• 中国出版政府奖提名奖

    中国百强科技报刊

    湖北出版政府奖

    中国高校百佳科技期刊

    中国最美期刊

    留言板

    尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

    姓名
    邮箱
    手机号码
    标题
    留言内容
    验证码

    基于SWAT模型的四湖流域非点源氮磷污染负荷分布模拟

    王一泽 刘慧 孙海船 梁宇航 刘路广 朱棋

    王一泽, 刘慧, 孙海船, 梁宇航, 刘路广, 朱棋, 2026. 基于SWAT模型的四湖流域非点源氮磷污染负荷分布模拟. 地球科学, 51(6): 2201-2215. doi: 10.3799/dqkx.2026.153
    引用本文: 王一泽, 刘慧, 孙海船, 梁宇航, 刘路广, 朱棋, 2026. 基于SWAT模型的四湖流域非点源氮磷污染负荷分布模拟. 地球科学, 51(6): 2201-2215. doi: 10.3799/dqkx.2026.153
    Wang Yize, Liu Hui, Sun Haichuan, Liang Yuhang, Liu Luguang, Zhu Qi, 2026. Simulation of Non-Point Source Nitrogen and Phosphorus Pollution Load Distribution in Sihu Watershed Based on SWAT Model. Earth Science, 51(6): 2201-2215. doi: 10.3799/dqkx.2026.153
    Citation: Wang Yize, Liu Hui, Sun Haichuan, Liang Yuhang, Liu Luguang, Zhu Qi, 2026. Simulation of Non-Point Source Nitrogen and Phosphorus Pollution Load Distribution in Sihu Watershed Based on SWAT Model. Earth Science, 51(6): 2201-2215. doi: 10.3799/dqkx.2026.153

    基于SWAT模型的四湖流域非点源氮磷污染负荷分布模拟

    doi: 10.3799/dqkx.2026.153
    基金项目: 

    国家自然科学基金重点项目 U2340206

    湖北省科技创新平台计划项目 2025CSA007

    国家自然科学基金青年科学基金项目 52409024

    湖北省联合基金项目 2023AFD194

    详细信息
      作者简介:

      王一泽(2003-),男,硕士研究生,主要研究方向为流域氮磷迁移转化. ORCID:0009-0008-9272-5717. E-mail:2393227314@qq.com

      通讯作者:

      朱棋, ORCID: 0000-0002-5973-0468. E-mail:zhuq@cug.edu.cn

    • 中图分类号: X524

    Simulation of Non-Point Source Nitrogen and Phosphorus Pollution Load Distribution in Sihu Watershed Based on SWAT Model

    • 摘要:

      为精准识别四湖流域非点源氮磷污染的来源、时空分布特征及关键影响因素,为流域水污染防控提供科学依据,解决当前流域内湖泊水体富营养化突出的问题.以四湖流域为研究区,构建SWAT模型对流域内非点源氮磷污染的时空分布进行模拟.研究表明,该模型对流域内径流、总氮(TN)和总磷(TP)均具有较好的拟合效果;时间上,2010—2018年TN、TP负荷呈先升后降趋势,2016年达峰值,2017—2018年连续下降,年内呈“汛期高、非汛期低”的特征;空间上,氮磷负荷较高的子流域集中于流域中下游,分别为11、24、25、32、33号等子流域,耕地与水域是流域内氮磷产生的主要污染源.四湖流域氮磷污染负荷时空分布受径流、土地利用及降雨综合影响,时间上汛期及空间上湖泊、农业区是防控重点,可通过削减化肥使用、控制水产养殖规模、保护湿地等措施降低污染负荷.

