（环境科学专业论文）镜泊湖流域非点源污染研究.pdf

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t 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己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名日期： 2 q q 二4 二2 2 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。本人授权东北师范人学可 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 日期 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：盟 日 期：! q q = 4 ：2 2 墨蕉匹省塾墨堑直竖堡旦 牡划：婆直酉三釜堕3 2 曼 电话 邮编 1 5 7 0 0 0 第一章非点源污染研究概述 一非点源污染问题 ( 一) 水环境非点源污染的定义和由来 1 水环境非点源污染问题的由来 水资源危机目前已成为世界上一个十分尖锐的社会问题，水资源危机不仅表 现在水量的不足，更反应在水质的恶化。随着工业企业等点源污染的有效控制， 非点源污染已经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。 从世界范围来看，非点源已成为水环境的一大污染源或首要污染源。在美国， 6 0 的水环境污染起源于非点源。在奥地利北部地区，据计算进入水环境的非点 源氮量远比点源大。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 污染引起的。荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 5 0 。在我国，非点源污染问题也日益严重，在太湖和滇池等重要湖泊， 非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一 2 _ 5 】。 2 非点源污染的定义 非点源污染( n o n p o i n tp 0 1 1 u t i o n ) ，或称面源污染( d i 丘 u s e dp o l l u t i o n ) ，是指溶 解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起的水体 污染。与点源污染相比，非点源污染的时空范围更广，不确定性更火，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。 美国清洁水法修正案【2 3 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”。 般将非点源污染分为城市和农村非点源污染两大类。具体研究中常按土地 利用方式或污染源特点进行细分【“”。 3 非点源的范畴 非点源污染包括大气环境的非点源、土壤环境的非点源和水环境的非点源三 类。水环境的非点源包括大气干湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污染等 诸多方面。降雨径流污染，即通常意义( 狭义) 的非点源污染，是与降水过程伴随 进行的地表径流污染。土壤侵蚀介于大气干湿沉降、降雨径流之间，既包括风蚀， 种，根据入湖( 库) 方式分别进行控制。本文采用后一种分类。镜泊湖地区非点源 污染物共分两大类七小类，即 薹 二二二二二二二二二二二二源 二、地表水环境非点源污染研究现状 水环境的非点源污染包括暴雨径流、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。 ( 一) 国外研究现状 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 通过多年调查、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 1 5 】。因此，即使全 部使用现有最佳的点源控制技术，如不考虑非点源污染，也不能实现预期的水质 目标。事实上，人们对非点源污染的认识和警觉早在4 0 年代末就开始，地理科 学工作者对于非点源污染的重要表现形式土壤侵蚀就已有所认识，并且作为 化学地理研究的重要内容，到6 0 年代，被认为是影响农业生产发展的限制性因 素而使研究更受重视。 1 研究内容与时段 国外对非点源污染的研究大致分为四个阶段。 7 0 年代初期，人们逐渐认识了非点源污染问题的严重性，侧重对非点源污 染的调查和原因分析，出现了以暴雨水管理模型( s w m m ) 【8 等为代表的少量研究 2 j 流 静释流表表径地地表地 业地工 牧区筑农林建 rj、l 饵投殖 养业 雨尘面游降降湖旅 rj。