丹江流域非点源氮污染在土地利用和农业管理下的污染情况分析近年以来,随着经济社会的不断发展,水体的污染状况日益加重非点源污染由于面积广,污染类型多,迁移过程复杂,成为水体污染的重要来源据统计[1],在全球范围内有30%～50%的地表水都受到了非点源污染的影响,美国60%的水污染来源于非点源污染,欧洲国家由非点源污染排放的氮磷占地表水污染总负荷的24%～71%[2];根据2018年《中国水资源公报》[3]最新资料显示,在全国103个主要湖泊和总长26.2万km的河流中,Ⅳ～Ⅴ类、劣Ⅴ类湖泊分别占湖泊总数的58.9%和11.6%,Ⅳ～Ⅴ类、劣Ⅴ类河流分别占河流总长度的12.9%和5.5%,非点源污染已成为地表水水质恶化的主要原因因此,研究非点源污染的量化及其负荷的空间分布规律具有重要意义我国对非点源污染的研究开始于20世纪80年代,实施了包括退耕还林还草,推广新型肥料,改变灌溉管理方式[4]等一系列有效措施以减少非点源污染目前,非点源污染的研究主要集中在非点源污染物的特征、影响因素和模型模拟等方面[5,6]针对流域非点源污染负荷定量评价,已开发出了相关的模型,包括SWMM模型,HSPF模型和SWAT模型等。
其中SWAT模型作为一种较为成熟的分布式水文模型,不仅可以模拟流域非点源污染负荷,还可以通过设置不同情景优化流域非点源污染治理措施,因而在很多地区被广泛的使用和验证[7,8]Sorando等[9]运用SWAT模型构建了弗洛门流域的硝酸盐污染模型,并通过改变流域施肥量和种植作物预测流域的径流量和氮污染程度;Wagena等[10]利用SWAT模型,定量分析了气候变化与气候异常对切萨皮克湾流域农业、水文、养分循环和温室气体排放的影响;Gabriel等[11]采用SWAT模型对美国北卡罗来纳州2个流域的土地覆盖、气候变化对流域氮转化和输移的综合影响进行了估算丹江是南水北调中线工程的重要水源地,该地区属于土石山区,土层薄、有机质含量少,土壤抗蚀性较差,暴雨季节伴随降雨的冲刷,流域内的营养物质随径流进入水体,往往会对流域下游丹江口水库的水质造成威胁,影响水源地的调水工程乔卫芳等[12]通过SWAT模型对丹江口水库的非点源污染状况进行模拟,计算了流域内氮污染的负荷量;郑艳霞等[13]通过基流分割的方法估算了丹江口水库入库处的氮污染负荷,但对于丹江口水库的重要水源地-丹江流域的非点源氮污染状况还缺乏研究。
本文基于SWAT模型,以2004—2012年丹江流域的水文和水质数据为基础,建立丹江流域的径流污染物模型,并通过设置情景模拟探究不同土地利用配置及施肥和灌溉措施对流域非点源氮污染负荷的影响,以期为保障南水北调水质安全提供科学依据1、材料与方法1.1研究区概况丹江发源于秦岭南麓,陕西东南部,在陕西省境内流经商州,丹凤和商南3个县区,在湖北省丹江口市与汉江交汇,注入丹江口水库流域面积约6948km2,属于暖温带半湿润季风性气候,多年平均气温13.8℃,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,春季较短多大风干燥,雨热同期,降水季节分配很不均匀,全年降水的80%集中在夏季,期间常有暴雨,多年平均降雨量779mm,平均流量174m3/s,自然落差1401m研究区的高程、水系、子流域划分及气象水文站位置见图1图1丹江流域高程、水系、子流域划分及气象水文站位置1.2模型数据来源模型的数据来源主要包括空间数据、气象数据、水文数据和农业管理数据1.2.1空间数据空间数据主要包括研究区的DEM数据、土地利用数据和土壤类型数据DEM数据通过地理空间数据云下载,分辨率为30m,由12张DEM影像通过ArcGIS镶嵌功能拼接后将研究区裁剪。
