基于SWAT模型的南四湖流域非点源氮磷污染模拟及湖泊沉积的响应研究
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摘要
南四湖是我国华北地区最大的淡水湖，是南水北调东线工程重要的输水通道和调蓄湖泊。南四湖流域地处34°24′~35°59′N，114°52′~117°42′E之间，是淮河流域的重要组成部分，流域以南四湖为中心，流域内有53条大大小小的河流，从四面八方呈辐射状汇入南四湖。上世纪80年代，流域内工农业快速发展，大量污水未经处理随意排放，使得南四湖流域的水环境遭到了严重破坏。随着南水北调东线工程的推进和南四湖流域各地市生产、生活用水量的增加，南四湖流域水体污染已成为黄淮地区一个不可忽视的问题。
大量研究表明，近几年来，南四湖流域在点源污染得到有效的控制之后，非点源污染已经成为目前南四湖流域水体污染的主要原因。因此，对南四湖流域非点源污染进行模拟研究，不仅为全面认识南四湖流域水体非点源污染的影响和分布提供科学依据，同时研究方法和所得结果亦可为类似的其它流域非点源污染研究提供借鉴与参考。
本研究采用野外采样、室内分析和数值模拟等多种研究手段相结合的综合研究的技术路线，尝试利用SWAT模型对南四湖流域非点源污染进行定量模拟，分析南四湖流域非点源污染物的时空分布特征，并探索性地分析检验了南四湖湖区沉积物所含氮、磷元素的空间和时间分布对南四湖流域非点源氮、磷负荷的响应。
本研究共分为五大部分，包括七章，第一部分即第一章，主要介绍了选题背景、意义、非点源污染的研究综述及国内外研究进展。第二部分包括第二章和第三章，主要介绍了研究区概况，并详述了SWAT模型模拟前的数据准备过程。第三部分包括第四章和第五章，主要论述了典型小流域SWAT模型的构建、校准、验证，南四湖流域非点源污染的模拟及评价。第四部分为第六章，主要分析了南四湖沉积物中氮、磷元素含量在空间分布和时间分布上对南四湖水体非点源氮、磷负荷的响应。第五部分也即第七章，归纳研究结论及未来研究展望。
本研究得出主要结论如下：
1、SWAT模型应用于南四湖流域非点源污染的模拟精度较高，且湖东地区模拟效果好于湖西地区。
考虑到南四湖流域湖东和湖西两个区域的差异性及SWAT模型的数据要求，在湖东和湖西各取泗河流域和东鱼河流域作为典型小流域，进行非点源污染模拟，并将模型参数的校准方法用于流域内其它河流流域的估算，得到了南四湖流域非点源污染的空间分布，取得良好效果。通过对比，湖东地区的模拟效果好于湖西地区，这从一定程度上说明SWAT模型在地形起伏较大的地区模拟精度更高。
2、南四湖流域非点源氮、磷污染严重，湖东地区非点源氮、磷负荷大于湖西地区。
通过模拟结果可以看出，南四湖流域土壤侵蚀较轻，大部分地区属于微度土壤侵蚀。流域内非点源氮负荷严重超标，大部分地区氮负荷大于2mg/L，属于氮污染关键区。流域内非点源磷负荷大于0.4mg/L的地区约占总流域面积的40%，这些地区属于磷污染关键区。总体来看，南四湖湖东地区的非点源氮、磷污染较湖西地区严重，其中位于湖东的洸府河流域是南四湖流域非点源氮、磷负荷的最大贡献者。
3、禽畜养殖和化肥流失是南四湖流域非点源氮、磷污染的主要污染源。
通过对南四湖流域非点源氮、磷污染的主要污染源进行调查、统计、分析，得到环境背景因素（气候、土壤、地形、土地利用类型等）、化肥流失、农村生活污水、禽畜养殖各因素的贡献率。研究结果表明，除环境背景因素的影响外，禽畜养殖是湖东地区各河流流域非点源氮、磷污染的主要污染来源，化肥流失在湖西地区各河流流域非点源氮、磷污染中占据主要地位。
4、非点源氮负荷以溶解态为主，非点源磷负荷以吸附态为主。
通过SWAT模型的模拟及ArcGIS制图，得到流域内各河流流域354个子流域为单位的产流、产沙、坡度、降水、非点源氮负荷、非点源磷负荷的空间分布图。为了进一步探究它们之间的相互关系，对其进行了相关分析。结果显示（1）对产流影响：坡度>降水；（2）对产沙影响：产流>降水>坡度；（3）对非点源氮负荷影响：产流>产沙，因此流域内非点源氮负荷主要为溶解态；（4）对非点源磷负荷影响：产沙>产流，因此流域内非点源磷负荷主要为吸附态。
5、湖泊沉积物中非点源氮、磷含量对湖泊水体非点源氮、磷负荷有良好的响应效应。
通过将SWAT模型模拟的入湖口非点源氮、磷含量，与南四湖水质、表层和柱状底泥样点监测分析结果，结合湖泊底泥测年分析数据做对照，分析了湖泊沉积物中氮、磷含量在空间分布和时间分布上对水体中非点源氮、磷负荷的响应。经分析，在空间分布上，湖泊沉积物中的磷含量对湖泊水中非点源磷负荷的有很好的响应效应；在时间分布上，湖泊沉积物中氮、磷含量对湖泊水中氮、磷负荷均有很好的响应，但在时间上稍有滞后。