       

    • 图  1  研究区位置及水系分布

      Fig.  1.  Location of the study area and distribution of the water system

      图  2  四湖流域: DEM图(a)、土地利用类型图(b)、土壤类型图(c)及水文站点及点源分布(d)

      Fig.  2.  Maps of the Sihu watershed: DEM map (a), land use type map (b), soil type map (c), and hydrological station and point source distribution map (d)

      图  3  福田寺站控制断面逐月径流量(a)、总氮(b)和总磷(c)模拟值与实测值对比

      Fig.  3.  Monthly comparison between simulated and measured values of runoff (a), total nitrogen (TN) (b), and total phosphorus (TP) (c) at the control section of Futiansi station

      图  4  习家口站控制断面逐月径流量(a)、总氮(b)和总磷(c)模拟值与实测值对比

      Fig.  4.  Monthly comparison between simulated and measured values of runoff (a), total nitrogen (TN) (b), and total phosphorus (TP) (c) at the control section of Xijiakou station

      图  5  长湖2010—2018年径流量及TN、TP年负荷变化

      Fig.  5.  Annual variations of runoff, TN and TP loads in Changhu Lake from 2010 to 2018

      图  6  洪湖2010—2018年径流量及TN、TP年负荷变化

      Fig.  6.  Annual variations of runoff, TN and TP loads in Honghu Lake from 2010 to 2018

      图  7  长湖2010—2018年月均径流量及TN、TP月均负荷

      Fig.  7.  Monthly average variations of runoff, TN and TP loads in Changhu Lake from 2010 to 2018

      图  8  洪湖2010—2018年月均径流量及TN、TP月均负荷

      Fig.  8.  Monthly average variations of runoff, TN and TP loads in Honghu Lake from 2010 to 2018

      图  9  四湖流域多年平均TN(a)和TP(b)负荷空间分布

      Fig.  9.  Spatial distribution of multi-year average TN (a) and TP (b) loads in the Sihu watershed

      表  1  模型数据描述及来源

      Table  1.   Description of model data and sources

      类型 名称 描述 时间尺度 格式 来源
      空间数据 DEM 30 m分辨率 GRID 中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台
      (http://www.gscloud.cn)
      土地利用 1 000 m分辨率 GRID 中国科学院资源环境科学与数据平台
      (https://www.resdc.cn)
      土壤类型 30 m分辨率 GRID 世界土壤学数据库(HWSD)
      (https://www.fao.org/)
      属性数据 气象数据 降雨和气温等 逐日数据 DBF 中国气象同化驱动数据集(CMADSV1.2)
      (https://poles.tpdc.ac.cn)
      水文数据 流量 逐月数据 DBF 中国水利统计年鉴(2018)
      水质数据 总氮和总磷等 逐月数据 DBF 荆州市生态环境局
      (http://sthjj.jingzhou.gov.cn/hjsj/)
      点源污染数据 排污口位置及氮磷污染负荷等 年均数据 DBF 湖北省生态环境厅
      (http://219.140.164.18:8045/pointModule/#/hubeiPoint/dashboard)
      非点源污染数据 农村生活、禽畜养殖、水产养殖、农田化肥等 年均数据 DBF 湖北农村统计年鉴(2019)
      注:①中华人民共和国水利部,2018. 中国水利统计年鉴(2018).北京市:中国水利水电出版社;②湖北农村统计年鉴编辑委员会,2019. 湖北农村统计年鉴(2019).北京市:中国统计出版社.
      下载: 导出CSV

