基于SWAT模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟_李颖_王康_周祖昊

124o00′～125o02′E） ， 林省松原市 （45o00′～45o28′N， 2 灌区灌溉面积为 30 600 hm 。灌区为水稻灌区，通 过 3 条干渠从松花江进行提水灌溉。灌区内排水系 统包括末级排水沟道（斗沟），汇流排水沟道（支 沟），以及主干排水沟道（引松泄干）。根据统计 资 料 ， 灌 区内 单 位 面 积的 末 级 排 水沟 道 长 度 为 178 m/ hm2。末级排水沟道间距 120～180 m，排水 沟深度 0.6～1.1 m， 汇流排水沟道长度 2.5～4.5 km， 底宽 1.5～2.8 m，排水干沟长度为 53.8 km。2009 年、 2010 年，灌区的总排水量分别为 1.30×108 和 1.35×108 m3。灌区内主要土壤类型为黑钙土、草甸 土、潜育土和盐土，4 种土壤所占的面积比例分别 为 34%、32%、21%和 13%。2009－2010 年在灌区 内 14 个位置对于 4 种土壤性质进行了测定，灌区 土壤物理及水动力性质如表 1 所示。
1
1.1
面源污染迁移转化试验与监测
灌区基本情况 前郭灌区是东北地区的 4 大灌区之一，位于吉
Table 1
深度 Depth/cm 0~20 黑钙土 Chernozems >20~50 >50~120 0~16 草甸土 Gleyzems >16~28 >28~120 0~10 潜育土 Kastanoz >10~37 >37~120 0~20 盐土 Solonchaks >20~53 >53~120
位置， 排水干沟水质和水量监测断面为 MD1、 MD2 和 MD3 。排水流量逐日监测，主要面源污染物 NO3-， 化学需氧量 COD） 、 主要离子 （Ca+， （NH4+， Mg2+，Cl-）浓度以及水质参数（pH 值，电导率， 浊度）每 7 d 进行 1 次监测。气象资料由设在灌区 水稻重点实验站内的自动气象站收集，气象参数 （辐射，温度，湿度，风速，气压等）每 30 min 进 行 1 次测量；水稻各个生育期内测定叶面积指数、 生物量等作物生理指标。 1.3 冻融期土壤水文及面源污染迁移特性试验 2009 年 10 月－2010 年 5 月采用溴（Br-）作为 示踪剂，监测土壤冻融过程中主要面源污染物的迁 移过程。 在 1.0 hm2 稻田内选择 1.0 m×1.0 m 的典型 区域，将表层的稻梗用剪刀小心铲除后，进行了地 表的平整，并尽可能地避免对土壤进行扰动。试验 开始时，将水量为 20 mm，质量浓度为 6.5 g/L 的
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引
言
SWAT（soil and water assessment tool）模型是 美国农业部农业研究中心（USDA-ARS）开发的分 随着模型的发展完善， SWAT 布式流域水文模型[1]。 模型逐渐从流域的水文过程模拟扩展到农业灌区 水循环模拟[2-4]、灌区水土资源管理研究[5-6]、以及 农业面源污染模拟[7-9]。 在东北地区，SWAT 模型被用于伊通河流域[10]， 岔路河流域[11]，图们江流域[12]，浑河流域[13]等地区
均值±标准差 Mean ± standard deviation 黏粒 Clay/% 28.4±4.3 28.9±9.6 26.9±11.1 20.4±7.7 21.8±8.3 24.5±6.1 14.2±4.6 21.4±4.5 23.1±3.9 7.2 12.0 14.7
灌区 5 月初水稻开始泡田，9 月 5 日停止灌水。 2009 年、 2010 年在达里巴乡、 前营子村、 四家子村、 韩家店、莲花泡农场等地施肥量调查资料显示，水 稻生育期内氮肥施用量普遍在 180 ～ 240 kg/hm2 。 2009 年、2010 年水稻生育期内降雨量分别为 264 和 171 mm。 1.2 水稻生育期内灌区水文及面源污染过程监测 2009 年、2010 年水稻生育期内，灌区内监测 断面布置如图 1 所示，在灌区 4 种土壤分布区内， 选择典型区域对不同土壤质地条件下从田间到末 级排水沟道（斗沟），汇流进入排水支沟（汇流排 水沟），最终进入排水干沟的面源污染全过程进行 监测。田间水质测定位置分别为图 1 中 1、2、3、4 位置，对应的末级排水沟水质水量监测断面位置分 别为 FD1、FD2、FD3 和 FD4，汇流排水沟水质水 量监测断面位置分别为 LD1、LD2、LD3 和 LD4
第7期
李
颖等：基于 SWAT 模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟
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限， 尽管一些研究针对 SWAT 模型中融雪径流模块 进行了修正[20-22]，然而土壤冻结和融化条件下的水 文过程描述以及面源污染物迁移转化响应则较少 涉及。 针对 SWAT 模型中水稻灌区水文及面源污染 迁移过程的物理描述，以及冻土中水文和面源污染 物迁移模拟 2 个问题，于 2009－2011 年在吉林省 松原市前郭灌区开展了系统的试验与监测，分析了 东北水稻灌区的水文过程对于面源污染的驱动机 制以及面源污染物的流失影响机理，修正了 SWAT 模型，进行了模拟。
430072。Email：yingleehm@sohu.com 业水环境理论。武汉
室，430072。Email：wwangkang@163.com
的水文及面源污染过程的模拟。然而需要指出，在 东北地区，SWAT 模型主要应用于自然流域的水文 及面源污染模拟。水稻灌区下垫面条件、产汇流过 程与自然流域有着显著的差异[14]。水稻灌区的产汇 流规律，面源污染物的迁移、转化过程，更主要的 受到灌区灌溉排水系统布局以及农业生产方式的 影响，此外由于东北地区的灌区普遍存在工程老化 和管理 2 方面原因，在灌溉时大量灌溉水未进入田 间而直接进入排水沟道形成灌溉退水。实现灌区复 杂的自然和人工水文驱动条件下的面源污染物迁 移流失模拟， 则需要进一步完善 SWAT 模型的物理 基础。近年来，该问题引起了国内外学者的关注， 一些学者开始从事相关研究[15-19]。 东北地区水循环最大的 2 个影响因素分别是土 壤冻结和河流冰封过程，其中尤以前者对于区域水 资源和面源污染物迁移产生重要的影响。然而对于 冻融期中残留在土壤中的面源污染物在冻土的冻 结和融化过程中迁移和转化规律的研究还非常有
