馬 放,姜曉峰,王 立*,李光明,李 哲(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)宜興環(huán)保研究院,江蘇 宜興 214205)

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基于SWAT模型的阿什河流域非點(diǎn)源污染控制措施

馬 放1,2,姜曉峰1,2,王 立1,2*,李光明1,2,李 哲1,2(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)宜興環(huán)保研究院,江蘇 宜興 214205)

摘要：以阿什河流域?yàn)檠芯繀^(qū),建立了SWAT模型,并通過(guò)情景模擬技術(shù)分別模擬了退耕還林.等高種植、化肥減量與植被過(guò)濾帶等非點(diǎn)源污染控制措施及其綜合效果.結(jié)果表明:通過(guò)坡耕地退耕還林,可減少1.03％～5.35％的非點(diǎn)源TN負(fù)荷與0.94％～8.09％的非點(diǎn)源TP負(fù)荷;通過(guò)等高耕作,可減少0.51％～2.77％的非點(diǎn)源TN負(fù)荷與0.49％～4.54％的非點(diǎn)源TP負(fù)荷;通過(guò)20％的化肥減量可減少0.65％～6.52％的非點(diǎn)源TN負(fù)荷與0.01％～2.95％的非點(diǎn)源TP負(fù)荷;20m的植被過(guò)濾帶可減少42.62％～69.51％的非點(diǎn)源TN負(fù)荷與80.09％～86.27％的非點(diǎn)源TP負(fù)荷.通過(guò)綜合管理措施,可減少34.90％～54.36％的TN負(fù)荷與35.32％～60.89％的TP負(fù)荷.為達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅳ類水體TN與TP的濃度標(biāo)準(zhǔn),2006～2010年尚需削減45.87％～82.53％的點(diǎn)源TN負(fù)荷與35.58％～66.85％的點(diǎn)源TP負(fù)荷.

關(guān)鍵詞：SWAT模型；非點(diǎn)源；情景模擬；污染控制；阿什河流域

* 責(zé)任作者, 副教授, wli@hit.edu.cn

已有研究表明,僅僅依靠對(duì)點(diǎn)源污染進(jìn)行防控,并不能從根本上解決流域尺度的水環(huán)境問(wèn)題[1-2].目前,越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始關(guān)心非點(diǎn)源污染在水質(zhì)惡化過(guò)程中所扮演的角色[3-4].有研究表明,在一些流域內(nèi),非點(diǎn)源污染已經(jīng)超過(guò)點(diǎn)源污染,成為水環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因[5-6].當(dāng)今,隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展與日益增長(zhǎng)的糧食需求,越來(lái)越多的商用化肥被投入到農(nóng)田中,使得隨地表徑流進(jìn)入水環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)物也日益增加[7].非點(diǎn)源的控制措施可分為源頭控制(如人工濕地與植被緩沖帶等)與末端治理(如保護(hù)性耕作、覆蓋作物種植管理與土地利用管理等)兩大類[8].王曉等[9]基于SWAT模型,研究了丹江口水庫(kù)流域不同等級(jí)坡度下控制流域非點(diǎn)源污染的最佳措施.趙鵬等[10]以溪河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,用情景分析法,預(yù)測(cè)了不同河岸帶修復(fù)策略對(duì)非點(diǎn)源污染的削減作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)河岸帶對(duì)TN和TP的削減能力具有較大的空間差異性,TN的去除率為23.36％～ 30.72％,TP的去除率為27.19％～39.86％.

阿什河流域是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地之一,近年來(lái)隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)與糧食產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng),流域的水體污染也日趨加重,已經(jīng)被《松花江流域水污染防治“十二五”規(guī)劃編制大綱》列為“哈爾濱市污染最為嚴(yán)重的河流”.隨著阿什河流域點(diǎn)源治理工作的不斷推進(jìn),非點(diǎn)源污染問(wèn)題逐漸顯露了出來(lái),流域面臨著重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力和非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)?shù)仄惹行枰嘘P(guān)非點(diǎn)源污染控制措施的研究.目前,當(dāng)?shù)刂贫ǖ陌⑹埠恿饔虻姆屈c(diǎn)源污染控制措施均為基于輸出系數(shù)法,或定性研究,科學(xué)依據(jù)不足,尚缺少基于物理模型的定量化研究.

