（土地资源管理专业论文）基于AnnAGNPS模型的三峡库区小江流域农业面源污染负荷研究.pdf

独创性声明 学位论文题目：基王望坠鱼丛曼搓型煎三坻庄匡尘垫速这盛些亘透透鏊 鱼蕉珏窒 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了标注。 学位论文作者： 祧 签字日期： 泸i ，年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：日不保密，口保密 期限至年月止) 。 工r 学位论文作者签名：南组移 导师签名： 文1 之午 签字日期：训f 年f 月i p 日签字日期：乙- 年月1 日 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 选题依据与意义1 1 1 1 选题依据l 1 1 2 研究意义一1 1 2 选题目标与内容2 1 2 1 研究目标。2 1 2 2 研究内容2 1 3 技术路线4 第2 章研究综述：5 2 1 农业非点源污染研究现状5 2 2 农业非点源污染模型研究现状6 2 1 1 国外农业非点源污染模型研究现状6 2 1 2 国内农业非点源污染模型研究现状7 2 3a n n a g n p s 模型国内外研究进展7 2 2 1a n n a g n p s 模型国外研究进展7 2 2 2a n n a g n p s 模型国内研究进展9 2 4a n n a g n p s 模型三峡库区研究进展9 第3 章研究方法1 1 3 1 研究方法1 1 3 2 a n n a g n p s 模型1 1 3 2 1 模型介绍1 1 3 2 2 模型使用1 2 3 2 3 模型机理1 2 3 2 4 模型结构1 4 第4 章研究区概况l5 4 1 三峡库区概况l5 4 1 1 地理位置1 5 4 1 2 地形地貌特征1 5 4 1 3 土壤类型：1 6 4 1 4 库区气候特征：1 6 4 1 5 库区生物资源1 6 4 1 6 库区水系l6 4 2 小江流域概况。17 第5 章模型在三峡库区小江流域的应用19 5 1 模型所需数据库建立19 5 1 1 气象：1 9 5 1 2 地形。2 0 5 1 3 土地利用2 2 5 1 4 土壤2 3 5 1 5 农事管理参数2 6 5 1 6 径流曲线2 9 5 2 模型参数敏感性分析2 9 5 3 模型数据校正与验证2 9 5 3 1 校正( 率定) 2 9 5 3 2 验证。3 4 5 4 模型模拟结果分析3 6 5 4 1 流域污染负荷时间分布3 6 5 4 2 流域污染负荷空间分布3 6 5 4 3 不同土地利用类型非点源污染负荷4 0 5 5 小江流域农业管理措施研究4 l 5 5 1 小江各个支流域单个集水单元4 1 5 5 2 退耕还林对农业非点源污染负荷的影响4 3 5 5 3 施肥量对农业非点源污染负荷的影响4 3 第6 章结论与展望4 5 6 1 结论4 5 6 2 展望4 6 参考文献4 7 致谢51 发表论文及参与课题5 3 图目录 图1 1 研究技术路线框架图4 图3 1a n n a g n p s 模型模拟的主要过程1 3 图3 2a n n a g n p s 模型界面示意图1 4 图4 1 三峡库区示意图1 5 图4 2 小江地形、河网图17 图5 1 气象站泰森多边形创建2 0 图5 2 小江流域主要河网图2 1 图5 3 小江流域详细河网图2 1 图5 4 三峡库区小江流域土地利用j 訇2 3 图5 5 小江流域土壤分类图2 4 图5 - 6 2 0 0 2 2 0 0 4 宝塔窝水文站流量分割3 0 图5 72 0 0 2 年、2 0 0 3 年宝塔窝站月径流量实测值与模拟值拟合图。3 2 图5 82 0 0 2 年、2 0 0 3 年宝塔窝站日径流量实测值与模拟值拟合图3 3 ：。 图5 - 92 0 0 2 年、2 0 0 3 年宝塔窝站月输沙量实测值与模拟值拟合图3 3 嚣 图5 102 0 0 4 年宝塔窝站月、日径流量实测值与模拟值拟合图3 5 图5 。1 l2 0 0 4 年宝塔窝站月、日输沙量实测值与模拟值拟合图3 5 图5 1 2 小江流域空间分布图3 7 毫 图5 13 小江流域侵蚀等级图3 8 图5 1 4 小江流域年均输沙量空间分布图3 8 图5 1 5 小江流域总氮年平均负荷空间分布图3 9 图5 1 6 小江流域总磷年平均负荷空间分布图3 9 表目录 表2 1 常见非点源污染模型的主要特征对比6 表5 1 模型所采用原始数据汇总1 9 表5 2 三峡库区小江流域土地利用分类2 3 表5 3 小江流域土壤分类2 4 表5 5 农作物各生长期n 、p 吸收率2 7 表5 - 6 小江流域作物管理措施2 8 表5 7 小江流域径流曲线数。2 9 表5 8 模拟年降雨特征( 2 0 0 2 2 0 0 4 ) 31 表5 - 92 0 0 2 2 0 0 3 年宝塔窝站月径流量实测值与模拟值对比3 2 表5 1o 宝塔窝站年输沙量比较3 3 表5 1 1 小江流域年氮、磷比较。