      表  2  参数率定结果

      Table  2.   Parameter calibration results

      参数 中文含义 单位 取值方式 变动范围 参数变动值
      CANMX.hru 最大冠层蓄水量 mm V 0~100 0.017
      ESCO.hru 土壤蒸发补偿系数 - V 0~1 0.660
      CN2.mgt SCS径流曲线数 - R -0.5~0.5 0.217
      SOL_Z().sol 土壤底部埋深 mm R -0.5~0.5 0.299
      SOL_BD().sol 土壤湿容重 g/cm3 R -0.5~0.5 0.274
      SOL_K().sol 饱和水力传导系数 mm/h R -0.5~0.5 -0.082
      GW_DELAY.gw 地下水滞后系数 day V 0~500 34.618
      CH_K2.rte 主河道有效水力传导率 m/s V 0.01~500 21.360
      RCHRG_DP.gw 地下水下渗系数 - V 0~1 0.387
      SPCON.bsn 泥沙输移线性系数 - V 0.000 1~0.01 0.005
      NPERCO.bsn 土壤剖面渗透系数 - V 0~1 0.000 004
      BC1.swq 氨氮生物氧化速度 day-1 V 0.1~1 0.216
      CDN.bsn 反硝化速率系数 - V 0~5 3.099
      USLE_K().sol USLE土壤可蚀性因子 t·ha·h/(MJ·mm) R -0.2~0.2 -0.013
      BIOMIX.mgt 生物混合效率 - V 0~1 0.351
      SDNCO.bsn 反硝化的土壤含水量阈值 - V 0~1 0.083
      PHOSKD.bsn 土壤磷分配系数 m3/kg V 100~200 188.341
      PSP.bsn 磷溶解度系数 - V 0.01~0.7 0.481
      注:单位中“-”表示该参数无单位.
      下载: 导出CSV

      表  3  站点模拟精度统计

      Table  3.   Statistics of station simulation accuracy

      时期 项目 指标 习家口 福田寺 时期 项目 指标 习家口 福田寺
      率定期 径流 R2 0.88 0.83 验证期 径流 R2 0.88 0.82
      NSE 0.88 0.79 NSE 0.83 0.74
      PBIAS -2.1 13.5 PBIAS -2.6 16.0
      总氮 R2 0.81 0.83 总氮 R2 0.80 0.82
      NSE 0.61 0.65 NSE 0.63 0.71
      PBIAS -15.14 -21.63 PBIAS 16.59 19.06
      总磷 R2 0.84 0.88 总磷 R2 0.71 0.82
      NSE 0.68 0.67 NSE 0.61 0.70
      PBIAS -20.51 -20.32 PBIAS -9.53 12.70
      下载: 导出CSV

      表  4  氮磷营养物质负荷等级划分

      Table  4.   Classification of nitrogen and phosphorus nutrient load levels

      评价因子 等级划分标准
      TN(kg/hm2) < 10 10~30 30~50 50~70 >70
      TP(kg/hm2) < 1 1~4 4~7 7~10 >10
      负荷强度 较弱 中度 较强
      下载: 导出CSV

      表  5  四湖流域各土地利用类型氮磷污染负荷

      Table  5.   Nitrogen and phosphorus pollution loads of different land use types in the Sihu watershed

      土地利用类型 面积
      (hm2)
      面积占比
      (%)
      TN TP
      负荷量(t) 占比(%) 负荷量(t) 占比(%)
      耕地 727 020.0 71.1 6 105.1 40.7 891.8 41.1
      水域 181 953.0 17.8 4 275.1 28.5 629.2 29.0
      城镇用地 79 719.0 7.8 2 340.0 15.6 334.1 15.4
      其他地类* 34 085.0 3.3 2 280.0 15.2 314.6 14.5
      注:*包括林地、草地、闲置地.
      下载: 导出CSV

      表  6  四湖流域氮磷负荷前五的子流域信息

      Table  6.   Information of the Top 5 sub-watersheds by nitrogen and phosphorus loads in the Sihu watershed

      序号 子流域编号 水域占比
      (%)
      耕地占比
      (%)
      年均降雨
      (mm)
      年均径流
      (mm)
      年均TN
      (kg/hm2)
      年均TP
      (kg/hm2)
      1 32 98.0 1.4 1 055.9 89.3 72.8 10.4
      2 11 87.7 11.4 950.7 52.8 53.0 6.9
      3 24 47.4 50.0 1 056.0 62.4 57.9 8.5
      4 25 45.8 54.0 1 056.4 76.1 77.6 10.9
      5 33 27.4 60.2 957.1 74.9 72.6 9.2
      下载: 导出CSV

