SWAT模型在降雨量对茫溪河流域水质影响研究中的应用.pdf

第42 卷第4期2023年8 月水环境（1.四川省生态环境监测总站，成都6 10 0 6 4；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430 0 7 2）摘要：水质一定程度上受降雨量的影响，摸清其影响情况对于提高水环境质量具有重要意义。基于SWAT构建了茫溪河流域分布式水文模型，设置了降雨量对茫溪河水质影响的场景假设，根据监测数据分析了茫溪河近年主要超标污染物，通过模型分析了降雨量对茫溪河主要污染物浓度和达标情况的影响。结果表明茫溪河流域超标项目集中在高锰酸盐指数和总磷，基于SWAT模型分析，降雨量一定程度上影响两者的浓度和达标情况，面源中总磷是影响水质达标的关键因素，丰水年水质相对较好，枯水年较差，可为降雨量对茫溪河水质影响程度提供一定的理论依据。关键词：SWAT；降雨；茫溪河流域；水质中图分类号：X824Application of SWAT Model in the Study of the Influence of RainfallCHEN Yu-yan,WANG Kang,WU Yan-juan,JIANG Hua-ying,FENG Yuan-chao(1.Sichuan Province Ecological Environmental Monitoring Station,Chengdu 610064,China;2.State Key Laboratory of Water Resources&Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:Water quality is affected by rainfall to a certain extent,it is of great significance to find out its influence to improvewater environment quality.Based on SWAT,the distributed hydrological model of Mangxi River Basin was constructed and thescenario hypothesis of the impact of rainfall on the water quality of the Mangxi River was set up.According to the monitoringdata,the main pollutants exceeding the standard in the river in recent years were analyzed,and the influence of rainfall on theconcentration of the main pollutants in the river and its compliance with the standard was analyzed by the model.The resultsshowed that the over standard indexes were mainly the permanganate index and total phosphorus in Mangxi River basin,based onSWAT model analysis,rainfall affects the concentration and compliance of both to some extend.The total phosphorus innon-point source was the key factor affecting the water quality meeting standards,the water quality was better in wet years andworse in dry years.It can provide a theoretical basis for the influence of rainfall on the water quality of the Mangxi River.Keywords:SWAT;rainfall;mangxi river basin;water quality四川环境SICHUAN ENVIRONMENTD0I:10.14034/ki.schj.2023.04.026SWAT模型在降雨量对茫溪河流域水质影响研究中的应用陈雨艳，王康，吴艳娟，蒋华英，冯元超文献标识码：A文章编号：10 0 1-36 44(2 0 2 3)0 4-0 19 3-0 6on Water Quality in Mangxi River BasinVol.42,No.4August 2023引言茫溪河是岷江水系下游左岸的一级支流，乐山市井研县的主要水系 ，是乐山市重点治理河流，近些年水质有所改善，部分指标仍然超标，提升水环境质量迫在眉睫。河流水质受诸多因素的影响，包括河流流量、流速以及污染物排放量等，同时暴雨径流也是影响水质短期变化的因素 2 。降雨一收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 0作者简介：陈雨艳（19 7 9），女，吉林公主岭人，2 0 0 8 年毕业于四川大学化学学院高分子化学与物理专业，博士，高级工程师，主要从事环境监测工作。定程度上影响径流流量、污染物入河量等，进而影响水质，因此，开展此项研究具有使用价值。茫溪河研究多集中水质状况 1.3、污染物负荷 4；关于茫溪河污染防治研究也有报道 5-6 ，如减少污染物排放、建设范溪河提防工程以及治理河段等等措施。