3 4 表5 1 22 0 0 4 年宝塔窝站月径流量实测值与模拟值对比3 4 表5 1 3 小江流域非点源污染模拟年值( 2 0 0 2 2 0 0 8 ) 3 6 表5 1 4 小江各流域径流、泥沙、氮、磷年均分布情况3 7 表5 1 5 不同土地利用类型年均非点源污染负荷模拟结果( 2 0 0 2 2 0 0 8 ) 4 0 ， 表5 1 6 各流域典型汇水单元农业面源污染负荷及削减率4 1 表5 1 7 各流域典型汇水单元基本特征4 l 表5 18 退耕前后多年农业面源污染负荷及削减率4 2 表5 1 9 现状用地施肥情况4 3 表5 2 0 不同施肥情况下多年农业面源污染负荷及削减率4 3 摘要 基于a n n a g n p s 模型的三峡库区小江流域农业 面源污染负荷研究 土地资源管理专业硕士研究生高银超 指导教师刘秀华教授 摘要 农业非点源污染成为水质污染的重要原因之一，这一环境问题受到全球范围的关注。非点源污 染监测难、定量分析难，基于数学模型的计算机模拟法在解决这些问题上优于其他非点源污染研究 方法。a n n a g n p s 等大型连续分布式模型成为估算非点源污染负荷、识别污染关键源区、研究农业 管理措施的重要手段。三峡库区农业非点源污染日趋严重，而地形复杂、地块破碎、农业经营分散、 耕作措施多样，野外监测和人工降雨等研究方法都很难满足该地区农业面源污染研究的需求，数学 模型模拟为定量评价流域非点源污染负荷提供了一种有效手段。 a n n a g n p s 模型在三峡库区的应用较少且多集中在极小流域范围研究，缺乏典型代表性，本文 选取距离三峡坝址2 4 7 k m 的三峡库区一级支流小江流域作为研究对象，运用a n n a g n p s 模型建立数 据库；分析流域输入参数的敏感性；模拟小江流域径流量、输沙量、氮、磷污染量；识别面源污染 关键源区；模拟三种农业最佳管理措施( b p m s ) 对流域地表径流量、泥沙量、氮、磷负荷量的影响， 为模型在该地区面源污染控制方面的研究提供借鉴意义，主要研究结论如下： ( 1 ) 对三峡库区小江流域a n n a g n p s 模型参数进行分析，掌握构建a n a g n p s 模型所需气象、 地形、土地利用、土壤、作物、非作物、作物管理、施肥、农药、径流曲线等参数的方法。 ( 2 ) 通过敏感性分析确定影响流域非点源污染负荷输出的8 个主要因子，包括s c s 曲线值c n 、 土壤可蚀性因子k 、水土保持因子p 、作物管理因子c 、坡度s 、坡长l 、曼宁糙率系数i v l a 和化 肥施用量p e r t 。径流量、输沙量、总氮、总磷污染负荷对8 个输入参数变化的响应程度不同。 ( 3 ) 运用a n n a g n p s 模型对三峡库区小江流域2 0 0 2 2 0 0 4 年的径流量、输沙量、氮磷负荷量进 行模拟估算，并分别采用宝塔窝水文站( 控制范围占流域面积的6 2 ) 2 0 0 2 2 0 0 4 年实测数据对径流 和泥沙模拟值进行校准和验证，采用小江流域出 2 0 0 2 2 0 0 4 年实测年均数据对总氮、总磷模拟负荷 进行校准和验证。结果表明模型模拟结果相对可靠，适合于三峡库区流域非点源污染负荷评价。 ( 4 ) 根据模型预测结果，模型对径流输出的模拟精度高于对泥沙和养分的输出模拟，2 0 0 2 2 0 0 8 年小江流域径流量年均模拟值为3 0 6 3 亿m 3 ，输沙量为2 7 7 8 1 万t ，总氮负荷为7 9 4 9 3 8 t ，总磷负荷为 4 6 3 7 4 t 。泥沙和养分输出具有相似的规律性，均呈现季节性变化，与降雨量呈现显著的正相关，且 受到施肥、地表状况及耕作条件等影响。 i 西南大学硕士学位论文 i ii ( 5 ) 从空间上看，非点源污染负荷在空间分布不均匀，不同地类污染负荷差别较大。单位面积 负荷大小依次是水域、建设用地、耕地、林地、草地，总量负荷大小均依次是耕地、林地、建设用 地、水域、草地。 ( 6 ) 从模型模拟的结果可以看出，流域内产生氮磷负荷的主要来源是水土流失和化肥损失等造 成的农业非点源污染，其土地利用方式主要是旱坡地，因此，加强旱坡地的农业非点源污染控制对 控制流域非点源污染至关重要。通过三种不同农业管理措施模拟研究表明，退耕还林和保护性耕作 等措施对流域的污染负荷有明显的削减作用。 关键词：a n n a g n p s ；三峡库区：小江流域；非点源污染；农业管理措施 i i a b s t r a c t r e s e a r c ho n a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o nl o a di n x i a o ji a n gr i v e r w a t e r s h e do ft h e t h r e e - g o r g er e s e r v o i r r e g i o nb a s e do n a n n a g n p sm o d e l a bs t r a c t t h ea g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n 鹊t h em a i nc a u s eo fw a t e rp o l l u t i o nw h i c hb e c a m et h e f o c a