      表  7  四湖流域各子流域所在行政区及河段

      Table  7.   Administrative regions and river reaches of each sub-watersheds in the Sihu watershed

      子流域编号 行政区 河段 子流域编号 行政区 河段
      1 掇刀区 内荆河 19 江陵县 西干渠
      2 掇刀区 内荆河 20 监利市 西干渠
      3 沙洋县 内荆河 21 潜江市 四湖总干渠
      4 沙洋县 内荆河 22 监利市 四湖总干渠
      5 沙洋县 西荆河 23 监利市 四湖总干渠
      6 沙洋县 西荆河 24 洪湖市 四湖总干渠
      7 沙洋县 内荆河 25 洪湖市 四湖总干渠
      8 沙洋县 内荆河 26 洪湖市 四湖总干渠
      9 沙市区 西干渠 27 石首市 西干渠
      10 荆州区 西干渠 28 监利市 四湖总干渠
      11 沙市区 长湖 29 监利市 四湖总干渠
      12 潜江市 内荆河 30 监利市 西干渠
      13 沙市区 四湖总干渠 31 监利市 四湖总干渠
      14 潜江市 东干渠 32 洪湖市 洪湖
      15 洪湖市 四湖总干渠 33 监利市 四湖总干渠
      16 洪湖市 四湖总干渠 34 监利市 中心河
      17 洪湖市 西干渠 35 监利市 赤湘河
      18 石首市 西干渠
      下载: 导出CSV
    • Arnold, J. G., Srinivasan, R., Muttiah, R. S., et al., 1998. Large Area Hydrologic Modeling and Assessment Part Ⅰ: Model Development. Journal of the American Water Resources Association, 34(1): 73-89. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.1998.tb05961.x
      Chen, P., Yuan, Y. P., Li, W. H., et al., 2021a. Assessing the Impacts of Recent Crop Expansion on Water Quality in the Missouri River Basin Using the Soil and Water Assessment Tool. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 13(6): e2020MS002284. https://doi.org/10.1029/2020ms002284
      Chen, S., Wang, S. M., Yu, Y. X., et al., 2021b. Temporal Trends and Source Apportionment of Water Pollution in Honghu Lake, China. Environmental Science and Pollution Research, 28(42): 60130-60144. https://doi.org/10.1007/s11356-021-14828-z
      Cheng, J. R., Gong, Y. M., Zhu, D. Z., et al., 2021. Modeling the Sources and Retention of Phosphorus Nutrient in a Coastal River System in China Using SWAT. Journal of Environmental Management, 278: 111556. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.111556
      Galloway, J. N., Dentener, F. J., Capone, D. G., et al., 2004. Nitrogen Cycles: Past, Present, and Future. Biogeochemistry, 70(2): 153-226. https://doi.org/10.1007/s10533-004-0370-0
      Gassman, P. W., Reyes, M. R., Green, C. H., et al., 2007. The Soil and Water Assessment Tool: Historical Development, Applications, and Future Research Directions. Transactions of the Asabe, 50(4): 1211-1250. https://doi.org/10.13031/2013.23637
      Li, F., Qiu, Z. Z., Zhang, J. D., et al., 2019. Temporal Variation of Major Nutrients and Probabilistic Eutrophication Evaluation Based on Stochastic—Fuzzy Method in Honghu Lake, Middle China. Science China Technological Sciences, 62(3): 417-426. https://doi.org/10.1007/s11431-017-9264-8
      Li, X. M., Zhu, T. B., He, Y. F., et al., 2022. Assessment of Eutrophication and Nitrogen and Phosphorus Carrying Capacity before and after Removing Pen Culture (2013—2018) in Lake Changhu, China. Environmental Science and Pollution Research, 29(4): 5674-5686. https://doi.org/10.1007/s11356-021-15908-w
      Liu, J., Gu, W. Q., Liu, Y. W., et al., 2023. Influence of Anthropogenic Nitrogen Inputs and Legacy Nitrogen Change on Riverine Nitrogen Export in Areas with High Agricultural Activity. Journal of Environmental Management, 338: 117833. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.117833