本研究主要的贡献与创新点如下：
①首次利用最为接近地表流失水文过程的SWAT模型，对南四湖全流域进行了径流量、泥沙负荷、非点源氮负荷和非点源磷负荷的模拟、计算，为进一步掌握南四湖流域水文过程、非点源污染分布等提供数据参考。
②研究了2001~2010年年均南四湖流域非点源污染空间分布，确定了土壤侵蚀关键区和营养物质流失关键区，为流域内非点源污染治理和水环境保护措施的制定提供了理论依据。
③选取典型小流域进行模拟，并将模型参数的校准方法应用于整个流域的模拟，提高了模拟效率，为SWAT模型模拟类似于南四湖流域的其它流域的非点源污染提供了切实可行的模拟方法。
④分析南四湖沉积物所含氮、磷对水体非点源氮、磷负荷在时间和空间上的响应，在一定程度上检验说明了南四湖底泥中氮、磷元素的来源，为南四湖底泥中污染物与营养元素的去除治理工作提供科学依据。
⑤较系统地构建了南四湖流域基础地理信息系统与水文、水质污染数据库，为南四湖流域其它相关研究提供了良好基础。
Nansihu Lack is the largest freshwater lack of North China, which is animportant pivot of East Route Project of South-to-North Water Diversion. NasihuBasin, located in the southwest of Shangdong province(34°27′N~35°20′N，116°34′E~117°21′E), and it is an important part of Huaihe basin. Nasihu Lake is thecentre of the basin, where 53 rivers flowed into the Lake. In the 1980s, with the rapiddevelopment, a great deal of wastewater was discharged directly without treatment,which can bring about a serious pollution to the water environment of Nasihu basin.Along with the advance of East Route Project of South-to-North Water DiversionSouth to North Water Diversion and the increase of water consumption formanufacture and resident life, the problem of water pollution was not to be neglectedin Nasihu basin.
Numerous studies showed that Non-Point Source Pollution (NPS) has become amainly primary cause of Nansihu basin pollution now, after the Point Source Pollutionhas been controlled. For this reason, an all-round understanding of distribution andimpact of NPS pollution in Nansihu basin were based on the research of NPS. Theresearch method can also be used as a source of reference for researching the NPS inanother basin.
With the methods of field investigation, lab analysis and numerical simulation,the paper studied the simulation of NPS in Nansihu basin with SWAT model. Thecharacteristic of temporal and spatial distribution of NPS pollution in Nansihu basinwas analyzed, and the response of lacustrine deposit to NPS pollution in NansihuLake.
