（环境科学与工程专业论文）长沙市非点源污染的研究.pdf

长沙市非点源污染的研究 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t r o lo fi n d u s t f i a lp o l l u t i o na n dd o m e s t i cp o l l u t i o n ，n o n 卜p o i n l s o u f ep o l l u t i o ni sb e c o m i n gt h em a i nr e a s o nf o rw a t e rp o l l u t i o n b e c a u s en o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o ni sr a n d ( 姗、 w i d e s p r e a d 、 l a gb e h i n d 、f u z z y ， t h ep r e d i c t i o na n d c o n t f o lo nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sg r e a t e rd i f f i c u n y t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h e p r e d i c t i o nm o d e lo fn o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o na n du s i n gt h i sm o d e li nc h a n g s h a c i t yt 0c a l c u l a t en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s h io r d e rt o u n d e f s t a n df u r t h e ra b o u tt h ei m p a c t i o no fn o n - p o i n ts o u r c eo nw a t e rq u a l i t y ，a s s e s s w a t e rq u a l i t yo fl i u y a n gr i v e rb yt h ei m p r o v i n gi n t e g r a t e dp o l l u t i o ni n d e x e x t r a c t t h en o n p o i n ts o u r c ep o u u t i o nm a po fl i u y a n gr i v e rf r o mt h en o n 。p o i n ts o u r c e p o l l u t i o nm a p0 fc h a n g s h ac i t yw h i c h b u i l db yt h em o d e l c o m b i n gw i t ht h es u r f a c e w a t e rb a s i ne n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c st ok n o wi m p a c t so fn o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n0 nw a t e rq u a l i t y r e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c hc o n c l u s i o n so fn o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o ni nc h a n g s h ac i t y t h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nc h a n g s h ac i t ya r e 9 9k g ( h m 2 a ) a n d1 4 9k g ( h m z a ) r e s p e c t i v e l y t h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fn i t r o g e ni sm a i n l yi nt h ef 6 r mo fd i s s o l v e d n i t r o g e n ，i sc l o s e l yr e l a t e dt os u r f a c er u n o f f ；t h em o s tp o l l u t i n gs o u r c ei sf r o mt h e u r b a nl a n dw h i c hh a si a g e ri m p e r v i o u ss u r f a c ec o v e r a g eo fu n d e r l y i n gs u r f a c ea n d g e n e r a t e sl a g e r s u r f a c er u n o f fd u r i n gr a i n f a l lp r o c e s s t h en o n 。