      Liu, J., Gu, W. Q., Liu, Y. W., et al., 2022. Dynamic Characteristics of Net Anthropogenic Phosphorus Input and Legacy Phosphorus Reserves under High Human Activity: A Case Study in the Jianghan Plain. Science of the Total Environment, 836: 155287. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155287
      Liu, X. M., Zhang, G. X., Sun, G. Z., et al., 2019. Assessment of Lake Water Quality and Eutrophication Risk in an Agricultural Irrigation Area: A Case Study of the Chagan Lake in Northeast China. Water, 11(11): 2380. https://doi.org/10.3390/w11112380
      Moriasi, D. N., Gitau, M. W., Pai, N., et al., 2015. Hydrologic and Water Quality Models: Performance Measures and Evaluation Criteria. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers, 58: 1763-1785. https://doi.org/10.13031/TRANS.58.10715.
      Olivera, F., Valenzuela, M., Srinivasan, R., et al., 2006. ArcGIS-SWAT: A Geodata Model and GIS Interface for SWAT. Journal of the American Water Resources Association, 42(2): 295-309. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.2006.tb04496.x
      Santhi, C., Kannan, N., White, M., et al., 2014. An Integrated Modeling Approach for Estimating the Water Quality Benefits of Conservation Practices at the River Basin Scale. Journal of Environmental Quality, 43(1): 177-198. https://doi.org/10.2134/jeq2011.0460
      Tang, X. Q., Wu, M., Yang, W. J., et al., 2012. Ecological Strategy for Eutrophication Control. Water Air and Soil Pollution, 223(2): 723-737. https://doi.org/10.1007/s11270-011-0897-3
      Wang, H. Y., Li, T., Zhu, J. Q., et al., 2022. Effects of Extreme Water Levels on Nutrient Dynamics in a Large Shallow Eutrophic Lake (Changhu Lake, China). Journal of Freshwater Ecology, 37(1): 131-143. https://doi.org/10.1080/02705060.2021.2023053
      Wu, H. J., Chen, B., 2015. Evaluating Uncertainty Estimates in Distributed Hydrological Modeling for the Wenjing River Watershed in China by GLUE, SUFI-2, and ParaSol Methods. Ecological Engineering, 76: 110-121. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2014.05.014
      Zhang, T., Ban, X., Wang, X. L., et al., 2017. Analysis of Nutrient Transport and Ecological Response in Honghu Lake, China by Using a Mathematical Model. Science of the Total Environment, 575: 418-428. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.09.188
      Zhang, X. N., Guo, Q. P., Shen, X. X., et al., 2015. Water Quality, Agriculture and Food Safety in China: Current Situation, Trends, Interdependencies, and Management. Journal of Integrative Agriculture, 14(11): 2365-2379. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(15)61128-5
      Zhang, Y. J., Chen, P., Li, J. L., et al., 2025. Simulation Study on Non-Point Source Nitrogen and Phosphorus Pollution Loads Distribution in the Fenhe River Basin Based on SWAT Model. Water Resources and Power, 43(8): 37-41 (in Chinese with English abstract).
      张轶杰, 陈攀, 李京玲, 等, 2025. 基于SWAT模型的汾河流域非点源氮磷污染负荷分布模拟研究. 水电能源科学, 43(8): 37-41.
    • 加载中
    图(9) / 表(7)
    计量
    • 文章访问数:  17
    • HTML全文浏览量:  15
    • PDF下载量:  3
    • 被引次数: 0
    出版历程
    • 收稿日期:  2025-11-30
    • 网络出版日期:  2026-07-17
    • 刊出日期:  2026-06-25

    目录

      /

      返回文章
      返回