lp o i n to fw o r l d w i d ea t t e n t i o n i ti sd i f f i c u l tf o rm o n i t o r i n ga n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nb a s e do nm a t h e m a t i cm o d e l si sag o o da p p r o a c ht os o l v et h e s ep r o b l e m t h ed i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r , b a t c hp r o c e s s 。c o n t i n u o u ss i m u l a t i o nm o d e ls u c ha sa n n a g n p sm o d e lb e c a m et h ei m p o r t a n t m e t h o dt os i m u l a t et h ep o l l u t i o nl o a d ，i d e n t i f yt h ec r i t i c a lp o l l u t i o ns o u r c e s ，s t u d yt h ea g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n tm e a s u r e s b e c a u s eo fi t ss e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，c o m p l e xt o p o g r a p h y ，m i n il a n d , s c a t t e r i n gm a n a g e m e n t , d i v e r s i f i e df a r m i n gm e a s u r e s ，i t sb e t t e rt ou s em a t h e m a t i cm o d e l st os i m u l a t e p o l l u t i o nl o a d s ，n o tt h ef i e l dm o n i t o r i n go ra r t i f i c i a lr a i n f a l li nt h et h r e e - g o r g er e s e r v o i rr e g i o n l i t t l er e s e a r c hh a sb e e nu s e di nt h ea n n a g n p sm o d e l ，t h es t u d ya m o s tf o c u so ns m a l l s c a l e p r e s e n t r e s e a r c hm a i n l ys t u d yx i a oj i a n gw a t e r s h e di nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e g i o n ，i th a s2 5 0 mf i o mt h e t h r e eg o r g e sd a m i tc a ng i v eu st h ei m p l i c a t i o nt oc o n t r o lt h ep o l l u t i o ns o u r c e sw h e nu s et h ea n n a g n p s m o d e lt ob u i l dd a t a b a s e s ，a n a l y s es e n s i t i v e n e s s ，s i m u l a t et h er u n o f f , s i l t , n u t r i e n to u t p u t ，i d e n t i f yt h e c r i t i c a lp o l l u t i o ns o u r c e s ，s t u d yt h et h r e ea g r i c u l t u r em a n a g e m e n th o wt oi n f l u e n c ep o l l u t i o nl o a d s ，a l lo f t h e s ei st h i sr e a r c hp r o v i d e sr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ef o l l o ws t u d y p r e s e n t r e s e a r c h c o n c l u s i o nt ob ea s f o l l o w s ： ( 1 ) p r e s e n tr e s e a r c hi n t r o d u c e sm e t h o d so fc o n s t r u c t i n gd a t as e