辽河重污染支流招苏台河径流和泥沙模拟研究

汤 洁，张爱丽，侯克怡，李昭阳，田 雷，林晓晟，王 博

（吉林大学 环境与资源学院，长春130012）

由于自然因素及人类对水土资源的不合理开发利用，土壤覆盖物遭受破坏，在外力作用下易引发水土流失。我国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失面积已达到367万km2，占国土面积的38.2%，每年土壤流失量为50亿t［1－2］，总体上呈现强度高、发展快、成因复杂、危害严重等特征。水土流失的危害主要表现在降低土壤肥力、泥沙淤积阻碍地表径流，导致土地荒漠化等，另外，泥沙具有相当数量的黏土矿物和无机、有机胶体，在水体中是很好的吸附剂，多种污染物质可附着于泥沙颗粒表面，随泥沙运移进入河流，带来严重的环境问题。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一个连续模拟地表径流、泥沙和非点源污染的分布式水文模型，集成了3S技术、径流曲线数法（SCS）及修正的通用土壤流失方程（RUSLE），SWAT模型以其强大的功能、先进的模型结构及高效的计算，在水文模型中占有重要的地位，已成为现代水文模拟研究的热点［3］。国内外学者开展了大量的水文模拟研究，并对土地利用、气候及其他情景变化的水文效应进行分析［4－8］，证明了SWAT模型在模拟地表径流、地下径流、泥沙的有效性。

招苏台河流经吉林省四平市，是重要的农业灌溉水源和污染物受纳水体。近年来，由于人类无节制的开发，地表植被破坏严重，水土流失和水体污染等生态环境问题日益突出，给农业生产带来极大的安全隐患。本文应用SWAT模型模拟吉林省境内招苏台河流域的2004—2009年径流及输沙量，以期为研究区水土保持和河流污染治理提供数据和管理决策支持。

1 研究区概况

招苏台河发源于四平市梨树县三家子乡，是辽河的一级支流，由东向西流经梨树县梨树镇、郭家店镇等7个乡镇，在该县四棵树乡流入辽宁省，在辽宁省通江口乡汇入辽河（图1）。招苏台河流域地理位置位于东经124°17′—124°57′，北纬44°13′—44°35′，流域面积1 120km2，吉林省境内长度103km。流域处于温带和暖温带，具有大陆性和季风性气候特征，气温低，寒冷周期长。该河径流量年内分布具有明显的季节特点，6—9月份为丰水期，径流量占年径流量的60%～70%，3—5月和10月份为平水期，11月份进入枯水期，流量显著减少。

图1 招苏台河流域地理位置及站点

招苏台河流域以农业种植和牧业养殖为支柱产业，无工业企业，流域内水体污染以农业面源污染为主，据2010年的统计数据，流域内共有耕地856.27 km2，占土地总面积的76.59%，养殖场及养殖小区202家。梨树县环境监测数据显示，招苏台河2004—2010年多个断面为劣Ⅴ类水质，是辽河流域跨省界河流污染最严重的支流之一。随径流和泥沙携带进入河流的面源污染物是造成水体污染的重要原因，因此，研究重污染河流径流和泥沙的运动规律，对于流域水土保持和水污染治理具有十分重要的意义。

2 模型与数据处理

2.1 SWAT模型

SWAT模型由美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）基于SWRRB模型开发的流域尺度模型，属物理模型，适用于具有不同土壤类型、土地利用和管理方式下的复杂流域的模拟，可在资料缺乏的地区建模，模型在美国、加拿大、中国等40多个国家有广泛应用，主要集中在模拟地表水和地下水的水质、水量，预测土地管理措施对大尺度流域的水文、泥沙和非点源污染等方 面［5，9－13］。SWAT 模型主要包 括 水 文过程、土壤侵蚀和污染负荷三个子模型。水文过程可分为水循环陆地阶段和水循环水面阶段。水循环陆地阶段指的是流域的产流和坡面汇流，控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质等的输入量；水循环水面阶段也就是河道中的汇流部分，决定了水、沙等物质向流域出口的输移运动。土壤侵蚀子模型使用RUSLE方程计算泥沙的生成量，方程用径流代替降水因子，改善了泥沙量的预测。污染负荷子模型可用来模拟氮、磷污染负荷及其在河道中的迁移转化过程［10，14］。

