（环境科学专业论文）非点源污染量化模型中重要影响因素的研究.pdf

a b s 仃a c t a q u a t i ce n v i r o n m e n tp o l l u t i o nc a u s e db yn o n - p o i n t s o u r c ei sb e c o m i n g m o r ea n dm o r es e r i o u s ，w h i c hr a i s e sw o r l d w i d es c h o l a r s a t t e n t i o n h e n c e ， s t u d y i n go nt h eo r i g i n ，d i s a d v a n t a g e ，t r a n s p o r ta n d t r a n s f o r m a t i o nr u l e so ft h e n o n - p o i n tp o l l u t i o n ，e s t i m a t i n gc o r r e c t l yt h en o n - p o i n tp o l l u t a n tl o a d t u r ni n t o t h ec r u c i a lp r o b l e mo n p r e v e n t i o na n d c l l r eo f w a t e r p o l l u t i o n b a s e do nt h em e c h a n i s mr e s e a r c ha n dt h e1 i t e r a t u r e sh o m ea n da b r o a do n t h en o n - p o i n ts o u r c e ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fn o n p o i n tp o l l u t i o ne s t i m a t e d m o d e la r ec h o s e na ss t u d y i n go b j e c ti nt h et h e s i s t h es t u d yf o c u s e so nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ecf a c t o rv a l u ea n dt h e s o i l e r o s i o n ，b a s i so fv a l u e d e c i d i n g ，e s t i m a t e dm e t h o d ，r e s t r i c t e di n g r e d i e n to ft h ec o v e r m a n a g e m e n t f a c t o rr e l a t e dt os o i le r o s i o no f t h eu s l e u s a t a k i n g i n t oa c c o u n to f r e g i o n a l c h a r a c t e r i s t i co f c f a c t o r ，m a n u a lr a i n f a l la n ds a m p l i n gr u n o f f u s i n gs i m u l a t i o n e x p e r i m e n ti nm i n i t y p er e g i o n a r e a p p l i e d ，a n dt h ecv a l u ei s c a l c u l a t e d a p p r o x i m a t e l ya n de s t a b l i s h e df o rt h ef i r s tt i m e t h e nb o t h t h ee x p e r i m e n t a lc v a l u ea n dt h e e x p e r i e n c e dcv a l u e a r e a p p l i e dt o c a l c u l a t et h e n o n p o i n t p o l l u t i o nl o a ds i m u l t a n e o u s l yi nt h ee r l o n gl a k e ，j i l i np r o v i n c e t h er e s u l ta r e d i f f e r e n t a f t e rc o m p a r i n gw i t ht h ed a t aw h i c hi sc a l c u l a t e db yt h em u da n d s a n di nr e v e r s ef r o mt h eh y d r o l o g ym i n i s t r ya n ds o i l & w a t e rp r e s e r v a t i o n i n