（自然地理学专业论文）晋江东溪流域农业非点源污染模拟分析.pdf

摘要 摘要 水质污染是全球关注的热点环境问题。河流水质的保护和改善，与流域水循环 过程密切相关。流域分布式模型从流域的尺度出发，将降水一产流一产沙一污染过 程作为一个整体，研究人类活动影响下的流域径流、泥沙和污染物输移过程，从而 为制定水环境的治理与保护措施奠定基础。 经济活动较为活跃的泉州市，其社会经济发展对水资源量和质的需求与水资源 现状矛盾较大。因此，选择泉州市重要的水源地山美水库所在的晋江东溪流域， 深入探讨流域的径流、土壤侵蚀和营养物质输移过程，从而采取针对性措施保护河 流及山美水库水质。本研究利用流域分布式s w a t 模型，以晋江东溪流域洪濑水文 站控制流域为研究区，结合g i s 和r s 等技术，在收集流域基础资料的基础上建立 空间和属性数据库，对流域1 9 7 2 1 9 7 9 年的径流、泥沙和农业非点源污染负荷进行 模拟计算，并选取相对误差、相关系数和效率系数三个指标用于模型的适用性评价； 在对流域径流、土壤侵蚀和农业污染特征分析的基础上，从影响农业污染的土壤侵 蚀和农业生产两大过程入手，定量评价水土保持生物措施和农业化肥施用对流域径 流：泥沙和营养物质排放的影响。结果表明，s w a t 模型能较好地用于大型水库影 响下的东溪流域产流产沙模拟；山美水库库区流域内年径流分布自西、西北向东南 递减，入库的泥沙和农业污染负荷主要来自桃溪支流，且耕地是该流域土壤侵蚀和 农业非点源污染的主要来源：退耕还林还草能有效地减少入库泥沙和污染负荷，减 少化肥施用量是流域控制农业非点源污染的有效措施。 关键词：s w a t 模型，农业非点源污染，控制措施，山美水库，晋江流域 中文文摘 中文文摘 非点源污染是当前水环境污染问题研究的热点。由于非点源污染来源、扩散途 径的复杂性，使得其研究和治理措施的制定具有一定的难度。美国农业部( u s d a ) 农业研究中心( a r s ) 研制开发的s w a t 模型被广泛的应用在非点源污染的管理和控 制过程中，是非点源污染研究的代表性模型之一。它能够利用g i s 和r s 提供的空 间信息，根据模型中的水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型模拟复 杂大流域的径流、泥沙和营养物质输移。该模型不仅可以模拟非点源污染负荷，而 且可以建立不同的管理情景来评价不同的管理措施及其效果。从s w a t 模型在我国 的应用情况来看，研究内容多涉及非点源污染负荷模型的构建、模型效率的检验及 流域现状土地利用下的水文水质模拟，有关流域管理措施及其影响机制的探讨尚处 于初期研究阶段，利用非点源污染模型为流域制定管理措施的研究较为少见。 晋江流域地处福建省东南部，其水资源条件与经济社会发展具有不对称性，且 由于资源开发利用管理的不到位，土壤侵蚀、水质污染等问题还没有得到有效控制 和解决。因此，论文选择山美水库所在的晋江东溪流域为研究区，利用分布式流域 模型s w a t ，结合g i s 和r s 等技术手段，进行了流域水文过程模拟、农业非点源 污染负荷计算的研究。通过率定研究区水文、泥沙和营养物质输移过程，定量分析 农业污染负荷，确定入库泥沙和营养物质的主要产出支流；在此基础上，对相应的 防治措施进行效应分析和有效性评价，从而优化管理措施的制定。主要研究内容与 结果如下t ( 1 ) 收集和整理晋江东溪流域的地形、土地利用和土壤类型、气象、水文等空间 和属性数据，建立适用于s w a t 模型模拟分析的研究区非点源污染基础数据库。在 此基础上，设定集水面积为2 7 0 0 h a ，将研究区划分为2 7 个子流域，根据土地利用 与土壤类型的组合，进一步划分为3 4 9 个水文响应单元( h r u s ) ，然后进行研究区 的径流、泥沙和非点源污染负荷的模拟计算。 ( 2 ) 利用洪濑水文站1 9 7 2 1 9 7 5 年的实测年、月径流泥沙数据进行模型参数的 校准，1 9 7 6 1 9 7 9 年数据则用于模型验证。结果表明，流域出口年径流深模拟的相 对误差( 月e ) 为5 3 ，效率系数( 晶。) 和相关系数( 尺2 ) 均大于o 9 ；校准期和验 证期内的月径流模拟结果尺? 分别为o 9 8 和0 8 3 ；流域月产沙模拟结果如为0 7 4 ， r 2 为0 7 8 。此外，流域内两个库区子流域，桃溪和湖洋溪流域的多年平均流量模拟 i l i 中文文摘 r e 均小于3 ，且桃溪子流域年产沙模拟r e 为- 6 。即流域出口及子流域的径流 泥沙模拟精度均较高，s w a t 模型在东溪流域适应性较好。 ( 3 ) 根据模型模拟结果，分析了山美水库库区子流域径流的空间规律。流域内年 径流分布总趋势为自西、西北向东南递减，桃溪流域的年径流量大于湖洋溪。永春 县中北部为流域内径流的相对高值区，其中蓬壶、达埔一带为最高径流区，湖洋镇 分布有流域内的最低径流。 ( 4 ) 根据模型模拟结果，分析了库区子流域土壤侵蚀的空间分布规律。两入库子 流域的土壤侵蚀存在明显的空间差异，桃溪各子流域的侵蚀模数均大于湖洋溪；通 过对比不同土地利用方式下的产沙，表明耕地是造成流域土壤侵蚀和水库淤积的主 要来源。 ( 5 ) 在流域产流产沙模拟的基础上，对流域农业非点源污染的空间变化进行了模 拟分析。