p o i n ts o u r c e p o l l u t i o no fp h o s p h o r u s i sm a i n l yi nt h ef o r mo fa d s o r b e dn i t r o g e n ， t h em o s t p o l l u t i n gs o u r c ei sf r o mt h el a n dw h i c hh a sl a r g e rs l o p ea n de a s i l yg e n e r a t e st h e w a t e ra n ds o i le r o s i o n ( 2 ) r e s e a r c hc o n c l u s i o n s o fs u f f a c ew a t e rq u a l i t yo fl i u y a n gr i v e r f r o mt h et e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c ，b e c a u s e0 fn o n p o i n tp o l l u t i o nt h ew a t e r q u a l i t y0 fl i u y a n gr i v e rw a t e r s h e dw a sb e c o m i n gs e r i o u sn e a r l yt e ny e a r s f r o mt h es p a t i a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep o l l u t i o na s s u m e di n c f e a s i n g f r o mt h e u p s t r e a mt ot h ed o w n r i v e r ，w a t e rq u a l i t yi nu p s t r e a mw a sb e t t e r ，t h ec o n t e n to ft h e h e a v ym e t a lw a sb i g g e ri nt h em i d d l eo ft h er i v e r ，t h ep o l l u t i o no fa m m o n i an i t r o g e n i n t e n s i f i e di nd o w n r i v e r 。 k e yw o r d s ：c h a n g s h a ；n o n - p o i n ts o u r c e s y s t e m ；e v a l u a t i o no fw a t e rq u a l i t y ；h n l y p o u u t i o n ；g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n r e ds o i ir e g i o n 长沙市非点源污染的研究 插图索引 图1 1g i s 与模型关系示意图。1 1 图1 2 技术路线囹。1 9 图3 1 数据处理流程图2 8 图3 2 长沙市土壤类型分布图3 0 图3 3 长沙市坡长因子l 值图3 1 图3 4 长沙市坡度指数s 值图3 1 图3 5 长沙市土地利用类型图图3 2 图3 6 氮污染源强图3 4 图3 7 磷污染源强图3 5 图3 8 氮污染组分分析图3 5 图4 1 流域范围和监测点位图3 8 图4 2 综合污染指数趋势图4 1 图4 3 典型断面的污染趋势图4 2 图4 4 各断面的污染指数图4 3 图4 5 各断面单因子污染指数图4 4 图4 6 浏阳河流非点源氮污染年源强图4 5 图4 7 浏阳河流非点源磷污染年源强图4 5 图4 8 氨氮浓度的变化趋势图4 6 硕上学位论文 附表索引 表3 1 降雨因子r 值和年平均降雨量p n 表2 9 表3 2 土壤类型的可侵蚀因子k 值表3 0 表3 3 植被覆盖因子c 值表3 2 表3 4 水土保持因子p 值表3 2 表3 5 下垫面不透水率i 值表3 3 表3 6 溶解态污染物的平均浓度u 、吸附态污染物与产沙量的比值0 【表3 3 表4 1 河流不同年份的综合污染指数和水质类别4 1 表4 2 河流各断面的年平均污染指数和水质类别4 3 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 么彩 日期：冲疗d 炒。