s t i t u t e ，t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a l cv a l u ei nt h em a n u a lr a i n f a l lr u n o f f s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t ht h ee x p e r i e n c e dc v a l u e ，t h ee x p e r i m e n t a lc v a l u e s a r el e s st h a nt h ee x p e r i e n c e dcv a l u e s e x c e p ti n t h e s l o p ew o o d l a n d ；t h e e x p e r i m e n t a lc v a l u e sa r em o s t l yi d e n t i c a li nd r yl a n d ，w o o d l a n d ，l o w c o v e r g r a s s l a n dw i t ht h ed a t ao f o t h e ra r e a si no u rn a t i o n w h i l et h ecv a l u e si nb u s h a n dh i g h - c o v e rg r a s s l a n da r el e s s 2 ) c a l c u l a t i n gt h es o i le r o s i o nm o d u l u s ( a ) u s i n gt h et w ocv a l u e s ，t h ea v a l u e si nd r yl a n d ，t o w n s h i pr e s i d e n tl a n d ，t h el a n du s e df o ri n d u s t r y ，t r a f f i c ， c o n s t r u c t i o n ，a n dc o u n t r yr e s i d e n tl a n da r eb i g g e r ，a n dt h ea v a l u e si nt h eo t h e r a n d u s et y p e sa r el e s s 3 ) t h e d i f f e r e n c eo ft h ev o l u m eo ft h es o i ll o s su s i n gt h e s et w ocv a l u e si s o b v i o u s t h ev o l u m eo ft h es o i ll o s su s i n gt h ee x p e r i e n c e dcv a l u e si sb i g g e r t h a nu s i n gt h ee x p e r i m e n t a lcv a l u em o s t l y b e y o n d s o m eo f e x c e p t i o n a l 4 ) i nt h ee r l o n gl a k er e g i o n ，t h ep r o b l e mo f e r o s i o no fs o i la n dl o s so fn ，p i ss e r i o u si nt h es l o p ed r yl a n d ，s oi ti st h es o u r c eo fs o i le r o s i o na n d p o l l u t a n t r e l e a s e ，a n di ts h o u l db ec o n t r o l l e da n dm a n a g e d 5 ) c o m p a r i n gt h et o t a lv o l u m eo f s o i ll o s su s i n gt h ecv a l u ec a l c u l a t e db y t h em u da n ds a n di nr e v e r s ef r o mt h eh y d r o l o g ym i n i s t r ya n ds o i l & w a t e r p r e s e r v a t i o ni n s t i t u t e ，t h et w ol o s s e sa r ei d e n t i c a lm o s t l y ，e s p e c i a l l yi nt h e w o o d l a n d ，d r yl a n d t h ee x p e r i m e n t a lcf a c t o rv a l u ep r o v e st ob eo fh i 曲 r e l i a b i l i t y a n dp r a c t i c a b i l i t y i tc a n p r