（自然地理学专业论文）基于gis的东圳库区非点源污染物n、p负荷计算研究.pdf

露麓蘸菠鬻。 辩囊口簟0兹“口州礤一，州引叫 i j r ii- 趣黪鲻搿撕麟翳 j ： ， 江 i 三 ” 福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sam a j o rc a u s ef o rw a t e rp o l l u t i o n i ti sc r u c i a lt os t u d yo nt h e m a i nf a c t o r sc o n t r o l l i n gn o n - p o i n ts o u r c 圮p o l l u t i o n , p o l l u t a n td e l i v e r ya n dq u a n t i f y i n gn o n - p o i n t p o l l u t i o nl o a d i n g s b a s e do nr e s e a r c hd e v e l o p m e n to nn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h i sp a p e r c h o o s e dd o n g z h e nr e s e r v o i rw a t e r s h e da st h er e s e a r c hs i t ea n da p p l i e ds c sc na n du s l e m o d e l st ob ep r i m a r ym o d e l sa s s e s s i n gn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a d i n g s t h eg i ss o f t w a r e i n c l u d i n ga r c i n f o ，a r c v i e w , m a p i n f oa n dt h er ss o f t w a r ep c ig e o m a t i c am a d eu pt h e t e c h n o l o g yp l a t f o r m ，o nw h i c hs p a t i a ld a t a b a s ea n dn o n - s p a c i a ld a t a b a s ew e r eb u i l t ，a n dt h e n s p a t i a la n a l y s i s ，h y d r o l o g i c a lp r o c e s s e ss i m u l a t i o na n dw a t e r s h e ds u b d i v i d i n gw e r ep e r f o r m e d f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt od e t e r m i n em o d e lp a r a m e t e r s ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tf i e l dm o n i t o r i n g ， r a i n f a l ls i m u l a t i o n , c h e m i c a la n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa b o u ta f f e c t i n gf a c t o r so fs d r , f o u n d i n go nf o r m e re q u a t i o n , t h i sp a p e ra d d e dh y d r o l o g i c a lf a c t o rt os d re q u a t i o na n db u i l ta s d re q u a t i o nf o rd o n g z h e nr e s e r v o i rw a t e r s h e d f i n a l l y , t h ep o l l u t a n tl o a d i n g so fna n dpw e r e o u t p u t w i t ht h e s u p p o r to fg i s ，w h i c h w o u l dp r o v i d ee x a c ti n f o r m a t i o nf o rm a k i n g e n v i r o n m e n t a lp l a n n i n ga n dt a k i n gm e a s u r e s t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t