结果表明，氮、磷的产出分布与土壤侵蚀的空间分布特征具有较大的一致 性，营养物质主要来自桃溪支流。 ( 6 ) 在空间差异的基础上，针对土壤侵蚀和农业污染负荷主要产出区域的桃溪子 流域，从土壤侵蚀和农业生产过程两个方面，模拟植被恢复和减少化肥施用量对流 域产流、产沙和污染负荷的影响。模拟结果表明，退耕还林还草能有效地减少入库 泥沙和污染负荷，减少化肥施用量是流域控制农业非点源污染的有效措施。 i v a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e rp o l l u t i o ni st h ef o c u so fg l o b a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s p r o t e c t i o no fw a t e r q u a l i t yi nt h ea r e al i k ew a t e r s h e di sc l o s e l yr e l a t e dt o t h eh y d r o l o g i c a lp r o c e s s t h e d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e lc a nb eu s e dt op r e d i c tt h ei m p a c to fh u m a na c t i v i t i e so n w a t e r , s e d i m e n ta n da g r i c u l t u r a lc h e m i c a ly i e l d sa tt h ew a t e r s h e dl e v e l a sa ni m p o r t a n t w a t e rs o u r c eo fq u a n z h o uc i t y , t h es t u d yo nt h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h es h a n m e i r e s e r v o i ra r e ai so fs i g n i f i c a n c ea n dc r i t i c a l t h es w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) m o d e lw a sa p p l i e di nd o n g x i w a t e r s h e do fj i n j i a n gb a s i nw h e r et h er e s e r v o i ro fs h a n m e ih a db e e nb u i l ti n19 7 2 b a s e d o nd a t ac o l l e c t i o n ，w a t e r , s e d i m e n ta n da g r i c u l t u r a ln o n p o i n tp o l l u t i o nl o a d i n g si nt h e w a t e r s h e dw h e r ew a sd e l i n e a t e dt o2 7s u b b a s i n sa n d3 4 9h y d r o l o g i cr e s p o n s eu n i t s ，w e r e s i m u l a t e d t h ec a l i b r a t i o na n dv a l i d a t i o nf o rs t r e a mf l o wa n ds e d i m e n tw e r ep e r f o r m e d f r o m19 7 2t o19 7 9a th o n g l a ig a g i n gs t a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ee s t i m a t e db y r e ，e n sa n d ，w h i c hw e r eu s e dt oe v a l u a t e dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em o d e l b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fr u n o f fw a sa n a l y z e d i t s h o w e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o no fa n n u a lr u n o f fw a sd i m i n i s h i n gf r o mt h ew e s t ，n o r t h w e s tt o t h es o u t h e a s ti nt h eu p p e rw a t e r s h e do ft h er e s e r v o i rb