tf o ra n n a g n p si nt h ec a s eo f x i a o ji a n gr i v e rw a t e r s h e dl o c a t e di nt h et h r e eg o r g e sr e g i o n t h ed a t as e tm a i n l yf o c u s e so nc l i m a t e ， t o p o g r a p h y ，l a n d u s e ，s o i l ，c r o p ，n o n c r o p ，c r o pm a n a g e m e n t , f e r t i l i z e r , p e s t i c i d ei n f o r m a t i o na n dr u n o f f c u r v en u m b e rd a t a ( 2 ) m a i n8f a c t o r sd e t e r m i n i n gn o n - p o i n tp o l l u t i o no u t p u tw e r ei d e n t i f i e dt h r o u g hs e n s i t i v i t ya n a l y s i s ， i n c l u d i n gc u r v en u m b e r , k ，c o n s e r v a t i o no fw a t e ra n ds o i lf a c t o r , c r o p sm a n a g e m e n tf a c t o r , s l o p e ，s l o p e l e n g t h ，m a n n i n ga n dt h ec h e m i c a lf e r t i l i z e r t h i sp a r a m e t e r sh a v ed i f f e r e n te f f e c t st or u n o f fy i e l d s ， s e d i m e n ty i e l d s ，t o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u s ( 3 ) a n n a g n p sw a sa p p l i e dt oe s t i m a t er u n o f f , s e d i m e n ty i e l d s na n dpl o a d sf r o mx i a o j i a n gr i v e r w a t e r s h e di nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e g i o nf r o m2 0 0 2t o2 0 0 4 t i m es e r i e sd a t ao ft h es a m et i m e p e r i o d so nr u n o f f , s e d i m e n ty i e l d sf r o mb a o t a w og a u g es t a t i o n ( w h i c hc o v e r sa l la r e ao f6 2 o ft h ew h o l e c a t c h m e n t ) a n dn u t r i e n tl o a d sf r o mt h eo u t l e to fx i a oj i a n gc a t c h m e n tw e r eu s e dt oc a l i b r a t ea n dv a l i d a t e s i m u l a t i o nd a m s i ts h o w st h a tt h er e s u l t sa r er e l i a b l et ou s e ( 4 ) i t s h o w st h a tt h er e s u l to fr u n o f fs i m u l a t i o ni sm o r ep r e c i s et h a ns e d i m e n ta n dn u t r i t i o nl o a d s i 西南大学硕士学位论文 s i m u l a t i o n a n n u a l ( 2 0 0 2 2 0 0 8 ) o u t p u to f s e d i m e n tf r o mw a t e r s h e do u t l e ti s2 7 7 8lx10 4t o n s w h i l e a n n u a ll o a d so f t o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r o u sa l e7 9 4 9 3 8t o n sa n d4 6 3 7 4t o n s ，r e s p e c t i v e l y a l l n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t