将已经裁剪好的DEM输入模型,提取河网、坡度和坡向等基本信息,并将研究区分为36个子流域土地利用数据为2005年、2010年2期比例尺为1∶50000的陕西省土地利用图,根据国家土地利用分类标准,将研究区分为旱地、水田、林地、草地、水域、城镇用地和未利用地7种类型,并建立土地利用类型索引表土壤类型数据来源于联合国粮食及农业组织(FAO)网站上下载的世界土壤数据库(HWSD)数据,包括土壤类型图和土壤属性数据土壤属性数据包括土壤层数、土壤水文学分组、土壤层有效持水量、土壤饱和水力传导系数、土壤剖面深度等,其中土壤层有效持水量和土壤水饱和水力传导系数通过SPAW软件计算得到1.2.2气象水文数据气象水文数据分别来源于中国气象科学数据共享服务网和丹江流域水文局,主要包括2004—2012年商州和商南地区逐日的降水、气压、风速、蒸发量等数据和丹凤、荆紫关2个水文站逐月径流量、硝酸盐氮浓度、氨氮浓度数据,气象数据库通过SWATWeather.exe软件将实测气象原始数据输入后整理获得1.2.3农业管理数据流域农业管理数据通过商洛市经济统计年鉴和实地调研获得通过实际调查,流域内农作物以冬小麦和水稻为主,水稻在每年5月下旬种植,期间施肥2次,灌溉2次,平均施肥量约为134.45,57.62kg/hm2,平均灌溉量约7249.5m3/hm2,灌溉水深约50mm,每年9月下旬左右收割水稻。
水稻收获后种下冬小麦,期间施肥2次,在返青期和拔节期灌溉2次,平均施肥量约为348.25,149.25kg/hm2,平均灌溉量约750m3/hm2,灌溉水深约30mm,来年5月上旬再将小麦收割继续种植水稻具体数据信息见表1表1SWAT模型数据信息1.3情景模拟设置研究[14]表明,我国非点源污染主要来源于土壤侵蚀,农田种植负荷和农村生活废弃物3个方面因此,减少流域内水土流失和改善农田管理措施,是控制流域非点源污染的有效途径根据实际情况,设置情景的原则为:首先,假设当地积极响应退耕还林政策,将25°以上的坡耕地全部变为林地,最终逐渐将15°以上的耕地都变为林地;其次,假设该流域提高了农田的管理措施,使得流域内农田的施肥量和灌溉量减少故要设置的情景为:情景1:该地区积极实行退耕还林政策,即将>15°的耕地全部变为林地,<15°的耕地不变情景2:该地区实行退耕还林政策,将区域坡度>25°的耕地全部变为林地,坡度<25°的耕地不变情景3:该地区改善了农田的施肥措施,使流域施肥量减少20%情景4:该地区改善了灌溉措施,广泛使用喷灌,滴灌技术,使流域灌溉量减少20%情景5:情景5作为对照,设置为模拟年份内该流域原始的土地利用和施肥灌溉状况。
1.4模型精度评价模型的精度评价选用相对误差(ER)、确定性系数(R2)和Nash-Suttcliffe模拟效率系数(ENS)对模型的适用性进行评价[15],模拟效率系数(ENS)、确定性系数(R2)和相对误差(ER)的计算公式为:式中:Qi和Si是实测和模拟的径流污染物值,径流量的单位为m3/s,污染物负荷量的单位为kg;Q¯¯¯和S¯¯是实测和模拟的径流污染物的平均值R2为模型确定性系数,R2越接近1,表示实测值和模拟值的相关程度越高,模型模拟效果越好;ENS为模型模拟效率系数,ENS越接近于1,表示模型实测值和模拟值越相近;ER为模型相对误差,ER越小,表示实测值和模拟值的差距越小2、结果与分析2.1模型敏感性分析水文模型由于涉及方程和参数过多,模型不确定性来源主要包括模型输入数据、模型结构、参数及实测数据等[16]本研究通过SWAT-CUP和SUFI-2算法根据先率定径流,后率定污染物的原则对丹江流域的径流污染物进行敏感性参数分析、调整,最终确定参数范围,通过参数率定使模型的精度得以保证本研究将2005年流域土地利用类型作为输入数据,以2004—2007年为率定期,2008年为验证期,对丹凤站进行了径流、硝酸盐氮模拟;将2010年流域土地利用类型作为输入数据,以2009-2010年为率定期,2011-2012年为验证期,对荆紫关站进行了径流、氨氮模拟,2005年和2010年流域的土地利用状况见表2,流域内从2005-2010年间土地利用类型无明显变化,各土地利用类型的变化率均不超过1%,对模型模拟的结果影响不大。
