中国最大的工程项目三峡大坝建设位于长江上 游宜昌段，全长 660 km ^[1] 。 随着三峡大坝的建设，库区 的水环境问题得到了越来越多的重视。自大坝蓄水 以来，三峡水库水环境经历了从典型河流到类湖泊的 逐步转变，其中伴随着水流减缓，以及水体自净能力 的下降等，大量的水环境问题也应运而生，如水体悬 浮物浓度的升高，水体富营养化，甚至是水华现象 ^[2] 。 探寻问题产生的原因，库区上游污染物汇入是三峡水 库水污染的主要源头 ^{[3, 4]} ，但随着近年来库区上游大量 水电站的兴建，对泥沙及随泥沙迁移营养盐的沉降、 拦蓄作用，使得上游进入水库的污染物负荷有减小趋 势 ^{[5, 6]} ，库区内源污染源尤其非点源污染成为水环境 污染的重要来源 ^[7] 。 土地利用是影响非点源污染的重 要因素，将土地利用类型进行调整转变可作为一种 控 制非点源污染的有限 手 段 ^[8] 。 分 布式水文模型 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 是应用较为广 泛的研究非点源污染的模型之一，它可对土地利用、 气象、 地形、 土壤等数据的变化做出响应，该模型的适 用性与有效性在国内外若干应用研究中都得到很好 的验证 ^{[9, 10, 11, 12, 13, 14]} 。 目前，已有一些学者将 SWAT 模型应用到 三峡库区支流的研究中 ^{[15, 16, 17]} ，如对大宁河流域污染负 荷、 汤溪河径流模拟、小江流域营养盐模拟、 香溪河流 域土地利用格局变化对非点源污染的影响等研究，都 取得了一定成果。而采用 SWAT 模型将三峡库区作 为一个整体研究非点源产出规律及污染控制措施的 模拟却鲜有报道。 本研究即在对库区土地利用类型进 行合理调整的基础上，采用 SWAT 模型考察多种控 制措施对非点源污染的影响。 该研究结果也为决策者 在三峡库区制定有效的非点源污染治理措施提供了 科学的理论依据。 1 材料与方法 1.1 研究区域

三峡库区位于重庆与湖北交界处，介于东经 106°50'~111°50'，北纬 29°16'~31°25'之间，总流域面 积达 5.8 万 km² ，涉及湖北省、 重庆市 20 个县、 市、 区。 水库岸长约 600 km，平均水面宽 1 500m，总落差 150 m 左右。 流域总体地势东高西低，东部山地，西部多 为丘陵地带，占库区总面积 95%以上，间有少量平原， 整体地貌类型多样、 地质条件复杂。三峡库区地处亚 热带的北缘，四季分明、 温暖湿润； 年平均气温为 17~ 19℃，年降水量 1 000~1 250 mm，多集中在夏季，相 对湿度达 60%~80%，具有明显的四川盆地气特色。三峡库区内江河纵横、 水系发达，包括嘉陵江、 乌江、 大宁河、小江、 香溪河等 40 余条主要支流，其中嘉陵 江和乌江是库区最大的两条支流，香溪河是湖北省境 内最大支流。三峡库区建成后，淹没耕地约 1.94 万 hm² ，涉及移民 117.15 万人。截止 2008 年，三峡库区 户籍总人口 2 068.02 万人，其中农业人口 1 385.67 万 人，非农业人口 682.35 万人。库区经济基础薄弱，经 济社会发展长期落后于全国平均水平。 1.2 SWAT 模型的建立

SWAT 是由美国农业部 (USDA,United States De原 partment of Agriculture) 农业研究中心 (ARS,Agricul原 tural Research Service) 历经 30 多年开发的具有很强 的物理机制，适用于复杂大流域的分布式水文模型。 到目前为止，发布可用的 SWAT 模型有 5 个版本： 包 括 98.1 版、 99.2 版、 2000 版、 2005 版、 2009 版 ^[18] 。 本研 究 模型 采 用应用 成 熟 的 SWAT2005 版 ，即 Arc原 SWAT2.3.4 版，该版本作为插件嵌在 ArcGIS9.3.1 中 进行调用模拟 ^[19] 。

SWAT 模型建立需要的输入数据主要分为空间 数据和基本属性数据两类，简要介绍如下。

① 数字高程图 (DEM)： 精度为 90m，主要来源于 中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服务 平台 (http://datamirror.csdb.cn)。 该数据集在 GIS 下截 取为三峡库区研究范围，主要用于在 SWAT 模型下自 动提取水系、 提供地形信息并进行子流域划分，见图 1a。