sa r eo fs i m i l a rg e n e r a t i o nt r e n d s ，w h i c ha r ev a r y i n gw i t hs e a s o n ，b e i n gp o s i t i v e c o r r e l a t i v ew i t hp r e c i p i t a t i o n ，a n dd e t e r m i n e db yf e r t i l i z a t i o n ，c u l t i v a t i o na sw e l la sl a n ds u r f a c ec o n d i t i o n ( 5 ) t h er e s u l t ss h o w st h a tt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a d sa r ed i f f e r e n tf o rs p a t i a ld i v i s i o na n d l a n d u s et y p e s t h eu n i ta r e al o a d si nt u r na r ew a t e r s ，c o n s t r u c t i o nl a n d ，c u l t i v a t e dl a n d ，f o r e s tl a n d ，g r a s s l a n d ，t h et o t a lq u a n t i t yl o a d si nt u r na r ef a r m i n g ，f o r e s tl a n d ，c o n s t r u c t i o nl a n d ，w a t e r s ，g r a s sl a n d ( 6 ) t h er e s u l t ss h o w st h a tt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a d sa r em a i n l yf r o mt h es o i le r o s i o na n d t h ec h e m i c a lf e r t i l i z e rl o s sb yd r yl a n d so ns l o p e s ，s oi t si m p o r t a n tt oc o n t r o lt h i sa r e a s p o l l u t i o n t h o u g h t h es t u d yo ft h r e ea g r i c u l t u r em a n a g e m e n tp r a c t i c e s ，i ti n d i c a t e st h a ts o m em e t h o d sh a v eo b v i o u s l y f u n c t i o nt or e d u c et h ep o l l u t i o nl o a d s ，s u c ha sr e t u r n i n gf a r m l a n dt of o r e s ta n dc h a n g et h es l o p e k e yw o r d s ：a r m a g n p s ；t h r e e - g o r g er e s e r v o i r ；x i a o ji a n gr i v e rw a t e r s h e d ； n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ；a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n tp r a c t i c e s i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题依据与意义 1 1 1 选题依据 农业非点源污染使大量的泥沙、氮磷营养物、有毒有害物质等进入河流，引起水体中悬浮物浓 度的升高、有毒有害物质含量的增加，溶解氧的减少，导致水体富营养化和酸化，不仅直接破坏水 生生物的生存环境，还严重影响了人类的生产和生活，威胁着人类的健康【l 埘。在国外，农业非 点源污染是造成美国河流污染的第一大污染源【3 】；在丹麦的2 7 0 条河流中，9 4 的总氮和5 2 的总 磷来源于非点源污染的贡献1 4 1 ：在荷兰的水环境污染中6 0 总氮和4 0 5 0 总磷是由农业非点源污 染引起的【5 1 。在国内，农业非点源污染是我国巢湖、太湖和滇池等重要湖泊水质恶化的主要原因之 一，总氮和总磷分别占污染负荷的6 0 7 0 和5 0 6 0 1 6 j 。 农业面源污染与地形、人口密度、农药和化肥的使用、耕作方式等密切相关。三峡库区由于人 口密度高、农业人口比例高、垦殖指数高、陡坡耕地比例大，又是我国暴雨中心之一，更加剧了水 土流失，水土流失作为面源污染物传输的载体，它的严重性会导致库区水质进一步恶化，成为生态 退化和水质恶化的主要动力过程【7 锕。