o v i d e s c i e n t i f i cb a s i sa n d p r a c t i c a l e s t i m a t e dm e t h o df o r c o n t r o l l i n g a n dm a n a g i n gs o i le r o s i o na n dn u t r i t i o n e l e m e n t sl o s si nj i l i np r o v i n c e k e yw o r d s ：n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e l ，u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ( u s l e ) ，c o v e r - m a n a g e m e n tf a c t o r , e r l o n gl a k e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：邀盈挺 日 期：丝兰： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范 大学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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鲨逝 日 期：2 塑笔： 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：j 血 日 期：丝兰。! 电话： 邮编： 1 1 非点源污染概述 1 绪论 世界范围的淡水资源短缺已成为跨世纪的重大环境问题之一。水体污 染导致河流水质下降及产生湖泊富营养化是水资源紧缺的重要原因之一。 当前的水环境污染从发生类型上可分为点源和非点源污染两大类。在点源 污染得到逐步治理和控制后，非点源污染对水环境的巨大危害逐渐显现出 来，对人类的生产和生活产生了巨大的影响。 1 1 1 非点源污染的定义和特点 非点源污染是相对点源污染而言的，美国清洁水法修正案定义非点源 污染为“污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体”【1 。 一般可理解为由分散的污染源造成，其污染物来自大范围或大面积。具体 讲，非点源污染是指各种污染物质在大面积降水和径流冲刷作用下，随地 面径流或经土壤、地下水系统淋滤、循环进入地表水体所造成的污染。它 包括暴雨径流、大气干湿沉降及底泥释放等诸多方面，其中暴雨径流是伴 随水文循环初期过程而发生的一种污染面最大、随机性最强的污染来源。 与点源污染相比，非点源污染的时空范围更广，不确定性更大，成分、过 程更复杂，因而加深了相应的研究、治理和管理政策制定的难度。 非点源污染的来源主要有水土流失引起的土壤侵蚀、农用化学制品的 过量施用、农田污水灌溉、农业与农村废弃物、城镇垃圾、畜禽养殖等在 降雨作用下形成的各种地表径流，以及大气干湿沉降、水体人工养殖、各 种固体废物的处理、水文改变、河岸的侵蚀以及个人生活废水的排放等 2 。 非点源污染主要特征为发生上具有随机性，排放的污染物及排放途径 具有不确定性，且污染物复杂、容量大、浓度低，污染负荷的时空差异性 大，产生的影响具有滞后性。 非点源污染主要由降雨径流过程、土壤侵蚀过程、地表溶质溶出过程 和土壤溶质渗漏过程等4 大过程组成3 1 。 1 1 2 非点源污染研究的必要性 水环境非点源污染问题，自6 0 年代起首先受到西方许多国家的重视。 一些国际性组织的调查表明，由非点源污染引起的水质问题超过5 0 以 上。美国e p a 通过多年的调查和监测，在1 9 8 4 年给国会的一份报告中指 出，非点源污染是美国现有水质问题的主要原因之一。进入全美地表水中 悬浮固体的9 2 、总氮的7 9 、总磷的5 3 、大肠杆菌的9 8 、锌的4 3 是由非点源造成的【4 】。荷兰水环境污染总量中，6 0 的总氮和5 0 左右的 总磷是由于农业的非点源污染提供的【5 】。2 0 世纪9 0 年代有研究认为全球 3 0 5 0 的陆面受到非点源污染的影响。许多发达国家的经验表明，随着 经济发展水平的提高和农业结构的调整，非点源污染诱发湖泊、水库及河 流富营养化的比重逐渐加大，即使点源污染全部得到控制，河流的水质达 标率仅为6 0 6 5 ，湖泊水体达标率仅为4 2 ，非点源污染已成为许多国 家和地区水环境污染的第一因素州。 目前，我国大多数湖泊水库已经或正在进入富营养化状态。云南滇池 自8 0 年代末开始出现富营养化，9 0 年代就已呈极富营养状态，该湖丰水 年入湖污染物总量中，t n 、t p 和s s 非点源负荷量各占入湖总量的5 5 6 、 5 8 、9 4 ；枯水年分别占3 1 3 、4 5 、9 2 7 d 安徽巢湖原为合肥市的 重要水源地之一，但9 0 年代初就名列我国几大富营养化湖泊之首，其t n 、 t p 的非点源入湖比例分别高达6 8 2 和4 9 6 。