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 名易 昝议 日期：溯年庐妒汐日 日期：谚护8 年d 朔；d 日 硕： 学位论文 1 1 研究的目的及意义 第1 章绪论 水是生命之源，同时也是社会经济可持续发展的必要条件。而我国是一个水 资源贫乏的国家，目前我国人均水资源量2 2 0 0 m 3 ，居世界第1 0 9 位。我国人口占 世界2 ，然而淡水只占世界8 ，不足世界人均水平的1 4 ，是世界1 3 个贫水国家 之一。随着工农业生产的迅速发展与城市化程度的提高，水环境受到了诸如综合 性有机物、重金属物质的污染，严重危害了人类的正常生活。水环境的污染来源 可以划分为：点源、面源( 也称为非点源) 和内源。点源主要来自于工业和生活污 水的集中排放，非点源污染的来源比较广泛，内源主要是指底泥释放出的污染物 质。其中非点源( n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 污染，又称之为面源污染，是指污染 物在不确定的时间内、排放不确定数量的污染物汇入受纳水体而引起的环境污 染。非点源与点源污染相比，起源于分散、多样的地区，地理边界和发生位置难 以识别和确定，随机性强、成因复杂、潜伏周期长，涉及范围广、控制难度大， 目前已成为影响水体环境质量的重要污染源。非点源污染是影响水体环境质量的 重要来源，在发达国家，随着工业和生活污染源等点污染源的有效控制，非点源 污染已成为水体污染的主要因素，例如美国目前有6 0 的河流和5 0 的湖泊污染 与非点源污染有关。在我国非点源污染问题也日益严重。由于非点源污染有随机 性、广泛性、滞后性、模糊性的特点，其预测和治理都有较大难度。因此，非点 源污染的定量评估是非点源污染研究的重要内容，也是非点源污染治理的基础。 长沙市是典型的南方红壤丘陵区，土壤多为弱酸性地带性红壤，覆盖全市土 地总面积的7 0 左右。东北侧为花岗岩低山丘陵地带，地表发育的土壤多为沙土， 山势较陡峭，山脊多不相连。东侧和东南侧为红岩丘岗，海拔一般1 0 0 米左右。 大多数小山丘岩质松散，易风化成红岩岗地。我国红壤地区跨越南方1 1 个省( 区) ， 6 1 9 个县( 市) ，共约1 1 3 万平方公里，占国土面积的1 1 。红壤丘陵区资源丰富， 具有巨大的生产潜力。但由于不合理的开发利用，目前，红壤丘陵区土壤肥力退 化，水土流失严重，生态环境恶化，已形成脆弱生态环境，即生态稳定性差、生 物组成和生产力波动性大，对人类活动及突发性灾害的反应敏感，自然环境易于 向不利于人类利用方向演替的一类自然环境类型。随着人口的急剧增加，区域人 口、资源、环境和粮食之间的矛盾日趋突出。该区植被破坏和水土流失严重，不 少地方出现以侵蚀劣地为标志的类似荒漠景观。而土壤流失和侵蚀作用等非点源 污染也引起了地表水质变化，水质恶化将直接影响到居民饮用水和生产等问题。 如何保证在经济上能够长期地维持高生产力水平下合理开发利用丘陵红壤资源 已成为一个重要课题，因而探索适合红壤丘陵区的非点源预测模型已迫在眉睫。 长沙市非点源污染的研究 本文结合通用土壤流失方程( u s l e ) 和u s e p a 开发的p l o a d 方程，建立非点 源污染的计算模型。将模型用于长沙市非点源氮、磷污染的计算，并采用g i s 技 术及野外实验确定模型中各个因子j 用a r c m a p 软件做出各因子的图层和进行 计算，并对结果可视化显示。分析了长沙市非点源污染总量、源强和污染物特征， 为长沙市非点源污染治理提供了依据，也为其它市区非点源污染量化评估提供了 借鉴。 为了进一步了解长沙市地区的非点源污染对水质的影响情况，选取长沙市地 区内的一个典型流域浏阳河流域水质进行评估。水环境污染成为了威胁人类 生存发展的重要因素。污染物进入水环境后，由于物理、化学和生物作用的综合 效应，其行为的变化是十分复杂的，很难直接认识它们，这就需要用数学方法对 水环境进行评估。水环境评估是水环境科学研究的内容之一。本文通过采用改进 的综合污染指数法来评价河流浏阳河流域地表水的水质。其中由单因子污染指数 加权计算综合污染指数的过程中，权重的确定采取的是聚类法，通过计算超标率 来计算，客观科学。计算出的综合污染指数可以直接反映出与国家水质标准相应 的水质等级，也可以区别同等级之间的污染差异。根据得到的浏阳河流域的地表 水水环境的时间和空间特征特征结合该区域的非点源污染分布情况，分析非点源 污染对该流域地表水水环境的影响。 本次研究中提出了基于g i s 的非点源污染的量化预测方法和改进的水质量 评价综合污染指数法，能为其他地区的非点源污染预测和水质评价提供借鉴。同 时通过在长沙市和浏阳河流域的应用，得出该典型南方红壤丘陵区非点源污染总 量和分布规律及地表水的时空特征，为该地区非点源污染治理提供了依据。 1 2 非点源污染特点及其对水质影响 在综合整治水体污染的实践中，城市生活污水和工业废水点源污染逐步得到 控制，非点源污染问题开始突出，人们意识到它是水质恶化的重要因子。