il 模型；7 0 年代中期到8 0 年代中期，非点源污染的研究进入了一个e 速发展的时 段，而且是一个以模型进行机理模拟化的研究阶段：8 0 年代中期到9 0 年代后期， 对非点源污染的生物治理及管理控制实施已经引起关注，计算机软件的丌发，在 评价控制和规划管理中起到了举足轻重的作用；9 0 年代以来，非点源污染的研 究注重新技术的应用、研究范围的扩展、对非点源污染管理控制及经济效益的分 析。 2 研究方法及模型 总的来说，对非点源污染的研究方法比较多，并随着环境地学分析方法的进 展，科学技术的飞跃，实现了一个从调查归纳、提取总结一表象化方法，模型 辨识、抽象评价一模拟化方法，到3 s 技术一智能化方法的结合过程，最佳途 径是几种方法的结合与互补 i l 】。 8 0 年代末，美国m a m l a 等应用g i s 作出了潜在径流量土壤侵蚀污染潜势和 微生物污染的三维立体分布图，从而传递地形效应、土壤类别、土地利用和管理 实践的效应，用于进行非点源污染的风险评价【12 1 ，取得较好的效果。 7 0 年代以来，国外提出了许多非点源污染模型，用于定量化研究、预测非 点源污染物的负荷量，在制定防治和管理措施方面也起到了重要作用，是研究工 作中不可忽视的一部分成果。 ( 二) 国内研究概况 我国非点源污染研究是以8 0 年代初北京、苏州、南京等城市面源污染研究 为起点的，逐渐扩大到四川沱江、三峡库区、天津于桥、云南滇池、广东东江等 农业及各方面非点源污染。 1 研究方法 以实地监测降雨径流的水质、水量为基础，应用水文模型或其他相关模型来 模拟和估算非点源污染物的负荷量，这是国内研究的最基本方法。这对于划定研 究范围、辨识污染区及主要污染物、从而确定非点源污染对于水环境污染的贡献 率，提出管理和控制措施都是非常重要的。从7 0 年代初开始，把整个流域划分 为若干个试验小区同步采样，从实地描述自然地理因素，到应用3 s 技术，研究 手段有了长足的进步，研究方法仍是以实测一模拟一估算一判定为顺序的。 在非点源污染研究的系列工作中，污染物负荷量的估算非常重要，但难度又 4 量【3 2 _ 3 5 】。 中科院长春地理所杨爱玲等在系统分析城市饮用水地表水源地的各种污染 来源基础上，采用源区分析法布设四种土地利用类型实验场，采样分析降雨径流 污染，用h a i t h 污染负荷函数的概化模型，进行了非点源污染负荷与负荷比的估 算。结果表明，由非点源进入水体的t n 、c o d m n 、n 0 3 n 的污染负荷分别占总 污染负荷的8 1 4 8 、8 2 0 4 和8 4 4 8 ，说明在我国部分城市，尤其是东北地区 的城市饮用水地表水源中，非点源污染已上升为水源地的主要污染源【5 。 综上所述，我国研究工作基本上按照国外经验，在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来模拟和估算非点源污染负 荷。估算方法大致有两种，一是通过对非点源污染物输出的三个重要环节一降 雨径流、水土流失、污染物迁移的模拟，估算其输出量；另一种方法是抛开污染 物在区域地表的实际迁移过程，立足于受纳水体水质的分析，计算汇水区域污染 物输出量的经验统计模型。由于第一种方法要求基础数据、技术手段较高，参数 率确定困难，在我国进展不大，应用不多。第二种方法比较适合我国国情。因此， 应用较广，发展很快，并在改进模型、研究参数确定、模拟区域自然环境、提高 计算和预测的精度方面做了有益的尝试。 ( 三) 发展趋势 非点源污染未来的发展趋势有以下几个方面：1 ) 非点源污染研究将会倍受重 视，并多学科联合，完善其理论研究；2 ) 加强模型化研究，模型的建立以污染物 的产生迁移转化机理为基础，兼顾不同的时空尺度，便于推广应用，促进非点源 污染的定量化；3 1 运用各种新技术新方法，如运用g i s 、g p s 、r s 等对空间地理 数据进行采集处理和分析的功能与非点源污染的常规监测结合，提高对非点源污 染的监测和控制能力；4 ) 研究并推广应用集成化非点源污染模型软件，建立区域 的或全国性的完善的数据库，只需用户输入所需参数，就可以自动输出土壤侵蚀 量；5 ) 制定各种控制管理措施，完善各项法律政策，最终降低非点源污染的影响。 三、选题依据及研究内容 镜泊湖是一个由火山喷发堵塞河道形成的高山堰塞湖，水面7 9 3 平方公里， 湖深平均2 0 米，最深4 8 米。2 0 世纪七十年代，由于土地利用率低，旅游活动 较少，水质较好。但从八十年代起，湖水污染逐渐加重；九十年代以来，由于旅 6 游业发鼹，农周地增加，林地玻坏，湖泊已达襄营养他，蓝藻多次爆发，直接影 响到旅游业发腰及下游饮用水水源地的安全。进入2 1 馓纪，据2 0 0 l 2 0 0 5 年水 质监测，湖体总氮平均1 1 m g 瓜，变化范围o 9 5 - 1 2 m g 艉；总磷o 0 9 m g 几，变化 范围o 0 5 9 o 1 0 5 m l ；高锰酸箍指数6 5 m 班，水体达副类。究其潦因，流域 内除了点源污染外，非点源污染已目渐凸显。流域内耕地面积、旅游人数、牲菊 饲养耋都在迅遴增加。非点源污染已经成为污染的重要因素。