SWAT模型構(gòu)建

2.1 DEM數(shù)據(jù)

采用中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)提供的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)。清涼山水庫流域高程范圍為187～1 263 m，平均高程為522 m。

2.2 土地利用分布數(shù)據(jù)

采用國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺發(fā)布的全球30 m土地覆蓋數(shù)據(jù)集FROM-GLC，結(jié)合衛(wèi)星影像進行目視解譯方法得到，空間分辨率為30 m。清涼山水庫流域主要土地利用類型有水田、旱地、林地、園地、草地、水庫、茶園等，以林地為主，占流域總面積的90%以上(圖2)。

圖2 清涼山水庫流域土地利用與土壤類型分布

2.3 土壤類型分布數(shù)據(jù)

采用HWSD數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，分辨率為1 km，結(jié)合SPAW軟件計算得土壤屬性數(shù)據(jù)。清涼山水庫流域內(nèi)土壤類型主要有6類(圖2)。

2.4 氣象水文數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于水庫雨量站、中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)等，包括2005—2018年逐日降水量、最高最低氣溫等。水文數(shù)據(jù)來源于清涼山水庫提供的2005—2018年逐日入庫徑流數(shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于水文部門提供的2013—2018年每年1、8月庫心處總氮、總磷濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.5 子流域與水文響應(yīng)單元劃分

根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，將清涼山水庫流域劃分為25個子流域(圖3)，并按土地利用與土壤類型生成209個水文響應(yīng)單元。其中，1號子流域出口代表壩址處，6、11號子流域出口分別為西部溪田水、東部新田水匯入庫區(qū)的控制斷面。

圖3 清涼山水庫流域子流域劃分

3 模型率定與驗證

3.1 入庫徑流流量模擬

基于SWAT-CUP軟件中的SUFI-2算法對入庫徑流進行率定與驗證，以2005—2007年為預(yù)熱期，2008—2013年為率定期，2014—2018年為驗證期進行月尺度徑流模擬，采用決定系數(shù)(R2)、納什系數(shù)(Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient，NSE)檢驗?zāi)M結(jié)果的精確度。當NSE(或R2)≥ 0.5，則認為結(jié)果可行；當NSE(或R2)≥ 0.75，認為結(jié)果很好[18-19]。選取12個調(diào)控各水文循環(huán)過程的主要參數(shù)見表1。

表1 水文模擬主要參數(shù)

入庫徑流模擬結(jié)果與實測入庫流量基本吻合，率定期R2=0.91，NSE=0.86；驗證期R2=0.87，NSE=0.80，說明模型精度可靠，適用于該流域，見表2、圖4。

表2 清涼山水庫流域水文模擬結(jié)果

圖4 清涼山水庫流域月徑流模擬結(jié)果

根據(jù)徑流模擬結(jié)果，清涼山水庫流域多年平均年降水量為1 516.7 mm，入庫流量為2.77 m3/s，徑流系數(shù)為0.56，其中基流占總徑流比例為0.42；深層地下水補給量為72.51 mm，占降水量的5%(圖5)。模擬結(jié)果符合梅江流域、東江流域等廣東濕熱地區(qū)的水文特性[20-21]，說明結(jié)果合理，符合實際物理過程。

圖5 清涼山水庫流域內(nèi)水平衡情況示意(mm)

3.2 入庫氮磷通量模擬

基于徑流模型進行營養(yǎng)鹽通量模擬，受限于實測數(shù)據(jù)，本文僅進行模型率定，以決定系數(shù)R2評價模擬結(jié)果。營養(yǎng)鹽模擬的主要參數(shù)見表3。

表3 營養(yǎng)鹽模擬主要參數(shù)

清涼山水庫流域總氮模擬R2=0.61，總磷模擬R2=0.53，通量模擬值與實測值在同一數(shù)量級，兩者的季節(jié)變化較吻合(圖6)。

圖6 清涼山水庫流域氮磷通量模擬結(jié)果

4 結(jié)果與討論

4.1 總氮、總磷入庫通量時空分布特征

模擬得到2008—2017年清涼山水庫多年平均總氮入庫通量為33 030.3 kg/a，多年平均總磷入庫通量為2 282.0 kg/a。經(jīng)新田水的總氮、總磷入庫通量19 882.7、1 275.4 kg/a高于經(jīng)溪田水的總氮、總磷入庫通量12 977.5、956.9 kg/a(表4)。