so ft h i sp a p e ri n c l u d e dt h ea m o u n to fs o i le r o s i o n ，s o i ll o s sa n dr u n o f f , l o a d i n g so fs o l i dn ，d i s s o l v e dn ，s o l i dp a n dd i s s o l v e dp ，a l s oi n c l u d e dt h e i rs p a t i a ld i s t r i b u t i o n c o m p a r i n gt h e s er e s u l t sw i t ht h em o n i t o rd a t ao fd o n g z h e nr e s e r v o i rs u g g e s t e d t h a tt h em e t h o d s o fs t u d yo nn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h ep a r a m e t e r ss e l e c t e da n da s s e s s e dw e r er e a s o n a b l e ， a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw e r ev a l u a b l ef o rm a k i n gd e c i s i o n so fw a t e rq u a l i t yp r o t e c t i o n l a s t l y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r ds o m em e a s u r e so fc o n t r o l l i n gn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni n d o n g z h e nr e s e r v o i rw a t e r s h e da f t e ra n a l y z i n gt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s ，a n dd i s c u s s e dt h e d e f e c t s o ft h i ss t u d y k e y w o r d s ：n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，g i s ，l o a d i n g so f na n dp d o n g z h e nr e s e r v o i rw a t e r s h e d l i y ，。h i - ，r 1 r u l 掣 迟 l 囊 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 非点源污染是导致水污染的主要原因之一，该问题是目前国内外研究的热点。我国大 部分地区降水集中，生态破坏导致水土流失严重。近年来化肥农药等农用化学物质的用量 不断增加，加上使用技术不合理，非点源污染问题日益突出，湖泊、水库、河流普遍出现 富营养化现象，并有加剧的趋势。控制和治理非点源污染不仅关系到自然生态环境的保护， 而且关系到经济社会的可持续发展。东圳水库是莆田市最大型的水库，它是莆田市百万居 民的饮用水源地和工农业主要用水基地，其水质好坏直接关系到莆田市经济和社会发展。 近几年来，库区内山地开发规模大，缺乏统一的规划和管理，有些果园距离水面仅一米左 右且建园标准低，造成严重的水土流失，肥料和农药大量流入水库。库区内的环库公路距 离水面约三四十米，其周围地带是居民建房首选地，生活污水、垃圾和家庭养殖对水库水 质也造成一定的影响，非点源污染是东圳水库的主要污染源。我国非点源污染研究处于初 步阶段，定量化研究还不够系统，且多数研究具有区域性、经验性特点，难以推广。目前， 福建省内关于非点源污染的研究除九龙江流域外，其他地区几乎未见，中小流域非点源污 染研究也是空白。因此，东圳库区的非点源污染定量研究不但可以为东圳水库水环境规划 和治理提供科学依据，促进莆田市经济社会的稳定发展，而且有利于进一步探索适宜南方 中小流域的非点源污染研究方法，研究具有重要的现实意义和理论意义。 论文在国内外非点源污染研究的基础上，以莆田市东圳库区为研究背景，采用美国通 用土壤流失方程( u s l e ) 和美国土壤保持局径流曲线数( s c sc n ) 降雨径流模型作为非点源 。