This study included 7 chapters, which had been separated into five parts. The fistpart was the first chapter, as the opening badge, which gave a general overview of thebackground and significance of this topic, the review of NPS pollution at home andabroad. The second part included the chapter 2 and 3, which introduced the generalsituation of the research district, data preparations for SWAT model. The third partconsisted of chapter 4 and 5, which discoursed the SWAT model building , calibrationand confirmation of typical watersheds, simulation and evaluation of NPS in Nasihubasin. The fourth part was chapter 6, which analyzed the response of lacustrine deposit to NPS pollution of Nansihu Lake in chronology and spatial distribution. Thelast part was chapter 7, which elaborated on the research conclusion and outlook ofthe future research.
Conclusions of this research were followed as such:
1. The SWAT model was more rational to simulate the NPS pollution in Nansihu basin,and the result in the east was better than in the west.
Because of the differences between the east and the west of Nansihu Lake andthe data demand of SWAT model, the typical watersheds, Sihe watershed andDongyuhe watershed, were selected to be simulated firstly. Then the models of Sihewatershed and Dongyuhe watershed were used to simulate the whole Nasihu basin,and good simulation results were got. The simulation result in the east was better thanin the west from the contrastive analysis, which showed that SWAT model was moresuited to simulate the rugged region to a certian extent.
2. The NPS pollution of nitrogen and phosphorus was very serious in Nansihu basin,and the pollution in the east was more serous than it in the west.
The result of simulation indicated that soil erosion in large part of Nansihu basinis not serious. The nitrogen load in this region far exceed quota, and the density ofnitrogen was more than 2mg/L, which was the key area of nitrogen pollution. Thedensity of phosphorus in about 40 percent of this region was more than 0.4 mg/L,where NPS pollution of phosphorus was serious. On the whole, NPS pollution ofnitrogen and phosphorus in the east was more serious than in the west, and theprimary contributor was Guangfuhe watershed.
3. The primary pollution sources were livestock and poultry breeding andchemical fertilizer loss.
The investigation, statistics and analysis of the source of NPS pollution ofnitrogen and phosphorus showed the contribution rates of all the factors, such asenvironment background value (climate, soil, topography, landuse and so on),chemical fertilizer loss, domestic sewage of village and breeding of livestock andpoultry. The research indicted that except the effect of environment background value,breeding of livestock and poultry was the primary source of NPS pollution in the eastof the basin, and chemical fertilizer loss was the mainly source of NPS pollution inthe west.
4. The total nitrogen load in Nansihu watershed was mainly solution, and the totalphosphorus load in Nansihu watershed was mainly adsorption.
The simulation with SWAT model and the map making with ArcGIS received thespatial distribution maps of runoff, silt, gradient, rainfall, NPS nitrogen load and NPSphosphorus load. In order to know the relation among these factors, the correlation ofthem was analyzed. The result showed that: (1) The sequence of the factor, whicheffected the stream flow, was slope > rain fall. (2) The stream flow impact on silt wasgreater than rain fall and slope. (3) The total nitrogen load and the stream flow werepositively correlation with the correlation coefficient 0.733, so the nitrogen wasmainly solution. (4) The total phosphorus load and the sediment flow were positivelycorrelation with the correlation coefficient 0.97, so the phosphorus was mainlyadsorption.
5. Some responses of sediment to the NPS pollution in the lake existed in both spaceand time.
In space, the phosphorus in sediment had relation to the NPS of phosphorus inthe lake, because the phosphorus was adsorption both in sediment and lack. In time,the nitrogen and phosphorus in lack impact on them in sediment, but the change ofsediment was latter than lake.
The contributions and achievements of this research were as follow.
①It was the first time to simulate the runoff, silt, NPS nitrogen and phosphorus loadwith SWAT model. This can provide data for mastering the hydrologic process andNPS pollution of Nansihu basin.
②The spatial distribution of NPS pollution in Nansihu basin of recent ten years wasresearched, and the key areas of soil erosion and nutriment loss were confirmed.This work was the basis of making pollution regulation and water protectionmeasures.