表4 清涼山水庫氮、磷營養(yǎng)鹽入庫通量模擬

汛期總氮、總磷入庫通量分別占全年的61.5%、75.0%，大于非汛期，最大入庫通量均出現(xiàn)在6月，與賀斌等[22]對廣東省面源污染分布規(guī)律的研究較一致。總磷通量與徑流的相關(guān)性高于總氮通量(圖7)。用多年平均逐月總氮、總磷通量與徑流量計算得總氮、總磷濃度，其與月降水之間的關(guān)系見圖8?？偟?、總磷濃度在年內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)差異，汛期濃度低于非汛期，總磷濃度的年內(nèi)變化相對較小?？偟?、總磷濃度均在3月出現(xiàn)峰值，入汛后濃度開始下降，總氮濃度在6月達到谷值后在較低水平波動，總磷濃度在10月份達到谷值。這可能與降雨徑流的稀釋作用、當?shù)剞r(nóng)業(yè)耕種在不同季節(jié)施加的肥料種類等有關(guān)。

a)總氮通量

b)總磷通量

a)總氮濃度

b)總磷濃度

4.2 總氮、總磷負荷空間分布與來源分析

模擬得到清涼山水庫各子流域多年平均產(chǎn)水量、氮磷負荷空間分布見圖9。清涼山水庫流域產(chǎn)水量較高的區(qū)域主要分布于流域中部和東部，西部區(qū)域產(chǎn)水量明顯小于東部。這是因為流域中東部主要分布著顆粒較細或土層較薄的土壤類型，導(dǎo)致該地區(qū)下滲率較小，產(chǎn)水量較高。

圖9 清涼山水庫流域多年平均產(chǎn)水量與氮磷負荷分布

清涼山水庫流域氮磷負荷較大的區(qū)域主要分布在流域中部。多年平均總氮負荷為0.59～19.68 kg/hm2，14號子流域總氮負荷最高，其次為7、18、23號子流域，分布于流域中部和北部；總磷負荷的空間分布特征與總氮負荷基本一致，多年平均總磷負荷變化范圍為0.11～0.75 kg/hm2，總磷負荷最高的子流域為8、14、16號子流域，其次為18、20、23號子流域，集中于流域中部。

總氮負荷與土地利用類型有關(guān)，總氮負荷較大的區(qū)域與耕地集中分布的區(qū)域有所重疊，各子流域的總氮負荷與子流域中耕地占比成正相關(guān)(R=0.67，p<0.01)(圖10)。中國種植業(yè)的化肥施用以氮肥為主，施用強度較大，利用率較低[23-24]，大量未被吸收的氮素隨降雨徑流流失，導(dǎo)致該地總氮負荷增大。

圖10 總氮負荷與耕地占比關(guān)系

磷負荷與土壤類型有關(guān)，各子流域的總磷負荷與子流域土壤中鐵質(zhì)強淋溶土占比成正相關(guān)(R=0.90，p<0.01)(圖11)。磷的顆粒親和沉積性使其主要存在于土壤或沉積物中，隨降雨徑流的沖刷作用輸入河道[25-26]。鐵質(zhì)強淋溶土富含黏土和粉砂，土壤顆粒較細，更容易吸附并攜帶磷素隨徑流輸入河道中，使得該地總磷負荷增大。

圖11 總磷負荷與鐵質(zhì)強淋溶土占比關(guān)系

不同土地利用類型對氮磷負荷的貢獻比例不同(圖12)。耕地對總氮負荷的貢獻最大(75%)，其次為草地(16%)，其余土地利用類型產(chǎn)生的總氮負荷均小于10%，說明清涼山水庫中氮素主要來源于農(nóng)業(yè)耕種，其中氮肥的施用可能是重要的影響因素?？偭棕摵蓪ν恋乩玫拿舾行韵噍^總氮更弱，對總磷負荷貢獻最大的土地利用為林地(47%)，其次為耕地(36%)。清涼山水體中磷素主要來自自然源，然而農(nóng)業(yè)活動帶來的磷輸入同樣不容忽視。

圖12 清涼山水庫流域各土地利用對氮磷負荷貢獻率

5 結(jié)論

運用SWAT構(gòu)建適用于清涼山水庫流域氮磷入庫通量模擬的模型，模擬2008—2017年徑流過程和氮磷通量，結(jié)果如下。

a)清涼山水庫多年平均總氮入庫通量為33 030.3 kg/a，多年平均總磷入庫通量為2 282.0 kg/a，經(jīng)新田水的總氮、總磷入庫通量為19 882.7、1 275.4 kg/a高于經(jīng)溪田水的總氮、總磷入庫通量12 977.5、956.9 kg/a。

b)汛期的氮磷入庫通量大于非汛期，水體中總氮、總磷濃度均在入汛前達到峰值，總磷濃度的年內(nèi)變化更小。這與降雨徑流的稀釋作用、氮磷運移的物理機制相一致。

c)總氮、總磷負荷較大的區(qū)域主要分布在流域中部地區(qū)，總氮負荷集中于農(nóng)田占比高的地區(qū)，總磷負荷集中于鐵質(zhì)強淋溶土占比高的地區(qū)。流域中氮素的主要來源是農(nóng)業(yè)化肥施用，磷素的主要來源可能是自然源。