，污染负荷计算基础模型；以a r c i n f o 、a r c v i e w 、m a p i n f o 地理信息系统软件和p c ig e o m a t i c a 遥感软件为平台，建立了东圳库区非点源污染空间数据库和属性数据库，进行了流域空间 分析、水文过程模拟和亚流域划分；结合野外监测、室内人工降雨模拟、化学分析等实验 方法，参考相似区域的研究成果，确定模型因子参数；根据对泥沙输移影响因子的分析， 考虑下垫面因子和水文因子对泥沙输移的共同影响，在以往泥沙输移模型的基础上增加水 文因子，建立东圳库区泥沙输移系数模型，最终实现东圳库区非点源污染物n 、p 负荷计 算，为东圳库区环境规划和治理提供定量化依据。论文计算结果包括东圳库区土壤侵蚀量、 流失量，径流量，固态氮、固态磷、溶解态氮、溶解态磷污染物负荷量及其空间分布，将 计算结果与所获取的东圳水库监测资料进行比较分析，认为本文所采用的非点源污染研究 方法和所确定的模型参数合理，计算结果- - f 信。论文最后对计算结果进行了分析，包括不 同土地利用类型氮、磷负荷分析，不同流域氮、磷负荷分析和不同坡度氮、磷负荷分析三 大方面，在结果分析基础上提出了东圳库区非点源污染控制措施，并对研究中存在的问题 进行了讨论 论文得出的主要结论： i i i 气 i 一 t 严 t 畸 福建师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 应用g i s 技术，确定计算单元大小为l o m x l o m ，实现了非点源污染负荷在空间上 的分布式模拟，减少了流域非点源污染负荷计算由于地表不均匀性所造成的模拟误差。 ( 2 ) 在g i s 技术支持下，运用u s l e 土壤侵蚀模型和s c sc n 径流模型能够快速、有 效地计算流域内的土壤侵蚀量、径流量和污染物流失量，本文中所确定的模型参数符合研 究区实际。通过s c sc n 模型模拟的各月及年径流量值与实测入库径流量值相近。 ( 3 ) 改进后的流域泥沙迁移系数模型，机理更明确，模拟更符合实际，泥沙流失量计 算结果接近监测值。根据u s l e 方程计算出来的渡里流域的土壤侵蚀量为8 4 5 1 0 1 8 7 t ，采 用改进后的s d r 方程求出s d r ，最终得到的流域年输沙量为2 3 6 6 2 8 5 t ，与流域实际监测 得到的年输沙量2 7 5 4 0 0 0t 较接近，说明同时考虑下垫面因子和水文因子对泥沙迁移的影 响的s d r 方程更能反映研究的实际情况，模拟效果理想。 ( 4 ) 本研究采取人工降雨实验获得同一雨强下不同坡度地表径流中溶解态n 、p 污染物 含量变化数据，表明同一土地利用类型的地表径流中溶解态n 、p 污染物含量受坡度和时 间影响不明显。 ( 5 ) 计算结果表明，东圳库区非点源氮、磷负荷以溶解态为主。总氮负荷以农用地最 大，其次为居民用地，总氮的负荷中可溶态氮负荷所占比重大。旱地、农村居民点用地及 工交建设用地溶解态磷负荷和固态磷负荷相对都较大，固态磷占总磷负荷比重相对固态氮 占总氮负荷大，农村居民点和工交建设用地固态磷负荷大于溶解态磷负荷，说明固态磷流 失是磷流失的重要方式。各种土地利用类型总氮、总磷总量输出，以果园、旱地最高，与 全部总氮、总磷输出的比分别为为0 5 1 8 、0 4 3 2 。 ， 总氮、总磷负荷均以环库亚流域较高，主要原因是区内有环库公路，交通方便，农业 活动强度大，林地面积小，流域内园地、水田、耕地占总面积的比例较大，尤其是园地， 肥料和农药等施用量大。但是，总氮、总磷负荷不高，总氮、总磷总量大的亚流域在非点 源污染控制中也应引起重视。 坡度5 1 0 0 总氮负荷最大，不同坡度总氮负荷依次为1 0 一1 5 0 、0 5 0 、1 5 2 5 0 、2 5 3 5 0 、 3 5 0 ，不同坡度总磷负荷0 - 5 0 最大，依次为5 一l o o 、1 0 1 5 0 、1 5 2 5 0 、2 5 3 5 0 、 3 5 0 。随 坡度的增大，固态氮和固态磷负荷增大，固态磷负荷占总磷负荷比重较大，反映了土壤侵 蚀与坡度的相关性，若降雨侵蚀能力大，会产生大量的泥沙，对受纳水体造成严荤污染， 坡度大的区域更应注意水土保持。从总氮、总磷总量看，坡度1 5 2 5 。最大，分别占全流域 总氮、总磷总量的2 7 4 8 0 和2 5 9 0 0 ，坡度0 5 0 、2 5 3 5 0 、5 1 0 。、l o 一1 5 。、 3 5 。次之。 ( 6 ) 基于g i s 技术，采用模型模拟和实验分析相结合，计算流域非点源污染负荷，这 种方法能够较快速、准确地得到结果，较好地解决了中小流域监测数据缺乏与非点源污染 研究之间的矛盾。 