山东南四湖、上海淀山湖 和杭州西湖也不例外，t n 的非点源入湖率占6 0 6 、9 5 6 和4 7 7 ，t p 的非点源入湖率占8 9 2 、9 7 6 和5 1 6 悼j 。 我国是一个多山的农业大国，巨大的人口压力，要求有限的耕地尽可 能多地产粮，以满足人们生活的需要。因此，大量施用农药、化肥、坡地 开荒成为提高农田产出水平的重要途径。但是，我们在得到粮食丰收的同 时，坡耕地的水土流失、农田生态系统中的非点源污染也给水域带来了严 重的环境问题。研究表明，水体污染物约有一半以上来自农村非点源，它 们通过降雨径流进入水体。污染负荷随着农民生产和生活水平的提高正在 迅速加大，而能截留污染的湿地和岸边植被等在迅速退化。按照经济和环 境的发展规律，今后的1 0 - - 2 0 年是我国农村非点源污染的高速增长期。我 国的非点源污染形势十分严峻，任务仍然很重，对非点源污染发生机理和 迁移转化的研究追在眉睫。 1 2 国内外研究现状 1 , 2 1 国外研究现状 国外非点源污染的研究始于6 0 年代，首先在美、日、英等一些发达 国家兴起，特别是对于非点源污染的发生、影响因子和负荷量模拟与模型 研究历史较长且非常活跃。 7 0 年代初，人们逐渐认识了非点源污染的重要性，但研究仅是在非点 源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方面有初步 认识和研究。其负荷定量化模型研究有早期的农药输移和径流模型( p t r ) 以及城市暴雨水管理模型( s w m m ) 等少量模型。 7 0 年代中后期，非点源污染研究有很大发展，并且在世界各地逐渐受 到重视。影响因素和宏观特征研究由相关因素分析和时空分异分析转向与 非点源污染控制密切相关的主控因子和源区( 危险区域) 空间分析。尤其是 借助各种模型来探讨污染物的来源机理，描述污染物的地表迁移过程和归 宿，研究污染的管理控制等方面有很大发展。这一时期提出的模型主要为 机理模型和连续时间序列响应模型，如农业化学品运输模型( a c t m o ) 、城 市地表径流数学模型( s t o r m ) 以及统一运输模型( u t m ) 等，只是大部分模 型仅适合于小区域研究，大范围推广应用价值不大。同时，径流和水质模 型的对接方法也开始有所探讨。其中，最让人瞩目的是通用土壤流失方程 f u s l e ) 的问世。美国水土保持局花了4 0 多年时间现场观测调查得出的通 用土壤流失方程广泛应用于各类非点源污染负荷定量计算，并成为目前众 多土壤侵蚀预报经验模型的典范。 进入8 0 年代，非点源污染地域研究范围更加广泛，因素分析和污染 物( 特别是农药) 迁移机理研究更加深入。著名的农业管理系统中的化学污 染物径流负荷和流失模型( c r e a m ) 、用于农业非点源管理和政策制定的农 业非点源污染模型( a g n e s ) 、农田尺度的水侵蚀预测预报模型( w e e p ) 、流 域非点源污染模拟模型( a n s w e r s ) 均在这一时期提出并应用于非点源污 染的负荷定量计算、控制措施效果评价以及政策的制定p j 。非点源污染模 型在建立新的应用型模型的基础上，重点加强了3 s ( v , s 、g p s 、g i s ) 与非 点源污染模型结合和应用。这一时期g i s 研究与应用的突出成果是专业 g i s 软件的丌发及用于潜在非点源污染的三维图形的输出。 9 0 年代，非点源污染的研究更加活跃，与非点源污染控制相关的影响 因子研究层出不穷。非点源污染的研究注重新技术的应用、研究范围的扩 展、管理控制及经济效益的分析。控制治理手段从化学及工程治理措施逐 步转向对流域的整体景观生态治理，与非点源污染负荷估算相关的流域开 发方案、非点源污染管理模型和非点源污染风险评价成为本时期应用模型 研究的最新突破点。其中，比较著名的有美国国家环保局开发的b a s i n s 和美国农业部农业研究所开发的a g n e s 9 8 等。g r a s s g i s 、a r c l n f o 与 w e e p 、a g n p s 、u s l e 相结合进一步用于非点源污染危险区域识别、显 示多种非点源污染输出结果、绘制水源防护区范围和设计地表水监测网等 众多方面一j 。计算机软件的开发混合专家系统、多语种非点源污染模 型软件的出现为非点源污染的研究、削减和控制提供了前所未有的方便。 1 , 2 2 国内研究现状 我国研究工作基本上按照国外经验，实地监测降雨径流水质、水量基 础上，应用流域水文模型或与其相关的模型模拟和估算非点源污染负荷， 提出污染和控制的对策。 我国的非点源污染研究始于2 0 世纪8 0 年代初的全国湖泊、水库富营 养化调查、河流水质规划和北京城市径流污染的研究中。基于受纳水体水 质的分析，计算汇水区农业非点源污染输出量的经验统计模型在这一时期 发展较快并广泛应用，城区径流污染负荷模拟模型主要从径流量与污染负 4 荷的相关、单位线、地表物质累积规律三个角度进行研究。通用土壤流失 方程首次在我国用于非点源污染的危险区域识别研究。 进入9 0 年代，我国的非点源污染研究更加活跃。农药、化肥污染的 宏观特征、影响因素研究和黑箱经验统计模式继续在农业非点源污染研究 中占重要地位。