基于SWAT模型的梁子湖流域非点源污染分析

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为了对非点源污染进行有效管控,必须对污染风险具有充分的了解,而模型模拟与预测分析是了解污染风险的主要手段之一。本文以梁子湖流域为对象,基于SWAT模型对流域非点源污染风险进行模拟与预测分析。主要结果如下:(1)以DEM、Landsat7和Landsat8遥感影像为基础,利用ArcGIS软件完成流域边界的提取、水系与子流域的生成、土地利用类型分类,共划分出42个子流域。对20062015年的土地分类结果进行了分析,发现10年的土地利用类型没有发生较大的改变,因此在进行SWAT分析时忽略土地利用类型变化对结果的影响;采用Matlab软件完成气象数据缺省值的填补、格式的转化和整理。DEM、Landsat7和Landsat8遥感影像均来源于地理空间数据云,土壤数据来源于世界土壤数据库,气象数据来源于中国气象数据网和湖北省气象局,农业管理数据结合实地调查和参考资料建立,水库数据库结合遥感影像和参考资料建立,流域的作物种植情况和施肥情况等结合实地调查和参考资料确定;土壤部分物理属性参数通过SPAW软件计算得出,湖泊的水面面积和容积是将湖泊形状当作椭球双曲面进行模拟计算得出;(2)利用ArcSWAT软件导入或输入数据库,根据土地利用类型/覆被、土壤类型和坡度将梁子湖流域共划分为481个HRU;结合土壤类型和坡度以及作物种植、翻耕和施肥特点等,在模型中实现作物种植;以2003年1月1日为模型启动日期,模拟13年,其中,预热期3年(20032005年)、率定期6年(20062011年)、验证期4年(20122015年)。结合20062015年的实测径流量(樊口水文站)和TN、TP浓度(A、B水质监测点)月值数据,采用SWAT-CUP软件进行参数率定与模型验证。采用数字滤波技术将实测径流分割成基流和直接径流,率定期和验证期平均相对误差Re<20%、相关系数R2>0.6、纳什效率系数Ens>0.5,对SWAT模型中TN、TP进行单位换算后,率定期和验证期平均相对误差Re<30%、相关系数R2>0.6、纳什效率系数Ens>0.5,精度均可满足模拟要求,说明率定后的参数模拟结果是有效的;(3)以武汉站19942013年20年的降水量年值为依据,利用皮尔逊Ⅲ型频率曲线进行配线,选2013年作为丰水年,选2008年作为平水年,选2011年枯水年。比较了典型水文年的氮、磷负荷时空分布特点,发现氮负荷在丰水年最高,平水年次之,枯水年最低,磷负荷在丰水年最高,平水年和枯水年较低;氮、磷负荷存在较明显的季节差异,夏冬两季负荷较高,春秋两季负荷较低;编号为6、7、8、9、14、16、17、23、24的子流域氮、磷污染相对较严重,主要来源于棉花和茶叶种植的区域;丰水年、平水年和枯水年均呈现出有机氮占主要地位,但无机氮在流域南部所占比例相对较小、北部所占比例相对较大,吸附态无机磷占大部分,有机磷次之,溶解态无机磷占的比例较小;(4)基于模型分析结果,提出了等高耕作、合理施用绿肥、精细农业等措施,加强梁子湖流域的生态环境保护,减少速效无机肥的施用量,从而控制流域的非点源污染。
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