a s i n t h es p a t i a la n a l y s i so fs o i l e r o s i o na n da g r i c u l t u r a ln o n p o i n tp o l l u t i o ni n d i c a t e dt h a ts e d i m e n ta n dp o l l u t i o nl o a d i n g s w e r em o r es e r i o u si nc u l t i v a t e dl a n da m o n gt h ed i f f e r e n tl a n du s ea n dt a o x it r i b u t a r y p l a y e dam o r ei m p o r t a n tr o l et h a nh u - y a n go ns e d i m e n ta n dp o l l u t i o nl o a d i n g si n t ot h e r e s e r v o i r a c c o r d i n gt ot w oi m p o r t a n tp r o c e s s e so fa f f e c t i n gp o l l u t a n t sd i s c h a r g ef r o m a g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n ，w h i c hw e r es o i l e r o s i o na n da g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n ，t h ec o n t r o lm e t h o d sf o rt h ep o l l u t i o nw e r ep r e s e n t e d f i n a l l y ，t h ei m p a c t so f m a n a g e m e n tm e a s u r e so nh y d r o l o g i c a le f f e c t sw e r es i m u l a t e di nt h em o d e la p p l i c a t i o n t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tr e d u c t i o no ff e r t i l i z e ru t i l i z a t i o na n dv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n c a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ey i e l do fs e d i m e n ta n da g r i c u l t u r a lp o l l u t i o nl o a d i n g si nt h e s t u d ya r e a k e y w o r d s ：s w a tm o d e l ，s i m u l a t i o no fa 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 ， m a n a g e m e n tm e a s u r e s ，s h a n m e ir e s e r v o i r ，j i n ji a n gb a s i i 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名)挞塞嫒学号至q q 鱼q 璺兰鱼专业自然地理所呈交 的学位论文( 论文题目：晋江东溪流域农业非点源污染模拟分析) 是本 人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作做出贡献的 个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意，由此产生的一切 法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名：林史面 指导教师 签字日期：7 年6 月7 日 签字日期躲m ：吲年6 月l 。日 绪论 绪论 1 研究背景 水资源是人类生存和社会发展的生命线，水资源短缺、水源地的保护已成为关 注焦点。位于福建东南沿海泉州市的晋江流域，是福建省内水土流失与非点源污染 最严重的流域之一【l 】【2 1 ，多年来由于过度使用及污染，水资源生态系统遭到了严重 破坏，使得泉州水资源量日益缺乏，部分地区资源性缺水和水质性缺水并存。其中 东溪水质污染现象较为严重，长厅桥断面2 0 0 0 - - 2 0 0 2 三年的监测结果均属于类水 质，在永春县境内已受到污染。位于东溪中游的山美水库是福建省库容最大的水库， 作为泉州市重要的水源地、晋江下游地区供水的调节水库，其水环境状况不仅直接 关系到晋江下游广大人民群众的身体健康，而且影响到泉州市乃至闽南“金三角 的繁荣和稳定。 