高密度人口导致的生活垃圾增加、大量农药和化肥的使用、畜 禽养殖业的迅猛发展，使众多污染物和携带的泥沙进入三峡库区水体，成为库区水质恶化的主要原 因。水土流失方面，1 9 9 9 年遥感调查统计，三峡库区水土流失面积占总面积的6 1 4 ；2 0 0 4 年重庆 市水土流失调查结果显示水土流失面积仍占5 0 ，库区年产沙量达1 5 5 亿吨，入江泥沙年平均达4 0 0 0 万吨，以中度侵蚀为主，强度侵蚀也占相当比例。面源污染方面，三峡库区自蓄水以来至2 0 0 6 年8 月，各类水华事件达9 7 次，水华事件总体呈现逐步加大、加重的趋势；长江河流水体中8 0 的c o d 、 8 8 的t n 和7 3 的t p 来源于农业面源污染，三峡库区农药折纯使用量为6 4 5 3 7 吨，其中约有6 0 左右是以污染物的形式留存在土壤和水环境中，年径流泥沙入江携带的t n 高达6 5 0 万吨。 目前农业面源污染在我国南方的研究主要集中在滇池、太湖等湖区，防治对策及治理效果主要 集中在局部直观效果方面，在大中尺度的研究有待推广。用物理过程模型来研究面源污染在我国也 仅仅处于起步阶段。而且主要集中在黄土丘陵沟壑区，在三峡库区的中、大流域尺度上，采用物理 过程模型对侵蚀产沙时空变化特征的研究几乎是一片空白。a n n a g n p s ( a n n u a l i z e da g r i c u l t u r a l n o n p o i n ts o u r c e ) 模型是一个连续模拟地表径流、泥沙和污染物负荷的分布式流域评价模型，由于模 型的科学性和实用性，在国外，已被许多政府部门接受，并作为流域管理和水质监测等方面的有效 工具之一。而我国物理过程模型仅仅处于起步阶段，而且主要集中在黄土丘陵沟壑区，在三峡库区 的中、大流域尺度上，采用物理过程模型对侵蚀产沙时空变化特征的研究几乎是一片空白。鉴于此， 本研究选择长江三峡库区腹川卜小江流域为研究区域，针对三峡库区小江流域特点，采用数学模 型模拟方法而非野外实地监测、人工模拟降雨等方法，具有可信性、适宜性和创新性。 1 1 2 研究意义 三峡库区治理需求迫切，它是全国生态环境建设规划长江上游重点治理区的重中之重，这 一地区的生态环境状况，不仅关系到三峡工程的安危和经济运行年限，而且还关系到中上游乃至整 个长江流域经济的可持续发展【卜引。应努力防治水土流失，保障生态安全；减控养分流失，防止土地 西南大学硕士学位论文 退化；减少入库泥沙和污染物，保障三峡库区水安全。 农业非点源污染无法采取集中治理的方法加以解决，但可以根据其特点采取针对性的措施减轻 危害，减少农业非点源污染的措施可归纳为两个主要方面，即控制污染物向农业生态系统的投入和 减少污染物从农业生态系统的输出f 2 ”o 】。本研究选取三峡库区一级支流小江作为典型流域，采用 a n n a g n p s 分布式非点源污染模型对三峡库区典型农业小流域的氮磷非点源污染物定量模拟，主要 通过寻求找到污染物投入量和输出量的平衡点来实现非点源污染负荷的削减。首先对三峡库区小江 流域a n n a g n p s 模型数据库的建立，构建适合该地区的模型参数数据库，通过分析模型参数的类型、 获取途径、参数在研究区的取值等，为相关专业数据库的建立和数据共享提供参考，对邻近流域研 究有借鉴意义；通过参数敏感性的分析，找到影响流域农业面源污染较大的因素，对这些参数的收 集和处理应特别细致，主要通过在合理的取值范围内改变敏感性参数值实现流域面源污染减控；对 小江流域使用a r m a g n p s 模型进行农业非点源污染评价进行适宜性分析，综合分析流域的面源污染 时空特征、不同用地类型面源污染情况，找到流域面源污染关键源区，为有针对性实施农业面源污 染控制提供科学依据；通过以上分析，提出一些农业管理措施，评价在此农业管理措施下流域面源 污染控制情况，对控制农业水土流失和养分损失，减少农业面源污染的影响，实现对水资源管理提 供参考价值。 模型模拟的最终目的是为了实现流域优化管理。随着人们对农业面源污染形成机制及其危害认 识的深入，人们提出了各种控制管理措施，涉及到经济、法律、政策等，本研究可为相关政策的制 定和实施体统依据；本研究对实现小江流域面源污染控制有重要价值，对三峡库区其它流域的相关 研究也有参考价值；本研究不仅为保护小江流域的水环境安全作出贡献，也对实现整个三峡库区乃 至整个长江流域的生态环境可持续发展具有重要的理论和现实意义。 1 2 选题目标与内容 1 2 1 研究目标 论文旨在引进a n n a g n p s 模型，并分析以下三个问题： 1 ) a n n a g n p s 模型在三峡库区面源污染研究中的适宜性分析。 2 ) 三峡库区小江流域面源污染时空分布特征、不同土地利用情形面源污染负荷量，进行农业面 源污染关键源区识别。 3 ) 基于面源污染的小江流域农业管理措施研究，评价各管理措施对面源污染的减控作用。 1 2 2 研究内容 本研究主要分为四个主要方面： 1 ) 收集、查找、观测所需的基础资料。 2 ) 在充分了解a n n a g n p s 模型的原理、结构和使用方法的基础上，根据小流域的气象、水文、 土壤、土地利用及地形等基础资料，构建a n n a g n p s 模型所需空间数据库；根据土壤属性数据、作 物、农事管理、化肥、农药等数据，构建a n n a g n p s 模型所需非空间数据库。 