在此背景下,本研究構(gòu)建了阿什河流域的SWAT模型,對(duì)阿什河流域的非點(diǎn)源污染進(jìn)行了定量化估算,基于此對(duì)流域內(nèi)的非點(diǎn)源污染類型進(jìn)行了識(shí)別,并基于識(shí)別結(jié)果,利用情景模擬技術(shù)對(duì)流域的非點(diǎn)源污染措施進(jìn)行了研究,以期為阿什河及其他相似條件流域的非點(diǎn)源污染控制工作提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿什河流域位于黑龍江省哈爾濱市轄區(qū)內(nèi)(126°40′20″E～127°43′33″E,45°5′30″N～45°50′28″N).流域面積3545km2,流域總?cè)丝诩s123.2萬(wàn),共包含9個(gè)街道與18個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn).流域海拔范圍為109～833m,坡度為范圍為0～67.3％,但流域內(nèi)土地整體較為平坦,坡度大于25％的區(qū)域只占總面積的8.94％.流域冬季氣候寒冷,多年平均氣溫3.4℃,最冷月1月份平均氣溫-19.8℃ ,極端最低氣溫-40℃ .每年11月中旬至次年4月上旬為冰封期.流域內(nèi)全年降雨量不均,降雨大多集中于7～8月份,此間降雨量約占全年的47.3％左右,最大降水量1032mm,最小降雨量383.5mm,多年平均降雨量為580～600mm.

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與處理

運(yùn)行SWAT模型需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).本研究中,數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站;土壤圖及土地利用圖來(lái)源于黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心;河網(wǎng)圖來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理中心.降雨,溫度,相對(duì)濕度,風(fēng)速及太陽(yáng)輻射等氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于SWAT官方網(wǎng)站及中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng).流量數(shù)據(jù)來(lái)源于水利部阿城水文站;水質(zhì)監(jiān)測(cè)與點(diǎn)源負(fù)荷來(lái)源于哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站;施肥負(fù)荷來(lái)源于《哈爾濱統(tǒng)計(jì)年鑒》[11].詳細(xì)數(shù)據(jù)信息如表1所示.

表1　SWAT模型數(shù)據(jù)信息Table 1 Information of SWAT input data

1.3 研究方法

一般來(lái)說(shuō),大空間尺度下的非點(diǎn)源污染研究,多采用數(shù)值模擬的方法,或者稱為模型.根據(jù)馬鑫等[12]對(duì)1900～2012年間Web of Science中的SCIE和CPCI-S引文數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì),目前應(yīng)用最廣泛的非點(diǎn)源污染模型主要有以下4個(gè):HSPF, ANSWERS,AGNPS和SWAT,合計(jì)占到總發(fā)文量的20.2％.而在這4種模型中,SWAT占52％,占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì).需要說(shuō)明的是每種模型都有一定的限制和使用條件,阿什河流域是高寒農(nóng)業(yè)區(qū),以下將根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行模型選擇.首先,在功能上,上述4種模型都符合要求,均為長(zhǎng)期連續(xù)模型且可以模擬N、P非點(diǎn)源污染.但ANSWERS模型沒(méi)有考慮降雪的融積過(guò)程,因此不適宜在阿什河流域應(yīng)用;AGNPS則沒(méi)有考慮污染物平衡,且不適用于空間尺度較大的流域模擬,模擬流域一般不超過(guò)200km2,而阿什河流域超過(guò)了3000km2; HSPF模型不具備模擬水田的瓦管排水的能力[13],其對(duì)管理措施的模擬也不盡完善,且對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)元素的模擬效果則較SWAT略差[14]; SWAT模型在阿什河流域的問(wèn)題則為不合適在平原區(qū)應(yīng)用.由此可知,沒(méi)有盡善盡美的模型,只能在一定范圍內(nèi)選擇最合適的模型.本研究選擇了美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的SWAT模型進(jìn)行非點(diǎn)源污染的定量化計(jì)算.關(guān)于平原區(qū)的適應(yīng)性問(wèn)題,采用手繪河網(wǎng)校正的方式,取得了令人滿意的結(jié)果.

SWAT是一種物理模型,目前已被廣泛用于水土流失防控,非點(diǎn)源污染控制以及流域管理等方面,是非點(diǎn)源污染研究中應(yīng)用最廣泛的模型之一[15-17].Sun等[18]將SWAT模型應(yīng)用于海河流域,優(yōu)化了流域內(nèi)冬小麥與玉米的灌溉措施,提高了農(nóng)業(yè)用水的利用率.孫麗娜等[19]借助SWAT模型和CLUE-S模型研究了吉林省東遼河流域土地利用變化對(duì)非點(diǎn)源的影響,結(jié)果表明不同土地利用條件對(duì)泥沙、溶解態(tài)氮、有機(jī)氮、TN、溶解態(tài)磷、有機(jī)磷和TP均有顯著影響.Wu等[20]利用SWAT模型對(duì)珠江三大支流之一,東江流域的點(diǎn)源與非點(diǎn)源權(quán)重進(jìn)行了分析,結(jié)果表明除礦物質(zhì)磷外,其他營(yíng)養(yǎng)鹽污染中非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為其主要來(lái)源.