山美水库库区大面积开发山地，水土流失严重【3 1 ，库区底部淤积大量污泥，严 重影响了水库的蓄水和供水能力。水土流失引起的农业非点源污染已经成为东溪流 域的重要污染源，大量的农业氮、磷营养物进入河道，引起东溪水体有毒有害物质 增加。对山美水库的水质监测结果表明，山美水库的水质已受到污染。随着泉州市 社会经济和各项事业的迅猛发展，山美水库的防洪调度以及流域水资源的优化配置 等尤显重要。因此，采取防治措施保护河流水质、减少水库泥沙淤积已迫在眉睫。 从流域尺度，综合考虑降水、径流、泥沙和污染物，深入探讨晋江东溪流域的水文 水质过程，实现对研究流域农业非点源污染负荷的定量评价，从而为山美水库的非 点源污染控制以及东溪流域水环境的治理与管理工作提供支持。 由于非点源问题涉及的空间尺度较大，传统的通过收集局部地区相关数据进行 分析的方法已经难以满足流域尺度研究的需要，因此，借助于g i s 和r s 等技术的快 速发展，分布式流域模型的开发与应用成为流域水环境研究的前沿。美国农业部 ( u s d a ) 农业研究局( a r s ) 开发的s w a t 模型( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 是其中的一个代表性模型，自开发以来在世界范围内获得了广泛的应用，它能够响 应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文水质的 影响，并应用于管理措施的制定和评价。 。福建省水利厅，福建省水利局晋江流域水资源配置节约保护研究，2 0 0 3 福建师范大学林文娇硕士学位论文 2 非点源污染 水环境污染已是当前普遍存在的世界性问题。水环境污染可分为点源污染与非 点源污染两大类。点源是废水的集中排放，主要来自工业和生活污水；非点源污染 ( n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 是指时空上无法定点监测的，与大气、水、土壤、植被、 地形地貌等环境条件和人类活动密切相关的，通过降雨径流的淋溶和冲刷作用或积 雪融水，使大气中、地面和土壤中的污染物浓度升高，有害物质浓度增加，水体富 营养化和酸化等造成水体污染的现象【4 1 。 上世纪7 0 年代，随着点源污染控制能力的提高，而水质并未发生明显的改善， 使得非点源污染的严重性逐渐显现出来。与点源污染相比，非点源污染发生的机理、 影响因素及作用过程要复杂得多，其最大的特征在于污染的不确定性和复杂性，导 致非点源的监测难以进行，增加了相应的研究、治理和管理政策制定的难度。 农业非点源污染是非点源污染的主要组成部分。所谓农业非点源污染是指以降 雨为载体并在降雨的冲击和游溶作用下，通过源流和汇流过程将农田和畜牧用地中 的污染物质( 包括土壤颗粒、氮、磷、农药等) 流入受纳水体而引起的水质污染【5 】。 水土流失是农业非点源污染发生的主要形式。在2 0 世纪7o 年代，美国的非点源；写 染占污染总量的2 3 ，其中农业占了非点源污染的5 7 - 7 5 6 1 。我国的大部分地区降 雨集中，资源开发利用管理不当，生态破坏导致水土流失严重，随着化肥等化学物 质的用量不断增加以及使用技术的不合理，农业非点源污染问题也日益突出。 3 非点源污染研究进展 3 1 非点源污染模型研究 在计算和预测非点源污染负荷问题上，王晓燕【7 】根据非点源污染特征及负荷定 量化将研究方法归纳为选择小区试验、研究受纳水体的水质变化、人工降雨模拟、 应用数学模型等方法。其中经济有效的手段还是参数分布式数学模型，即建立非点 源污染模型【引。非点源污染模型通过对整个流域及其内部发生的复杂污染过程进行 定量描述，能够帮助我们了解非点源污染产生的时间和空间特征，识别其主要来源 和迁移路径，并评估土地利用的变化以及流域的管理与技术措施对非点源污染负荷 和水质的影响，从而为流域规划和管理提供决策依据。 在模型结构上，非点源污染模型可分为集总参数模型和分散参数模型两大类。 集总式模型通常将整个流域或区域作为一个集总的系统来处理，相关的地理要素如 绪论 地形、土壤、气候等的属性采用空间平均的方法加于考虑，但是，由于地理环境的 复杂性，集总式参数模型无法反映流域的非均一性和非线性，只能用于模拟气候和 下垫面因子空间分布均匀的虚拟状态，得到空间均一的模拟结果，因此存在较大的 局限性，无法满足研究的精度要求。而分布式模型采用空间离散化方法，考虑了流 域地理要素的空间差异性，具有较好的物理基础。它将研究区划分为具有一定形状 和大小的单元，每个单元内具有各自独立的参数，在每个单元内的地理参数被看作 是均匀的，各单元之间通过拓扑关系联系在一起，最后汇集到流域出口，各单元的 参数数据可以利用g i s 叠加到各个单元中，从而完成庞大参数数据的输入。尤其是 当今计算机技术、地理信息系统、遥感、雷达测雨等技术的发展进一步促进了分布 式模型的研究和发展。 根据模型建立的途径和模拟过程，非点源模型可分为经验模型( 统计模型、黑箱 模型) 和机理半机理模型两大类【9 1 。早期的非点源模型为经验模型，它往往只注意 对单一的非点源污染物或单场降雨进行模拟研究，根据因果分析和统计分析的方法 建立统计模型，并在此基础上建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关 系。