基于SWAT模型的图们江流域氮磷营养物非点源污染研究

摘要：运用数学模型模拟非点源污染物的空间分布及其输移转化机制，是当前农业非点源污染研究中的重要手段和途径之一。流域尺度长时段分布式水文模型SWAT（soil and water assessment tool）应用于我国南方许多流域的非点源污染模拟上都取得了较好的结果。利用SWAT 模型建立了东北图们江流域非点源污染数据库，对该流域（中国一侧）划分为5 个小流域46 个水文单元，分别进行了水文模拟、降雨径流和土壤侵蚀量计算。结果表明，图们江流域农业非点源污染主要的发生区在流域中部，海兰河和布尔哈通河交界的区域内。该区内有机氮和有机磷的非点源污染负荷明显高于其他地区，推测认为该区域为延边州首府延吉市所在地，城市建设和经济发展带来了繁荣，也造成了局部地区的植被破坏、土地裸露，水保能力下降，因此水土流失现象比较严重。另外，通过分析流域内有机氮和有机磷的时空变化特征发现，2007 年延吉、龙井地区为氮磷营养物非点源污染最大发生区（有机氮9.76 t·a-1，有机磷1.24 t·a-1），而2008 年除延吉、龙井地区外，珲春地区有机氮和有机磷非点源污染均有加重的趋势（分别由1.39 t·a-1 上升到3.82 t·a-1，0.17 t·a-1 上升到0.48 t·a-1）；氮磷营养物的空间分布特征表明，2007 年与2008 年除了延吉、龙井一带为最大发生区外，珲春地区有机氮流失有所加重（从1.39 t·a-1 上升到3.81 t·a-1），有机磷流失也有所加重（0.17 t·a-1 上升到0.48 t·a-1），而安图等地区则有所减轻。

    SWAT（soil and water assessment tool）模型[1]由美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）研发的流域尺度分布式水文模型。SWAT 模型是在集总式田间尺度非点源污染模型CREAMS [ 2 ]、SWRRB 模型[ 3 ] 和ESWAT[4]、SWIM[5]和SWAT-C[6-9]等各类改进模型基础上研发的，包括701 个方程和1 013 个中间变量，能够模拟流域内水、泥沙、营养物以及其他化学品水文循环的物理过程。
    SWAT 模型按照不同的土地利用方式和土壤类型将流域分为若干子流域，并在各子流域中进一步划分出水文响应单元HRUs（hydrologic response units）。模型在各个HRU 上独立运行，并将结果在子流域的出口进行汇合[10]。模型的模块包括水文、气象、泥沙、土壤温度、植物生长、营养物、农业/杀虫剂和农业管理等8 个组件，水文气象组件可模拟各个HRU 上地表径流、下渗、蒸散发等水文过程[11-14]、向模型输入或通过模型中的天气发生器自动生成降雨量、气温、太阳辐射、相对湿度和风速等气象因素变量；泥沙组件通过修正的土壤流失方程MUSLE（modified universal soil loss equation）计算泥沙负荷量以确定土壤侵蚀状况；营养物组件采用了整合的EPIC 模型，对其中N、P两种营养元素进行独立模拟[15 -16]； 由于嵌入了GLEAMS 模型，SWAT 模型可以模拟地表径流、渗漏、土壤挥发、泥沙携带等过程中农药/杀虫剂的迁移损耗状况以及多年生作物轮作和每年三季作物的种植情况；汇流演算模块包括河道汇流演算和蓄水体汇流演算两部分，可以比较准确地进行流域内水、泥沙、营养物和杀虫剂等在河网中运动迁移的计算。
    SWAT 模型在美国、加拿大、欧洲、亚洲和非洲等地区得到了广泛应用，并获得了不断的发展，研究内容涉及流域水量平衡、非点源污染、流域水文管理以及模型的改进和相关研究等诸多方面。Santhi 等[17]对美国德克萨斯州的West Fork 流域在执行水质管理规划（WQMPs）前后两个情景进行模拟，来评价执行该规划对非点源污染的长期影响；Grizzetti 等[18] 利用SWAT 模型研究了芬兰Vantaanioki 流域的N、P 循环和转化；Bouraoui 等[19]应用SWAT 模型研究了北非突尼斯Medjerda 流域不同管理措施对该流域地表水产生的潜在影响，得出流域内氮磷负荷的增加主要是由于农业施肥率的增加等。
    SWAT 模型引入我国较晚，目前主要是应用SWAT 模型模拟产沙产流、非点源污染研究和模型输
入参数的研究等。郝芳华等[20]应用SWAT 模型对官厅水库的非点源污染进行了定性分析和定量计算，得出非点源污染负荷与降水量成正比；张运生等[21]应用SWAT 模型分析土地利用方式对有机氮、有机磷、硝态氮、可溶性磷和矿化磷的迁移量有明显影响；苏保林等[22]建立了基于SWAT 模型的密云水库流域非点源污染模型系统，其研究表明该系统完全能应用于密云水库入库的非点源污染负荷模拟和预测；胡远安等[23-24]利用SWAT 模型分别对江西省萍乡市芦溪小流域和赣江上游袁水小流域的非点源污染进行了模拟，取得了较好的结果。这些研究均证明，SWAT 模型用于我国部分流域是基本可行的，在非点源污染的模拟计算中也有一定作用。