③It was an efficient method to select typical watersheds to simulate firstly, and tosimulate the entire Nansihu basin with calibrated models of typical watersheds,which can be used to simulation similar watershed.
④The responses of nitrogen and phosphorus in sediment to them in the lake wereanalyzed. The result showed the origin of the nitrogen and phosphorus in sediment,which was scientific basis of sediment pollution improvement.
⑤The data base, which contained hydrology information, pollution data, and so on,was built, and it was the basis of the other research of Nansihu basin.
大量研究表明，近几年来，南四湖流域在点源污染得到有效的控制之后，非点源污染已经成为目前南四湖流域水体污染的主要原因。因此，对南四湖流域非点源污染进行模拟研究，不仅为全面认识南四湖流域水体非点源污染的影响和分布提供科学依据，同时研究方法和所得结果亦可为类似的其它流域非点源污染研究提供借鉴与参考。
本研究采用野外采样、室内分析和数值模拟等多种研究手段相结合的综合研究的技术路线，尝试利用SWAT模型对南四湖流域非点源污染进行定量模拟，分析南四湖流域非点源污染物的时空分布特征，并探索性地分析检验了南四湖湖区沉积物所含氮、磷元素的空间和时间分布对南四湖流域非点源氮、磷负荷的响应。
本研究共分为五大部分，包括七章，第一部分即第一章，主要介绍了选题背景、意义、非点源污染的研究综述及国内外研究进展。第二部分包括第二章和第三章，主要介绍了研究区概况，并详述了SWAT模型模拟前的数据准备过程。第三部分包括第四章和第五章，主要论述了典型小流域SWAT模型的构建、校准、验证，南四湖流域非点源污染的模拟及评价。第四部分为第六章，主要分析了南四湖沉积物中氮、磷元素含量在空间分布和时间分布上对南四湖水体非点源氮、磷负荷的响应。第五部分也即第七章，归纳研究结论及未来研究展望。
本研究得出主要结论如下：
1、SWAT模型应用于南四湖流域非点源污染的模拟精度较高，且湖东地区模拟效果好于湖西地区。
考虑到南四湖流域湖东和湖西两个区域的差异性及SWAT模型的数据要求，在湖东和湖西各取泗河流域和东鱼河流域作为典型小流域，进行非点源污染模拟，并将模型参数的校准方法用于流域内其它河流流域的估算，得到了南四湖流域非点源污染的空间分布，取得良好效果。通过对比，湖东地区的模拟效果好于湖西地区，这从一定程度上说明SWAT模型在地形起伏较大的地区模拟精度更高。
2、南四湖流域非点源氮、磷污染严重，湖东地区非点源氮、磷负荷大于湖西地区。
通过模拟结果可以看出，南四湖流域土壤侵蚀较轻，大部分地区属于微度土壤侵蚀。流域内非点源氮负荷严重超标，大部分地区氮负荷大于2mg/L，属于氮污染关键区。流域内非点源磷负荷大于0.4mg/L的地区约占总流域面积的40%，这些地区属于磷污染关键区。总体来看，南四湖湖东地区的非点源氮、磷污染较湖西地区严重，其中位于湖东的洸府河流域是南四湖流域非点源氮、磷负荷的最大贡献者。
3、禽畜养殖和化肥流失是南四湖流域非点源氮、磷污染的主要污染源。
通过对南四湖流域非点源氮、磷污染的主要污染源进行调查、统计、分析，得到环境背景因素（气候、土壤、地形、土地利用类型等）、化肥流失、农村生活污水、禽畜养殖各因素的贡献率。研究结果表明，除环境背景因素的影响外，禽畜养殖是湖东地区各河流流域非点源氮、磷污染的主要污染来源，化肥流失在湖西地区各河流流域非点源氮、磷污染中占据主要地位。
4、非点源氮负荷以溶解态为主，非点源磷负荷以吸附态为主。
通过SWAT模型的模拟及ArcGIS制图，得到流域内各河流流域354个子流域为单位的产流、产沙、坡度、降水、非点源氮负荷、非点源磷负荷的空间分布图。为了进一步探究它们之间的相互关系，对其进行了相关分析。结果显示（1）对产流影响：坡度>降水；（2）对产沙影响：产流>降水>坡度；（3）对非点源氮负荷影响：产流>产沙，因此流域内非点源氮负荷主要为溶解态；（4）对非点源磷负荷影响：产沙>产流，因此流域内非点源磷负荷主要为吸附态。
5、湖泊沉积物中非点源氮、磷含量对湖泊水体非点源氮、磷负荷有良好的响应效应。
通过将SWAT模型模拟的入湖口非点源氮、磷含量，与南四湖水质、表层和柱状底泥样点监测分析结果，结合湖泊底泥测年分析数据做对照，分析了湖泊沉积物中氮、磷含量在空间分布和时间分布上对水体中非点源氮、磷负荷的响应。经分析，在空间分布上，湖泊沉积物中的磷含量对湖泊水中非点源磷负荷的有很好的响应效应；在时间分布上，湖泊沉积物中氮、磷含量对湖泊水中氮、磷负荷均有很好的响应，但在时间上稍有滞后。
本研究主要的贡献与创新点如下：
①首次利用最为接近地表流失水文过程的SWAT模型，对南四湖全流域进行了径流量、泥沙负荷、非点源氮负荷和非点源磷负荷的模拟、计算，为进一步掌握南四湖流域水文过程、非点源污染分布等提供数据参考。
②研究了2001~2010年年均南四湖流域非点源污染空间分布，确定了土壤侵蚀关键区和营养物质流失关键区，为流域内非点源污染治理和水环境保护措施的制定提供了理论依据。
③选取典型小流域进行模拟，并将模型参数的校准方法应用于整个流域的模拟，提高了模拟效率，为SWAT模型模拟类似于南四湖流域的其它流域的非点源污染提供了切实可行的模拟方法。