i v 、 一 一 p - 一 f 福建师范大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 中文文摘i i i 第1 章绪论1 1 1 非点源污染及农业非点源污染1 1 2 非点源污染定量研究进展l 1 2 1 基于水质监测数据的非点源污染研究2 1 2 2 基于径流过程监测数据的非点源污染研究2 1 2 3 非点源污染模型化研究2 1 2 4g i s 技术在非点源污染研究中的应用9 1 3 非点源污染定量研究存在问题和展望1 0 1 4 本研究背景、目的和意义、内容和方法1 2 1 4 1 研究背景1 2 1 4 2 研究目的和意义1 2 1 4 3 研究内容1 3 1 4 4 研究方法和技术路线1 4 第2 章东圳库区概况1 6 2 1 东圳水库概况1 6 2 2 东圳库区自然环境概况1 7 2 2 1 地形地貌1 7 2 2 2 气候、水文：1 7 2 2 3 土壤1 8 2 2 4 植被1 8 2 3 社会经济概况1 8 2 4 东圳水库水质状况1 8 第3 章东圳库区非点源污染数据库建立2 0 3 1 图层数据的处理2 0 v 、 3 一 福建师范大学硕士学位论文 3 1 1 地图投影定义与变换2 0 3 1 2 地形信息的提取2 0 3 1 3 土地利用信息的提取2 1 3 1 4 土壤空间信息的提取2 2 3 2 东圳库区亚流域划分2 2 3 2 1 水流方向( f l o wd i r e c t i o n ) 的计算2 2 3 2 2 无洼地d e m 的生成2 3 3 2 3 流水累积量( f l o wa c c u m u l a t i o n ) 计算2 3 3 2 4 流域水系的提取2 3 3 2 5 亚流域划分2 3 3 3 属性数据的处理2 3 第4 章东圳库区非点源污染负荷计算参数确定2 8 4 1u s l e 模型及其因子确定2 8 4 1 1 降雨侵蚀力因子( 励2 9 4 1 2 土壤可蚀性因子( 膨2 9 4 1 3 坡度坡长因子( 5 3 2 4 1 4 覆盖与管理因子( d 3 4 4 1 5 水保措施因子( 力3 5 4 1 6 东圳库区土壤侵蚀量计算3 6 4 2s c sc n 模型及其参数确定3 6 4 2 1s c sc n 模型的基本原理3 7 4 2 2s c sc n 值的影响因素及确定方法3 8 4 2 3 东圳水库流域c j v 值的确定4 1 4 2 4 东圳库区径流量计算4 2 4 3 流域输沙率- 4 4 第5 章基于g i s 的东圳库区非点源污染负荷计算4 6 5 1 固态n 、p 负荷计算4 6 5 2 溶解态氮、磷负荷计算4 6 5 2 1 实验方法4 6 5 2 2 地表径流中溶解态养分含量的确定4 8 v i 、 一， 一 0 福建师范大学硕士学位论文 5 2 3 溶解态氮、磷负荷计算4 9 第6 章结果分析与对策建议5 1 6 1 结果分析5 l 6 1 1 不同土地利用类型氮、磷负荷分析5 1 6 1 2 不同流域氮、磷负荷分析5 2 6 1 3 不同坡度氮、磷负荷分析5 5 6 2 对策与建议5 7 6 2 1 开展非点源污染监测工作5 7 6 2 2 “源”的控制和“汇”的截留5 8 第7 章主要结论和问题讨论。6 l 7 1 主要结论6 1 7 2 存在问题和讨论6 2 参考文献6 4 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果：7 0 致谢7 1 个人简历7 2 福建师范大学学位论文使用授权声明7 3 v i i 、 ， 哼 1 ， j 4 ， 第1 章绪论 第1 章绪论 水是生命之源，提高水源水质达标率，保护好水源是关系人民身体健康、改善 生活质量、保证生产、保障环境安全和社会稳定的大事。目前，许多发达国家己证 实非点源污染是导致水污染的主要原因之一。在美国，6 0 的水环境污染起源于非点 源，农业因此损失每年高达3 0 亿美元，间接经济损失2 0 亿- - 6 0 亿美元n 】。荷兰农 业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染的6 0 、4 0 - - 5 0 硷1 。在奥地利北部 地区，据计算进入水环境的来自非点源污染的氮量比点源大，丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷，5 2 的磷负荷是由非点源引起的。在我国，北京密云水库、天津于桥水库、 安徽巢湖、江苏太湖上游地区、云南洱海、上海淀山湖、黄浦江上游等水域，非点 源污染已经较为明显，非点源污染已上升为威胁饮用水源的主要原因口1 。随着工业 污染源的有效控制，非点源污染已成为我国重要污染类型之一，如何科学地认识并 有效控制非点源污染已成为一个紧迫的研究课题，在各种非点源污染引起的水环境 污染问题中农业非点源污染最为普遍h m 钔。与点源污染相比较，非点源污染涉及范 围广、具有随机性、分散性、成因复杂、潜伏周期长及难以定点监测等特点，增加 了非点源污染的控制和治理难度，因此系统研究水源地非点源污染影响因素、发生 发展过程、元素迁移以及对水质的影响，确定各污染源负荷量是控制水污染的关键。 1 1 非点源污染及农业非点源污染 非点源污染概念是针对点源污染而提出的，目前国内外存在多种的非点源污染 定义，主要是因为各学者研究的出发点不同，但总体上可划分为广义和狭义两种。 