基于SWAT模型对非点源污染分布特征的研究——以汾河上游为例.pdf
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1、为了加快汾河流域水污染源治理,本文基于数字高程模型(DEM)、土壤类型、土地利用、气象、水文、农作物管理数据,构建了汾河上游 SWAT 模型,并对该地区非点源污染分布特征进行研究。研究结果显示:(1)汾河上游流域泥沙及总氮输出系数较大的区域集中于海拔较高、坡度较陡、耕地较多的中部、东部及东南部;总磷输出系数较大的区域集中于中部及中东部城镇、村庄等人类聚集地集中的地区;(2)汾河源头区,虽然海拔较高、坡度陡,但泥沙、总氮、总磷输出系数均较小,没有明显的非点源污染;(3)草地为泥沙和总磷的主要贡献来源,耕地输出系数对总氮的贡献比很大,林地对总氮和总磷的贡献较低,城镇的总氮和总磷输出系数较大,但是由
2、于面积占比小,整体贡献较低。关键词:汾河上游SWAT 模型非点源污染中图分类号:X52文献标识码:C文章编号:1008-0120(2023)02-0045-05收稿日期:2023-05-25窑45窑2023 年第 2 期山西水土保持科技随着经济社会的快速发展,区域环境污染、生态失衡、资源枯竭等问题日趋突出,农业非点源是造成水环境逐渐恶化的重要原因之一。汾河上游是太原市重要水源地,本文对汾河上游流域非点源污染的分布情况基于 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型进行模拟分析,可为汾河流域生态修复及保护工作提供理论基础和决策依据。本文通过卫星影像识别及解译、野
3、外调查、资料收集、水文观测等调研方式和多种数据整理方法得到数字高程图、土壤分布图、土地利用类型分布图、农作物管理、气象站点分布图等格式统一的模型数据库,包括土壤、土地利用、气象、农作物管理和污染源数据库,利用 SRTM-30 m 数据将汾河上游流域划分为 35 个子流域,构建适用于汾河上游流域的SWAT 模型,模拟分析了汾河上游流域的非点源污染空间分布特征,研究了汾河上游流域不同土地利用类型对非点源污染源的贡献。1研究方法与数据来源1.1研究区概况汾河是山西最大的河流,也是黄河的第二大支流,自源头由北向南贯穿山西的 6 个市 45 个县,全长716 km,流域面积约 39 471 km21,占
4、全省国土总面积的 1/4,流域内工业2、农业等各行业产值占全省经济的半数以上,被称为山西的“母亲河”。本研究所指汾河上游流域是从源头到汾河水库上游的河岔水文站,占汾河总流域面积的 1/10 左右4,占整个流域面积的19.57%,流经宁武县、岚县、娄烦县、静乐县、古交市五个县(市)3,辖区人口约占山西省总人口的 2.44%。汾河流域多年平均降水量在 434528 mm 之间,多年平均气温在 6.212.8益之间。1 月和 12 月是一年中降水量最低的月份,分别占年总降水量的 0.63%及 0.72%5,而约 24%年总降水量集中在 7 月。在汛期(6-9 月),径流量占年总径流量的比例基本在55
5、%-62%之间6。汾河上游地区植被覆盖率高,乔灌草等植物群落相互作用,形成不同的植物组合。乔木种类多,主要有油松、侧柏、杨树等高大乔木7。在 1 4001 800 m 海拔的广大丘林沟壑地区,多以灌草植物为主,如紫穗槐、柠条、白羊草、苜蓿草等。在地下水位较高的河谷区的低洼地带,土壤湿度较高,多分布有草甸植物,均为喜湿的芦苇、蒲草8等植物。由于地质、水文、气候条件的共同作用,形成以褐壤土、棕壤土、草甸土为主的土壤类型9。其中褐壤土主要作为耕作土存在。1.2研究数据构建 SWAT 模型,需要大量的空间数据和属性数据支撑10。主要包括:DEM数字高程栅格数据(数据来源:中国科学院地理空间数据云,格式
6、:30 m 分辨率,年份:2015 年)、土壤分类栅格数据(数据来源:中国土壤数据库,格式:1颐100 万,年份:2016 年)和土地利用栅格数据等空间数据(数据来源:中国科学院地理空间数据云,格式:Landsat-7 遥感影像解译,年份:2017年);气象站日观测数据,如太阳辐射、降雨量和温度等(数据来源:气象科学数据共享服务网,年份:2009-2019 年);河岔水文站月观测数据,如污染物量、泥沙量、径流量等(数据来源:山西省水利厅,年份:2009-2019 年);主要农作物管理数据等属性数据(数据来源:太原市、忻州市生态环境局、农业统计年鉴,年份:2009-2019 年)。1.3汾河上游