3 ) 对模型参数进行敏感性分析，从众多参数中逐步筛选出对模型结果影响较大的几个参数，对 2 第1 章绪论 其敏感程度进行分析。 4 ) 在参数敏感性分析的基础上，用部分数据进行参数校正，分析a n n a g n p s 模型模拟值与实 测值之间的误差，修正参数，最终确定参数取值。用一部分数据进行参数验证，确定按照修正后的 参数取值进行模拟能使模拟结果可信。 5 ) 根据a n n a g n p s 模拟结果，选配最适的农业管理措施、估计该措施减控效果、低成本改变 农业管理措施、对流域在该种措施下的水土流失和养分损失情况进行模拟评价，确定可使流域水土 流失和养分损失较小的管理方案。 3 西南大学硕+ 学位论文 1 3 技术路线 图1 1 研究技术路线框架图 f i g1 - 1f l o wd i a g r a m o f s t u d y 第2 章研究综述 第2 章研究综述 2 1 农业非点源污染研究现状 水环境污染问题通常可分为点源污染和非点源污染，非点源污染正是相对点源污染而言，是指 溶解的和固体的污染物从非特定的地点，在降水( 或融雪) 冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳 水体( 包括河流、湖泊、水库和海湾等) 并引起水体的富营养化或其它形式的污染( n o v o t n y 和o l e m ， 1 9 9 3 ) 。根据非点源污染发生区域和过程的特点，一般将其分为城市和农业非点源污染两大类。农业 非点源污染是指在农业生产活动中，农田中的泥沙、营养盐、农药及其它污染物，在降水或灌溉过 程中，通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏，进入水体而形成的面源污染。这些污染 物主要来源于农田施肥、农药、畜禽及水产养殖和农村居民。农业非点源污染是最为重要且分布最 为广泛的非点源污染，农业生产活动中的氮素和磷素等营养物、农药以及其它有机或无机污染物， 通过农田地表径流和农田渗漏形成地表和地下水环境污剿引。土壤中未被作物吸收或土壤固定的氮 和磷通过人为或自然途径进入水体是引起水体污染的一个因剥。 目前，非点源污染的研究方法主要有野外实地监测、人工模拟降雨和数学模型模拟三种1 1 1 l ： ( 1 ) 野外实测 非点源污染研究的关键是能否获取必要的基础数据( 包括背景资料和降雨径流监测数据) 。早期 的研究工作中，几乎所有资料全部依赖于野外实地监测。但是，由于非点源污染是一种间歇发生的， 随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程。所以，基础数据收集工作的劳动强度大、效率低、周 期长、费用高，而且往往由于数据资料缺乏或可靠性差等原因，影响污染负荷的估算精度。当前， 野外实地监测仍是非点源污染研究中不可缺少的一种手段，但它在多数情况下仅是作为一种辅助手 段，主要用于各类模型的验证和模型参数的校正。在野外实测中，多采用综合试验场法和源类型划 分法。 ( 2 ) 人工降雨模拟 随着对降雨机理的深入研究，人工布雨器能够模拟出各种类型的自然降雨，因而可以在人为控 制条件下模拟各种自然条件下的非点源污染。人工模拟试验的优点是可以获取大量在野外工作中无 法得剑的数据，解决了传统方法研究周期长、耗资高等缺陷。目前，人工模拟试验主要用于非点源 污染机理和模型的研究，例如：r h e a 等( 1 9 9 6 ) 在美国内华达州采用人工降雨方法研究了土壤中胶 体结合态氮和磷的迁移【l 列；b a r r o s 等( 1 9 9 9 ) 用人工降雨技术研究了砂壤土和粉质粘壤土的降雨径 流的产流特征；赵允格等( 2 0 0 3 ) 利用人工模拟降雨研究了成垄压实施肥条件下不同的垄坡度及不 同压实的障碍层对硝态氮迁移的影响【1 3 j ；傅涛等( 2 0 0 3 ) 采用室内模拟降雨装置，研究了三峡库区 紫色土在不同雨强和坡度条件下的养分流失规律【1 4 】；单保庆等( 2 0 0 1 ) 以人工降雨模拟方法，对巢 湖六叉河小流域非点源污染物磷的输出动态进行了研耕”l 。 ( 3 ) 数学模型模拟 在进行非点源污染的量化研究以及影响评价和污染治理时，最为有效和直接的研究方法是建立 数学模型，进行时间和空间序列的模拟。对定量控制过程的严格要求，从客观上促进了非点源污染 数学模型的发展。随着人们对非点源污染研究的深入，理论的成熟，监测技术的完善，涌现出很多 流域非点源模型1 1 1 1 。具有代表性的模型有：农田尺度c r e a m s 1 6 1 、g l e a m s 1 7 】；小流域尺度 5 西南大学硕+ 学位论文 w e p p l l 9 1 、a n s w e r s t z o l 、h s p f 【2 1 1 、a g n p s t 2 2 - 2 3 1 ；大流域尺度s w a t 【2 4 1 、b a s i n s 2 5 1 等。a n n a g n p s ( a n n u a l i z e da g r i c u l t u r a ln o n - p o i n