广义的非点源污染是指除点源污染( 污染物通过排水管道等途径直接进入受纳水体) 之外的污染，如美国清洁水法修正案( 1 9 7 7 ) 对非点源污染的定义：污染物以广域的、 分散的、微量的形式进入地表及地下水体。狭义的非点源污染主要强调污染物随降 雨产生的径流进入受纳水体的非点源污染，如：l i n e 等嗍啪、李怀恩等3 、张运生 等叫对非点源污染的定义。农业非点源污染主要是指人们从事农业生产活动时引起 的各种污染物，如化肥、农药、畜禽粪便、农田水土流失等，以低浓度、广域、分 散的形式进入受纳水体n 町u 。 1 2 非点源污染定量研究进展 福建师范大学硕士学位论文 1 2 1 基于水质监测数据的非点源污染研究 非点源污染具有随机性、分散性、时空的不确定性等特点，使得研究难度增大， 需要耗费大量的人力和财力。目前对于非点源污染的研究，还有相当大部分停留在 现状调查评价水平上n 小n 盯，主要通过对研究区实际调查及基础资料的搜集，依靠水 质监测数据，划分点源和非点源污染，参照地表水环境质量标准和生活饮用 水质标准等，确定评价因子进行单因子或多因子综合评价，进而为下一步研究做 准备。 、 鲍全盛等n 日利用常规月监测数据和枯水期水质监测数据把水环境污染负荷划 ： 分为点源负荷与非点源负荷两部分构成，该方法避免大量繁杂的试验工作，利用常 规水质监测资料也能达到估算非点源污染负荷通量的目的，反映了非点源污染时间 上的变化。这种研究方法容易在总体上定量化水源地点源与非点源污染，有助于宏 观上把握水源地水污染概况，但是这种研究方法忽略了非点源污染的形成过程、空 间分布及影响因素研究，未能从机理上认识区域内的非点源污染，无法对水污染控， 制及防治措施布设提供依据。 j 1 。2 2 基于径流过程监测数据的非点源污染研究 基于径流过程监测数据的非点源污染研究主要是针对暴雨事件，计算次暴雨非 点源污染总负荷及其变化过程。赵孟芹等n 们，把一次暴雨径流在流域出口断面形成 的污染物总量分为降雨径流形成过程中带入河里的非点源污染物量和河流内原有的 及不断排入的点源污染物量，并假定点源污染物在洪水过程前后的污染负荷率是不 变或渐变的，利用雨洪过程中污染物浓度变化的试验资料，对非点源污染进行了定 量分析。v e r w o r n n 力根据污染物浓度、降雨和径流观测资料，提出一套确定营养物 负荷的方法，负荷问题采用合轴相关图法推算，暴雨径流期间负荷的时程分配用特 征污染单位线法( c p g ，c h a r a c t e r i s t i cp o l l u t i o ng r a p h ) 计算。李怀恩等n 叭垤瑚1 ，。 通过逆高斯分布响应函数模型获得标准负荷率，从而求出次暴雨在出口断面产生的 ， 负荷率过程、浓度过程线及流量过程线，在次暴雨非点源负荷的基础上，求非点源 污染年负荷并建立非点源污染与泥沙的相关关系，进而应用到相似缺乏监测数据的 区域，较好地解决了模型机理与实用性之间的矛盾。 1 2 3 非点源污染模型研究 模型研究是当前非点源污染研究的热点。由于非点源污染具有分散性、随机性、 2 第1 章绪论 不确定性等特点，使得对非点源污染进行监测控制相当困难，因此采用模型对其进 行模拟是非点源污染定量化研究的重要方法。非点源污染物成分复杂，但是根据其 来源，主要可分为两种，即溶解态和固态污染物两种，二者的载体分别是地表径流 和泥沙，因此本文主要阐述降雨径流模型、土壤侵蚀模型、污染物输移模型研究进 展。 1 2 3 1 降雨- 径流模型 从对降雨一径流过程描述的离散程度看，降雨一径流过程模型可分为集总式模型 和分布式模型两种。集总模型不考虑各部分流域特征参数在空间上的变化，把全流 域作为一个整体。分布式模型则按流域降水、地形、土壤、植被和土地利用类型等 的不同，将流域划分为若干个模拟单元，在每一个单元上用一组参数反映该部分的 流域特性。 ( 1 ) 集总式降雨一径流模型 集总式模型的参数较少且容易获得，对资料要求较低，因此不管是在模型建立 的初期或是现在，其应用仍然相当广泛。集总式模型主要包括“黑箱”模型和概念 性模型，前者在输入一输出之间建立一种统计关系，不含任何物理意义的转换函数， 主要包括单位过程线模型、神经网络模型及回归分析等统计分析乜妇叫矧。概念性集总 式模型，仍然把流域当成一个整体，没有考虑空间的变化，其变量参数含有一定的 物理意义，含较少的变量，每一个变量代表一种水文过程，是介于“黑箱 模型与 物理模型之间的过渡。第一个概念性集总式径流模型一斯坦福模型，是一个以入渗 理论、单位过程线和回归函数为基础的，以日为步长的模型，随后又发展为一个包 含土壤水平衡、蒸散发估计以及汇流技术等的以小时为步长的模型，该模型之后又 由j o h a n s o n 等发展。此外，s a c r a m e n t o 、a p i c 、s s a r r 、a r n o 模型等都属于概念性 集总模型心。 ( 2 ) 分布式降雨一径流模型 降雨一径流过程中的影响因素，如气候因子、下垫面因子在空间均有变化，集总 式模型的局限显而易见，只有分布式模型才能更真实地模拟现实的流域降雨一径流过 程。 