② 土地利用图：数据来源于国家科技基础条件 平台建设项目——地球系统科学数据共享平台 (http: //www.geodata.cn)的 “2005 年全国 1:25 万土地覆被数 据集” 。 参考 SWAT 模型附带的土地覆被/植被生长数 据库，将土地利用类型重新整合归类为 17 种类型并 划分为 7 大类。 同时，SWAT 模型 “土地覆被/ 植被生 长数据库”中建立了与之对应的代码和参数信息，以 备模型模拟时调用。土地利用见图 1b，详细分类情 况见表 1。

图 1 SWAT 模型空间数据输入图 Figure 1 Input spatial data of SWAT model

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表 1 库区 2005 年土地利用类型分类表 Table 1 Summary of land use types in TGR watershed in 2005

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③ 土壤类型图： 截取自“全国 1:400 万土壤类型分布图” ^[20] ，由国家科技基础条件平台建设项 目——地球系统科学数据共享平台 (http://www.geodata.cn) 提供。各类土壤的分层数，各层颗粒组成、 有 机质含量、 土壤氮磷含量等土壤物理、化学属性来自 中科院南京土壤所——中国土壤数据库网。其中，获 得的土壤各层颗粒组成采用国际制划分，需要进行转 换为美制标准 ^[21] 才能为模型所用； 各类土壤的容重、有效田间持水量、 饱和水利传导系数等参数可通过美 国农业部提供的土壤水特性软件 SPAW （Soil Plant Atmosphere Water) 进行估算。土壤类型图见图 1c，其 详细分类见表 2。

表 2 库区土壤类型分类表 Table 2 Soil types in TGR watershed

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④ 气象数据模型需要的气象数据包括整年的 日最高/低气温、 日降水量、相对湿度、 太阳辐射量等 基本数据。本处收集的气象数据来自国家气象信息中 心，时间范围为 2001—2008 年，共 7 个站点。SWAT 模型还内嵌了 WXGEN 天气发生器用于模拟生成并 自动填补略有缺失的气象数据； 该天气发生器的运行 是在对日最高/低气温、 降水量、相对湿度等计算得到的多年月统计数据基础上进行的 ^[22] 。 数据的处理是通 过使用 pcpSTAT.exe ^[23] 、 dew.exe ^[24] 并辅以 Excel 等工具 完成的。

⑤ 水文、 水质数据： 2001—2008 年逐月水文数据 （流量、 泥沙） 来自国家水利部水文局； 2001—2008 年 水质 (TN、 TP)水期数据来自三峡库区当地环保部门。 水文实测站点从上游到下游涉及寸滩、 清溪场、 万县、 宜昌 4 个站点；水质实测站点包括寸滩、清溪场、 万 县、 培石。其中，在处理水质水期实测数据时，假定该 水期内，各月均值变化不大，即用水期数据代替各月 内实测均值用于模型计算。

⑥ 其他： SWAT 模型建立所需的农业耕种管理措 施主要来自实地调研及文献资料的收集，包括油菜-玉米的旱地轮耕 (一年） 和一年两熟的水稻种植。 库区 工业、 生活点源数据来自统计年鉴的分析、 核算，统计 后的数据以年均日负荷常量 (Constant Daily Loadings) 的形式输入模型。

SWAT 模型建立时，首先依据 DEM 自动计算出流 域内的水流方向及汇流累积量； 在参考模型推荐的子流 域最大、 最小划分阈值的前提下，从 20 000~100 000 hm² 反复设定阈值并对比河网生成效果，最终选定 40 000 hm² ，在该阈值下 SWAT 生成水系与实际河网 最为接近 ^[25] ； 考虑模型校验方便，在模型中添加了水 文、水质站点作为出水口后共划分得到了 79 个子流 域（图 2） 。划 分水文响应单元 （Hydrologic Response Unit，HRU) 时，模型输入土地利用图、 土壤类型分布 图并将库区坡度设为 4 级 (即<6°、 6~15°、 15~25° 、 >25°)， 同时定义土地利用图、 土壤类型分布图、 坡度分级的 阈值均为面积的 10%，最终得到 2 985 个 HRU。之 后，在模型中添加各类气象数据、 库区上游汇入数据、 库区土壤化学属性数据及农业耕种措施后，即可正 常运转模型。其中，由于三峡库区上游 （包括长江干 流、 嘉陵江、 乌江) 汇水量占入库总流量的 90%以上，随 汇水入库的污染物负荷占入库总量的 60%以上 ^{[3, 4]} ， 因此 三 峡库区 上 游 水 文水 质 汇入 数据 的 添 加 对 SWAT 模型在三峡库区流域的精确模 拟起到了至 关重要的作用。 三峡库区上游汇入数据来自长江干流 朱沱站、 嘉陵江北碚站、 乌江武隆站，该站点亦为长 江进入库区的水文分界点； 库区下游截止分界点为长 江干流宜昌站。 库区子流域划分及各站点信息见图 2 所示。