由于阿什河流域以農(nóng)業(yè)為主的特征,決定了其非點(diǎn)源污染主要來(lái)自于農(nóng)田.因此,本研究的控制措施也均聚焦于農(nóng)田,同時(shí)考慮SWAT的模擬能力,分別設(shè)置了退耕還林、等高耕作、化肥減量與植被過(guò)濾帶4種控制措施.

2 結(jié)果與討論

2.1 模型適用性分析

在建立SWAT模型后,還需進(jìn)行率定和驗(yàn)證,證明其適用于所在區(qū)域,然后方可將其用于相應(yīng)的計(jì)算.單一評(píng)價(jià)指標(biāo)往往難于準(zhǔn)確描述模型的表現(xiàn)力,本研究采用相對(duì)誤差(RE),決定系數(shù)(R2)以及Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(ENS)等3個(gè)指標(biāo),用于對(duì)模型徑流模擬的適用性做出評(píng)價(jià).Moriasi 等[21]給出了水文模型在以月為時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行徑流與水質(zhì)模擬時(shí)的適用性標(biāo)準(zhǔn).一般來(lái)說(shuō),對(duì)于ENS和R2≥0.50即可認(rèn)為是可接受的;對(duì)于RE,徑流在±15％

SWAT模型用戶手冊(cè)建議有2～5a的預(yù)熱期,以減少模型初始化過(guò)程中帶來(lái)的空值問(wèn)題.因此,對(duì)于徑流,設(shè)定率定期為1996～2005年,驗(yàn)證期為2006～2010年.由于阿什河產(chǎn)沙量比較低,水利部自1954年后就取消了阿什河的泥沙監(jiān)測(cè),因此本研究進(jìn)行徑流率定與驗(yàn)證后直接進(jìn)行了水質(zhì)率定與驗(yàn)證.水質(zhì)率定與驗(yàn)證選取的指標(biāo)為T(mén)N與TP,本研究獲取的監(jiān)測(cè)值時(shí)間范圍為2006～2010 年.由于我國(guó)國(guó)情的原因,每年只有8個(gè)月的例行監(jiān)測(cè),分別為1月、2月和5～10月.因此,對(duì)于TN 與TP,設(shè)定的率定期為2006～2008年,驗(yàn)證期為2009～2010年.徑流與水質(zhì)的率定與驗(yàn)證結(jié)果如圖1所示.

圖1　率定與驗(yàn)證期最佳擬合曲線Fig.1 Best fit curve for calibration and validation

由圖1可知,徑流率定期的RE、R2與ENS分別為6.42％,0.61與0.59,驗(yàn)證期RE、R2與ENS分別為-12.83％,0.69與0.67;TN率定期的RE,R2與ENS分別為-18.33％、0.64與0.55,驗(yàn)證期RE,R2與ENS分別為-17.34％,0.59與0.57;TP率定期的RE,R2與ENS分別為-4.32％,0.61與0.56,驗(yàn)證期的RE,R2與ENS分別為-18.02％,0.67與0.58,符合Moriasi等給出的適用性標(biāo)準(zhǔn).綜上,SWAT模型適用于在阿什河流域進(jìn)行徑流,TN與TP的模擬.

2.2 退耕還林

退耕還林是指:將易造成水土流失的坡耕地和易造成土地沙化的耕地,有計(jì)劃、分步驟地停止耕種;本著宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草、喬灌草結(jié)合的原則,因地制宜地造林種草,恢復(fù)林草植被.根據(jù)《中華人民共和國(guó)水土保持法》[22],禁止在25°以上陡坡地開(kāi)墾種植農(nóng)作物.已在禁止開(kāi)墾的陡坡地上開(kāi)墾種植農(nóng)作物的,應(yīng)當(dāng)按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定退耕,植樹(shù)種草;耕地短缺,退耕確有困難的,應(yīng)當(dāng)修建梯田或者采取其他水土保持措施.《退耕還林條例》[23]也要求,江河源頭及其兩側(cè)、湖庫(kù)周圍的陡坡耕地以及水土流失和風(fēng)沙危害嚴(yán)重等生態(tài)地位重要區(qū)域的耕地,應(yīng)當(dāng)在退耕還林規(guī)劃中優(yōu)先安排.但是退耕還林還涉及經(jīng)濟(jì)與倫理等諸多方面的問(wèn)題,例如糧食產(chǎn)量的降低與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生計(jì)問(wèn)題等,本研究?jī)H對(duì)其對(duì)非點(diǎn)源污染的影響方面進(jìn)行討論.