函此，为了控制镜 泊潮富翁养化越势的发展，特别是保障下游2 8 0 万人饮用水安全，本论文把镜泊 潮流域的菲点源污染傲为研究对象，戳期为治壤稻管瀵工彳辛掇供借签。 7 第二章研究区域概况 一、研究区域概况 镜泊湖位于我国东北的长白山余脉，张广才岭和老爷岭的深山狭谷之中。一万年以 前，由于火山熔岩喷发，堰塞牡丹江河道，形成亚洲最大的高山河道型深水湖泊。镜泊 湖风景名胜区面积1 2 6 0 平方公里，湖水面积9 1 平方公里，容积1 6 亿立方米，平均水 深1 3 米，最大水深4 8 米。湖面水平如镜，两岸青山翠柏，风景如画，气候宜人，是著 名的避署胜地，每年接待游人达百万。是国务院第一批命名的国家级风景名胜区。 2 0 世纪6 0 7 0 年代，镜泊湖水质属国家i 类水体。随着旅游业无序发展，上游城 市的扩大，人类活动增加，8 0 年代水质下降到i 类，沿湖以旅游业为主的宾馆、饭店已 达8 0 多家，树木砍伐、植被破坏、开荒、建房等，不仅严重破坏景观，还造成水土流 失。排放入湖的生活污水也逐年增加，湖内水体营养盐增加，藻类暴长，透明度下降。 由于水生生物生长过旺，湖内出现以蓝藻为主的藻类，占据4 0 的水面，直接影响了景 观，并且使水质下降至类。目前湖水高锰酸盐指数己达6 9 m l ，总磷0 0 8m 鲋，总氮 1 1m l ，已达中度富营养化水体，严重影响景观，并对下游的生产、生活用水产生影 响。 二、非点源污染研究方法 根据镜泊湖流域非点源污染物特点，结合多年的工作实践，提出了结合本地区的研 究方法。 非点源污染因素很多，首先必须进行湖区流域的全面调研。根据所规划的区域进行 流域地形地貌、气象、土壤植被、土地利用及耕作方式调查，并结合6 8 7 张航照及4 张 卫照判读，在此基础上划分单元小区和探索典型小区，在各小区内进行调研和监测( 辅 以实验) ，然后选择非点源污染模型，按模型所需的数据进行现场调研、监测。在典型 小区进行暴雨产流观测( 并配合小区内气象监测) ，产流全过程监测，固态氮、磷及溶 解态氮、磷监测、汇水面积测绘及土壤容量、渗透系数实验。各单元小区应用模型进行 计算后，与典型小区实测结果对比，并进行参数修正，得出整个流域非点源污染物的流 失量。 ( 一) 单元小区选取原则和方法 单元小区划分原则： ( 1 ) 具有单一的土地利用类型 ( 2 ) 比较单一的土壤类型 ( 3 ) 降水的空间分布一致性 ( 4 ) 单一的人为管理方式 单元小区划分方法： 本湖区位于低山丘陵区，地形变化较大。由于对参数选取困难，我们在非点源工作时 把工作区不是定在全流域，而是以湖面四周中一级分水岭为界。而其它地区因为有固定 的进水口，则以点源方法取得入湖营养物量，这样非点源流域面积为5 4 5 8 8 k m 2 ( 陆) ， 在此范围内共划分七种类型单元小区，参见附图口l o ) ( 二) 单元小区划分 a 区河谷草甸土：分布在南部3 8 2 5 k n l 2 b 区旱田草甸土：分布在南部( 为主) 大部分垦植，面积6 2 6 勋n 2 c 区岗地白浆土：该区中部、南部、面积2 6 3 妇n 2 d 区河淤土：主要分布在北部，面积1 1 3 k m 2 e 区沼泽土：面积8 9 4 k i n 2 f 区人工破坏土：主要分布在北部，由建筑施工造成地表裸露，少部分为平整路 面，0 8 k m 2 ( 图件未标出) 。 i 区暗棕壤：遍布全区，组成山地，起伏大，植被覆盖较好，总面积4 8 7 8 7 k m 2 。 9 ( 三) 典溅小区的工作 典型小区所取得的参数是为模型验证服务的，可修正模型中的参数。本区 翳选择的典型小聪位于该区北部，三蟊环山，有一个较狭窄蜓出冰口，爨水臼处 建造一个人工矩形堰，总面积0 0 5 2 k m 2 ，进行产流观测，土壤观测及各项监测， 并对壤泡管弓l 力进行实验，觅装l 。 表1 典型小区产漉能力评价 土壤水文类型渗透系数删，h毛管张力( c m ) a ( 产滚l 力低) 7 。6 1 1 48 5 b ( 产流能力中等) 3 8 7 61 7 2 8 c ( 产流能力篱) l ，3 3 82 9 4 4 d ( 产流能力强)o 1 - 3 4 5 5 6 从表l 可见，a 区河谷草甸土毛管张力比较小( 8 1 6 c m ) ，对水的吸附能力差， 嚣蘧渗透系数较大( 7 。6 n 4 删嘭h ) ，降鼹靛产滚戆力裁较低；程爱，d 嚣为潺滚 淤积土，毛管张力较大( 4 5 5 6 c m ) ，对水的吸附能力很强，因此渗遴系数较小( o 1 3 m m 1 1 1 ，降雨产流的能力就强。 第三章非点源负荷模型 一、受骜模型的溉念 非点源污染在时间和空间上的不确定性，增加了调森的困难，人们无法直 接通过监测来确定非点污染源污染的排放爨。 1 9 8 7 年全国“七五”攻关课题全霍圭簧潮滚水库塞蘩券位援奁磅究课题 组在镜泊湖召开了非点源污染调查研究讲习班，介绍了国外普遍使用的模烈模拟 计冀方法来佶算非点源污染负荷羹的方法。 基翦，菲点激污染戆模拟基本上毒掰秘途经，一是集中参量法，鄂撼整个 集水面积餐成为一个单元，把单元内各种特性集中在一起做为一个均匀系统来表 示，用经验方程将参量的嫩终形式和数量加以简化。