图 2 三峡库区子流域及各站点分布示意图 Figure 2 Distribution of the sub-watersheds and various stations in the TGR

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SWAT 模型的参数调整和验证是模拟计算中的重要一环，需要进行调整的参数很多，按以下原则和 顺序进行： 先确定径流量参数，再次泥沙参数，最后确 定面源污染的相关参数； 空间上的调整顺序则是先上 游后下游 ^[26] 。本研究通过手动调整参数，对三峡库区 流域的径流、 泥沙、 营养盐 (TN、 TP) 指标进行了校验。 其中，径流主要调整参数为 CN2 （径流曲线数） 、 SOL_AWC （土壤有效水容量） 、 ESCO （土壤蒸发补偿 系数) 、 ALPHA_BF (基流系数） 等； 泥沙调整相关参数 为 SPCON （挟沙能力计算的待定线性系数） 、 SPEXP (挟沙能力计算的待定幂指数) 、 USLE_P (水土保持措 施因子) ；水质调整参数主要有 NPERCO (氮下渗系 数） 、 PPERCO (磷下渗系数） 及 PHOSKD （磷的土壤分 离系数)。具体的参数率定过程见参考文献^[27]。 1.4 SWAT 模型的验证

本研究采用了确定性系数 (R² ） 及美国土木工程 师学会于 1993 年推荐的统计方法计算值 Nash- Sut cliffe coefficient （E_NS) ^[28] 对模型模拟效率进行评价。 其中，R² 越接近 1，表示实测值与模拟值之间的吻合程度越 高； E_NS 越接近 1，则表明模型模拟效率越高。另外，根 据已有经验 ^[29] ，当 E_NS >0.75 时，可以认为模型模拟效 果好； 当 0.36≤E_NS≤0.75 时，模拟效果令人满意； 当 E_NS <0.36 时，模型模拟效果较差。

根据收集得到的 2001—2008 年水文月数据及水 质水期数据对模型进行校验。采用 2001 年实测数据 用于模型预热，2002—2005 年实测数据用于模型校 准，2006—2008 年 3a 的实测数据进行模型验证。由 于三峡库区研究范围较大，本研究沿三峡库区干流从 上游到下游依次对寸滩、 清溪场、 万县、 宜昌的径流、 泥沙参数进行了率定； 水质数据由于仅有重庆地区的 水期数据，因此只对长江干流的寸滩、 清溪场、 万县、 培石的水质参数进行了率定。

模型经过校验后，最终模拟值与实测数据吻合程 度较高。库区各站点径流模拟效率系数 R² 、 E_NS 均在 0.95 以上，效果很好； 泥沙模拟效率系数 E_NS 基本在 0.75 以上，效果令人满意。库区各站点营养盐模拟效 果总体来看要劣于水文模拟，其中 TN 模拟效率系数 E_NS 基本处于 0.36~0.75 范围内，模拟效果较好； TP 模 拟效率系数 E_NS 无论在模拟期还是验证期都有低于 0.36 的现象，但总体模拟效果还可以接受。模型具体 验证过程参见参考文献^[27]。

考虑模型对营养盐模拟效果欠佳的原因，一方面 由于 SWAT 模型内部参数设置侧重于陆域水文模 拟，对河道演算等模块有待完善 ^[30] ； 另一方面与本研究采用模型校验的数据以 TN、 TP 的形式，而非具体 的营养盐类别 (如硝态氮、 有机氮或有机磷、 矿物质磷 等形式) 有关，用笼统的营养盐数据去校准模型，势必 会带来一定的模拟偏差，这是由本研究收集到的有限 数据形式造成的。 1.5 土地利用情景设置

根据三峡库区土地利用实际情况，本研究分别对 库区土地利用图进行了处理，与基准情景一起共设定 了 6 类情景。各情景均在模型校准后运行，模拟时段 为 2001—2008 年月均值。具体情景设置如下：

Q0，基准情景： 2005 年土地利用现状情景。

Q1，25°以上耕地退耕还林从保护和改善库区生 态环境的角度出发，响应国家现行退耕还林政策，将 坡度在 25°以上的耕地逐步实施停耕措施，并最终全 部转变为林地。