蔚辉等通过分析溪河污染源统计数据，分析了茫溪河人河污染物负荷特征及水质时空194分布 3；凌冰等建立了一种使用于缺资料流域缺水特征分析的方法，计算了茫溪河流域的多年平均水资源总量 7 ；赵晓军介绍了井研县茫溪河千佛镇石家桥村防洪治理工程 8 ；蔚辉等建立了陆域污染源人河排污口受纳水体的关系，利用模型预报了茫溪河关键水质指标的变化趋势 9 。降雨情况对茫溪河水质会产生一定影响，在其他条件均一致的情况下，降雨量对水质状况影响究竟如何，缺乏定量分析，未见相关的报道。降雨量对茫溪河水质的影响情况是个复杂的过程，受到降雨强度、排污情况等的影响，因此，为了摸清降雨量的影响，需要进行场景假设。建立SWAT模型，以此模型为依据，开展降雨量对茫溪河水质达标场景假设并进行降雨量对茫溪河水质影响分析，以期为茫州多青州乡天云罗液乡新场价双阳镜悦来多棉竹镜苏精链通江街道办号街道办事处水口销市中区车子锁罗汉锁安谷锁四川环境溪河流域优化管理提供技术支持，为提升茫溪河流域水环境质量提供重要的基础资料，具有参考价值。1材料与方法1.1研究区域概况茫溪河位于四川省中部，属岷江下游左岸一级支流，干流全长为9 5.0 km，总落差16 5.0 m，流域面积12 50 km，径流大部分为降水补给，生态基流小，各季变化幅度较大 3，在枯水期流量较小。茫溪河支流主要有磨池河、敖家河以及殷家河等，流域范围包括乐山市市中区、五通桥区，井研县、犍为县，仁寿县，荣县，见图1。南城镇城旗白果多加镇航锁分全童家镇剑鲜乡石龙乡土主镇S全福镜青平镇九峰铺迎阳多九龙乡云乡手桥镇新云冠英锁42卷汪洋师促进家多金峰N集益乡纯复乡教乡家五乡四合乡净池镇研经镜井研县研级高欢乡竹镇石牛乡注祥镇松蜂乡小河销复兴多干佳山双古锁双古锁长山铁广销小河踏水铺石麟镇369千米西坝锁绿锁1.2研究方法SWAT模型是由美国农业部开发的分布式水文模型 10 ，从2 0 世纪9 0 年代开始不断改进，该模型将流域划分为子流域和多个水文相应单元（H R U s），各个水文响应单元可独立计算流域内水平衡以及物质平衡。SWAT模型主要研究对象是流域及河网，可用于河流的径流模拟、土地利用管理措施评价及非点源污染负荷的迁移以及预测土壤侵蚀程度。以某一年份为基准年，构建降雨量对茫溪河水质影响情况场景假设，采用SWAT模型开展分析。教家镇通桥区桥沟镇金栗镇图1茫溪河水系图Fig.1 Map of Mangxi river system2结果与讨论2.1分析因子的选择茫溪河大桥是茫溪河的国控断面，数据具有连续性，因此，选此断面数据（年均值）开展茫溪河主要超标因子分析。2 0 112 0 17 年水质为劣V类，在2 0 18 年以后水质有所好转，2 0 18 年和2 0 2 0年，为IV类，2 0 19 年水质为V类，2 0 19 2 0 2 0 年超标因子仅为总磷。2 0 112 0 2 0 年茫溪河大桥水质超标情况见表1，总磷均超标，其次是高锰酸盐指数（8 个年份超标），因此选择总磷和高锰酸盐指数作为开展降雨量影响的分析因子。图例度佳镇区县行政中心镇界线区县界布保多企石井锁文新盛范溪河流城市级养线正紫镇度佳纳东佳镇河口锁4期超标次数超标年份比例（%）超标年份陈雨艳等：SWAT模型在降雨量对茫溪河流域水质影响研究中的应用表12 0 11 2 0 2 0 年茫溪河大桥水质状况Tab.1Water quality of Mangxi river bridge section from 2011 to 2020高锰酸盐项目总磷101002011 2020195生化化学氮指数8802011 2018阴离子需氧量需氧量7270202011 20172011 2012表面活性剂7170102011 2014,20162016 20182.2模型建立SWAT模型构建首先根据数字高程（DEM），将计算区（流域）划分为一系列汇流区（子流域），并且根据汇流区内下垫面坡度、土地利用，土壤的差异，进一步将计算区划分为若干个水文单元，在各一个水文单元内，采用具有明确物理意义的方法计算陆面水文过程中水循环和污染物迁移转化，其中地表径流和基流作为河道水文过程的输入，采用动力学过程模拟河道水文和污染物迁移转化过程，以及河道逐级汇流过程。2.2.1茫溪河流域子流域建立流域DEM来自于美国地质调查局（USGS）EROS数据中心建立的全球陆地DEM（G T O PO 30），如图2 所示。根据茫溪河流域DEM进行子流域阈值设定，将茫溪河流域划分为9 5个子流域，如图3所示。茫溪河流域DEM高程611249图2茫溪河流域数字地形高程DEMFig.2The DEM of the Mangxi river basin102422455056525571868511420.5273236373942495758626873838990588472子流域河道图3茫溪河流域SWAT模型子流域划分Fig.3 Subareas division of Mangxi river basin by SWAT model1962.2.2茫溪河流域水文单元划分和下垫面信息情况模型根据土地利用、管理和土壤属性，将每个子流域划分为一定数量的水文响应单元（HRUs）作为计算单元。把一个子流域视为多个HRU，通四川环境过设定土壤和土地利用类型在子流域内的叠加阈值来确定HRU及其性质。采用LUCC分类体系将流域下垫面分为2 6 个子类，茫溪河流域的土地利用信息见图4。42卷村镇水田旱田水体城镇图4茫溪河流域主要下垫面土地利用Fig.4The land use of main underlying surface in Mangxi river basin土壤及其特征信息采用全国第二次土壤普查资料，土层厚度和土壤质地均采用中国土种志（第六卷19 9 0 年）1上的“统计剖面”资料。为进行分布式水文模拟，采用国际土壤分类标准进行重新分类，茫溪河流域土壤类型分布如图5。沙质土棕黄色土紫色土浅紫色土红壤水稻土棕色土潮土口棕色土图5茫溪河流域主要土壤类型Fig.5The main soil types in Mangxi river basin4期2.2.3模