它的绝大多数数据惫稽野外 实溅资籽粒酸瘦避毒亍修正 瓣确定，从 嚣褥凑一个长麓豹、反应不劂戆承文气象情 况的输出，这种集中参量法应用的比较广泛。第二种方法为分散参量法，它是将 集水面积分成性质( 土壤、不透承性、傣携、坡度) 相同的较小单元，每个单元 分开进行攘拟，游各小单元静竣爨攘加，褥到总竣出。 综上所述，非点源污染基本上是一个与水文过程相关的问题，绝大多数非 点源模鍪蘩本上即楚流域水文模黧。这些模型是描述降永径流的转换过程与有关 盼水质特缎，大部分结构禽有以下几个基本部分： 1 、她表径流产生部分 2 、主壤部分 3 、经蚀部分 4 、冲刷部分 5 、主壤静蔽辩和解激部分 必须承认，非点源污染负荷数学模烈并不能表示这类事物的全部，它的准 确性和可靠性是有限的，但必竟怒目前非点源污染研究的最佳选榉。在近些年工 1 2 作中，感觉模型参数中最难确定的是水文模型，在确定污染物迁移转化首先要把 水文模委进行验诞，然磊楚侵蚀模垄，最籍才髓确定污染彩鲍迁移，三赣蹩褶互 关联的，螽者的拣确性与翁者的误差直接有关。 尽管非点源模型本舟决定了其误差不可避免，但它基本上体现了流域非点 滁污染的特征。接述了污染迁移转纯静全过程。灵簧缝合本遣区的特点不添修歪 参数，不断积累数据，完罄非点源模型。将有助于保护本流域湖泊的水质和防治 富营养化规划的制定，并将大大促进污染防治对策的实施。 二、c r 嚣触涯s 模型 该模型是美国农业郝1 9 7 8 年组织科学家开发建立的，c r e a m s 为c h e m i c a i r u n o f f a n de r o s i o n 肺m a 鲥c u j t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s 的英文缩写，分别由水 文、 曼镶稻营养貔子貘蘩分三步诗算竞袋。 ( 一) 水文子模挺 用美国土壤保持局的s c s 曲线参数方程计算暴雨产流量。产流的必爱条件 怒据瑟量、壤含水量、装承分下渗、蒸发及壤甥蒸黪。本挨整在计算降农产 流时，考虑降水前五天的土壤湿度。 ( 二) 侵蚀子模挺 逶过簿承产生坡露漫流( 魏摇识斓豹片流侵蚀委| 驳渡镘镶) 形成绞滤对地 面的浸蚀和流失的泥沙娥进行计算，描述经侵蚀膳水质、水量及混砂入湖全过程。 它包括对坡面及集水沟的测量，土壤粒级划分，迁移及寓集规律的研究。对于镰 涎潮遣送，由峦赣叠，莠且流域良莓较甓显豹集水沟，这样选取坡面漫流送向湖 黼一级分水岭为界，鉴于迁移和富集系数是本模型不可缺少的数据。采用上述方 法简化藤，对模燮进行了修改，并不失模型的精度。 ( 三) 鹫养秘予模型 该模型是计算随泥沙( 吸附态) 和径流( 溶解态) 从单元小区入湖的营养 物的量，在选取营养物的富集系数和实溺其浓度僵盾，该模鍪数值易褥。 c r e a m s 模型是以美国中北部农业地区为基础建立的，应用很j 1 + 泛。镜泊 湖地区具有与美国相应的纬度和气候条件；且此模型自上世纪8 0 年代引入中国 后，在部分地区也得到应用。但其土地利用类型以森林为主，人为管理方式、岩 石类型( 包括风化后土壤基本类型) 等不尽相同。本论文在运用国外先进模型的 同时，又收集和整理了牡丹江市及邻区( 克山、宾县) 土壤流失予报方程等的有 关因子；与黑龙江省水保所等有关单位对不同耕作方式的标准小区坡耕地( 与镜 泊湖耕类似) 实测或观测资料相比较，尽量结合我国国情进行计算和撰写的。 三、水文子模型 非点源营养物负荷量与降水( 特别是暴雨) 强度、下渗、蓄水特征及其它 水文参数密切相关，其实质是一个水文过程，即降雨径流及水文循环。 产生径流首要条件是降水和降水强度，达到地表后，又取决于植被、土壤、 温度及蒸发诸因素，在扣除所有损失之后剩余的雨量流入湖内。由此可见，降水 与径流不存在线性关系。 ( 一) s c s 曲线参数径流模型 c r e a m s 模型选用美国农业部水土保持局s c s 模型，该方法采用曲线参 数c n ( c u en u l n b e r ) 计算日降水产流量。这种模型已使用多年，输入参数 一般都可获得，计算方法简单，并且它把径流与土壤类型、土地利用和管理方式 统一起来，是一种经验参数模型。方程式如下： q = ( p o 2 s ) 2 ，( p + o 8 s ) ( 公式1 ) 式中：q ：径流量( c m ) p ：降水量( c m ) s ：滞留参数 上面公式适用范围是p 0 2 s 滞留参数s 可用无量纲径流曲线值c n 求得： s = ( 2 5 4 0 c n ) 一2 5 4 ( 公式2 ) 1 4 曲线c n 与渗透系数有关，是土壤、植被、管理和降水前期土壤温度的函 数，它表示一次降水过稔中地面水文条彳牛。 ( 二) 壤水文类型 根据土壤渗透率和产流能力大小，该模型将土壤分成四级土壤水文类型： a 型：产生堍表径流的铯力很低，由荔蓊 永的砂砾缀成。其渗透系数为7 6 1 1 4 e m m ； b 烈：土壤中含砂艟小于a 型，渗透系数鼹3 8 7 6 c r i l 小时，产流能力中 譬： c 型：土壤质地细腻，含砂量少，渗透系数为1 3 3 8 c 州小时，产流能力 商。 