2.2 数据库构建

数据库对SWAT模型的运行至关重要，模型通过调用数据库提取流域、地形、土壤等信息模拟流域的水文特征及物质的迁移转化。模型模拟所需数据主要有空间数据、非空间属性数据，以及用于校准、验证的水文监测数据。空间数据库包括数字高程模型（DEM）、土地利用图、土壤类型图等，其建立和管理均由ArcGIS 10.0软件完成。所有图件的地理坐标设为WGS1984，为保证投影后面积的真实性，本研究采用Albers等积圆锥投影。非空间属性数据一般考虑气象资料和土壤属性数据。SWAT模型数据库及数据来源见表1。

2.3 模型校准与验证

本文利用2004—2007年、2008—2009年的径流、泥沙等水文监测数据进行校准与验证，选用相关系数R2、相对误差Re和Nash－Suttcliffe系数Ens用于评价模拟值与实测数据的吻合程度。R2可通过线性回归的方法得到，Re和Ens计算公式为：

式中：Q0——实测值；Qp——模拟值；Qavg——实测平均值；n——实测数据数量。模型校准要求年径流量Re＜20%、年泥沙负荷Re＜30%，月均值的评价系数R2≥0.6，且Ens≥0.5。

表1 SWAT模型数据库及数据来源

2.4 SWAT模型运行

SWAT模型基于DEM在面积阈值为18km2的尺度上提取流域的水系，应用Burn－In功能以现有水系为基础调整后，将研究区划分为27个子流域（图1）。模型根据土地利用、土壤类型等空间信息，以子流域为单位划分水文响应单元（HRU），以反映不同组合间的水文特征。综合分析各子流域土地利用和土壤类型组合及分布，将其最小面积阈值比分别定为4%和5%，即小于阈值的土地利用及土壤类型重新划分，与其他类型合并，土地利用图和土壤类型图叠加后，共划分为153个水文响应单元。

通过SWAT模型的敏感性分析模块，确定对模拟影响较大的敏感因子：SCS径流曲线系数（CN2）、土壤蒸发补偿系数（ESCO）、土壤可利用水量（SOIL＿AWC）、最大冠层需水量（CANMX）、基流α系数（ALPHA＿BF）等。基于敏感性分析的结果及梨树水文站的监测数据，对年径流量、月径流量、年输沙量和月输沙量依次进行校准，2004—2007年为校准期，2008—2009年为验证期。年径流量Re为14.47%，年泥沙负荷Re为4.4%，月校准和验证的结果见表2、图2，表明SWAT模型应用在招苏台河流域径流和输沙量的评估和预测研究是可行的。

表2 招苏台河流域校准和验证结果

3 结果与分析

根据SWAT模型模拟结果，招苏台河流域2004—2009年6a的年均径流量为1.64m3／s，入河泥沙量、输沙量分别为6.90万t、6.71万t，在河道中输移损失0.19万t，土壤侵蚀模数为62.93 t／（km2·a），根据水利部土壤侵蚀分类分级标准［15］，侵蚀强度属于微度侵蚀。基于SWAT 模型年模拟结果，统计不同土地利用类型的产沙量。耕地产生的泥沙量为6.48万t／a，占总量的93.86%，居民地的产沙量为0.42万t／a，占总量的6.13%，林地、草地等的产沙量占总量的1.00%；耕地的土壤侵蚀模数为79.02 t／（km2·a），林地为0.17t／（km2·a），草地为0.65 t／（km2·a）。因此耕地是该河泥沙产生的主要来源。

3.1 模拟结果时空分析

3.1.1 时间分析 由图2可以看出，枯水期、平水期和丰水期的径流量差异显著，平均径流量分别为0.45，0.91，3.71m3／s。枯水期处于冬季，河水结冰，基本无径流量，或以污水为主的少量径流；丰水期径流量较大，在7月、8月份达到峰值，这与降雨的峰值相一致，降雨是直接补给径流的主要途径。招苏台河输沙量最大值亦出现在7月、8月份，即随着降雨量的增大，土壤侵蚀的强度和泥沙的输移能力均明显提高。输沙量在3月份出现小峰值，其原因是春季融雪产流，导致没有植被覆盖的表层土壤易随径流进入河流。

对2004—2009年模拟结果的统计分析表明（表3），径流量与降雨量呈显著正相关，相关系数R2为0.88（P＜0.05），降雨是水文循环的直接动力，是影响径流的重要因素。输沙量与径流量的R2为0.58（P＜0.1），有一定的相关性，这是因为河道产沙伴随着水文循环过程发生，但也较多受到植被类型、地形、土壤侵蚀因子、农业管理和水土保持措施等的影响，导致二者的相关系数较小。