Q2，15°以上耕地退耕还林： 由于库区大多数耕地 主要集中在 15°~25°之间，因此本研究考虑在情景 Q2 的基础上继续加大退耕还林力度，即将 15°以上的耕 地全部转换为林地，以考察加强退耕还林措施对库区 非点源污染物的消减效果。

Q3，6°以上耕地退耕还林： 由于 6°~15°的坡度相 对较和缓，此范围内的耕地在库区分布也较广； 本情 景模拟进一步实行退耕还林措施对非点源污染的消 减效果，同时考察不同坡度对耕地非点源污染负荷产 生的影响。

Q4，草地转为林地： 假定在库区实行生态屏障建 设等保护措施，使得原有退化的宜林草地得到恢复， 即有 9.53%的草地变为林地。

Q5，草地转为耕地： 由于库区大部分地区为偏远 山区，当地居民较为贫困，假定山区居民迫于生计将 原有草地开荒进行作物耕种并导致了生态环境的恶 化，即库区有 9.53%的草地转为耕地。

Q6，耕地、草地转为林地： 假定未来采取积极地 生态保护措施，即全面禁伐、 退耕还林、 天然林保护等 工程措施，使得库区土地利用朝着良性方向发展，地表 基本被高密度的林地覆被，即分别有占总面积 9.53% 的草地和 13.22%的耕地转变为林地，最终林地面积 达到库区总面积的 57.33%。 2 结果与分析 2.1 土地利用情景分析

各情景的土地利用分布图如图 3 所示，其中情 景 Q3、 Q6 的林地面积最大，分别达到了 57 . 99% 和57 . 33%，林地面积最小的为基准情景 Q0，为 34.57%； 草地面积最大的为基准情景 Q0 即 11.48%，最小的为 Q6，仅有 1.95%；耕地面积最大的为情景 Q5，达到 46.87%，最小面积为 Q2 即 26.21%； 除此之外，其他地 类基本无变化。

从不同的角度综合比较各类情景，可达到多种研 究目的。将情景 Q1、 Q2、 Q3 与基准情景 Q0 对比可看 出库区坡耕地的主要分布范围； 即当 25°以上耕地转 为林地后，仅有 3.64%的耕地转为林地，土地利用图 基本无变化，当 15°以上耕地转为林地后，库区中部 的耕地基本消失，由此可见陡坡耕地在库区所占比例 较小，而较陡的坡耕地主要集中在库区中段； 当 6°以 上耕地转为林地后，库区中西部的耕地大范围消失， 说明缓坡耕地主要集中在库区重庆西部地区。情景 Q2 与 Q4 的林地比例接近，且整体上分布区域较一 致，分别为 45.70%、 44.11%，但两者耕地与草地分别 产生了变化，该设置考察了在达到相同林地面积建设 的同时，不同土地利用改善措施对非点源污染控制的 影响。Q4、 Q5 为土地利用类型中易发生变化的地类， 即草地的两种分化状态，在不考虑草地特殊生态作用 的前提下，该情景研究了草地的两种转变方式对库区 非点源污染的影响。 Q5、 Q6 分别考虑了库区土地利用 状况恶化及最优的两种情景状态，耕地、林地面积分 别占到库区流域总面积的一半左右，他们是库区土地 利用发展较极端的两种况。 上述情景为库区非点源 污染控制方案制定提供指导。

Q0： 基准情景； Q1： 25°以上耕地退耕还林； Q2： 15°以上耕地退耕还林； Q3： 6°以上耕地退耕还林； Q4： 草地转为林地； Q5： 草地转为耕地； Q6： 耕地、草地转为林地。下同 图 3 库区各情景的土地利用类型分布图 Figure 3 Distribution of diverse land uses in seven scenarios

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采用 SWAT 模型对各类土地利用类型情景进行 模拟、 统计分析后，得到各类情景的径流量、 泥沙产量 及营养盐负荷量的多年平均值对比图 4，各情景相对 基准情景的消减比例如图 5 所示 (“—”代表增加比 例)。 总体来看，受土地利用类型改变影响最大的为地 表产沙，其中情景 Q5 的产沙量最大，达到了 1.662 亿 t · a^-1 ，比基准情景增长了 62.73%； 产沙量最小的为情景 Q3，为 0.111 亿 t · a^-1 ，与基准情景相比，减少了89.10%， 而 Q1 与 Q6 的产沙量相当，均为 0.65 亿 t · a^-1 左右。 营养盐 TN、 TP 污染负荷量受土地利用类型变化影响 程度及趋势相接近，也较大。营养盐产量最大的为 Q5，较基础情景相比 TN、 TP 分别增长了 36.36% 、 40.88%； 营养盐负荷产量最小的为情景 Q3，较基础情景分别减少了 72.02%、 79.00%； 营养盐负荷消减量最 少的 Q4，TN、 TP 分别减少了 7.40%、 6.74%。地表产流 几乎对土地利用类型改变无响应，仅有微小的变化， 均较基础情景有所减少，且在 0.30%~2.07%之间波 动。