分雨强计算城区径流污染负荷为城市径流污染负荷定量计 算提供了新方法。将农业、城市非点源污染负荷模型与3 s 技术结合，与水 质模型对接，用于流域水质管理成为农业、城市非点源污染研究的新生长 点。油田开发区石油污染、生物污染、大气沉降等非点源污染研究有了新 的进展，系统动力学方法也应用于坡面林地土壤流失的研究中f l o j 。 进入二十一世纪，各种建设工程的非点源污染受到研究工作者的瞩 目。各项开发建设项目，如高速公路建设项目、矿山开采项目、半悬索道 建设项目、矿区、建筑工地的土壤流失量和非点源污染负荷量的计算研究 也有一定的发展“”。 国内非点源污染研究与国外发达国家相比，研究范围较窄，管理实践 进展也较为缓慢。我国的非点源污染控制与管理措施除了水土保持方法和 少量生态工程技术控制 15 1 外，其它成果不多。非点源毒性污染物对水生生 物和人体健康的危害研究在我国也比较薄弱 9 】o 1 3 非点源污染模型研究存在问题及发展趋势 1 3 1 存在问题 几十年来，世界各国对非点源污染的产生和输出机理研究取得了一定 的收获，尤其是新技术，如3 s 、示踪技术的应用大大开拓了研究的领域， 提高了对污染物量化研究的效率和精度，也推进了研究模型的发展。但是 由于非点源污染本身的复杂性，使其研究和控制遇到了各种困难，在模型 发展中尚存在以下几点问题： ( 1 ) 目前的非点源污染模型，研究型模型多、应用型模型少，经验型模 型多、机理型模型少，不适应非点源污染机理研究的要求； f 2 ) 3 s 技术、示踪技术、专家系统用于非点源污染模型软件的开发应 用研究还未普及，有关非点源污染模型与计算机软件的对接与开发应用在 国内仍处于研究阶段： f 3 1 有关非点源污染负荷量的计算方法和模型很多，但参数确定复杂， 并且由于不同学者研究的对象和区域不同、研究方法不统一，所得出的结 论具有地域的局限性，不能广泛推广应用。 1 3 2 发展趋势 非点源污染本身特性的复杂性，来源与危害的广泛性，决定了其模型 研究的重要和艰巨，需进一步深入研究。在总结目前研究现状的基础上， 认为非点源污染模型未来的发展趋势表现在以下几个方耐3 、1 6 “7 ： ( 1 ) 以多学科联合的形式，完善对非点源污染物迁移转化机理的研究； ( 2 ) 运用g i s 、g p s 、r s 等新技术新方法对空间地理数据进行采集、处 理和分析的能力解决参数的选择问题，提高模型参数的精确度，实现对非 点源污染的监测和控制能力； ( 3 ) 进一步发展关于以过程为依据的农业区、山地的土壤流失和污染物 质迁移模型的研究，并解决微观尺度机理模型推广到宏观尺度时的准确性 问题： ( 4 ) 非点源模型具有很大的不确定性，不确定性分析将成为今后模型研 究的热点。 我国目前在非点源污染的治理手段、管理措施、政策有效性的量化研 究方面仍是一个空白，建立适合国情的非点源污染模型、防治和管理综合 体系是一长期渐进的过程。可行的建议有：建立非点源污染的数据库，作 为研究、管理的依据；开发适合我国园情的非点源污染模拟、管理和量化 评价模型以及g i s 应用软件；在城市和农业规划中加入非点源污染防治的 内容；在污染物迁移转化机制研究的基础上，完善水环境的总量控制和点 源排污权交易，开展政策研究，为实现远期的点源一非点源排污交易做准 备，最终实现环境一经济总效益的最优化。 6 1 4 选题意义和方法 1 4 1 选题意义 在非点源污染研究中，土地利用方式与污染物负荷之间的关系是国内 外研究非点源污染的基本出发点，而土壤流失是非点源污染的重要形式。 w i s c h m e i e r 和s m i t h 提出的美国通用土壤流失方程( u s l e ) ，在众多土壤侵 蚀预报经验模型中，以其突出的经济、实用优势受到许多国家和科学家的 重视。它不仅科学地预测预报土壤流失量，而且己成为合理利用土地和选 择最佳水土保持治理措施的有用工具，尤其是它计算方法的科学性、易操 作性和实用性，成为众多学者和科技工作者的首选。 自从通用土壤流失方程提出以来，得以广泛的应用，并在模型参数的 确定、计算精度的提高上得到深入的发展。但由于各国各地区的自然条件 差异很大，直接应用u s l e 计算其负荷量难以保证计算的精度。因此，在 对侵蚀因子进行深入分析和定量评价的基础上，建立适合于本国家或本地 区的土壤侵蚀预报模型是区域水土流失预测的基础性工作。 刘枫等人曾利用u s l e 方程定量地研究了于桥水库的非点源污染规 律，王宁等人也曾利用u s l e 研究了吉林省松花湖流域非点源污染流失程 度，均发现在非点源污染量化模型的运用中，流域地貌特征( 特别是坡度) 和植被覆盖度是制约非点源污染空间差异的两个关键因素，丽植被覆盖因 子以其类型和影响因素的多样性，在一定条件下，决定了土壤侵蚀强度的 大小。因此，在土壤侵蚀预测模型u s l e 中，植被因子( c 值) 是影响土壤 流失量计算的最主要因素。 国内众多应用u s l e 模型进行区域非点源污染物负荷量计算的研究 中，南方红壤丘陵区、黄土高原地区、辽北低山丘陵区和黑龙江省克山县 丘陵区比较深入地研究了模型中c 值的取值方法和范围。