统计模型对数据的需求比较低，能够简便地计算出流域出口处的污染负荷，表 现了较强的实用性和准确性，因而在早期得到了较为广泛的应用但是由于它们难 以描述污染物迁移的路径与机理，使得这类模型的进一步应用受到了较大的限制。 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，机理模型逐渐成为非点源模型开发的主要方向。它以非点源污染的发 生、迁移转化和具体过程为框架，包括产汇流、污染物迁移转化、水质等子模型【1 0 l 【i l 】， 它包含大量的参数，主要考虑污染物发生的中间过程和内在机制，结构复杂，对数 据量的要求较大。其中著名的有城市暴雨管理模型s w m m ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n t m o d e l ) 、城市地表径流模型s t o r m 以及农业化学输移模型a c t m o ( a g r i c u l t u r a l c h e m i c a lt r a n s p o r tm o d e l ) 。 进入8 0 年代，非点源污染的研究范围更加广泛，对农业污染物迁移机理研究更 加深入。由美国农业部开发的化学污染物径流负荷和流失模型c r e a m s ( c h e m i c a l r u n o f fa n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 首次对非点源污染 的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了系统的整合，并在此基础上发展了一系列结 构特征类似的非点源污染模型，包括用于模拟侵蚀对农作物产量影响的农r o d , 区模 型e p i c ( e r o s i o np r o d u c t i v i t yi m p a c tc a l c u l a t o r ) 、用于农田尺度的水侵蚀预测预报 福建师范大学林文娇硕士学位论文 模型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 ) 、流域非点源污染模拟模型a n s w e r s 【1 2 】 ( a r e a ln o n p o i n ts o u r c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n tr e s p o n s es i m u l a t i o n ) 、用于模拟农业 活动对地下水影响的g l e a m s t l 3 1 ( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t so na g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n ts y s t e m s ) 、用于农业非点源管理和政策制定的a g n p s t l 4 1 ( a g r i c u l t u r a l n o n p o i n ts o u r c e ) 等。这些模型在国外及国内都得到了一定的应用和验证。 r a m a n a r a y a n a n 等l i 副用e p i c 模型分析了可供选择的农业管理措施，模拟了棉花、小 麦等农作物在灌溉和干燥条件下的农肥反应曲线，用农肥反应方程建立了每种农作 物的最佳施肥量；k a o 等【1 6 】应用a g n p s 模型，并结合w a s p 模型来估计远离河流 的水库中磷的负荷：c o n n o l l y 掣1 7 】用下渗模型取代了a n s w e r s 径流预测中的概念 模型，较好地预测了q u e e n s l a n d 的草原集水区在不同的土壤和覆盖条件下的径流。 s t o n e 等【l8 】利用g l e a m s 模型模拟了卡罗莱纳州北部集水区中养猪废水喷洒区和 农作物生长区地下水中硝酸氮的含量，表明g l e a m s 模型可以用来预测农业管理体 系地下水中硝酸氮的负荷；陈欣等【1 9 】通过搜集排溪冲小流域地形、植被、土壤等相 关资料，应用a g n p s 模型进行了磷素流失的预测，验证了该模型在南方丘陵区小 流域的适用性。 9 0 年代后期，随着计算机和3 s 技术的飞速发展，数学模型与地理信息系统的结合 在流域研究中得到了广泛的应用，水文模型与g i s 结合的重要意义得以体现【2 0 】。 c o c h r a n e 等【2 l 】把w e p p 和g i s 结合，通过t i n 的转换生成d t m d e m 来描述集水区地形 特征，在此基础上模拟集水区的径流和土壤侵蚀过程；c h o w d a r y 等 2 2 】利用遥感和g i s 技术获取a g n p s 模型需要的输入参数，通过模型的模拟，定量研究t d a m o d a r 流域 非点源污染负荷及输移过程、不同的管理模式对水质的影响：王云鹏【2 3 】将g i s 与面 源模型统一集成在面源信息系统中，具有统一结构和统一界面的数据共享，实现了 g i s 与面源模型的部分集成。