7、流域 SWAT 模型构建以获取的数字高程、土壤、土地利用、气象、农作物管理等及径流、泥沙和污染物等数据为基础,利用Arcgis10、SPAW、MATLAB、WGEN、pcpswat以及dew02等软件,经过镶嵌、掩膜提取、数据标准转换、重分类、重采样、坐标投影转换等操作以及一系列的计算,生成河网水系、子流域划分、土壤物理化学数据库、土地利用数据库、气象农作物管理数据库、污染源数据库构建11,最终构建完成 SWAT 汾河上游流域模型。将 2009 年作为预热期,2010-2016 作为率定期,2017-2019 年作为验证期,输出径流、泥沙、氮、磷污染物模拟结果。为提高模型的适用性,以河岔水文站
8、 2009-2019年每月实测的径流、泥沙、氮、磷污染物数据为观测值,对模型中水文、泥沙、氮、磷污染物等涉及的参数使用 sensitivity analysis 软件12、SWAT-CUP 软件中的SUFI-2 反演算法及结合人工校正法13,进行参数敏感性分析、参数率定,使用百分比偏差(PBIAS)、判定系数(R2)、纳什系数(NSE)14等统计指标,对模型适用性进行评价。结果显示:径流、泥沙、氮、磷模拟结果和实测值总体拟合度较好,率定期和验证期R2、NSE 均大于 0.5,PBIAS 均小于 25%,说明构建的SWAT 模型对研究区水文模拟适用性非常好,对泥沙、总氮、总磷模拟适用性好。证明
9、SWAT 模型在汾河上游流域的模拟应用中具有较好的适用性。模型性能等级的评价标准见表 1,参数率定及模型适用性验证结果见表 2。窑46窑2023 年 6 月王锦志赵喜萍刘林李泽利基于 SWAT 模型对非点源污染分布特征的研究以汾河上游为例a.泥沙b.总氮c.总磷图 1基于 HRU 污染物输出系数空间分布图泥沙输出系数(t/km2)02 5002 5015 0005 0018 0008 00115 00015 00118 618总氮输出系数(kg/ha)0.003.003.016.006.0113.00总磷输出系数(kg/ha)0.000.300.311.001.011.50kilometres
10、03 61218kilometres0361218kilometres03612182汾河上游流域非点源污染解析2.1基于 HRU(水文响应单元)解析2.1.1泥沙输出系数源解析由图 1a 可知汾河上游流域大部分区域侵蚀模数小于 2 500 t/(km2 a),属于轻度侵蚀。与 DEM 图及土地利用图比较来看,研究区北部由于为汾河源头区,多年来不间断的植树造林生态治理,使得主要土地利用类型为林地,加之各项水土保持工程措施的使用,虽然海拔较高、坡度陡,但是并没有明显的泥沙流失情况;研究区的中部及东部区域是以耕地为主的土地利用类型,虽已实施部分生态治理措施,但还未成体系,虽然坡度不高,但由于人为的
11、扰动等因素,使得泥沙流失也较为明显。2.1.2总氮输出系数源解析图 1b 可知流域整体总氮输出系数低于 15 kg/ha。其中,流域西北部源头区总氮输出系数低于 3kg/ha,流域主河道附近的总氮输出系数普遍在 36 kg/ha之间,且在南部较为集中,南部出口处的总氮输出系数最高。与流域 DEM 和土地利用相比,对总氮输出系数影响较大的是土地利用类型,在流域源头区总氮输出系数低,主要是由于该区域主要土地利用类型为林地及草地等非耕作用地,化肥使用量极少;在主河道两侧坡度较缓地区总氮输出系数较高,主要是由于这些区域的土地利用主要为耕地,大量化肥的使用,使得该区域总氮输出系数较高。性能等级R2和 N
12、SEPBIAS/%径流泥沙氮、磷非常好0.75R2(NSE)1PBIAS10PBIAS15PBIAS25好0.65R2(NSE)0.7510PBIAS1515PBIAS3025PBIAS40令人满意0.50R2(NSE)0.6515PBIAS2530PBIAS5540PBIAS70一般R2(NSE)0.50PBIAS25PBIAS55PBIAS70表 1统计指标对模型性能等级的评价标准表 2河岔水文站径流、泥沙及营养盐率定与验证结果模拟指标率定期(2010-2016)验证期(2017-2019)性能等级R2NSEPBIAS/%R2NSEPBIAS/%径流0.9120.901-5.60.8610
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