3.1.2 空间分析 由招苏台河流域不同子流域年均产流和产沙的空间分布可以看出（图3），子流域18及河流发源地（子流域19，22，26）对流域年径流量贡献较大，4个子流域产生的年径流量为0.36亿m3，占流域总量的32.45%，为流域的主要产流区。产沙量较大的是子流域5，10，18，19，22，26，产沙量达2.93万t，占总产沙量的42.50%，是流域主要的产沙区。比较子流域的坡度发现，产流、产沙大的子流域平均坡度大于其他子流域，且土地利用以耕地为主，地理特征及土地利用类型为产流、产沙提供了良好的条件。

图2 2004－2009年逐月径流量和输沙量模拟与实测结果

表3 招苏台河流域2004－2009年模拟结果

图3 研究区年径流量和产沙量空间分布

3.2 水土保持措施模拟

利用SWAT模型模拟水土保持措施，对于制定和实施水土保持措施具有理论指导意义，以往研究表明［16］，研究区坡度不同，所采取的水土保持措施也有所差异。应用ArcGIS 10.0软件，基于DEM提取流域坡度（表4）。区内坡度以0～6°的平耕地为主，占流域总面积的95.61%，坡度大于6°的面积为49.08 km2，仅占总面积的1.39%。根据招苏台河流域平耕地的土壤类型以黑土和草甸土为主的特点，适宜在河流两岸修建植被缓冲带，以减少水土流失量。以往研究表明，河岸的植被保护缓冲带能有效拦截进入河流的泥沙、氮、磷等污染物质，改善水体水质，且在缓冲带内种植灌木、乔木等根系发达的植物可起到更好的固土作用［14，17－19］。

表4 招苏台河流域坡度分布

为探讨缓冲带对招苏台河流域径流和泥沙的影响，本文利用SWAT模型中土地管理和情景模拟模块设定不同控制措施情景，结果见表5。

表5 不同植被缓冲带情景下产沙量模拟结果

植被缓冲带具有降低洪枯比的作用，可有效改善水文循环。修建缓冲带后年均径流量为3.01m3／s，较无缓冲带时增加了83.5%，缓冲宽度对径流的影响不显著。分析其原因，植被缓冲带能改变流域水文条件，增加枯水期的流量，另外，研究区地处东北寒冷地区，冬季积雪80～120d，植被缓冲带具有较好的滞留雪的能力。春季融雪时，有植被覆盖区域的反射率较其他地区高，因而可以吸收的太阳能量、蒸腾量相应有所减少，有利于增加径流补给［20］。相对于无水土保持措施，修建1m，2m，5m，10m，15m缓冲带使研究区泥沙入河量分别降低了22.56%，27.84%，39.18%，50.85%，57.43%。缓冲带对入河泥沙量有一定的削减作用，且呈现出宽度越大，削减效果越好的趋势。缓冲带的功能随时间有显著变化，分析2004—2009年修建缓冲带后入河泥沙量，2005年开始明显减小，之后趋于平缓，但在实际应用时，由于受到植被生长周期的影响，截留泥沙量是一个缓慢的过程。植被缓冲带减少泥沙是因为植被缓冲带改变了原有地表植被类型和微地形，保护土壤团聚体避免降雨的直接破坏，从而影响土壤侵蚀的动力和抗侵蚀阻力系统，减少土壤侵蚀作用［21］。

4 结论

（1）对模型进行校准和验证后，评价参数均满足要求，表明SWAT模型对招苏台河流域的应用研究是可行的。

（2）招苏台河流域年平均径流量、输沙量为1.64 m3／s、6.71万t，土壤侵蚀强度属于微度侵蚀。径流量、输沙量的年内分布具有季节性特点，7月、8月份径流量和输沙量达到峰值。产流、产沙与地形和土地利用类型有关，产流量较大的是子流域18，19，22，26，占总量的33.07%；产沙量较大的子流域是5，10，18，19，22，26，占研究区总量的42.69%。

（3）河流两岸修建植被缓冲带后年径流量有所增加，泥沙入河量显著减少，缓冲带可有效改善水文循环，缓冲带的宽度应综合考虑流域地形、坡度、土壤结构、植物类型等因素进行确定。

（4）招苏台河两岸目前多为耕地，无任何河岸护坡设施，居民区附近畜禽粪便及生活垃圾随意堆放，泥沙运移易携带大量的污染物和植物性营养物进入河流，导致水体污染严重。因此，揭示泥沙产生、运移的规律，实施有效的水土保持工程，不仅可减少水土流失量，也是改善河流污染，减缓跨省界河流污染负荷的重要措施。

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