d 跫：藉犍壤，缀难透承，渗透系数褥小于1 3 e 耐小时，产滚能力疆。 经实验，镜泊湖地区以b 烈、a 型土壤为主( 参见表1 ) 除土壤类型之外，地面植被覆盖与土地管理方式与径流有很大关系。植被 覆盖莛好，著显鬻轮俸方式可傈护耪穗窍税震，减少流失，不破坏壤结穗， 属好的生长条件。 在e n 参数选择中，土壤的湿度最为重要，决定曲线参数c n 的前期土壤 瀑发霹划分三类： c n i ：干旱型，但柬达萎蔫点； c n h ：平均型，在鬃雨前期土壤水分为平均值； c n i 疆：滠澜墅，暴蘑兹五天有一定降承，壤呈绻帮状态； 表2 列出平均曲线参数值，波3 列出土壤降水前期瀑度，用前五天降水总和 表示。 表2 平均曲线参数值 覆盖 水文土壤分类 土地使用 水文 土地覆盖 处理ab c d 条件 休闲地 直行 好差7 7 7 28 6 8 1 9 1 8 8 9 4 9 l 直行好差 6 7 7 07 8 6 78 5 8 48 9 8 8 条件耕地等高种植好差6 5 ，6 6 1 s n 48 2 8 08 6 8 2 等高和梯田 好差6 2 6 57 l 7 67 8 8 48 l ，8 8 直行好著 6 3 6 31 s n 48 3 8 28 7 8 5 小黑作物等高种植好，差6 1 6 17 3 7 2 8 l 7 98 4 8 2 等高和梯田好，差 5 9 6 67 0 7 77 8 8 58 l 8 9 直行好差 5 8 6 47 2 7 58 1 8 38 5 8 5 轮作草甸 等高种植 妊j 差5 5 6 36 9 7 37 8 8 08 3 8 3 等高和梯田 好著5 1 6 86 3 ，7 97 6 8 68 0 8 9 草甸 灌木丛中等好4 9 3 96 9 ，6 1 7 9 7 4 8 4 8 0 农庄 等高种植 差4 76 78 18 8 中等2 55 97 58 3 好 63 57 07 9 道路 好 3 05 87 17 8 差4 56 67 78 3 ( 灰尘) 中等 3 66 07 37 9 好 2 55 57 07 7 好5 97 48 28 0 坚硬路面 好7 28 28 78 9 好 7 48 49 09 2 表3 土壤降水前期湿度 前五天降水总量( m m ) 类型 冬眠期生长期 c n i 5 3 表2 给出的c n 值，其它两种参数可用下式计算： c n i _ c n i i ( 2 3 3 4 0 0 1 3 c n ) c n i n i i ( 0 4 0 3 6 + 0 0 0 5 9 c n ) 6 2 0 0 2 年开始生长期( 臼天月平均温度大于l o ) 为4 月2 7 日，开始冬眠期为9 月2 3 嚣，襁雪裙礴l o 胃1 2 露，融鬻初目4 月l l 目，降雪蟊( 2 1 年残雪十2 0 年 冬降雪) 9 6 。8 强m ，降雨4 3 2 8 m m ，共降鐾力疆降雨2 8 次，其中c n l i 取值6 l ；c n i 取值为8 0 。 ( 三) 流域总径流量诗算 按s c s 方程计算各项降水产流量由表4 所列。 誉萼竺攀小麟澈和 q = g 绞= 翱 式中：q k ：从k 小区中产如的径流( c m ) a k ：k 小区面积( k m 2 ) 盹流域蓦疆轵毯醮2 ) a k ：k 小区在流域的比例 q ：流域总径流量( c m ) 表4 产流次日期降水量( c m )产流量( c m ) 4 1 7 4 2 54 oo8 1 6 。5 6 。8 4 。1 6o 7 0 i 6 1 l 6 1 77 8 430 3 7 7 22 4o 1 0 7 6 7 9 4 _ 3 2 o 盘4 7 1 3 7 1 82 6 9o 2 2 8 1 9 8 2 23 4 70 ；4 5 9 1 0 9 1 22 0 7o 0 3 9 1 6 9 1 92 2 20 0 6 9 3 3 1 76 2 4 经计算，流域总径流量3 4 0 6 2 8 万t 。其中： 7 a 类小区：游谷擎镯土径流量 b 类小区：旱田蕈甸土径流量 c 类小区：岗地白浆土径流量 d 嶷小区：河淤主径流量 e 类小区：沼泽土径流量 f 裳夺区：入工酸添区径流量 i 类小区：暗棕壤 四、後蚀子模翟 2 3 8 6 8 万l 3 9 0 6 万t 1 6 。4 1 万t 7 ，0 5 万t 5 5 7 9 万t 4 ，9 9 万t 3 0 4 4 3 1 万t 本次只考纛降水辩域蟊产艇的侵蚀，因降水侵蚀壤后带出营养物，同时 也带出泥沙进入湖体。这些带出的污染物除氮、磷营养舳外，还有有机盐类、盒 满、铵离子及其它毒程物质。 淀沙经侵蚀，输送到达湖体沉积是整个地质时代不间断进行鲍，要想完全 控制它，在目_ | j 是不可行的。然而，人类的活动增加了混沙的输入量，特别是不 合理开薹蠡、耪耱造成静窳流失，在镜滴潮遣嚣是分疆显静。 土壤的侵蚀量取决于降雨的力与壤抗降薅冲刷的能力缎合，通称为侵蚀 力。可用下面图解及公式表示，上式称为土壤流失方程。