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，加上使用技术的不合理，非点源污染问题日益头出。非点源 污染极易构成水体环境的安全隐患，已成为目前水质恶化的一大威胁。 美国清洁水法修正案中定义非点源污染为“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 1 。随着对非点源认识的不断深化，不同的学者对 非点源概念的具体说法不一，但不同定义的基本内涵还是趋于一致的【1 。4 1 。典型 的非点源污染发生方式是降雨径流及积雪融水污染( 即狭义非点源污染) ，此外还 包括废物堆放区的废液下渗和大气沉降等。概括地讲，非点源污染是指时空上无 法定点监测的，与大气、水、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条件和人类 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 2 硕士学位论文 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。由非点源污染的定义，可以看出非点源污染的成因。非点源污染 的成因有水土流失、城市膨胀、农药化肥的过量使用，土地利用方式的不合理等 自然的和人为的原因。 1 2 1 非点源污染的特点 与点源污染相比，非点源污染具有时间上的不确定性、滞后性、空间上的广 泛性、模糊性、潜伏性，过程更加复杂，信息获取难度大，危害规模大，研究、 控制与管理难度大等特点1 5 9 1 。 ( 1 ) 时间上的随机性 从非点源的起源和形成过程分析，非点源污染的发生与区域的降水过程密切 相关，受水文循环过程的影响和支配。因此，降雨的随机性决定了非点源污染形 成具有较大的随机性。 ( 2 ) 污染发生的滞后性 以非点源污染中的农业非点源污染为例，农田中农药和化肥施用造成的污 染，在很大程度上与降雨和径流关系密切，降雨是污染发生的驱动力。因此，施 放在农田的农药和化肥可能长时间积累在地表，只有在降雨条件下，发生产汇流 过程，才会出现污染，在时间上看具有滞后性。 ( 3 ) 空间范围的广泛性和分散性 由于经济的迅速发展，人类向环境排放污染物的种类和排放途径逐渐增加， 这些污染物或是以污水的形式通过排污口进入水体，或是进入大气，或是积累在 地表。当降雨发生时，进入大气的污染物以及积累在地表的污染物将随着径流进 入水体，这一过程在空间范围上具有分散、范围广等特点。 ( 4 ) 不确定性 影响非点源污染的因子复杂多样，例如地形、土壤条件、人类活动等。由于 缺乏明确固定的污染源、也没有固定的排放点，排放具有间歇性等，因而其污染 的来源、污染负荷等均存在很大的不确定性和随机性，使得非点源污染控制变得 更加困难。 ( 5 ) 难监测性 非点源污染的发生主要受气候条件如降雨等因素的影响，其强度受地理条件 的强烈影响，因其不确定性、滞后性等一些特性使得对非点源污染的监测和其在 水体污染中的贡献率的客观评价十分困难。 ( 6 ) 难控制与难治理 由上述几个特点决定，在研究和控制非点源污染方面具有很大的难度，用传 统的点源污染控制采取的末端治理技术很难有效地控制非点源污染。 3 长沙市非点源污染的研究 ( 7 ) 公众意识不强 由非点源的上述特点也可以得出，治理控制非点源污染需要政府的正确引导 以及公众积极参与支持。而至今，还没有形成一些有效的政策措施，公众也对由 农田施用过量化肥和农药等引发的污染以及农业生产过程中产生的污染缺乏足 够的认识，对隐蔽性强、分散的村落污水垃圾及畜禽粪便等有机废弃物给水环境 带来的危害也缺乏重视。 1 2 2 非点源污染的危害 从世界范围来看，非点源污染已经成为水环境污染的重要方式。联合国教科 文组织1 9 9 8 年公布，近2 0 年来世界饮用水源减少了5 0 。据美国、日本等国 家的报道，即使点源污染得到全面控制之后，江河的水质达标率仅为6 5 ，湖 泊的水质达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 。在美国6 0 的水体污染起源 于非点源污染【1 0 】在奥地利北部地区据计算进入水环境的非点源氮量比点源多 【1 1 l ；丹麦2 7 0 条河流中9 4 的氮负荷、5 2 磷负荷是由非点源污染造成的【1 2 l ： 荷兰农业非点源污染提供的总氮、总磷分别占水环境总量的6 0 和4 0 5 0 【1 3 l 。 按照1 9 8 7 年经济合作与发展组织( o e c e ) 的报告，在成员国中，硝酸盐与农药是 最大的非点源污染源，欧洲国家也得到了相似的结论。这些数据都表明非点源污 染控制不好，水体就无法达标。 我国也存在着广泛而严重的非点源污染问题，随着点源污染治理水平的逐步 提高非点源污染的比重和危害已逐步增大。近年来随着城市化发展迅速，农用化 肥、农药数量急剧增加，所以我国非点源污染问题日益突出，已成为水环境污染 研究中急待深入探讨的课题。