国外分布式水文模型研究始于1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 发表的“一个具有物理 基础数值模拟的水文响应模型的蓝图”文章，目前已经有了一定的发展，学者们根据 不同的研究目的，建立了多种分布式水文模型1 。分布式模型，主要包括概念性分 3 福建师范大学硕士学位论文 布式模型和物理模型两大类。国外研究起步早，常见的概念性分布模型有：以h o r t o n 理论为基础仅处理入渗和地表径流相互作用的模型乜、m e i n 和l a r s o n ( 1 9 7 3 ) 稳定 降雨条件下地表积水时入渗方程( g a m l ) 、p h i l i p ( 1 9 7 5 ) 下渗方程、c h u ( 1 9 7 8 ) 利用 g a m l 方程提出的不稳定降雨条件下的产流计算方法汹1 、美国的s a c 模型、s c sc n 模型、日本的t a n k 模型等啪1 。国内在降雨一径流概念性分布模型研究也取得一定的 成果，新安江模型把全流域分成多个单元流域，在每一个单元流域内，降水经过蒸 散发的消耗后，以蓄满产流的方式经产流量水源划分后对各单元流域进行产汇流计 算，得出单元流域的出口流量过程，再进行出口以下的河道洪水演算，把各个单元 流域的出流过程相加，就求得流域的总出流过程，适应于湿润与半湿润地区；包 为民1 ，从应用角度出发，对忽略地面滞水深条件下的格林一安普特下渗公式进行 改进，绘成下渗分布曲线，通过分布曲线指数函数近似表示及积分求得不同时段的 产流量，通过分段积分的方法，求得不同下垫面区域的产流量，在一定程度上反映 了流域产流空间分布；郝振纯基于饱和下渗理论和考虑新入渗雨水驱替旧土壤水， 分的作用，根据力学原理提出了一个简明的干旱半干旱地区入渗模型；谢正辉等口射， 考虑地表径流的蓄满和超渗产流机制及下垫面对产流的影响，利用p h i l i p 入渗公式 用于时间压缩逼迫( t c a ) 给出了一种径流参数化方法，该方法反映了地表产流的时 间、空间特性，且这种径流参数化方法可以应用于其它的模型中。 具有物理基础的分布式水文模型可分为以水动力学原理为主要基础和以水文学 原理为主要基础两大类。s h e 模型以水动力学为其基础，模型中涉及到的植物截留、 蒸散发、坡面水流、河道水流、土壤水分运动、地下水流和融雪径流等物理过程均 由基于物质不灭和能量守恒定律的微分方程来模拟。d b s i n 模型以水文学理论为基 础，以数字调和模型为平台，将流域划分成网格，每个网格作为一个计算单元，模 型由产流模块和汇流模块构成，采用运动型下渗模型计算每个网格的产流量，根据 每个网格中水流到达出口断面的汇流时间进行汇流计算啪1 。运动波理论，考虑包括 地表流、饱和侧方渗透流和垂直入渗在内的三维水流运动模式，将坡面径流过程分 成涌水阶段、平稳阶段和消退阶段，研究坡面径流在时间、空间上的变化规律，是 研究坡面径流过程、流域水文过程较为先进的一种方法口钔。杨建英等钔，将运动波 理论应用于黄土区坡面径流模拟，对各公式进行修正，模拟坡面末端的出流过程， 只要已知坡面状况、前期土壤含水量、坡度和降雨强度，即可利用该模型预测单次 暴雨的坡面末端径流过程。 4 第1 章绪论 集总式降雨一径流模型忽略了气候因子、下垫面因子空间不均匀性，使得模型结 构和参数的物理意义模糊，只能给出空间均化的模拟结果，模拟现实世界的流域降 雨一径流过程时存在较大的局限性。分布式模型能够真实反映流域空间变化，随着地 理信息系统、遥感、雷达测雨等技术的发展和水文学理论的进一步发展，分布式模 型研究成为水文学研究的热点课题汹】。 1 2 3 2 土壤侵蚀模型 泥沙本身就是一种污染物，且泥沙是营养物迁移的重要载体，因此土壤侵蚀预 测是非点源污染的定量化研究的重要组成部分。现已有的侵蚀产沙模型，总的可以 分为经验性模型和物理模型两大类。经验性模型是从侵蚀产沙的基本成因出发，依 据实际观测资料，采用数理统计分析的方法，建立坡面或流域产沙量与其主要影响 因素之间的经验关系式。例如，美国1 9 6 5 年建立的u s l e 、1 9 9 1 年修正通用土壤流 失方程( r u s l e ) 等。物理模型是用数学物理关系描述侵蚀过程，在理论上较经验模型 更为准确。现在的物理模型多属于概念性模型范畴，以侵蚀产沙的基本物理过程为 基础，通过对复杂的侵蚀产沙过程的概化和近似，建立模型的整体结构和微观结构， 并用实际观测资料来优选和决定模型中的参数。