但是适合于吉林 省丘陵区黑土、暗棕壤以及其他类土壤的c 值研究未见报道。吉林地区因 其特殊的地理位置、气候条件、土壤及其植被类型，其c 值也有很大差别。 目前东北地区在应用通用土壤流失方程计算土壤流失量时，多数采用原通 用土壤流失方程中给出的c 值或我国其他地区的经验值，这严重影响到土 壤流失量估算的准确性和全国范围内土壤流失量数据库的建立工作。因 此，将u s l e 模型中植被因子作为本文研究的目的，建立一套适合于本地 区的c 值，是具有实用性和开创性的一项工作。 1 4 2 研究方法 本地区选择典型实验小区，按标准的微型小区进行不同土地利用类型 与相同条件下裸地的人工降雨对比试验。设计降雨量、降雨强度和坡度、 植被覆盖度，进行人工降雨中土壤流失量的采集及计算，估算出各种土地 利用类型中的c 值。以本次试验c 值与原模型中经验c 值共同进行流域 土壤流失量及n 、p 流失量的计算，比较其差异，并对流域的土壤流失量 进行验证。分析试验c 值的科学性和实用性，是本论文中c 值研究的重点。 2 非点源污染模型主要影响因素的研究 2 1 非点源污染研究方法 非点源污染研究方法有野外实地监测法、人工模拟试验法、非点源污 染模型法以及g i s 技术等【l ”。 1 1 野外实地监测法 非点源污染研究的关键是能否获取必要的基本数据( 包括背景资料和 降雨径流监测数据) 。早期的研究工作中，所有资料几乎全部依赖于野外实 地监测。但是，由于非点源污染是一种问歇发生的，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 的一种形式，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j 下。 综合试验场法在研究区域内选择一块面积不大，又有代表性的典型 径流小区，在径流小区内同步监测降雨径流的水量和水质。最后，以小区 的污染单位负荷量估算整个研究区域的非点源污染负荷量。采用这种方 法，工作量不多，花费也较少，因而在我国得到广泛应用。但是，工作中 典型小区较难确定，而且非点源污染是一种时空差异性很强的现象，仅以 小区研究代替大区域，显然污染负荷的估算精度不高，也不利于了解污染 的地域差异。 类型划分法方法与综合试验场法基本相同。不同点在于，先对研究 区域进行详细调查，根据土地利用状况划分为不同的非点源类型区，然后 在每个源类型区内选择一块典型小区作为径流试验场，同步监测水量和水 质，建立各源类型的污染负荷估算模型。这种方法考虑了不同土地利用对 非点源污染总负荷量的贡献，因而大大提高了估算精度，但是工作量和费 用也相应增加了很多。 9 2 1 人工模拟试验法 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到的数据，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。 3 1 非点源污染模型法 非点源污染研究模型是对污染物地表迁移过程的客观描述，是计算污 染物进入流域中河流或湖泊负荷量的量化模拟，因此是非点源污染研究的 重要环节。非点源污染模型分为机理型模型、经验型模型、负荷量计算模 型和控制治理模型等许多种类。以不同的模型模拟流域污染物时空分布规 律和地表迁移过程、估算污染物的流失量，是目前最常用的研究方法之一。 4 ) g i s 技术应用 地理信息系统( g i s ) 是一个处理地理空间数据，包括数据的采集、存储 管理、查询分析，并可进行辅助决策的计算机系统。g i s 分层处理数据的 功能及领域分析、叠加分析、缓冲区分析等空间分析功能可极大地方便非 点源污染的模拟、预测和管理决策。g i s 可以对模型运算的结果进行综合 处理，输出图形、数据报表，并可进行相关的空间数据和属性数据间的互 动查询。 g i s 与非点源污染模型的结合，能对g i s 景观视觉效果分析、评价图 形生成等模拟结果进行可视化处理，使模拟结果分析更加直观，更容易得 出进一步结论和成果。另一方面，g i s 的介入，使模型的检验、校正更加 容易，而且g i s 的空间表现能力会使环境模型的视觉效果有质的飞跃，从 而有助于模型质量的改进和提高。g i s 的应用，增强了人们对非点源污染 情况进行分析和作出正确决策的能力，并可提高模型的模拟精度和运行速 度，节约资金，对非点源污染的定量化研究具有重要意义。 目前流域的非点源污染负荷量计算的研究趋于将g i s 技术、模型模拟 手段和实地监测方法相结合，得到较真实的计算值。因此，除g i s 方法、 实地监测法外，模型的选择至关重要。 2 , 2 土壤侵蚀模型通用土壤流失方程( u s l e ) 在众多的土壤侵蚀和非点源污染负荷量计算模型中，美国通用土壤流 失方程f u s l e ) 应用最广泛，实用价值最高。 美国通用土壤流失方程( u n i v e r s a l s o i ll o s s e q u a t i o n - u s l e l 是 w i s c h r n e i e r 和s m i t h 于1 9 7 8 年提出的。由于其模型在应用中的经济性和 实用性，使得它成为土壤侵蚀研究中的最经典的模型，也是非点源污染研 究中使用频率最高的模型。