模型选取率定的参数范围见表3表2丹江流域2005年、2010年土地利用状况2.2模型模拟结果分析通过敏感性分析,丹凤站径流量率定期的确定性系数R2、模拟效率系数ENS、相对误差ER分别为0.74,0.51,22.74%,验证期的R2、ENS、ER分别为0.70,0.51,15.73%;荆紫关站径流量率定期的确定性系数R2,模拟效率系数ENS、相对误差ER分别为0.75,0.67,17.81%,验证期的R2、ENS、ER分别为0.78,0.76,2.73%,各站点实测和模拟径流值结果和模型参数效果见图2和表4研究[17]表明,确定性系数R2>0.6,相对误差ER≤30%,模拟效率系数ENS>0.5时可以认为模拟结果有一定的可信度;ENS>0.65时,模拟结果较好,流域内径流率定期和验证期的确定系数均大于0.7,NS系数均大于0.5因此SWAT模型适用于丹江流域的径流模拟表3模型参数率定表4丹江流域月径流模拟图2丹江流域月径流模拟结果在基于径流模拟的基础上,进行流域水质模拟,分别对丹凤、荆紫关站进行了硝酸盐氮、氨氮负荷模拟,丹凤和荆紫关监测断面的硝酸盐氮、氨氮模拟结果见图3,模型的评价效果见表5。
根据上述分析,流域内污染物率定和验证期的确定系数均大于0.7,NS系数均大于0.5,表明模型适合模拟流域内的污染状况表5丹江流域月硝酸盐氮、氨氮负荷模拟3、讨论3.1流域氮污染负荷时间特征通过SWAT模型对丹江流域2004-2008年硝酸盐氮污染和2009-2012年氨氮污染进行模拟,计算流域内不同时期平均逐月硝酸盐氮、氨氮负荷输出量、输出占比,并同时计算不同模拟年份内流域出口处平均逐月径流量及其与平均逐月硝酸盐氮、氨氮负荷输出量的相关性关系,见图4、图5和表6由上述图表可知,首先,流域内不同时期硝酸盐氮和氨氮的输出量随时间的变化趋势一致,呈现先增大后减小的趋势,流域降雨集中在每年的7—9月,随着时间的推移由于降雨量的增大使得径流量增加,径流对土壤中氮的冲刷作用增强,从而使硝酸盐氮和氨氮的输出量增大;之后随着降雨量的减少,径流量随之减小,使硝酸盐氮和氨氮的输出量减小其次,流域内不同时期硝酸盐氮和氨氮输出量与流域径流量呈正相关关系,相关系数R2分别为0.32和0.66,随着径流量的增加,硝酸盐氮和氨氮的输出量逐渐增大,不同时期氨氮和硝酸盐氮污染较为严重的时间都集中在每年的7—9月,即流域丰水期,其输出量分别为734.32,735.36t,占全年硝酸盐氮和氨氮输出量的50%以上。
最后,考虑到模型设置时每年5,7月是水稻的施肥期,由于丰水期径流对坡耕地的侵蚀作用,耕地内氮肥大量流失,导致了当月氨氮和硝酸盐氮平均模拟输出负荷的升高因此,径流的变化是流域氮污染负荷变化的驱动因子之一图3丹江流域月硝酸盐氮、氨氮模拟结果图4丹江流域不同时期平均逐月径流量与硝酸盐氮、氨氮输出量图5丹江流域不同时期平均逐月径流量与硝酸盐氮、氨氮输出量相关性分析表6丹江流域不同时期平均逐月硝酸盐氮、氨氮输出量占比3.2流域氮污染负荷空间特征丹江流域2004-2008年月平均硝酸盐氮输出负荷和2009-2012年月平均氨氮输出负荷见图6由图6可知,流域硝酸盐氮负荷最高的子流域在流域下游34号子流域,单位面积的输出负荷为2.39kg/hm2,较高硝酸盐氮负荷的子流域主要集中在19,20,29,31,32,36号子流域,单位面积输出负荷为0.72～1.31kg/hm2,硝酸盐氮污染严重和较为严重的子流域共1064.41km2,占流域面积的15.32%;氨氮的输出负荷分布与硝酸盐氮相似,负荷最高的子流域主要集中在33,34,36号子流域,单位面积的输出负荷为。