例如，美国1 9 9 5 年发布的 w e p p ( w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ) 模型，包括气候发生器、冬季处理、灌 溉、水文过程、土壤、植物生长、残留物分解、地表径流、侵蚀9 个组成部分，是 目前国际上最为完整也是最为复杂的土壤侵蚀预报模型；动力侵蚀模型 k i n e r o s ( k i n e t i ce r o s i o ns i m u l a t i o nm o d e l ) ，用史密斯一帕兰格( s m i t h p a n l a n g e ) 渗透模型和动力波理论模拟截留、入渗、地表径流和侵蚀过程；荷兰土壤侵蚀模型 l i s e m ( t h el i m b u r gs o i le r o s i o nm o d e l ) ，模拟降雨、截留、填洼、渗透、水分垂 直运动、表层水流、沟道水流、土壤剥离、泥沙输移等过程；欧洲土壤侵蚀模型 e u r o s e m ( t h ee u r o p e a ns o i le r o s i o nm o d e l ) ，模拟截留、直达地面的降雨量和树 冠降雨量及其动能、树干径流量、填洼、溅蚀和径流引引起的土壤剥离、径流输移 等，考虑表层岩石碎块覆盖对侵蚀过程的影响 。 我国的土壤侵蚀产沙模型研究主要是从2 0 世纪5 0 年代开始，首先是在黄土高 原地区起步，并以该地区研究为主而发展起来的。早期建立的土壤侵蚀产沙模型大 都是经验性的。如，刘善建( 1 9 5 3 ) 、江忠善( 1 9 8 0 ) 等、牟金泽( 1 9 8 0 ) 等、尹国康( 1 9 8 9 ) 等建立的产沙预报模型。从2 0 世纪8 0 年代中期以来，我国以侵蚀产沙物理过程为 基础的概念性模型得到了一定的发展，建立了若干个流域侵蚀产沙的模拟模型，用 福建师范大学硕士学位论文 来模拟预报侵蚀产沙的时空变化，属于分布型流域模型。例如，王星宇( 1 9 8 7 ) 针对 黄土丘陵小流域侵蚀地貌的特点，从动力学的角度，利用推移质和悬移质输沙公式， 建立了一个估算小流域产沙量的模型：汤立群( 1 9 9 0 ) 等，应用水文学和泥沙运动力 学的基本理论，建立了物理成因较强的小流域产沙动力学模型：陈国祥( 1 9 9 6 ) 等， 从侵蚀力学和泥沙运动力学的基本理论出发，结合水文学、气象学、土壤学和地貌 学的原理，导出了适用于中、小流域的暴雨产沙模型口7 1 。 在已建立的侵蚀产沙模型中，经验模型数量较多，覆盖范围了也比较广，此类 模型通常是根据实际资料通过统计分析建立起来的，其结构简单，使用方便，在制 定公式时所采用的资料范围内有足够的计算精度，但缺乏充分的物理基础，地域性 较强，外延性效果较差。已建立的物理模型，具有较强的理论基础，外延精度较高， 并可以模拟侵蚀产沙的时空变化，但应用区域空间尺度小，且应用到不同地区进行 侵蚀产沙预报时需要大量的数据来调整模型参数。因此，经验模型仍然是用于计算 侵蚀产沙的主要方法，特别是对于大范围的研究，但需要不断地改进提高，尽量地， 反映侵蚀产沙的基本过程汹儿删。 1 2 3 3 污染物输移模型 非点源污染现象在流域内各处都有可能发生，但是流域内不同地点的非点源污 染物未必都能到达流域出口断面，人们更为关心的是到达出口断面的非点源污染负 荷，因此定量研究泥沙及养分的输移是关键。由于污染物输移受气候、地表因子及 各因子间的相互作的影响，过程复杂，目前对养分及泥沙输移的研究多处于定性或 半定量研究阶段，考虑物理过程的研究较少。 2 0 世纪7 0 年代初期，美国、加拿大在研究土地利用一营养负荷一湖泊富营养化 关系的过程中，提出并应用了输出系数法，或称为单位面积负荷法，这就是初期的 输出系数模型。j o h n e s 等针对该模型的不足对其进行改进，提高了模型对土地利用 状况发生改变的灵敏性。蔡明等针对j o h n e s 模型未考虑水文因素的年际变化对 模型输出系数的影响及流域损失等问题，对其进行改进。此外，还有目前在广泛应 用于非点源污染模型的c r e a m 污染物输移模型m 1 ，b e h r e n dh 【2 1 建立的流域出口断 面非点源负荷量与流域污染物产生量之比和流域年径流模数之f n j 的二l 扛线性回归模型 等。 泥沙输移是流域污染物输移的重要部分，确定泥沙输移比( s d r ) 是定量化研究流 域污染物输出的关键。s d r 概念是c b b r o w n 在1 9 5 0 年为估计美国入河、入海的泥 6 第1 章绪论 沙量而提出的。关于s d r ，目前存在多种的理解鲫，但是较为广泛的理解是指流 域出口或某一测量断面的输沙量与断面以上流域总的侵蚀量之比。s d r 的估计方法 可以大致分为三种：第一种是直接计算，特定地点具有足够的侵蚀量数据和径流资 料。如g r e g o r y ( 1 9 7 3 ) 提出的径流过程沉积物估计曲线。因为对每个区域进行所 需的测量几乎是不可能，该方法不能用于大区域的侵蚀量空间分布的评估。第二种 是经验公式，主要是建立输移比与体现集水区形态特征的下垫面因子和水文因子之 间的经验公式，包括集水区面积、坡度、坡长、沟道密度、河道比降、植被、土壤 等下垫面因子和降雨量、降雨强度、径流系数等水文因子删嘲吨刚。这种方法，在一 定程度上体现大集水区沉积物运动的物理过程，在区域研究中应用较多，但是不能 描述沉积物传输机制，不能体现气候因子和集水区条件各自对沉积物输移的影响。 第三种是基于水文和水力过程的泥沙输移比模型。