该模型在未来也仍将受到广泛重视。 最早的通用土壤流失方程是美国1 9 5 8 年利用3 6 个地区8 0 0 0 个径流 小区一年的观测数据得出的分析研究成果。通用土壤流失方程u s l e 第一 次在文中正式出现是在1 9 5 9 年【l 。相对于一些区域性的土壤流失方程而 言，它可以应用于美国洛杉矶以东广大地区，因而称为“通用”。从1 9 6 5 年美国农业部以农业手册第2 8 2 号将该方程正式发表以来，历经几十年， 不断修订完善，在美国乃至世界范围内得到了广泛推广和应用，并在土地 资源调查、水土保持规划等方面起到了重要的作用f 1 9 】。我国从2 0 世纪8 0 年代以来，开始引进通用土壤流失方程，对于我国土壤侵蚀预报模型的研 制起到了积极的作用。 方程的研究和发展，可分为6 5 年版、7 8 年版和9 7 年版。6 5 年版的 u s l e ，定性地说明了影响因素如作物覆盖、耕作历史、生产力水平、作 物残体、轮作牧草和冬季覆盖物等的作用。7 8 年版的u s l e 尽管沿用了前 一版计算c 因子的方法，但已经提出了次因子的概念，认为c 因子的每个 影响因素都可以看作是一个次因子，数值上等于有无此项时土壤流失量的 比值，c 值则是所有这些次因子的乘积，其所考虑的主要次因子包括：耕 地方式、植物冠层、壤中残余物、地上作物残体覆盖和土地利用的残余效 应。9 7 年版经过修正后的通用土壤流失方程( r u s l e ) ，采用了次因子法， 就是不再使用基于观测数据的土壤流失比率表，而是估计各次因子的值， 相乘得到土壤流失比率，它考虑了五个次因子：前期土地利用次因子 ( p l u ) 、冠层覆盖次因子( c c ) 、表面糙度次因子( s r ) 、土壤水分次因子( s m ) 和地面覆盖次因子( s c ) ，每个次因子都有具体的计算公式或详细的估算方 法【2 0 。 u s l e 由降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长坡度因子、土壤保 持措施因子和植被覆盖与管理因子5 大因子组成，具体表达形式如下： a = e k l s p c 式中：a 年平均土壤流失量( 们i r 血2 a ) ： e 降雨侵蚀力因子； k 土壤可蚀性因子； l s 坡长坡度因子； p 土壤保持措旋因子； c 植被覆盖与管理因子。 美国的u s l e 方程是以小流域为基础建立的，而我国地域辽阔，气候、 土壤、地形等因子区域变化很大，很难直接应用u s l e ，因此我们参照吉 林省三湖环境整治与综合开发研究课题中对该方程结构及参数调整后的 模型【2 1 ，将方程中土壤保持措施因子p 和土壤可蚀性因子k 合并为一个因 子土壤侵蚀因子s t ；植被覆盖与管理因子更改为植被因子。这样，经 修改后的土壤流失量预测预报模型为： a = i ps t 1 9 c 式中：a 一土壤流失量( 饥2 a ) r 一降雨侵蚀力因子 s t - 一土壤侵蚀因子 l s 一平均坡度坡长因子 c 植被因子 在u s l e 四大因子的确定中，植被因子c 值以其多变性( 美国玉米c 值大小有1 2 0 余种) 和变化幅度之大( 0 0 0 1 1 ) 、影响因素繁多、反应机理 复杂而成为方程最主要的影响因素。而植被类型和植被覆盖度是植被因子 c 值的主要影响因素。 2 3 植被与土壤侵蚀的关系 植被，包括森林、灌丛和草地，既是生态环境的重要构成部分，又是 维持生态环境、发挥有效生态效能的功能体，是衡量自然生态环境状况和 性质的主要指示物2 2 1 。在土壤流失的诸影响因素中，植被是一个十分重要 的因子。一切形式的植被覆盖，均可不同程度地抑制土壤侵蚀的发生。植 被对侵蚀的影响是占主导地位的。 植被防止土壤侵蚀的作用主要包括对降雨能量的削减作用、保水作用 和抗侵蚀作用23 1 。植被利用本身的内部因素和周围环境的外部因素来实现 对土壤侵蚀的防治作用。植被的内部因素即为植被的垂直结构，而外部因 素指植被的水平结构。植被的水土保持功能是其内部各个垂直层次截留降 雨、拦蓄径流从而削减降雨侵蚀动能和径流冲刷以及植被水平结构综合作 用的体现瞄。 2 3 1 植被垂直结构性因素分析 植被，尤其是天然林，有比较完整而稳定的群落结构。根据植被的空 间分布，可划分为冠层、地表枯枝落叶层及地下根系分布层【2 ”。大气降水 进入植被生态系统，首先接触冠层，植被冠层除了对降水具有拦截和蓄积 滞留作用外，还对降落在冠层上的降水在向下移动过程中产生再分配的作 用，其中一部分水沿着植被的树干流到地面形成干流。地表的枯枝落叶层 具有很大的持水能力，可以有效地吸持降落到地表的水分，延缓地表径流 的流速，增加入渗时间；而地下根系层除了能够有效增加入渗外，还可以 有效地提高土壤的抗冲性，保护土壤团聚体免遭降雨的破坏。还有大量积 累的有机质和根系的活动，使得土壤腐殖层和其他发生层具有发达的非毛 管孔隙和良好的透水性，防止地表结皮的形成，将大量的地表快速径流转 化为土壤慢速流，降低固体污染物输出【2 6 。因此植被具有巨大的涵养水源 及防侵蚀作用。