云南每年有7 8 5 7 1 0 6 t 有机物，4 7 1 0 5 t 总氮， 4 8 8 1 0 5 t 总磷随土壤流失进入水体；在滇池流域，进入滇池的硝态氮为2 4 7 3 t ， 氨氮为9 l t ：天津于桥水库6 0 总磷负荷，5 0 的总氮负荷来自流域非点源地表 径流【1 4 l ；北京密云水库、安徽巢湖、云南洱海、上海淀山湖等水域，非点源污 染比例都己超过点源污染【1 5 】。非点源污染在我国水污染中占有相当大的比重， 已经上升为威胁水源的主要原因。 非点源污染负荷的主要危害评价可概括为以下4 个方面：( 1 ) 淤积水体、降 低水体生态功能；( 2 ) 引起水体富营养化，破坏水生生物的生存环境：( 3 ) 污染饮 用水源，危害人体健康：( 4 ) 造成建筑物和财产的直接损失。 农业非点源来源面广量大，它夹带着大量的泥沙、营养物、有毒有害物质进 入江河、湖泊，引起水体悬浮物和n 、p 浓度的升高、有毒有害物质含量增加， 溶解氧减少，导致水体富营养化和酸化。农业非点源污染造成的生态冲击效应可 谓是全方位的，涉及到了以人为中心的整个生态环境，其危害十分巨大，以农田 的氮排放说明：农田氮排放会造成水体富营养化，饮用水水质降低和人体健康受 损等多种恶劣的后果。氮是水体富营养化最重要的营养因子之一，水体一旦发生 4 硕 学位论文 富营养化，藻类和其它水生生物异常繁殖，使得水体混浊，透明度降低，导致阳 光入射强度和深度降低，溶解氧减少，大量水生生物死亡，从而使水生生态和水 功能受到严重阻碍和破坏。这直接影响工业供水和人畜饮水安全，给人类健康和 水产养殖带来威胁。农业非点源污染最直接、最显著的危害对象是水环境，对水 环境的污染主要为以下两个方面： ( 1 ) 以营养污染物污染水体环境 水体富营养化通常是指湖泊、水库海湾等封闭性或半封闭性的水体，以及某 些流速小于1 m s 的河流水体内的氮、磷等营养元素的富集，导致水体里含氧量 降低，水生生物随之大批死亡，水味变的腥臭难闻。引起水体富营养化起关键作 用的元素是氮和磷。研究表明，对于湖泊、水库等封闭性水域，当水体内总氮含 量大于0 2 m g l ，p 0 4 弘态的磷的浓度达到o 0 2 m l 时，就有可能引起水华现象的 发生【1 6 】。水体营养物质氮、磷的来源主要有城镇生活污水、含氮、含磷的工业 废水和农田氮磷肥。其中，农田氮、磷的流失是引起水体富营养化的重要原因。 在美国，对非点源污染进行了鉴别和测定，发现农业是一个主要的非点源污染源， 农田径流使全国6 4 的河流、5 7 的湖泊受到污染；瑞士雨水径流中氮、磷含量 相当于工业废水和城市污水中这类污染物量的总和。我国五大淡水湖之一：巢湖， 目前主要受到氮、磷营养盐和有机物的污染，总氮、总磷严重超标，其中7 0 来自非点源污染。 ( 2 ) 以毒害型污染物污染水体环境 这主要归结农业、除草剂及降解产物、化肥这夹带重金属、有毒有机物等。 其直接的毒害是引起水生生物的急性中毒，如有机磷农药、有机氯农药；以及有 毒物在水体食物链中的富集，如磷肥中的重金属锡等。上述毒害型污染物对水体 环境的负作用最终降影响到人类本身。u s e p a a ( 美国环境保护局) 1 9 9 0 年调查显 示，全美农村1 公用供水井显示出n 0 3 n 的存在，5 3 的家庭用水井显示 n 0 3 n 的存在，2 饮用水井的n 0 3 n 含量超过安全用水标准规定的n 0 3 。n 含 量。氮、磷等营养元素是污染河流和湖泊的3 大污染物之一。由于家畜粪便中常 常包含大量细菌，尤其含有大量的大肠杆菌，随着径流进入水体会形成大面积的 非点源污染，并会造成疾病的广泛传播。 降雨的淋洗和冲刷是城市非点源污染的重要一环，雨水中的各种污染物来自 成云凝结核的污染成分，在降雨的过程中又进一步淋洗大气中的漂尘、污染物颗 粒等，降雨到达地面后，首先满足植被截留、蓄渗与填洼及部分蒸发后产生径流， 从而冲刷地面累积的污染物质，一些可溶性物质或营养物质被溶解或吸附，随地 表径流排入河流或渗入地下，进一步污染地表水或地下潜水。城市非点源污染与 农业非点源污染有很大不同，其根本原因在于其下垫面性质的不同，土地利用与 土地覆盖的变化从根本上改变了区域水文过程，进而影响污染物的传输与归趋 5 长沙市非点源污染的研究 1 1 7 l 。城市非点源污染主要是来自城市暴雨径流携带地表固体沉积物、营养物质、 耗氧物质、细菌及有毒物质，该类污染物体进入并发生一系列物理化学过程而对 水质及水生生物造成影响，进而威胁人类健康。同样造成以下水质影响1 1 8 2 0 】： ( 1 ) 造成受纳水体富营养化 农药化肥的施用、家畜粪便及生活垃圾的处理不当，随降雨径流排入水体， 是造成水体富营养化的主要原因之一。由于氮肥的施用及城市居民生活排出大量 洗涤用水及生活垃圾的堆放，造成水体中n h 3 n 含量增高，使藻类大量繁殖， 并大量消耗水中的溶解氧，导致水生生物窒息而死亡，破坏水生生态系统平衡。 此外，水中大量的n 0 孓、n 0 2 若经食物链进入人体，将危及人类健康，甚至有 致癌作用。 ( 2 ) 耗氧有机物造成水质恶化 降雨携带地表沉积的大量耗氧有机物如碳水化合物、蛋白质、脂肪等进入水 体，消耗水体大量的溶解氧，使水体中化学需氧量( c o d ) 和生化需氧量( b o d ) 大 大增加，造成水体中溶解氧严重不足甚至耗尽，恶化水质，并对水生生物生存产 生危害。 ( 3 ) 有毒有害物质进入受纳水体威胁人类健康 降雨携带的重金属、杀虫剂、多氯联苯( p c b s ) 和多环芳烃( p a h s ) 等有毒有 害物质进入受纳水体被水生生物吸收后，会在生物体内富集或转化，威胁水生生 态系统的安全，一旦经食物链进入人体，将引起人体中毒或致癌、致畸、致突变 等不良后果，造成人类健康的巨大威胁。 1 3 非点源污染的研究概况 1 3 1 非点源污染的研究国内外现状 人类开始全面认识和研究非点源污染的历史并不长，从上世纪0 7 年代初到 现在的近4 0 年间，非点源污染模型发展大致经历了三个阶段1 2 卜2 6 】： 第一阶段为上个世纪8 0 年代之前，是研究的探索期。经验模型就是这个时 期的产物，它是以实验数据为基础而建立的，即把输入的数据通过一定的数学分 析转变为输出结果，由于经验模型对物理过程无法模拟，所以也被称为黑箱模型。 例如，s w m m ，s t o r m ，c r e a m s ，h s p f ，a r m 等模型，美国环保局著名的 最佳管理措施b m p s ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e ) 也于1 9 7 6 年发布。 第二阶段，从上个世纪8 0 年代初至上个世纪9 0 年代初。随着对非点源污染 物理化学过程研究的深入和对非点源污染过程的广泛监测，机理模型逐渐成为非 点源模型开发的主要方向。机理性负荷模型能更好地模拟流域径流过程中非点源 污染负荷的产生、集聚、迁移、转化，内源影响，地下水与地表水相互作用等， 而且物理特性和过程随空间变化的特征可与控制方程结合，提高了模型的精度。 6 硕七学位论文 这一时期的代表模型有a n s w e r s 。a g n p s 等。 第三阶段，从上世纪0 9 年代初至今。随着计算机技术的飞速发展和3 5 技术 在流域研究中的广泛应用，一些功能强大的超大型流域模型被开发出来。这些模 型已经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。非点源模型方面主要是对现有模 型的进一步完善，借鉴新的工具如地理信息系统( g i s ) 对传统模型进行改造。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 p s 9 8 、s w a t 2 0 0 0 、s w a t 2 0 0 5 等。 一， 国外非点源污染模型发展迅速，有几十种之多。以下介绍几种常见的模型： w e p p 【2 7 ，2 8 】( 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 i o n ) 模型是美国四家政府部门( 农 业部农业研究所、土壤保持局、林业部和内政部) 联合普林斯顿大学共同开发而 成的模型。w e p p 是迄今为止较为复杂的基于连续事件的分布式水土侵蚀模型。 自1 9 8 9 年首度推出以来，按其研究尺度己发展了坡面版、流域版和网格版三个 版本。坡面版w e p p 模型针对田间尺度的侵蚀研究，研究时应用相同的气候条 件、土壤类型、管理方式对单一坡面进行模拟分析，最终得出研究地的侵蚀产量 和径流产量。流域版w e p p 模型是在坡面版w e p p 基础上发展而来的，流域版 按照一定的规则将一个流域划分，划分过的地块通过沟渠相连接，模型按照由高 地块到低地块的原则对侵蚀的发生进行模拟。网格版的w e p p 是基于g i s 平台 开发的，研究对象是栅格( g i s 的一种基本数据格式) ，但这个版本对w e p p 和 g i s 的耦合程度要求很高，因此直到目前尚不成熟。w e p p 模型估计了陆地和水 渠的径流和侵蚀、保护措施的影响，内含计算山坡和集水区土壤侵蚀和泥沙输送 的技术，模型包括气候、表面和亚表面的水文、冬季冻融过程、灌溉、残余物的 降解、沟渠和蓄水坑中泥沙的分散、输送和沉积等部分。 a g n p s l 2 9 1 ( a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e ) 模型是面向事件的分布式参数模 型，模型包括水文、侵蚀和化学物质迁移三个部分，其中营养物质考虑引起水体 污染的主要因子氮和磷。模型对化肥的施用、降雨、径流以及土壤渗透进行了模 拟，模拟范围已扩大到土壤和地下水中的营养物循环。模型以网格为基本计算单 位，通过网格间逐步演算的方法推算至流域出口。对于面积超过8 0 0 h a 的流域， 建议使用1 6 h a 的网格尺寸。一般，网格划分越细，计算精度越高，但模型运行 所需的成本也越高。因此，实际应用时应根据具体情况而定。 s w m m 【3 0 ，3 1 l ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e ) 模型是由美国国家环保局开发 的城市暴雨径流模型，可用于模拟城市径流过程、储水及水处理过程及污染物输 运过程。