根據(jù)以上法律法規(guī)精神,本研究設(shè)置的情景為將流域內(nèi)坡度大于25°的耕地轉(zhuǎn)換為林地.阿什河流域內(nèi)坡度大于25°的耕地面積總計(jì)為1726hm2,約占流域內(nèi)耕地總面積的1.02％,面積不大,因此本研究只設(shè)置了兩個(gè)梯度,即25°以上坡耕地退耕100％與50％兩級(jí),還林的林地類型設(shè)為普通林地.模擬結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知,退耕還林對(duì)于削減流域非點(diǎn)源TN與TP污染具有積極作用,其中在豐水年效果更為顯著.退耕面積100％的效果要好于退耕面積50％.總體來(lái)說(shuō),通過(guò)對(duì)坡耕地進(jìn)行退耕還林,在不同水平年可以減少1.03％～5.35％的非點(diǎn)源TN負(fù)荷,0.94％～8.09％的非點(diǎn)源TP負(fù)荷.TP削減效果要好于TN,這主要是由于TP為沉積性污染,多附著于泥沙等顆粒上,而退耕地全部為坡度25°以上的耕地,水土流失嚴(yán)重,因而退耕還林對(duì)削減非點(diǎn)源TP污染的效果更為顯著.

圖2　退耕還林模式下的非點(diǎn)源TN與TP削減效果Fig.2 Reducing effect of NPS-TN and NPS-TP under returning farmland to forest mode

2.3 等高耕作

退耕還林會(huì)涉及糧食產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,從這個(gè)角度考慮,若不削減農(nóng)田面積,則需要一定的農(nóng)田管理措施.等高耕作是保護(hù)性耕作措施的一種,也稱為橫坡耕作,其最常見(jiàn)的表現(xiàn)形式為梯田.從基本原理可知,其主要是通過(guò)減緩坡度的方式來(lái)減少水土流失量,進(jìn)而減少非點(diǎn)源污染.SWAT模型中內(nèi)置的“Operation”模塊可以實(shí)現(xiàn)這一功能,本節(jié)將通過(guò)設(shè)置梯田的方式,考察等高耕作對(duì)非點(diǎn)源TN與TP的削減效果.

設(shè)置TERR_P(等高耕作水土保持因子)設(shè)置為0.5,TERR_CN(等高耕作徑流曲線數(shù))初始值設(shè)置為60,TERR_SL(等高耕作平均坡長(zhǎng))設(shè)置為20,將以上參數(shù)寫(xiě)入.ops文件中,然后運(yùn)行模型即得到等高操作所對(duì)應(yīng)的非點(diǎn)源TN與TP污染.模擬結(jié)果如圖3所示.

圖3　等高耕作模式下的非點(diǎn)源TN與TP削減效果Fig.3 Reducing effect of NPS-TN and NPS-TP under terracing mode

由圖3可知,等高耕作對(duì)于削減流域非點(diǎn)源TN與TP污染具有積極作用,但作用較為有限.通過(guò)等高耕作,在不同水平年可以減少0.51％～2.77％的非點(diǎn)源TN負(fù)荷,0.49％～4.54％的非點(diǎn)源TP負(fù)荷.TP削減效果要好于TN,原因同退耕還林一致.總體來(lái)看,等高耕作的削減效果要差于退耕還林,其優(yōu)點(diǎn)主要是不需要以降低糧食產(chǎn)量為代價(jià).

2.4 化肥減量

化肥是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要來(lái)源之一,從源頭控制的思想來(lái)看,減少化肥使用量是降低非點(diǎn)源污染的根本措施.生物肥料是近幾年新興起的一種技術(shù),狹義的生物肥料,是通過(guò)微生物生命活動(dòng),使農(nóng)作物得到特定的肥料效應(yīng)的制品,也被稱之為接種劑或菌肥,它本身不含營(yíng)養(yǎng)元素,不能代替化肥.廣義的生物肥料是既含有作物所需的營(yíng)養(yǎng)元素,又含有微生物的制品,是生物、有機(jī)、無(wú)機(jī)的結(jié)合體它可以代替化肥,提供農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的各類營(yíng)養(yǎng)元素.

在不影響產(chǎn)量的狀況下,生物肥料可以替代一定量的傳統(tǒng)化肥[24].廣東省農(nóng)科院土肥所開(kāi)發(fā)的水稻專用BB肥可比普通化肥減少25％的使用量而不影響產(chǎn)量[25].吳正景等[26]在溫室條件下種植番茄,在不影響產(chǎn)量的情況下,使用樹(shù)脂包膜尿素減少了15％的化肥用量.考慮技術(shù)移植的各種復(fù)雜影響因素,以及大規(guī)模使用時(shí)的空間效應(yīng)問(wèn)題,實(shí)際中往往難以達(dá)到理想效果.基于以上考慮,同時(shí)參考課題組在與本研究區(qū)相近的拉臨河流域的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[27],將化肥替代量設(shè)為10％.將新的施肥負(fù)荷寫(xiě)入.mgt文件中,得到化肥減量后的非點(diǎn)源TN與TP負(fù)荷,如圖4所示.