同时植被生长可将土壤慢速径流中的大量营养物质吸收， 加之土壤是多孔介质，能吸附污染物，从而净化水质【2 “。 2 3 1 1 植被冠层对降水的截留缓冲作用 林冠以其巨大的枝叶表面能吸附降水，当表面张力与重力均衡作用失 去平衡时，一部分降水滴落到地面。林冠截留降水量与树种类型、组成、 结构、高度、林龄、郁闭度及降水强度、降水历时有关。 乔木层首先通过截留作用减少地表土壤或流域的水分收入量。通常认 为乔木层削弱降雨动能由两部分组成：一是林冠对降雨的截留作用减弱了 降雨势能e p 。：二是林冠对降雨的缓冲作用减弱了降雨能量e p 。【2 3 。据温 远光等( 1 9 9 5 ) 的研究，我国主要森林生态系统的林冠平均截留量变动在 1 3 4 0 8 4 3 4 m m ，截留率平均值变动在11 4 3 6 5 之间 2 4 1 。 灌木草本层与乔木层一样有截留降雨的作用。其截留量的大小取决于 枝叶量的大小。据刘向东等( 1 9 8 9 ) 对六盘山林区的研究，灌木草本层的最 大截留量占大气降水量的1 8 - - 1 6 【2 4 】。 雷瑞德等( 1 9 8 8 ) 研究发现群落盖度的高低与植被水土保持效果有很好 的相关关系【2 “，单从高低来讲，矮层草本植物群落及灌木林的水土保持效 果优于高大乔木。以乔木为建群种的高大植物群落，其林冠层的盖度对土 壤侵蚀并不起决定作用。植被枝叶和主干仅能拦截部分降雨量，还有一部 分降雨量在枝叶上形成大水滴后落地面，可对地表形成较大水滴的击溅侵 蚀。 虽然林冠层尽管对土壤侵蚀的直接作用较小，但它在植物群落学中仍 然是一个重要因素。因为林冠层盖度( 尤其建群林木盖度) 对森林环境的形 成以及群落建成起着重要作用。它实质上对保持水土起重要作用的灌草层 和枯落物层的形成起着间接作用【2 ”。林冠层盖度高，其下的阳性灌草发育 受到抑制，但耐阴植物却能发育，而且枯落物因分解速率低而得到积累； 反之，林冠郁闭程度低，枯落物易分解，难以得到积累。即使林下已发育 良好的枯落物，假若没有林冠，它也不会长久得以存在。从长远来说，乔 木林更适于发挥涵养水源的功能。 1 4 2 3 ，1 2 枯落物层吸收调节地表径流作用 枯枝落叶在森林生态系统中不仅是土壤营养库，同时也是土壤的保护 层，有着良好的水文生态功能。越来越多的资料表明：森林的防蚀作用与 枯枝落叶的状况有着极为密切的关系，并取决于林地枯枝落叶层的发育程 度2 6 1 。发育良好的枯落物，使降水不可能在林地形成侵蚀性股流。 枯枝落叶层覆盖在地表上，具有抗雨滴击溅和截留作用，还具有很大 的持水能力，可以有效地吸持降落到地表的水分，防止土壤板结，增加地 表粗糙度，并分散水流，延缓地表径流的流速，增加入渗时间【2 “。 植被每年产生的大量枯枝落叶，可大量地增加土壤中的有机质，经微 生物分解后变成腐殖质。腐殖质又促使土壤生物和微生物种类、数量增加， 活力增强，并与土壤结合形成良好的团粒结构，可以减轻土壤容重，增加 土壤孔隙度，改善土壤理化性状，减小土壤分散性，提高土壤整体抗蚀能 力。 枯枝落叶层由于结构疏松、通气良好，因此具有很高的透水性和水容 量( 吸水能力) 。它的吸水性能一方面与其厚度正比，另一方面与形成枯枝 落叶层的树种、树种组成及林龄有密切关系【2 。一般来说，混交林的枯枝 落叶层比纯林的厚度大，吸水能力强；阔叶林比针叶林的枯枝落叶层厚度 大，吸水能力强；林龄大的比林龄小的枯枝落叶层厚度大，吸水能力强； 枯落物层通过自身吸收降水，截留部分降水，其截留量相当于自身重量的 1 7 3 5 倍( 汪有科等) ，相当于2 - 3 m m 。 汪有科等( 2 0 0 0 ) 的试验表明，枯落物的抗冲抗蚀能力伴随其厚度增加 而提高，当径流进入枯枝落叶层内时，径流所携带的泥沙绝大部分都可沉 积下来，从而大大减少了径流和泥沙的流失量。对于油松林和山杨林而言， 当地表存在大于l c m 的枯落物时，就可以减少土壤冲失量的9 0 和 8 3 2 5 。 枯落物层还减缓地表径流流速。无枯落物的坡面径流流速是有o 5 c m 厚枯落物层的6 8 1 3 5 倍，无枯落物的坡面径流冲刷动能是有枯落物层坡 面的8 2 - 2 7 2 倍 2 ”。枯枝落叶层还能降低土壤温度的递变率，有利于土壤 入渗过程的顺利进行 2 9 1 。 2 3 1 3 根系层防止水土流失的作用 植物根系在土体中交织穿插，提高了土壤的固土抗冲能力。所谓土壤 的抗冲性，是指土壤对抗径流冲刷破坏的能力。根系抗冲性主要决定于有 效根密度的多少，与直径 牧草 草灌 间作，而土壤流失量大小顺序与此基本一致。 根据三峡库区1 9 9 1 1 9 9 3 年的定位观测资料看出【2 ”，林地的土壤流失 量远小于农耕地和荒地。如马尾松林仅为农地的4 6 4 ，松栎林为农地的 4 4 2 ；林地的土壤流失仅为灌木林地的1 6 0 4 。由此可见，农耕地是土 壤流失的源泉，是导致土壤石砾化的主要原因。森林能控制土壤侵蚀，起 到净化流域水质的作用，且不同森林类型的土壤流失量差异较大，乔木林 的流失量仅为灌草地的1 5 1 2 7 。 3 植被因子c 值的研究 c 值是根据地面植物覆盖状况不同而反映植被对土壤流失影响的因 素。在u s l e 的五大因子不同参数的确定中，c 值以其影响因素繁多、 反