该模型主要变量有径流率、泥沙负荷、总氮、总磷等。s w m m 可用于 模拟连续或一次的暴雨过程，既可模拟一般污染物，又可模拟有毒有机污染物。 e p i c 【3 2 ，3 3 1 ( 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 ) 模型是美国农业部农业研 7 长沙市非点源污染的研究 究中心于1 9 8 4 年提出的，由气象模拟、水文模拟、泥沙侵蚀、营养循环、农药 残留i 作物生长、土壤温度、土壤耕作、经济效益和植物环境控制等模块组成， 包含了3 5 0 多个数学方程。e p i c 模型采用曲线数法计算地表径流，用通用土壤 流失方程计算土壤侵蚀量，可用于模拟复杂流域的污染物的产量。 g l e a m s 【3 4 l ( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t s0 fa 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 ) 模型主要用于地下水非点源污染的模拟，特别适甩于农药迁移的模拟。模型考虑 了气象、土壤、管理等众多因子的影响，模拟了农田边界、根区范围的非点源污 染，包括水分、泥沙、农药和养分负荷。g l e a m s 模型主要由3 个模块组成： 水力学模块、侵蚀泥沙模块和农药处理模块。径流计算按s c s 曲线数法分为地 表径流和基流两个部分，土壤也划分成不同深度的多个土壤层对水分和农药迁移 进行模拟。g l e a m s 模型在全球范围都有广泛应用，如在美国、瑞典、芬兰等。 自从2 0 世纪8 0 年代以来，我国也逐渐认识到非点源污染的存在及其危害性， 开始了非点源污染的控制研究。最早开展的湖泊富营养化调查是非点源污染研究 的一个分支，之后在北京以及珠江流域、辽河流域、长江中下游流域的广州、沈 阳、上海、杭州、苏州、南京等城市开展了非点源污染研究，其中北京城市径流 污染研究为最具代表性的非点源污染研究；而农业非点源污染研究先后在大伙房 水库，于桥水库、滇池、太湖、巢湖、晋江流域等区域开展了工作。对于畜禽废 物污染及管理与研究工作，也在广州、沈阳、上海、苏州等地相继先后开展研究。 方法上，首先对于非点源污染负荷的估算基本途径，清化大学傅国伟教授等人采 取了两种方法：( 1 ) 直接立足于污染物在区域地表径流的迁移过程；( 2 ) 立足于对 受纳水体的水质( 及水量) 分析，即通过对水体纳污量的分析计算，推算汇水区的 污染物输出量。这是一种“间接方法”，它抛开了污染物在区域地表的实际迁移过 程，而只以对受纳水体所接受的污染物量的观测负荷，减去点源负荷f 还应考虑 迁移衰减的影响) ，而得出的非点源污染负输出量( 或河库水体污染称输入量) 。与 此同时，北京、上海的中科院研究单位等采用以剖析土地利用方式与污染负荷之 间的内在联系为出发点进行研究，城市非点源污染研究一般将城市区域划分为工 业、居住区、商业区、交通繁华区等几种主要土地利用类型；农村非点源污染研 究主要采用径流试验场法，监测降雨径流的水质、水量，确定污染物单位负荷量， 从而估算非点源污染发生负荷量。而对于非点源污染模型的研究，已在污染的区 划模型、水库入库流量的经验预测模型、排污系统面源污染产污总量估算模型( 含 化肥汇入的污染物估算模型、水土流失泥沙量的估算模型、水土流失的有机质和 营养物的估算模型) ，我国在系统地进行非点源污染负荷模型研究，刚刚处于起 步阶段。 近几年，陈国湖对污染综合模型a g n p s 的结构作了介绍，陈欣、董亮等人 利用a g n p s 模型，估算了各种流域非点源污染输出量，计算结果与实际监测结 8 硕f ：学位论文 果基本相符，相关程度较高。温灼如1 3 5 l 等根据苏州的实际情况，建立了苏州暴 雨径流污染的概念模型，该模型是确定性集总模型，采用水量单位线和污染负荷 单位线计算流量和污染负荷；刘曼蓉【3 6 】等用相同的方法建立了南京城北地区的 暴雨径流污染概念模型，并研究了输入径流模数与输出污染径流模数的相关关 系，建立了统计相关模型。王宏等【3 7 】将改进的q u a l i if u 水质模型和非点源污 染模型有机的结合在一起，建立了用于流域优化管理的综合水质模型，采用曲线 数法计算径流，用统计模型计算污染物负荷。李怀恩【3 8 l 建立了用逆高斯分布瞬 时单位线法计算流域汇流的非点源污染物迁移机理模型，并应用该模型较好地模 拟了于桥水库及宝象河流域的洪水、泥沙与多种污染物的产生和迁移。夏青【3 9 l 等提出包含降雨径流、汇流出流、营养物迁移转换三个子模型的流域非点源污染 负荷模型，模拟了沱江流域c o d 、b o d 5 和s s 的过程线，其中水质子模型中采 用数学统计法，汇流子模型中采用瞬时单位线法。 1 3 2 非点源污染的研究发展趋势 非点源污染模型发展至今已有较为完备的模型体系和方法，拥有众多的成 果。