水文模型与g i s 实现集成后己不再是单纯的数学运算程 序，而是集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身的大 型专业软件。其中比较著名的有美国国家环保局开发的b a s i n s ( b e t t e ra s s e s s m e n t s c i e n c ei n t e g r a t i n gp o i n ta n dn o n p o i n ts o u r c e ) 、a n g p s 2 0 01 和a r n old 等开发的 s w a t l 2 4 ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 等。g i s 技术能够为流域模型模拟提供有 力的技术支撑，与模型的结合大大提高了模型的模拟效率。s r i n i v a s a n 等【2 5 】实现了 s w a t 模型与g i s 的集成，并成功地模拟了德克萨斯一流域的水文、土壤侵蚀及输送， 其中模型输入信息从g i s o p 提取，减少了数据筛选和操作时间。 4 绪论 3 2s w a t 模型研究 美国农业部( u s d a ) 农业研究中心( a r s ) 在s w r r b 模型基础上研制开发的 s w a t 模型被广泛的应用在非点源污染的管理和控制过程中，是非点源污染研究的 代表性模型之一。它是一个具有很强物理机制的、连续的、长时段的流域水文模型， 能够利用g i s 和r s 提供的空间信息，采用多种方法将流域离散化，模拟评价复杂大 流域中，不同土地利用和多种农业管理措施对流域的水、泥沙、化学物质的长期影 响，并能在资料缺乏的地区建模【2 4 】。 国内外众多学者利用该模型对流域的水文、泥沙及污染物的迁移转化进行了大 量的模拟研究，s w a t 模型得到不断完善与发展，使其适应性更强。以a r n o l d 为首 的学者们，选择美国不同流域为研究对象，分别从国家尺度、流域尺度以及小流域 尺度验证了s w a t 模型在径流模拟方面的适用性【2 6 0 1 1 。s r i n i v a s a n 等【3 2 】成功模拟了 r i c h - c h a m b e r s 流域的径流和泥沙输移量，指出s w a t 模型可以用于情景分析以检 测流域的生态脆弱区，并提出土壤流失的最佳措施。a n d r e a 等【3 3 】应用农业经济模型 ( p r o l a n d ) 和生态模型( e l l a ) 的输出作为s w a t 模型的输入，检验了德国中部a a r 流域周边地区土地利用的变化对流域景观和功能的影响。在加拿大c h a n a s y k 等【3 4 】 模拟了在三种放牧强度下，放牧活动对水文及土壤湿度的影响，并评价了模型在径 流量小、包含有融雪过程流域的适用性。t f i p a t h i 等【3 5 】应用s w a t 模型识别出印度 n a g w a n 流域中5 个子流域重度侵蚀、1 个子流域中度侵蚀，从而为水土流失防治等 管理决策提供依据。在印度g o s a i n 等1 3 6 】应用s w a t 模拟了研究区在实施渠道引水 灌溉后基流的变化，h e r n a n d e z 等【3 7 1 认为s w a t 模型可以很好的反应土地覆被变化 条件下的多年降水一径流关系。w e b e r 等【3 s 】研究的结果表明，河道流量与地表径流 量随着林地面积的减少和草地面积的增加而增加。在德国阿勒河流域，f o h r e r 等 3 9 】 发现地表径流对土地利用变化最为敏感。在地中海流域，c e l i n e 等【4 0 】应用s w a t 模 型成功的模拟了由于人类活动而导致湿地干涸所产生的水文效应，但无法准确模拟 这种变化对地下水所产生的影响。在德克萨斯州的b o s q u e 流域，s a l e h 等【4 1 】应用s w a t 模型证实了模型用于畜牧业生产所导致的面源污染的适用性。在美国中东部的农业 流域，研究通过s w a t 模型确定了能够改善水质的最佳农作制度的空间布局，评价 了河岸缓冲带在降低农业非点源污染所产生的经济效益。s a n t h i 等【4 2 j 应用s w a t 模 型分别在农田及流域尺度上评价了水质管理措施给流域所带来的影响。 王中根等【4 3 】首次将s w a t 模型成功应用于西北寒区( 黑河莺落峡以上流域) 逐 福建师范大学林文娇硕士学位论文 日径流过程的模拟。目前在国内，s w a t 模型已得到了广泛的应用。刘昌明等m l 应用s w a t 模型在黄河河源地区下游洛江流域进行了水文、泥沙模拟；黄清华等【4 5 】 在对s w a t 模型改进的基础上，模拟了黑河上游山区流域的出山径流，取得较好的 月模拟效果；朱利等【4 6 】应用s w a t 模型在汉江上游区进行了水资源的气候变化响应 研究，在径流模拟的基础上，以气候变化为背景，假设了2 5 种不同气候变化模式， 模拟结果得出降水的变化对水资源的影响大于气温的变化对水资源的影响；盛春淑 等【4 7 】运用s w a t 模型对丰乐河流域降雨、径流进行了预测，并通过s w a t 模型与气 象预测模型的集成进行流域水文风险预测和常规预测，得到流域典型年及常规年降 水、径流年内月分布过程，该预测方法是对分布式水文模型集成化研究的一次新尝 试。