图 4 各土地利用情景径流量、 地表产沙、 营养盐负荷产出量年均值对比图 Figure 4 Contrast of six scenarios with outputs of runoff amount,sediment and nutrient loads

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“—”代表污染物增长 图 5 相对基准情景的各土地利用情景地表产流、 泥沙、 营养盐负荷消减比例对比图 Figure 5 Contrast of six scenarios with reduction ratios of runoff,sediment,nutrient loads vs baseline

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就情景设置效果分析，Q1 中有 占库区总 面积 3.64%的 25°以上耕地转变为了林地，其对泥沙、 TN、 TP 污染负荷的消减率达到了 31. 71%、 12 . 78%、 14. 92%； Q2 中有占总面积 11.13% 的 15° 以上的耕地转为林 地，其对泥沙、 TN、 TP 的消减率为 66.15% 、 44.46% 、 44.96%； Q3 中有占总面积 23.42%的 6°以上的耕地转 为林地，泥沙、 TN、 TP 的消减率分别达到 89. 10% 、 72.02%、 79.01%。 减少单位面积的耕地，情景 Q1、 Q2、 Q3 的污染负荷减少比例分别为： 泥沙 8.7 :5.9 :3.8、 TN 3.5:3.9:3.8、 TP 4.1:4.0:3.4，可见坡耕地非点源污染负 荷随坡度的增加而增加，泥沙最为显著，TP、 TN 略次， 陡坡耕种是非点源污染产生的主要源头 ^[31] 。情景 Q2 与 Q4 相比，虽然两者林地面积相近，但 Q2 的污染负 荷消减率要远大于 Q4，前者是后者的 6~8 倍，因此， 若要达到相同的林地建设规模目标，以耕地为主要控 制对象可消减控制更多的非点源污染负荷。对比情景 Q4 与 Q5 的污染物消减效果可以看出，同地块的草地 在向林地或耕地转变后，将会产生悬殊的非点源污染 影响效果； 在本研究中，虽然占流域总面积 9.53%的 草地转为林地后仅减少不到 10%的非点源污染负荷， 但转为耕地后将比基础情景多产生 50%左右的污染 物； 因此，库区草地退化为耕地后，会严重加剧非点源 污染状况，该现象应受到严格控制。分析情景 Q6 的 消减效果，虽然其林地面积占库区流域总面积比例达 到 57.33%，但非点源污染消减效果并没有达到最优， 泥沙消减效果仅相当于情景 Q1，而营养盐消减效果 接近 Q2，由此可见林地维育要有计划性、 针对性，不 能盲目无原则扩大，否则事倍功半，不能达到应有的 污染治理效果。 3 结论

本研究应用 SWAT 模型，分析了不同的土地利 用情景下对非点源污染的影响，可得到以下结论。

(1) 从非点源污染消减有效性出发，情景 Q2 (15° 以上坡耕地退耕还林) 及情景 Q3 (6°以上坡耕地退耕 还林） 两种况下的污染物消减量较大； 但考虑库区 地处贫困山区，情景 Q1 (25°以上坡耕地退耕还林）以 其农田减少量最少、 污染物消减效率高，而更为有效合理。 坡耕地应作为库区流域非点源污染控制的重点 对象。

(2)对比情景 Q4 （草地转为林地） 、 Q5 （草地转为 耕地)，相同面积草地退化为耕地与转而培育林地相 比，非点源污染负荷有急剧地增加。应合理补贴、 改善 库区移民或贫困山区居民的生活条件，严格监管库区 自然植被的退化趋势，避免库区发生人为毁林、 毁草 耕种的现象，否则会对库区非点源污染起到致命的加 强作用。

(3) 分析情景 Q6 (耕地、草地转为林地)的林地面 积比例为 57.33%，仅以 0.66%次于 Q2，但其污染负荷 消减效果并不理想。 因此，库区采取植树造林、林地维 育等保护性工程措施时要有针对性、 有计划性，不能 盲目扩大林地，否则即耗费人力物力，又不能达到应 用的非点源污染消减效果。

(4) 本研究结果为政府决策者有针对性的、 高效 的治理非点源污染提供了理论依据，同时为三峡库区 流域非点源污染控制方案的合理制定提供了科技支 撑，并对三峡库区的环境保护起到重要作用。