然而，没有任何一种模型是通用的，即使是物理过程模型也具有其自身的适 用性。在实际应用中，现有的各种非点源污染模型没有一种是是广泛适用的，都 不同程度存在参数繁多、率定困难、精度达不到要求、对非点源污染过程的模拟 不够全面等问题。因此，在未来的非点源污染模型研究中应重点关注以下几个方 面： ( 1 ) 将现有模型应用于实际的研究。非点源污染模型研究的目的是为非点 源污染的控制和治理提供技术支持。因此，应将现有的研究成果从研究性向实用 性转化，充分利用3 s 技术，建立非点源污染信息系统与专家系统，实现快速的 非点源污染信息查询、负荷计算、污染重点区域和重点污染物识别、污染成因分 析、污染治理对策确定等功能。 ( 2 ) 研究适用于不同气候水文条件的模型。纵观国内外的非点源污染模型， 大多数只能适用于小流域和坡度较缓的地区。因此，应加强适用于中、大型流域 尺度和坡度较陡地区的模型研究。 ( 3 ) 研究适用于平原水网地区的农业非点源污染模型。在平原水网地区， 如我国长江三角洲地区，由于地势平坦和人为的干预，水流复杂，水文模拟较为 困难，而此类地区往往农业发达，农业非点源污染严重。研究适用于该类地区的 模型具有重要的现实意义。 ( 4 ) 开发真正意义的分布式非点源污染模型。由于非点源污染在空间和时 间上的特性，开发分布式模型是非点源污染模型发展的必然，要利用分布式水文 模型日趋成熟的技术，建立具有实用意义的分布式非点源污染模型。 9 长沙市非点源污染的研究 ( 5 ) 不确定性分析将成为今后非点源模型研究的重点。任何数学模型的模 拟结果都与真实系统之间存在着一定误差，由于对系统认知的有限性，使得误差 的大小和分布无法确知，从而造成了模型的不确定性。对系统的认知越少，不确 定性就越大b 由于非点源污染过程十分复杂，人们对它的了解仍然十分有限 因 此非点源模型具有很大的不确定性。所以，为了提高模型的可靠性；不确定性分 析将成为非点源模型未来研究的主要课题之一。 ( 6 ) 多学科联合，扩展非点源污染模型模拟的范围，进一步完善模型功能。 非点源污染是一个复杂的综合过程，从发生到对环境造成影响，涉及水文、气象、 环境、生态等多个过程，而目前的模型大部分模拟的过程为水文、侵蚀、污染物 迁移，仅是对非点源污染负荷量和时空分布的估算，很少对非点源污染物进入生 态系统后的作用和过程进行模拟。而掌握和控制非点源污染通过水环境对水生生 态及整个生态环境的影响和危害，是进行非点源污染研究的最终目的。只有涉及 非点源污染全过程的多个学科联合，才能真正掌握非点源污染规律，最终控制非 点源污染。 1 4 非点源污染预测与g i s 技术结合 非点源污染研究需要综合描述，分析和显示各种空间信息，但以往的非点源 模型在对环境过程空间特性的描述，对空间数据操作及对模拟结果的显示方面都 比较困难，而空间分析和空间数据管理及多种方式显示查询正是地理信息( g i s ) 的优势所在。两者在研究对象及功能上的相似性与互补性，使得它们相结合的应 用研究成为近年来环境模型研究中新的生长点。 1 4 1 结合的现状 国外已经较早地开展了g i s 技术在非点源污染负荷定量计算，管理和规划 中的应用研究，并将卫星遥感( r s ) 技术作为全新的获取数据的手段进行了许多尝 试。我国的非点源污染研究起步较晚，在0 2 世纪0 8 年代，仅是对非点源和区域 径流污染的宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究，加世纪9 0 年代该项 研究较为活跃，在农业，城区非点源污染，大气沉降，生物污染方面都有一定的 进展。在地理信息技术兴起的今天我国将g i s 技术应用于非点源污染模型的研 究甚少，实际工作中多数采用国外应用较为成熟的模型及应用软件。本文尝试汲 取国外在这方面成功的经验，将非点源污染模型应用于国内的非点源污染管理。 1 4 2 结合的方式 许多学者讨论了水文模型、非点源污染模型与g i s 结合的方式。概括地讲， 从结合的理念上主要有以下两种： 1 0 硕：l ：学位论文 ( 1 ) 将g i s 的某些功能整合进非点源污染的模型系统。 ( 2 ) 将非点源污染模型整合进g i s 系统。具体的技术主要有：松散结合和紧 密集合。对于前者，模型与g i s 实际是两个独立的系统，通过数据文件来实现 两者之间的通讯，后者又称为“无缝”结合。 1 4 3 结合的要点 g i s 在非点源污染控制领域应用的关键是g i s 与专业模型的有机结合。 b u r r o u g h 提出了基于g i s 技术的模型有三个重要组成部分：数据、g i s 与模型。 其中数据是g i s 和模型功能实现的基础；g i s 对空间数据进行分类、组织与编码， 通过空间分析和统计为环境模型提供基础数据与参数，并直观地显示模型分析结 果；模型主要是接收g i s 与数据库的预处理数据。然后进行水质评价与预测， 以辅助水污染控制规划决策。数据、g l s 与模型的关系如图1 1 所示。 图1 1g i s 与模型关系示意图 g i s 应用过程中还有两个环节比较关键，即g i s 与数据