该方私是根据荚国东部 壹| 亟区王幸筝蠢褥豳豹，萁参数选箨薅考虑零潮区静实繇。 ：镘锤力： _ 一i ：降藤： i 一i 一， ：能量： 与 i 蘑锤懿静函数i i： 一 一 一 一 一1 1 0、t 一 一 | i。| | 一自 赫r l 通用土壤流失方程是用于估算从单元小区内通过地面漫流所产生的侵蚀量， 其方程表达式： x 三e i k l s c p ( 1 0 0 o o ) 式中：x - 一土壤流失量( 恤n 2 ) e l 一降雨侵蚀指数 1 0 一土壤侵蚀率 l s 一地形因子 c 一覆盖因子 p 一土壤保持措施因子 1 0 0 o o 一为单位换算常数 1 降雨侵蚀指数佃i ) ： 降雨侵蚀指数是指降雨侵蚀的力，一般指降雨动能和最大3 0 分钟降雨强度 乘积，目前有各种计算方法。本论文采用如下公式： e i j = 8 o r j l 5 1 式中：e i j 一为j 日降雨侵蚀指数 r j _ j 同的降雨量( c m ) 该方法是一种近似计算方法，其优点是日降雨量容易做到。这样有产流的 各次降雨e i 值经计算总和为1 1 0 0 0 。 2 、土壤侵蚀率( k 值) ： 这是反映土壤易受侵蚀程度的一个参数。它与土壤物理性质有关，土壤颗 粒粗，渗透性大则k 值低，反之则高。 k 值可用直接方法取得，我们收集省、市水土保持研究所同种类型土壤测 得的k 值。我们也从土壤特征、土壤结构和土壤渗透性查土壤町蚀性诺谟图得 到，然后进行分析比较而确定。各单元小区土壤不同土种类型k 值o 1 0 o 4 2 。 3 、地形因子( l s ) ： 地形因子是指坡长( l ) 和坡度( s ) 乘哈墓彬州劐型蛰驯移巨嘲 德喧獗龋弹 j ! 周隋淄疆陶雨隧臻艟鱼，黝址妨矽蚓碰圈匕1 ，= 驱吲射8 副姬辩魑莽 酵剥嗣拍臼一：息穆撂搭陛样延熏删彰二菇徭靡掣一泌爿滓岗强肺；卸逋磁绣攀 丘弼噬ii i 童i 薹辄赫始郭麟篙麓玮鸶! 溜糍；鬟目“黝封暂廊搦褐醛；例硼 器| 酒湖流域：型忖j 蠹砉洲冀k 孽姻臻鄂塑； 甚驷靳耄，饕翕盱矧点 源污染模型，并多 次对参数进行了修正，验证模型的可行性和适用性，得出以下结论： 1应用美国农业面源管理与化学径流模型( c z a m s ) 计算得出，镜泊湖流 域产流量3 4 0 6 2 8 万t ，a ； 2应用美国通用土壤流失方程( u l s e ) 计算得出，镜泊湖流域总侵蚀量为 44 0 6 8 t a 。3 经计算得出，流域中营养物质的总流失量为：颗粒态t - n 5 3 7 4 2 k a ，t - p 2 7 l 92ka：溶解态t-n4l3 4 1 k a ，t p 6 3 7 7 k a 。4 在镜泊湖北部设置的典型实验小区中所测结果与i 类土壤类型相符。说明本 模型参数选择合理，模型基本可用，计算的流域土壤侵蚀量与营养物质流失量是可信的。 l e 一流域沟道总长度( k m ) s g _ 主沟平均坡度百分比 s 一总平均坡长 按着模型要求在陡峭地段l s 取值不得超过7 ，所以镜泊湖地区从沼泽土类 型到暗棕壤类型取值范围在1 5 7 o ( 见表7 ) 4 植被覆盖因子( c ) ： 指植被和作物覆盖在土壤上，对防止土壤流失的综合效益。在相同的土壤 类型、相同的坡度及降雨条件下覆盖程度到对地表冲刷，侵蚀是一个重要因子。 根据林方荣等译面污染源管理和控制手册提供的经验数据( 表5 ) 选取各单元 小区的覆盖因子c 值( 见表7 ) 。 5 、土壤保持措施因子( p ) ： 指人类对土地的处理，以保持土壤免遭流失的参数。农业地区土壤保护因 子可查表得到。一般来说，覆盖因子( c ) 与保持因子( p ) 有一定关联。前者偏重于 土壤反抗雨滴冲击能力，后者则牵涉阻留在源附近的土粒以及防止流动的能力， 农业p 值见表6 。 表5耕地、草地、林地c 值 土地覆盖或土地利用c 值 整个坡地连续休闲 lo 播种或收割以后不久 o 3 o 8 在生长季节大部分时间 谷类 0 l 0 3 小麦 0 0 5 o 1 5 种植棉花 o 4 黄豆o 2 o 3 草地0 o l o 0 2 常年草地，空闲地，无管林地 地面覆盖率青草 0 0 0 8 9 0 9 5 杂草 0 0 1 地面覆盖率 青草 o 0 l 8 0 杂草 o 0 4 地面覆盖率 青草 o 0 4 表8单元小区泥沙侵蚀量 abcd efi 侵蚀量国 9 2 4 。l3 9 6 13 0 2 。o5 4 28 5 81 5 4 92 4 8 9 7 经诗努，镜泊潮流域总侵蚀鬟为4 豹6 凝。 五、营养物子模型 镜滔潮富养物主要戮子是氮精磷，而篮觖水膜现状濂测，两项指标融大大 超过地面水标准。地嚣漫浚入澳熬氮、磷分嚣部分，即与滋沙一越入濒的有枧氮 和颗粒磷以及溶解在水中的，以溶液形式存在于径流中的脊机氮和可溶性磷。 土壤中氮稻磷的循环转亿鲡下国 土壤 有规 质中 的磷 矿纯作用小臻+ l n 强+ ) 生物冈 淋洗 次暴雨侵蚀量x 2 2 0 0t ，k m 2 时，则可确定e n = 1 0 。 c i 计算式： 0 0 5 m g 屉g 。