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第 30 卷 2014 年
第7期 4月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.30 No.7 Apr. 2014
・农业水土工程・
基于 SWATwenku.baidu.com模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟
李 颖 1，王 康 1 ，周祖昊 2
※
（1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072； 2. 中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038） 摘 要：灌区水文过程对于面源污染物的迁移、转化起到了重要的驱动作用。为揭示东北水稻灌区的水文及面源 污染过程，该文在多年试验的基础上，运用修正的 SWAT 模型对其开展了模拟研究。2009－2011 年在吉林省前郭 灌区针对水稻生育期及冻融期内的灌区水文过程和农田面源污染物迁移、转化过程开展了系统的监测与试验。水 稻生育期内，各级排水系统表现出不同的水文过程：末级排水沟中，由田间通过表层渗流进入排水沟的高浓度的 水被灌溉退水所稀释，汇流排水沟的槽蓄量则在很大程度上影响了排水过程及污染物的对流和掺混过程。根据水 稻灌区水文特性，以汇流排水沟为子流域，分别采用非稳定渗流公式和马斯京根法描述子流域中稻田向排水沟的 、硝氮（NO3-）和化学需 渗流排水过程以及向子流域出口的排水汇流过程。试验和模拟结果表明：铵氮（NH4+） 氧量（COD）的浓度变化主要取决于排水过程，表层渗流和深层渗流过程决定了排水沟中 NH4+和 NO3-浓度过程， 而排水沟中 COD 浓度还受到灌溉退水的影响。采用溴（Br-）作为示踪剂，通过测定土壤含水率、温度及示踪剂 浓度变化，研究了冻结期的水文过程和面源污染物迁移过程，示踪试验结果显示，冻融期土壤中水流运动受到土 壤基质势、温度势及重力势的影响，冻土中平衡状态下基质势为土壤温度的函数，土壤中污染物渗出通量与水分 渗出通量表现出线性关系。基于水稻灌区下垫面产汇流特性和冻融期土壤对于灌区水文过程以及面源污染物迁移 的影响机理， 在 SWAT 模型模块修订的基础上， 模拟了东北地区水稻灌区面源污染迁移流失过程， 模拟流量、 NH4+、 NO3-、COD 浓度与实测值符合较好，表明改进的模型能够用于东北地区水稻灌区的水文及面源污染过程模拟。 关键词：水文；污染；模型；水稻灌区；农业面源污染；SWAT 模型 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.07.006 中图分类号：X592 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-07-0042-12 李 颖，王 康，周祖昊. 基于 SWAT 模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟[J]. 农业工程学报，2014， 30(7)：42－53. Li Ying, Wang Kang, Zhou Zuhao. Simulation of drainage and agricultural non-point source pollutions transport processes in paddy irrigation district in North-East China using SWAT[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(7): 42－53. (in Chinese with English abstract)
收稿日期：2013-10-12 修订日期：2014-02-18
基金项目：国家自然科学基金（51039007，51379152） ；国家十二.五重 大科技专项（2012ZX07201-006） 作者简介：李 颖（1991－） ，女，安徽潜山人，主要从事农业面源污 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室， 康（1975－） ，男，博士，教授，主要研究方向为农 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验 染方面研究。武汉 ※通信作者：王
表 1 前郭灌区土壤物理及水动力参数 Soil physical and hydraulic properties in Qianguo irrigation district
最大/最小值 Maximum/Minimum 容重 Bulk density/(g·cm-3) 1.26/1.32 1.30/1.42 1.35/1.51 1.22/1.28 1.32/1.38 1.40/1.45 1.24/1.31 1.28/1.42 1.34/1.44 1.26/1.32 1.38/1.41 1.40/1.44 水力传导度 Hydraulic conductivity/(cm·s-1) 1.11×10-4/2.28×10-4 1.10×10-4/3.00×10-4 9.40×10-5/3.43×10-4 3.18×10-4/7.11×10-4 1.89×10-4/7.00×10-4 1.06×10-4/1.68×10-4 2.07×10-4/5.44×10-4 1.27×10-4/2.56×10-4 8.81×10-5/1.63×10-4 6.62×10-4/8.98×10-4 3.22×10-4/4.99×10-4 2.28×10-4/2.80×10-4 粉粒 Silt/% 53.6±2.3 48.0±8.7 54.8±10.8 52.3±4.1 50.4±3.6 51.6±7.0 67.3±14.6 63.9±4.0 62.6±1.5 69.7 65.7 61.8 砂粒 Sand/% 21.7±4.6 23.1±0.9 18.3±1.5 27.3±3.9 27.8±5.6 23.9±5.4 13.0±2.2 15.9±2.2 15.9±1.8 23.1 22.4 23.0