圖4　化肥減量模式下的非點(diǎn)源TN與TP削減效果Fig.4 Reducing Effect of NPS-TN and NPS-TP under Fertilizer Reducing Mode

由圖4可知,通過(guò)10％的生物化肥替代后,在不同水平年可以減少0.65％～6.52％的非點(diǎn)源TN負(fù)荷及0.01％～2.95％的非點(diǎn)源TP負(fù)荷.TN削減效果要好于TP,并且TP削減率體現(xiàn)出了明顯的逐年上升趨勢(shì).TN削減也體現(xiàn)了這一趨勢(shì),但沒(méi)有TP顯著.這主要是由于TP是沉積性的,作物對(duì)磷肥的利用率較低,每年施用的磷肥得不到有效利用而沉積于土壤中,逐年累積起來(lái),因而磷肥的削減效果需要較長(zhǎng)時(shí)間方能顯現(xiàn);TN中的NO3--N穿透性較強(qiáng),這部分氮多通過(guò)穩(wěn)定的基流帶入流域中,即TN的累積性沒(méi)有TP強(qiáng),因而TN的削減效果見(jiàn)效要比TP快.孫金華等[28]使用AnnAGNPS模型,對(duì)太湖流域雪堰鎮(zhèn)平原區(qū)進(jìn)行了化肥減量的情景模擬,研究發(fā)現(xiàn)削減30％的化肥量,可以減少18.08％的非點(diǎn)源TN與4.30％的非點(diǎn)源TP,與本研究的結(jié)論相一致.

2.5 植被過(guò)濾帶

植被過(guò)濾帶,也稱為植被緩沖帶,可以理解為一種將污染源與受納水體隔離開(kāi)的植被帶[29].植被過(guò)濾帶被認(rèn)為是控制非點(diǎn)源污染最有效的方法之一,并且具有成本低廉、兼具生態(tài)效益等優(yōu)點(diǎn)[30].美國(guó)在1978年即將植被過(guò)濾帶列為流域管理的“最佳管理措施”(Best Management Practices, BMPs)之一,在加拿大,植被過(guò)濾帶已被列入“Ontario省農(nóng)場(chǎng)環(huán)境規(guī)劃和水土管理BMPs”之中,英國(guó)和其他歐洲國(guó)家也提倡使用植被過(guò)濾帶[31-32].

SWAT2009中使用的過(guò)濾帶算法源自White 和Arnold,其只對(duì)泥沙、營(yíng)養(yǎng)物細(xì)菌和殺蟲(chóng)劑有影響,而不影響地表徑流量.并且SWAT不考慮過(guò)濾帶的植物構(gòu)成,配比與形狀等因素,只考慮長(zhǎng)度、寬度與坡度的影響.本研究中長(zhǎng)度由農(nóng)田形狀決定,坡度由DEM進(jìn)行計(jì)算,因此只對(duì)緩沖帶寬度的不同進(jìn)行討論.

關(guān)于植被過(guò)濾帶的寬度效果目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論[33].李偉等[34]的研究表明,由狗牙根構(gòu)成的植被過(guò)濾帶寬度分別為0.5m,1.0m,1.5m和2.0m時(shí),對(duì)TN的去除率分別為8％,42％,56％和59％,對(duì)TP的去除率分別為20％,77％,86％和89％.Lee等[35]的研究表明,由柳枝稷構(gòu)成的7.1m寬的植被過(guò)濾帶,對(duì)地表徑流中的泥沙,TN與TP的去除率可以達(dá)到95％,80％與78％.李懷恩等[36]的研究發(fā)現(xiàn),10m寬的草地植被過(guò)濾帶對(duì)地表徑流中TN與TP的去除率分別為70％和85％. Dosskey等[37]的研究發(fā)現(xiàn),30m的植被過(guò)濾帶方能過(guò)濾掉徑流中所有的硝態(tài)氮,但Haycock等[38]的研究卻表明,5～8m的寬度就足夠了.以上研究結(jié)果顯示,對(duì)于多數(shù)植被過(guò)濾帶系統(tǒng),10m即可提供足夠好的效果,提高寬度不僅需要更高的成本,還可能存在岸邊距離不足的狀況.因此,本研究的設(shè)置的植被過(guò)濾帶寬度分別為3m,5m,10m和20m.模擬結(jié)果如圖5所示.