1 0 0 1 0 6 5 0 0 m g 瓜g 各单元小区计算结果：( 总氮) c i _ 3 3 1 x 5 0 0 = 1 6 5 5 x = 2 1 8 9 7 4 8 7 = 5 1 0 3 l s ( 1 ) = o 0 0 1 x 6 5 5 5 1 0 3 2 = 0 1 6 9 k 舭2 a 类：l s ( a ) = 1 5 9 k 曲n 2 b 类：l s ( b ) = 2 1 2 k g k m 2 c 类：l s ( c ) = 1 8 1 k 耐 d 类：l s ( d ) = 1 0 4 k 啦n 2 e 类：l s ( e ) = 1 0 8 k l ，i 皿2 f 类：l s ( f ) = 1 9 7 k g ，k m 2 总磷：各类型土壤总磷含量( 宁安市土壤普查数据) 见表9 ； 表9各类型小区土壤总磷含量 abcdefi 总磷 o 3 3 70 2 3 7o 0 5o 1 1 70 3 9 0o 0 8 4o 1 0 6 经计算，颗粒态营养物入湖量见表1 0 ： 表1 0颗粒态营养物入湖量 颗粒态营 abcdefi 养物蝇 n155o 8 0 2 5 9 65 4 16 4 7 3 0 5 4 2 05 37 4 p437 51 1 1 8 123 746 86 0 0 92 0 7 22 8 5 o2 7 1 9 2 以上进入湖体的氮、磷可视为固态有机氮和颗粒磷，因为土壤中这两者占绝 大部分。 2 、溶解态营养物 某单元小区径流中溶解营养物流失方程如下： l d 踟1 c d q 式中：l d 径流可溶营养物k 啦n 2 c 可溶营养物在径流中的浓度( m 鲋) q 径流量 表1 1c d 值参照美国e o m d u s h 在北达科他洲多年观测资料 植被氮m l磷m g l 休闭地2 6 o1 0 玉米地2 9o 2 6 谷类 1 8o3 0 干草 2 8o 1 5 牧场3 0 0 2 7 溶解性营养物流域流失方程为 w i d 2 0 1 c d k ( 2 k a k 式中：w i d 一流域溶解态营养物流失量( k 啦m 2 ) c d l ，_ k 单元小区营养物浓度( m 1 ) q k _ _ k 小区径流量( c m ) a k - _ k 小区的面积( k m 2 ) 镜泊湖流域各小区c d 值及取值依据见下表( 表1 2 ) 表1 2 流域各小区c d 值及取值依据 类型 t - p t _ n备注 i 型0 2 0 61 0 5 7 实测值 a 型 o 1 0 02 6 参照值 2 7 b 型 o 2 61 0 参照值 c 型 o 2 l1 9 参照值 d 型 0 3 01 0 参照值 e 型 0 1 02 6 参照值 f 型o 3 01 8参照值 据上述公式计算结果见下表 表1 3 各单元小区溶解态营养物入湖量 类型abcdefi 溶解性t _ n ( k g ) 6 2 0 41 1 3 r 31 6 41 2 71 4 5 19 o3 2 1 7 2 溶解性t _ p ( k g ) 2 3 91 0 2 3 - 42 15 61 56 2 7 第三章非点源模型计算结果及分析验证 一、计算结果及分析 本课题运用c r e 舯试s 模型进行非点源营养物计算怒采用人工方法进行的。 灏淤鍪矮缀据模蘩要求：势结合本湖速夔实嚣，恕模型送一步篱纯。三令予模型参 数的选取都有一定根据，但求得此参数时力求方法简便，部分参数是经实测或类 比相同条件取得的。在计算全年( 2 0 0 2 年) 九次产流降水时，土壤的前期湿度时 阉考瘩比模型掰在要求要长，著纛没奏考虑熬雪产流。滚霆是冬拐壤干旱，热 之植被发肖。所以产流不明显，也由于来考虑融雪，会造成产流量偏少。 c r e a m s 稹型计算婊架见表1 4 ，从上表可见森林造醺由于覆溢良好，地表植 被基本没受到玻弼。燕土盱嚣摆数衰( 霹达5 。5 ) 蘑鞋壤缳持良好，簿乎方公 里侵蚀量( 入湖混沙量) 5 1 t a ，随泥沙进入湖体总氮o 8 5 k k m 2 ，磷o 5 8 k g k m 2 ， 而受人工耕作的b 型土壤每平方公里侵饿量6 3 。3 t ，入潮颗粒态氮为t 2 8 1 k 醣鼢2 ， 磷1 7 8 。6 k 辑2 ，分别是寒经人工亳| | l 动豹l 翌壤豹1 2 绩、1 5 0 倍和2 0 8 倍，经人工 强烈扰动的f 型，基本上清除了土壤表屡，裸露出下部黄色砂土层，降水冲刷强 烈，氮、磷入潮慧分剐为3 8 l 砖锄2 和2 5 9 鹚密，是未经人工虢动的_ 秫绣类鍪的 4 5 嫠。由j l ：可见，入类活动，特别是不合理开垦、独檀对水髂富辣养化影 响是十分明显的，更有熬者，这贱泥沙进入湖体，不易被水带出，从而增加了湖 游污染肉受荷，螽恚无穷。 表1 4 嚣单元小区侵蚀鳖及营养甥流失量计算结果 单元小区产流照侵蚀量固态营养物( k g ) 溶解营养物( k g ) ( 土壤类型)( 万t )( t ) t n t pt ，po p a2 3 8 。6 89 2 4 。l1 5 5 04 3 7 。56 2 0 42 3 。