这类模型，结合径流和土壤侵蚀 量确定沉积物输移能力，在此基础上模拟沉积物的传输和沉积过程。m o r g a n 等( 1 9 9 8 ) 和v a nr o m p a e y 等( 2 0 0 1 ) ，采用沉积物运输容量来预测沉积物输移量陆。a r n o ld 嘞1 基于水文过程，通过降雨、径流、下渗三个水文过程模拟来建立s d r 预测模型，该 模型被用于评价水土资源关系的工具( s o lla n dw a t e ra s s e s s m e n tt o o l ，s w a t ) ， 也被称为s w a t - s d r 模型，可以用来计算单次降雨的s d r 值。王协康等“町将流域划 分为坡面系统及沟道系统，利用因次分析法分别推求出不同系统的s d r ，在s d r 公 式中引入了粒径与时段因子，从理论上阐明了s d r 并不是单纯与整个流域面积成反 比，而是与流域产沙面积成反比。h u al u 等“耵，假定土壤侵蚀过程侵蚀率是恒定的， 分析沉积物传输的水文过程，包括坡面传输和河道传输两大部分，进一步细分为重 力沉积、颗粒物渗透、地表粗糙造成的拦截、河道侵蚀等部分，在s i v a p a l a n ( 2 0 0 2 ) 旧1 流域响应线性模型基础上，提出了大集水区总泥沙输移比和洪峰泥沙输移比两个不 同的概念和表达式，并说明造成s d r 区域差异的重要因素是时间因素，公式强调了 s d r 的时空概念，为研究大区域的s d r 提供了参考。这些模型是建立在沉积物传输 物理过程的基础上，较经验公式有很大的提高，但是需要利用高分辨率的d e m 来模 拟水流和沉积物的输移路线，也要依靠详细的沉积物输移和径流资料进行参数的较 正，如沉积物输移容量系数。这类方法参数获取困难、费用高，如流体阻力、土壤 颗粒组成、渗透性在大区域范围内一般难以获得，不适合于较大集水区。 1 2 3 4 非点源污染综合模型 7 福建师范大学硕士学位论文 自7 0 年代中后期以来，随着对非点源污染物理化学过程研究的深入和对非点源 过程的广泛监测，综合模型逐渐成为非点源模型开发的主要方向。目前国外非点源 污染综合模型数量繁多，模型的空间尺度、时间尺度、模型组成等有所不同，本文 对目前应用较广的几个模型进行比较( 见表1 1 ) 。这些模型无论是在国外还是在国内 都得到一定的应用和验证【5 4 】- 【绷。 表1 - 1非点源污染综合模型对比 t a b l e l 一1c o m p a r i s i o no fn o n p o i n tp o l l u t i o nm o d e l s h s p f1 9 7 61 9 9 6 集中流域长期连续分钟、日斯坦福水文模型l 侵蚀模型考虑雨滴溅蚀、径 a n s w ，e1 9 7 7 r 参数流冲剧侵蚀和沉积作用t 污染物包括氰、磷和 农药等考虑复杂的污染物平衡 分散流域开始为单暴雨期为水文模型考虑降雨初损，入渗、坡面漉和蒸发l 参数次暴雨后分钟。非侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀和沉积，早期并不考 。 发展为长暴雨期为虑污染迁移后补充了氯，磷子模型考虑复 i 期连续日杂污染平衡 a g n p s1 9 8 7 1 9 9 8 分敞流域开始为单日s c s 水文模型；通用土壤流失方程i 氰磷和 参数次暴雨后c o d 负荷。不考虑污染物平衡 发展为长 期连续 1 9 9 62 0 0 0集中流域长期连续日s c s 水文模型。入渗蒸发，融雪：改进通用 土壤流失方程；氰磷负荷。复杂污染物平衡 l o a d1 9 9 6分救漉域长期连续日产流系数法计算径流量；无侵蚀模型；统计模 参敲 塑计算b o d t n 、t p 负荷 c r e a m s1 9 7 9集中 农田长期连续bs c s 水文模型，g r e e na m p t 入渗模型，蒸发l 参数 小区侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀、河道侵蚀和沉积； 氰、磷负荷简单污染物平衡 我国从2 0 世纪8 0 年代开始非点源污染的研究，建立了一些非点源污染综合模 型。如：温灼如等，采用沙量单位线和污染单位线计算流量和污染负荷，建立了苏 州暴雨径流污染的概念模型；王昕皓将研究流域划分成若干坡面，提出了坡面模型， 根据水量平衡计算了暴雨过程，并用统计分析计算了非点源污染的负荷量：夏青等 8 第1 章绪论 提出了包含降雨径流、汇流出流、出流水量与水质相关三个子模型的流域非点源污 染负荷模型嘲嘲1 ；李怀恩等阳，建立了包括流域产流模型、非点源污染物产污染模 型与迁移模型的流域非点源污染机理模型；y f h u a n g 等删，建立了黄土地区分布 式径流和沉积物负荷模型。从总体看，国内关于非点源综合模型的研究多属于集总 式、统计分析式、区域性、概念性模型，对于非点源物理过程及空间变化的研究较 少，模型推广性差。 纵观国内外的非点源污染综合模型一般是从机理上研究非点源污染的发生、