圖5　植被過(guò)濾帶模式下的非點(diǎn)源TN與TP削減效果Fig.5 Reducing Effect of NPS-TN and NPS-TP under Filter Strips Mode

如圖5所示,植被過(guò)濾帶對(duì)削減流域非點(diǎn)源TN與TP污染具有積極作用,且效果顯著.寬度為3m,5m,10m和20m的植被過(guò)濾帶對(duì)非點(diǎn)源TN與TP的去除率分別可達(dá)14.60％～33.72％, 18.93％～ 41.28％, 27.77％～53.74％, 42.62％～69.51％和45.40％～49.07％,52.87％～57.11％,65.05％～70.17％, 80.09％～86.27％.植被過(guò)濾帶的寬度與污染物去除率成正比,即植被過(guò)濾帶越寬,污染物去除的越多, 且TP的削減效果好于TN.以上研究與李世鋒等[39]及李懷恩等[40]的研究結(jié)果一致.這主要是由于模擬中MINP(礦物質(zhì)磷)的含量較高,即顆粒性磷的含量較高,而SWAT模型中的植被過(guò)濾帶只考慮了截留作用,并未考慮其中的生化反應(yīng),因此,TP的截留作用要好于TN.由圖5可見(jiàn),TN的截留波動(dòng)性要大于TP,這主要是由于TN中的NO3--N與NH4+-N皆為溶解性氮,但是SWAT2009并未考慮植被過(guò)濾帶對(duì)徑流的截留作用.因此,TN的截留與降雨的關(guān)系更密切,由圖5(a)亦可看到非點(diǎn)源TN在污染負(fù)荷高的年份擁有更高的去除率,而非點(diǎn)源TN染負(fù)荷高的年份則恰是降雨量高的年份.

2.6 綜合措施

多種控制措施同時(shí)應(yīng)用可以最大程度的將非點(diǎn)源污染危害降至最低.由上述研究可知,植被過(guò)濾帶的削減效果遠(yuǎn)好于退耕還林、等高種植及化肥減量.由于非點(diǎn)源TN與TP的累積效應(yīng),退耕還林與化肥減量見(jiàn)效較慢,但其屬于源頭控制措施,長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是改善流域水質(zhì)的必須措施.植被過(guò)濾帶由于采取了直接截留污染物的方式,因此效果最好,是快速改善流域水質(zhì)的重要措施.基于以上分析,本研究設(shè)置最終的綜合管理措施為“25°以上耕地100％退耕還林”+“25°以下耕地等高種植”+“化肥減量5％”+“20m植被過(guò)濾帶”.由于獲取的點(diǎn)源負(fù)荷數(shù)據(jù)只包含2006～2010年時(shí)段,故綜合措施效果亦只分析這五年.實(shí)施綜合措施后,流域總出口的TN與TP負(fù)荷及削減效果如圖6所示.

由圖6可知,綜合措施對(duì)于削減流域TN與TP污染具有積極作用.通過(guò)綜合管理措施,在不同水平年可以減少34.90％～54.36％的TN負(fù)荷以及35.32％～60.89％的TP負(fù)荷.由于污染物的削減主要依靠植被過(guò)濾帶的作用,因此TP的削減效果略好于TN.通過(guò)計(jì)算,經(jīng)過(guò)管理措施后的阿什河流域總出水口TN濃度為5.94～8.99mg/L,TP濃度為0.62～1.14mg/L,依舊遠(yuǎn)超《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[41]中Ⅳ類水體要求的TN濃度1.5mg/L,TP濃度0.3mg/L的要求,需進(jìn)一步對(duì)非點(diǎn)源進(jìn)行削減或者對(duì)點(diǎn)源進(jìn)行削減.由于目前皆為在不影響糧食產(chǎn)量的基礎(chǔ)上對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)行削減,因此建議對(duì)點(diǎn)源進(jìn)行削減.經(jīng)計(jì)算,為達(dá)到Ⅳ類水體中TN與TP的濃度標(biāo)準(zhǔn), 2006～2010年尚需削減45.87％～82.53％的點(diǎn)源TN負(fù)荷與35.58％～66.85％的點(diǎn)源TP負(fù)荷.由于枯水期由于非點(diǎn)源負(fù)荷較低,因此點(diǎn)源TN與TP削減要求較高的年份主要為枯水年.

圖6　綜合模式下的TN與TP削減效果Fig.6 Reducing Effect of TN and TP under Integrated Management Mode

3 結(jié)論

3.1 基于SWAT模型,應(yīng)用情景模擬技術(shù),對(duì)阿什河流域的非點(diǎn)源污染控制措施進(jìn)行了研究.SWAT模型適用于在阿什河流域進(jìn)行徑流,TN與TP的模擬.

3.2 阿什河流域非點(diǎn)源污染嚴(yán)重,非點(diǎn)源TN負(fù)荷約占TN總負(fù)荷的32.47％～62.61％,非點(diǎn)源TP負(fù)荷約占TP總負(fù)荷的32.47％～62.61％的22.30％～57.85％.