在进行水文模拟的基础上，国内在模型模拟的基础上也进行了l u c c 和降水对 径流泥沙的影响研究：李道峰等【4 8 】在应用s w a t 进行流域年月模拟的基础上，对5 种土地覆被情景及2 4 组不同气温和降水的情景组合，分别模拟不同情景下的年径 流量，从而得出l u c c 和降水对年径流量的影响；陈军锋等【4 9 】在利用s w a t 模型 对梭磨河流域进行径流模拟的基础上，对梭磨河流域关于气候波动和土地覆被变化 对流域径流的影响进行了相关研究。在非点源污染模拟研究方面，郝芳华等【5 0 】以官 厅水库为例，对典型水文年的非点源污染负荷进行了模拟；万超等【5 l 】应用率定后的 s w a t 对3 个不同的水平年进行模拟计算，得到了潘家口水库上游流域非点源污染 负荷的时空特征及主要影响因子；苏保林等【5 2 】以密云水库流域为研究区，较为全面 的考虑了生活、畜牧养殖和农业等污染，应用s w a t 模型进行了非点源污染模拟， 同时将流域分为潮河和白河两个流域进行模拟结果的对比分析；胡连伍等 5 3 】应用 s w a t 模型对杭埠丰乐河流域的水文、泥沙以及水质进行模拟，验证了模型在 该研究区的适用性，并计算了各个子流域的环境自净效率。 此外，许多学者还通过构建流域生态模型【5 4 5 7 】，模拟不同植被覆盖下的水文水 质过程，为退化的生态环境恢复重建、制定流域污染治理和保护措施提供科学依据。 针对农业污染，p a n d e y 等【5 8 j 在印度的b a i l i l ( d i h 流域，利用s w a t 模型模拟了多种农业 管理措施对水质的影响，包括改变耕作方式及施肥量。郝芳华等【5 9 】应用s w a t 模型以 黄河下游支流为研究区，分别研究了退草还耕、退草还林和退耕还草三种情景对流 域产流产沙的影响；陈军锋等【6 0 】用s w a t 模型分别模拟四种情景下的径流深与蒸发 量，定量地评估了梭磨河流域的植被覆被变化对流域径流深和洪峰流量的影响。代 俊峰等【6 l 】应用s w a t 模型进行红壤丘集水区四种林草系统的水量平衡影响研究，定 6 绪论 量分析了林地比草地能更有效减少区域地表径流量。 从s w a t 模型的已有研究可以看出，研究多涉及流域现状土地利用下的水文水质 模拟，对土地利用覆被变化的环境影响的量化研究不足，未考虑不同植被恢复在坡 度分布上对流域水文水质过程的影响，缺少管理措施效应的定量研究。目前，将分 布式水文模型应用于福建省各流域的研究仍较为鲜见。林虹【6 2 l 应用新安江模型与垂 向混合产流模型对闽江流域干流以上的1 5 个子流域次洪水过程进行了模拟验证，进 一步论证了这两种概念性流域水文模型结构的合理性，但从总体上看仍属于集总式 水文模型。曹文志等【6 3 】应用非点源模型a g n p s ，以福建省南部九龙江上游的五川小 流域为研究区，对平均降雨强度分别为1 o 硼h 和7 2 m m h 的两次降雨事件的污染负 荷进行估算与评价，验证了a g n p s 在我国东南亚热带地区的适用性。余林康【8 】在敖 江流域基于b a s i n s 系统下的s w a t 模型对敖江流域非点源污染进行研究，分析了流 域非点源污染负荷的空间特征，但由于数据收集不全，农业管理数据采用了系统默 认数值，并且仅对流域的径流模拟结果进行了验证。方楠懈】对山仔水库库区小范围 试验样地进行野外监测与室内实验，在分析农业非点源污染中的氮元素流失规律基 础上，应用s w a t 模型模拟了山仔水库流域丰水期的氮流失负荷量，但在构建流域 s w a t 模型过程中，仅对流域径流的年模拟结果进行校准和验证，模拟效率还有待 于提高；对营养物质的参数率定，只调整了地表径流过程营养负荷参数，忽略了河 道中各营养盐之间转化的参数率定。 对于晋江流域以及山美水库，已有研究多是开展水污染防治措施的定性分析， 尚缺乏对控制措施的量化研究，且未有从降水一产流一产沙一污染过程整体来研究 水环境治理与保护的成果。因此，从福建省已有的水文模型研究看，流域分布式水 文模型构建尚处于起步阶段。王林【6 5 】应用s w a t 模型，将晋江流域分为3 个亚区进行 产流产沙模拟，本研究在其东溪洪濑站径流模拟结果的基础上，进一步探讨产流模 拟效率的改进，并且开展晋江东溪流域农业非点源污染负荷研究，为东溪流域及山 美水库水环境治理措施的制定提供科学依据。 4 研究内容和意义 选择山美水库所在的晋江东溪流域为研究区，利用分布式流域模型s w a t ，进 行流域农业非点源污染模拟和评价，并根据实测数据进行模型的校准和验证。在此 基础上，分析山美水库库区子流域的径流、泥沙和营养物质的产出及其空间分布， 进而定量评价流域农业非点源污染控制措施的效应。 福建师范大学林文娇硕士学位论文 ( 1 ) 借助r s 与g i s 技术，收集和整理晋江东溪流域非点源污染模拟和评价所需 要的气象、地形、土地利用、土壤类型、农业生产等数据，建立流域非点源污染空 间和属性数据库。 ( 2 ) 比较1 9 7 2 m 1 9 7 5 年的流域洪濑水文站径流泥沙实测数据与模拟结果，对模 型的敏感参数进行校准，并利用1 9 7 6 一1 9 7 9 年的实测径流泥沙数据进行模型的验 证，通过选取相对误差r e 、效率系数玩和相关系数一三个指标来评价模型的适用 性，为进一步进行流域的农业非点源污染模拟与分析奠定基础。 ( 3 ) 在流域农业非点源污染模拟的基础上，以子流域为单位分析山美水库库区子 流域的径流、泥沙和农业污染负荷的空间分布特征，同时通过对不同土地利用方式 和支流的产出贡献分析，提出针对性的流域农业污染控制措施，并定量评价其环境 效应。 我国在流域模型研究方面起步较晚，在流域水文过程模拟方面取得了一定的进 展，但较全面地将水流过程与污染过程耦合研究的成果较为缺乏。选择具有代表性 的s w a t 模型对晋江东溪流域的产流产沙和农业非点源污染过程进行比较深入的研 究，为山美水库库区的农业非点源污染研究提供了模型化方法：模拟分析流域治理 措施与管理方案对入库泥沙和污染负荷的影响，能够为库区农业非点源污染的治理 和水源地保护提供科学的决策依据。 8 绪论 5 研究路线 图1 研究技术路线图 f i g 1t h ec h a r to fm a i nt e c h n o l o g i c a lp r o g r a mo p e r a t i o n 9 第一章s w a t 模型简介 第一章s w a t 模型简介 1 模型概述 s w a t 模型是d r j e f fa r n o l d 为美国农业部( u s d a ) 农业研究局( a r s ) 开发的适用 于较大流域尺度的非点源污染负荷计算模型，它建立在s w r r b 模型的基础上并结合 了美国农业研究中, t , c r e a m s 、g l e a m s 、e p i c 、r o t o 等模型的优点，主要用于 模拟预测不同土地利用及多种土地管理措施对复杂大流域的水文、泥沙和化学物质 的长期影响。在时间尺度上，模型的运行以日为时间单位，可以进行长时间连续计 算，模拟的结果可选择以年、月、日为时间单位输出，是目前国际上较为先进的流 域模型体系，模型的功能和有效性已经得到了国内外众多学者的验证【6 6 1 。它不适合 于模拟具体的单一降水过程，更适合于流域尺度的环境效应评估，并在应用中得到 了不断的发展。 s w a t 模型考虑了流域内部水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养盐、 农药杀虫剂和农业管理等多种地理过程，利用严格的数学物理方程来模拟地表径 流、入渗、侧流、地下水流、回流、融雪径流、土壤温度、土壤湿度、蒸散发、产 沙、输沙、作物生长、营养盐流失、流域水质、农药杀虫剂等多种过程以及多种农 业管理措施( 耕作、灌溉、施肥、收割、用水调度等) 对这些过程的影响 2 4 1 。它是一 个分布式参数模型，考虑了流域内部的地理要素和地理过程在时间和空间上的非均 一性和变异性，并以子流域的空间划分方法，将流域离散为更小的区域地理单元即 水文响应单元( r m u ) ，在每个水文响应单元中，地形、土壤、土地利用等地理参数 被认为是均一的，因而能够比较真实地反应环境过程，具有较强的物理基础。 a v s w a t ( a r e v i e ws w a t ) ，集成了s w a t 和a r c v i e wg i s 以及空间分析扩展模 块( s p a t i a la n a l y s t ) ，集成后的s w a t 模型能够保持自己的完整性。a v s w a t 作为 一个扩展模块嵌入a r e v i e w 中，其界面分为两个视图，w a t e r s h e dv i e w 和s w a tv i e w ， w a t e r s h e dv i e w 用来显示所有的图形( 包括输入图形和结果图) ，s w a tv i e w 用来编 辑输入数据，运行模型和分析输出结果。以g i s 为基础界面，a v s w a t 大大提高了数 据的输入、管理和输出效率。 2s w a t 模型基本原理 下面对s w a t 模型的基本原理【2 4 】进行介绍。 s w a t 模型由7 0 0 多个数学方程、1 0 0 0 多个中间变量组成，模型采用模块化结构， 福建师范大学林文娇硕士学位论文 便于模型的扩展和修改。主要子模型有水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负 荷子模型，它能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活 动对流域水文循环的影响，适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用覆被方式 和管理条件下的复杂大流域。对流域水文循环的模拟可以分为两部分，即陆相水文 循环和河道中的水文演算。陆相水文循环决定了每个子流域进入河道的水量、泥沙 和营养物质负荷量，河道中的水文演算则是径流、泥沙和营养物质等通过河网达到 流域出口的迁移过程，即模型在计算中根据流域汇流关系将流域分成子流域，单独 计算每个子流域上的产水产沙量及营养盐的输出，然后由河网将子流域连接起来， 通过河道演算得到在流域出口处的产水产沙及营养物质含量。 2 1 水文过程模型 在s w a t 中，水文循环的模拟计算采用如下的水量平衡方程： s t y , =