④分析南四湖沉积物所含氮、磷对水体非点源氮、磷负荷在时间和空间上的响应，在一定程度上检验说明了南四湖底泥中氮、磷元素的来源，为南四湖底泥中污染物与营养元素的去除治理工作提供科学依据。
⑤较系统地构建了南四湖流域基础地理信息系统与水文、水质污染数据库，为南四湖流域其它相关研究提供了良好基础。
Nansihu Lack is the largest freshwater lack of North China, which is animportant pivot of East Route Project of South-to-North Water Diversion. NasihuBasin, located in the southwest of Shangdong province(34°27′N~35°20′N，116°34′E~117°21′E), and it is an important part of Huaihe basin. Nasihu Lake is thecentre of the basin, where 53 rivers flowed into the Lake. In the 1980s, with the rapiddevelopment, a great deal of wastewater was discharged directly without treatment,which can bring about a serious pollution to the water environment of Nasihu basin.Along with the advance of East Route Project of South-to-North Water DiversionSouth to North Water Diversion and the increase of water consumption formanufacture and resident life, the problem of water pollution was not to be neglectedin Nasihu basin.
Numerous studies showed that Non-Point Source Pollution (NPS) has become amainly primary cause of Nansihu basin pollution now, after the Point Source Pollutionhas been controlled. For this reason, an all-round understanding of distribution andimpact of NPS pollution in Nansihu basin were based on the research of NPS. Theresearch method can also be used as a source of reference for researching the NPS inanother basin.
With the methods of field investigation, lab analysis and numerical simulation,the paper studied the simulation of NPS in Nansihu basin with SWAT model. Thecharacteristic of temporal and spatial distribution of NPS pollution in Nansihu basinwas analyzed, and the response of lacustrine deposit to NPS pollution in NansihuLake.
This study included 7 chapters, which had been separated into five parts. The fistpart was the first chapter, as the opening badge, which gave a general overview of thebackground and significance of this topic, the review of NPS pollution at home andabroad. The second part included the chapter 2 and 3, which introduced the generalsituation of the research district, data preparations for SWAT model. The third partconsisted of chapter 4 and 5, which discoursed the SWAT model building , calibrationand confirmation of typical watersheds, simulation and evaluation of NPS in Nasihubasin. The fourth part was chapter 6, which analyzed the response of lacustrine deposit to NPS pollution of Nansihu Lake in chronology and spatial distribution. Thelast part was chapter 7, which elaborated on the research conclusion and outlook ofthe future research.