3.3 退耕還林,等高種植,化肥減量,植被過(guò)濾帶等技術(shù)對(duì)非點(diǎn)源TN與TP負(fù)荷削減具有積極作用,其中植被過(guò)濾帶的作用最為顯著.通過(guò)以上綜合措施,在不同水平年可以減少34.90％～54.36％ 的TN負(fù)荷以及35.32％～60.89％的TP負(fù)荷.但為達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅳ類水體TN與TP的濃度標(biāo)準(zhǔn),2006～2010年尚需削減45.87％～82.53％的點(diǎn)源TN負(fù)荷與35.58％～66.85％的點(diǎn)源TP負(fù)荷.

參考文獻(xiàn)：

[1] Boers P C M. Nutrient Emissions from Agriculture in Netherlands: Causes and Remedies [J]. Water Science and Technology, 1996, 33(4):183-189.

[2] Martha W G, Wanada B P. A Geographic information system to predict nonpoint source pollution potential [J]. Water Resource Bulletin, 1987,2:281-291.

[3] 韓相奎,劉 學(xué).平原區(qū)流域非點(diǎn)源污染研究進(jìn)展 [J]. 中國(guó)資源綜合利用, 2014,32(2):52-55.

[4] 夏 軍,翟曉燕,張永勇.水環(huán)境非點(diǎn)源污染模型研究進(jìn)展 [J].地理科學(xué)進(jìn)展, 2012,31(7):941-952.

[5] 李春林,胡遠(yuǎn)滿,劉 淼.城市非點(diǎn)源污染研究進(jìn)展 [J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013,32(3):492-500.

[6] 羅 倩,任 理,彭文啟.遼寧太子河流域非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷模擬分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(1):178-186.

[7] Wu Y P, Liu S G, Chen J. Urbanization eases water crisis in China [J]. Environmental Development, 2012,2:141-144.

[8] 付菊英,高懋芳,王曉燕.生態(tài)工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制中的應(yīng)用 [J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2014,37(5):169-175.

[9] 王 曉,郝芳華,張 璇.丹江口水庫(kù)流域非點(diǎn)源污染的最佳管理措施優(yōu)選 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(7):1335-1343.

[10] 趙 鵬,胡艷芳,林峻宇.不同河岸帶修復(fù)策略對(duì)氮磷非點(diǎn)源污染的凈化作用 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(7):2160-2170.

[11] 哈爾濱統(tǒng)計(jì)局.哈爾濱統(tǒng)計(jì)年鑒 [M]. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 1999-2010.

[12] 馬 鑫,閆鐵柱,曹洪濤,等.流域非點(diǎn)源污染文獻(xiàn)計(jì)量分析 [J].農(nóng)業(yè)圖書(shū)情報(bào)學(xué)刊, 2014,26(6):55-61.

[13] Singh J, Knapp H V, Arnold J G, et al. Hydrological modeling of the Iroquois River Watershed using HSPF and SWAT [J]. Journal of the American Water Resources Association, 2005,41(2):343-360.

[14] Saleh A, Du B. Evaluation of SWAT and HSPF within basins program for the upper North Bosque River watershed in central Texas [J]. Transactions of the ASAE, 2004,47(4):1039-1049.

[15] Gassman P W, Reyes M R, Green C H et al. The soil and water assessment Tool: Historical development, applications, and future research directions [J].Transactions of the ASABE, 2007,50(4):1211-1250.

[16] Williams J R, Arnold J G, Kiniry J R, et al. History of model development at Temple, Texas [J]. Hydrological Sciences Journal, 2008,3(5):948-960.

[17] Arnold J G, Moriasi D N, Gassman P W, et al. SWAT: Model use, calibration, and validation [J]. Transactions of the ASABE, 2012, 55(4):1491–1508.

[18] Sun C, Ren L. Assessing crop yield and crop water productivity and optimizing irrigation scheduling of winter wheat and summer maize in the Haihe plain using SWAT model [J]. Hydrological Processes, 2014,28:2478-2498.

[19] 孫麗娜,盧文喜,楊青春,等.東遼河流域土地利用變化對(duì)非點(diǎn)源污染的影響研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(8):1459-1467.

[20] Wu Y P, Chen J. Investigating the effects of point source and nonpoint source pollution on the water quality of the East River (Dongjiang) in South China [J]. Ecological Indicators, 2013,32: 294–304.

[21] Moriasi D N, Arnold J G, Van Liew M W, et al. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations [J]. Transactions of the ASABE, 2007,50(3):885-900.

[22] 中華人民共和國(guó)第十一屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì).中華人民共和國(guó)水土保持法 [Z]. 2011.

[23] 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令.退耕還林條例 [Z]. 2003.

[24] 解開(kāi)治,徐培智,張仁陟,等.化肥減量技術(shù)的可行性分析 [J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007,(5):55-58.

[25] 徐培智,張發(fā)寶,唐拴虎,等.水稻專用長(zhǎng)效控釋BB肥應(yīng)用效果初報(bào) [J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2002,(1):18-20.