9 b3 9 0 63 9 6 18 0 21 1 1 8 11 1 3 31 0 2 c1 6 4 03 0 2 o5 9 62 3 71 6 43 4 d7 0 55 4 25 44 6 81 272 1 e5 5 7 98 5 81 6 4 76 0 0 9 1 4 5 15 6 f4 9 91 5 4 93 0 52 0 7 29 o1 5 i3 0 4 4 _ 3 12 4 8 9 74 2 0 22 8 5 03 2 1 7 26 2 7 3 4 0 6 2 84 4 0 6 8 5 3 7 4 2 2 7 1 9 24 1 3 4 i6 7 3 7 经计算得出，流域中营养物质的总流失量为：颗粒态t n 5 3 7 4 2 k 咖， t p 2 7 1 9 2 w a ；溶解态t n 4 1 3 4 1 蚓a ，t p 6 3 7 7 k 酌。 二、小区验证 ( 一) 设置 实验小区位于镜泊湖北部，土壤类型为暗棕壤。树木主要为柞、桦等次生 林，高度1 0 至2 0 m ，覆盖度9 0 ，该区内分水岭明显，并且有一个狭小出口，面 积为o 0 5 2k m 2 ，出口处筑成矩形堰，并放置堰板。 ( 二) 小区主要工作 实验小区经经纬仪测量，主沟3 4 2 m ，坡降o 2 2 ，取水样三次( 其中一次较 全面) ，每隔5 分钟测量次堰板水头高并取水样一次，同时测量气温和水温； 取土柱样3 个，测定渗透系数和土壤有机氮和颗粒磷，调研土壤粒级及林木根深。 ( 三) 主要数据及结论 取水样如下图所示，2 0 0 2 年8 月1 8 日暴雨产流小区水位线图及表1 5 ，反映了 本次产流水文和水质情况。溶解性氮和磷与模型予测误差较小。 2 0 0 2 年6 月1 0 日至8 月1 8 日降水在堰板内沉积淤泥量1 3 3 公斤，相当于每平方 公里产泥沙2 5 6 0 k g ，与i 型土壤产泥砂时的量相吻合( 降水约占全年的1 2 ) 。 2 0 0 2 年6 月l o 日，取3 个土柱样进行表面强力实验，时间共7 4 小时，其中 t 0 3 、t 0 2 两个样为a 类土壤水文类型，t 0 1 为b 类，见第一节表l 。 3 0 承2 5 头2 0 黼1 5 l o 5 8 c m o51 01 52 02 53 0 3 54 04 55 05 5 6 06 s7 07 5 分 时间 表1 5产流盆涮毽 群品l 2 3 4 567 89j o 水头( c m ) 7 51 01 51 7 51 7 51 82 02 0 52 0 12 0 p h7 5 47 5 67 5 97 5 4 7 4 87 3 6 07 6 6 07 6 0 0 7 5 7 7 3 8 9 7 s 瘁 s s 2 6 。3 3 2 4 o o 3 2 ，6 7 1 5 。6 7 1 5 6 0l l 。o o3 s ，o o2 2 ，0 07 ，6 72 8 ，0 0 c o d8 7 78 9 48 6 08 3 58 2 67 8 47 7 48 1 87 。1 99 ，1 78 3 5 t i n o s 7 80 5 7 80 6 2 71 0 5 l1 0 6 62 2 3 2o 9 6 90 舛8l ，1 6 61 0 5 l t - po t 3 7 lo 1 8 7o 。2 4 8o 2 3 4 o 1 0 9 o 2 4 8 o 1 8 9o 1 3 lo ，1 3 4o 2 3 4 结论：本实验小区( 典型小区) 所测结果与i 类土壤类型相符。说明本模 黧参数选择合理，模型蒸本可髑。 第四章结论 秀了控毒l 镜溜潮寥营葬绽趋势瓣发袋，保障下游城豢蠢人民饮曩承豹安全， 殿用水文学、土壤学相结合的模烈计算；实际调查与径流小区实验相结合的方法， 对镜泊潮流域的箨点源污染进芎予了研究，蟹纯诗舞了萁壤侵镪及 # 点源污染耪 的流失，为治理和管理流域的工作提供科学的依据。 1 ，应用美国农业面灏管理与化学径流模型( c 砌认m s ) 计算得出，镜泊潮流 域产流量3 4 0 6 。2 8 万如； 2 应用美国通用土壤流失方程( u l s e ) 计算得出，镜泊湖流域总侵蚀量为 铺s t 隐。 3 经计算得出，流域中营养物质的总流失摄为：颗粒态n 5 3 7 4 2 k a ， t 譬2 7 1 9 2 超溶解态孓n 4 1 3 4 1 l 【彩a ，t - p 6 3 7 。7 蠡g 德。 4 在镜泊湖j b 部设鬻的典型实验小区中所测结果与i 类土壤类型相符a 说明 本模型参数选择台理，横型基本可用，计算的流域土壤侵蚀量与营养伤艨流失羹 怒可信的。 o fe n v i r ，e n g ，1 9 8 3 ( 6 ) ：1 3 5 4 1 3 7 0 2 3 】s i n g e r ，耩j 。磊n db 1 8 e k 8 r d ，j e f f e e to f 耩u l e h n go ns e d i 瑶e n t nr h n o f f r 。噩 s i m u l a t e dr a i n f a l l j s o i l s