《ACS Agricultural Science & Technology》：Integrated Watershed Models for Assessing Reservoir Water Quality Responses to Vegetative Filter Strip Deployment
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本文通过构建SWAT-Vollenweider耦合模型，创新性地将流域尺度非点源污染模拟与水库水体富营养化响应相链接，系统评估了植被过滤带（VFS）对农业面源污染的拦截效能。研究首次在台湾德基水库流域识别出10个泥沙和总磷（TP）输出热点HRU，发现5米河岸型VFS可实现单位面积最高污染削减量（沉积物2.7–38.8吨/公顷，TP 4.0–34.4千克-P/公顷），并确定9/13/23公顷为成本最优部署阈值。该模型为流域-水库一体化管理提供了定量化决策工具。
引言
水库作为供水、防洪和发电的重要基础设施，其水质正面临非点源污染与富营养化的严重威胁。农业径流携带的氮磷营养盐和悬浮沉积物是主要污染源，而气候变化下的极端降水事件进一步加剧了这一过程。植被过滤带（VFS）作为低影响开发措施，通过减缓地表径流、增强过滤和入渗过程，被证实可有效截留泥沙和营养盐。然而，现有研究多局限于流域或水库单一尺度，缺乏将两者耦合的集成模型来评估VFS对水库水质的实际改善效果。
研究方法
研究以台湾德基水库流域（面积514平方公里）为案例，构建了SWAT-Vollenweider集成水质模型框架。SWAT模型用于模拟流域尺度的水文过程、泥沙输移和总磷（TP）负荷，其核心算法包含基于水量平衡方程的地表径流计算（采用SCS曲线数法）和修正通用土壤流失方程（MUSLE）的产沙量估算。Vollenweider模型则基于质量平衡原理模拟水库内TP浓度动态，关键参数磷沉降速率（vs）通过历史数据校准确定为25米/年。模型利用1993-2022年的气象、水文和水质长期监测数据进行了校准和验证，纳什效率系数（NSE）和百分比偏差（PBIAS）等指标表明模型性能良好。
VFS部署方案与机理
研究设定了两种VFS配置场景：场景A（田边型VFS）通过SWAT管理文件中的filterw参数模拟田块边缘的截留效率，其经验公式显示截留率（Tr）随带宽增加而提升，在30米时趋近最大值1.0。场景B（河岸型VFS）基于VFSMOD算法，综合考虑流场汇聚效应和场区-VFS面积比（VFSRATIO），通过径流削减率（RR）和泥沙削减率（SR）的耦合计算，推导出TP削减率（TPR）与泥沙削减的线性关系（TPR= 0.90·SR）。研究选取5米和10米两种带宽，在识别出的10个热点HRU（主要分布于27、22、23号子流域的农业用地）进行部署。
结果与讨论
长期水质数据分析显示，德基水库处于中营养状态，叶绿素a与NH3-N、TP显著相关（r > 0.55），且氮磷比（N/P）多大于15，表明TP是藻类生长的主要限制因子。主成分分析进一步证实营养盐参数（PC1贡献度23.7%）和泥沙输移（PC2贡献度13.0%）是影响水质的主控因素。
流域模拟表明，10个热点HRU贡献了全流域26.3%的泥沙和25.2%的TP负荷。场景B（河岸型VFS）在泥沙削减上表现更优，10米VFS可实现年削减率26.3–26.9%（约520吨/年），且季节性波动较小；而场景A（田边型VFS）对TP的拦截效果更佳，10米VFS对应削减率3.3–4.2%（约560千克/年）。值得注意的是，5米河岸型VFS的单位面积削减效率最高，每公顷VFS可分别削减泥沙2.7–38.8吨和TP 4.0–34.4千克-P。
水库尺度响应模拟显示，VFS部署可使水体TP浓度降低0.5–9.1%，且5米VFS的边际削减效益高于10米方案，反映出带宽增加的效益递减现象。通过优化模型识别出9、13和23公顷三个关键部署阈值，其中包含27号子流域（赫欢溪沿线）的HRU#849、#844和#700为优先实施区域。
结论与展望
本研究开发的SWAT-Vollenweider耦合模型有效桥接了流域过程与水库生态响应，为VFS的精准布设提供了量化依据。河岸型VFS凭借其径流汇聚拦截优势，在单位面积污染控制上更具成本效益。未来研究可融入交通可达性、地形复杂度等实际约束条件，并探索TP负荷削减与水库磷浓度的阈值关系，以进一步提升VFS部署的生态效益和工程可行性。