[26] 吳正景,鄒志榮,程瑞峰,等.樹(shù)脂包膜尿素對(duì)溫室番茄肥效的觀察 [J]. 長(zhǎng)江蔬菜, 2002,(7):35-38.

[27] 張淑娟,王 立,馬 放,等.叢枝菌根(AM)對(duì)水稻生長(zhǎng)促進(jìn)及化肥減量研究 [J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,42(6):958-962.

[28] 孫金華,朱乾德,練湘津,等.平原水網(wǎng)圩區(qū)非點(diǎn)源污染模擬分析及最佳管理措施研究 [J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2013,22(Z1): 75-82.

[29] 霍煒潔.草地過(guò)濾帶對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的截留效應(yīng)研究 [D].北京:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 2013:16-17.

[30] Phillips J D. An evaluation of the factors determining the effectiveness of water quality buffer zones [J]. Journal of hydrology, 1989,107:133-145.

[31] 王良民,王彥輝.植被過(guò)濾帶的研究和應(yīng)用進(jìn)展 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008,19(9):2074-2080.

[32] 陶 梅,薩仁娜.植被過(guò)濾帶防治農(nóng)業(yè)面源污染研究進(jìn)展 [J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012,40(1):91-94.

[33] 申小波,陳傳勝,張 章,等.不同寬度模擬植被過(guò)濾帶對(duì)農(nóng)田徑流、泥沙以及氮磷的攔截效果 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(4):721-729.

[34] 李 偉,王建國(guó),王 巖,等.用于防控菜地排水中氮磷污染的緩沖帶技術(shù)初探 [J]. 土壤, 2011,43(4):565-569.

[35] Lee K H, Isenhart T M, Schultz R C. Sediment and nutrient removal in an established multi-species riparian buffer [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2003,58:1-8.

[36] 李懷恩,鄧 娜,楊寅群,等.植被過(guò)濾帶對(duì)地表徑流中污染物的凈化效果 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010,26(7):81-86.

[37] Dosskey M G. Setting priorities for research on pollution reduction functions of agricultural buffers [J]. Environmental Management, 2002,30:641-650.

[38] Haycock N E, Pinay G. Ground water nitrate dynamics in grass and poplar vegetated riparian buffer strips during the winter [J]. Journal of Environmental Quality, 1993,22:273-278.

[39] 李世鋒.關(guān)于河岸緩沖帶攔截泥沙和養(yǎng)分效果的研究 [J]. 水土保持通報(bào), 2003(6):41-43.

[40] 李懷恩,龐 敏,楊寅群,等.植被過(guò)濾帶對(duì)地表徑流中懸浮固體凈化效果的試驗(yàn)研究 [J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2009,28(6):176-181.

[41] GB3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) [S].

Non-point source pollution control of Ashihe Basin based on SWAT Model.

MA Fang1,2, JIANG Xiao-feng1,2, WANG Li1,2*, LI Guang-ming1,2, LI Zhe1,2(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.HIT Yixing Academy of Environmental Protection, Yixing 214205, China).China Environmental Science, 2016,36(2)：610～618

Abstract：Ashi River Basin was selected as the study area to establish soil and water assessment tool (SWAT) model under the support of the scenario simulation technology to simulate the returning farmland to forest , terracing , fertilizer reduction ,vegetation filtering belt strips,their syntaxic control measures and its comprehensive effect.Results showed that: returning farmland to forest mode could reduce 1.03％～5.35％ of NPS-TN load and 0.94％～8.09％ of NPS-TP load. Terracing mode could reduce 0.51％～2.77％ of NPS-TN load and 0.49％～4.54％ of NPS-TP load. Fertilizer reducing mode could reduce 0.65％～6.52％ of NPS-TN load and 0.01％～2.95％ of NPS-TP load. Filter strips mode could reduce 42.62％～69.51％ of NPS-TN load and 80.09％～86.27％ of NPS-TP load. Syntaxic mode could reduce 34.90％～54.36％ of TN load and 35.32％～60.89％ of TP load. For reaching the water quality goal of ‘Environmental quality standards for surface water’ (GB3838-2002), 45.87％～82.53％ of PS-TN load and 35.58％～ 66.85％ PS-TP load should be reduced yet.

Key words：SWAT Model；non-point source；scenario simulation；pollution control；Ashi River Basin

作者簡(jiǎn)介：馬 放(1963-),男,遼寧鐵嶺人,教授,博士,主要從事環(huán)境生物技術(shù),流域污染防控理論與技術(shù)的研究.發(fā)表論文120余篇.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51179041);水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07201007);黑龍江省自然科學(xué)基金(E201206);城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))自主課題(2014TS05)

收稿日期：2015-07-17

中圖分類號(hào)：X522

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)02-0610-09