Conclusions of this research were followed as such:
1. The SWAT model was more rational to simulate the NPS pollution in Nansihu basin,and the result in the east was better than in the west.
Because of the differences between the east and the west of Nansihu Lake andthe data demand of SWAT model, the typical watersheds, Sihe watershed andDongyuhe watershed, were selected to be simulated firstly. Then the models of Sihewatershed and Dongyuhe watershed were used to simulate the whole Nasihu basin,and good simulation results were got. The simulation result in the east was better thanin the west from the contrastive analysis, which showed that SWAT model was moresuited to simulate the rugged region to a certian extent.
2. The NPS pollution of nitrogen and phosphorus was very serious in Nansihu basin,and the pollution in the east was more serous than it in the west.
The result of simulation indicated that soil erosion in large part of Nansihu basinis not serious. The nitrogen load in this region far exceed quota, and the density ofnitrogen was more than 2mg/L, which was the key area of nitrogen pollution. Thedensity of phosphorus in about 40 percent of this region was more than 0.4 mg/L,where NPS pollution of phosphorus was serious. On the whole, NPS pollution ofnitrogen and phosphorus in the east was more serious than in the west, and theprimary contributor was Guangfuhe watershed.
3. The primary pollution sources were livestock and poultry breeding andchemical fertilizer loss.
The investigation, statistics and analysis of the source of NPS pollution ofnitrogen and phosphorus showed the contribution rates of all the factors, such asenvironment background value (climate, soil, topography, landuse and so on),chemical fertilizer loss, domestic sewage of village and breeding of livestock andpoultry. The research indicted that except the effect of environment background value,breeding of livestock and poultry was the primary source of NPS pollution in the eastof the basin, and chemical fertilizer loss was the mainly source of NPS pollution inthe west.
4. The total nitrogen load in Nansihu watershed was mainly solution, and the totalphosphorus load in Nansihu watershed was mainly adsorption.
The simulation with SWAT model and the map making with ArcGIS received thespatial distribution maps of runoff, silt, gradient, rainfall, NPS nitrogen load and NPSphosphorus load. In order to know the relation among these factors, the correlation ofthem was analyzed. The result showed that: (1) The sequence of the factor, whicheffected the stream flow, was slope > rain fall. (2) The stream flow impact on silt wasgreater than rain fall and slope. (3) The total nitrogen load and the stream flow werepositively correlation with the correlation coefficient 0.733, so the nitrogen wasmainly solution. (4) The total phosphorus load and the sediment flow were positivelycorrelation with the correlation coefficient 0.97, so the phosphorus was mainlyadsorption.
5. Some responses of sediment to the NPS pollution in the lake existed in both spaceand time.
In space, the phosphorus in sediment had relation to the NPS of phosphorus inthe lake, because the phosphorus was adsorption both in sediment and lack. In time,the nitrogen and phosphorus in lack impact on them in sediment, but the change ofsediment was latter than lake.
The contributions and achievements of this research were as follow.
①It was the first time to simulate the runoff, silt, NPS nitrogen and phosphorus loadwith SWAT model. This can provide data for mastering the hydrologic process andNPS pollution of Nansihu basin.
②The spatial distribution of NPS pollution in Nansihu basin of recent ten years wasresearched, and the key areas of soil erosion and nutriment loss were confirmed.This work was the basis of making pollution regulation and water protectionmeasures.
③It was an efficient method to select typical watersheds to simulate firstly, and tosimulate the entire Nansihu basin with calibrated models of typical watersheds,which can be used to simulation similar watershed.
④The responses of nitrogen and phosphorus in sediment to them in the lake wereanalyzed. The result showed the origin of the nitrogen and phosphorus in sediment,which was scientific basis of sediment pollution improvement.
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引文
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