（环境工程专业论文）基于swat模型的典型小流域非点源污染控制研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 水环境问题已成为我国亟待解决的重大环境问题之一，非点源污染是我国重 要流域水质恶化的主要原因之一。苕溪作为太湖流域的主要入湖河道之一，其水 质的好坏直接关系到太湖水质。随着点源污染治理的加强，非点源污染在苕溪流 域所占比重逐渐增大。但目前对苕溪流域非点源污染的迁移和转化规律了解甚 少，因此，难以提出有效的措施从根本上解决流域水污染问题。鉴于此，本研究 采用数学统计分析法、地理信息技术( g e o 鲫l l i c a li l 面m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 和 模型模拟等方法对东苕溪上游典型小流域农业非点源污染进行源解析与控制研 究，深入了解小流域农业非点源污染物的来源、贡献、迁移和转化规律，从宏观 尺度上识别全流域水土流失，非点源负荷流失及其关键源区，并进行流域农业非 点源最佳管理控制措施( b e s tm a l l a g e m e mp r a c t i c e s ，b s ) 研究，为整个流域 非点源污染控制策略的制定提供依据。 主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 通过对径流量、泥沙、营养盐负荷进行率定及验证，建立适用于东苕 溪流域上游典型小流域农业非点源污染模型土壤水体评价模型( s w a t ) 。依据 瓶窑大桥站1 9 9 9 2 0 0 8 年的监测数据进行径流和水质的率定。模型率定期径流、 泥沙、氨氮及总磷的相关系数r 2 分别为0 9 0 、0 9 6 、o 8 9 、0 7 2 ，验证期径流、 泥沙、氨氮及总磷的相关系数r 2 分别为o 8 3 、0 8 0 、o 8 1 、0 7 4 ，均表现为较好 的吻合性。 ( 2 ) 基于g i s 信息平台，采用土壤流失评估模型( u s l e ) 对东苕溪典型 小流域的土壤侵蚀强度进行估算评价，识别了土壤流失关键源区。结果表明，东 苕溪典型小流域土壤侵蚀方式主要为水力侵蚀，年均土壤侵蚀模数为2 3 4 7 脯； 土壤侵蚀强度属轻度侵蚀，呈现南北两端高，中部地区低的趋势；不同土地利用 类型土壤侵蚀强度差异显著，年均侵蚀模数城镇用地 农村生活用地 耕地 林 地 园地；中度及强度侵蚀区主要发生在陡坡带及坡度为7 0 一1 2 0 的耕地，极强 度及剧烈侵蚀区主要集中在坡度大于1 2 0 的耕地、城镇用地及农村用地。 ( 3 ) 建立以污染源统计调查、土壤侵蚀评估、非点源污染模拟为基础的非 点源污染流失风险评价指标体系及评价方法，确定了流域的非点源流失风险区。 浙江大学硕士论文 结果表明，东苕溪上游典型流域处于极度敏感区、高度敏感区、中度敏感区、轻 度敏感区和微度敏感区的面积分别占全流域总面积的2 4 3 、3 8 4 、1 1 4 、 1 6 8 和9 1 ；水土流失是引起土壤氮磷损失的重要原因，其程度受到降雨强度、 地形地貌、土地利用方式和植被覆盖等因素的影响；氮，磷形态是影响其流失的 重要影响因子。 ( 4 ) 在非点源风险评估的基础上，选择能够代表流域整体面貌的典型区域 设置b m p 执行区域，应用s w a t 模型从养分管理( 化肥削减1 0 、化肥削减2 0 ) 、 耕作管理( 等高线带状种植、沿等高线开沟) 、景观管理( 5 退耕还林、1 0 退耕 还林) 三方面对b m p 控制区设置6 种情景模拟流域2 0 0 0 年2 0 0 8 年非点源负荷的 控制效果及河道水质响应情况。结果表明，执行等高线带状种植措施对污染物的 整体削减效果及水质改善作用显著，其中泥沙、有机氮、有机磷的削减量分别为 5 2 4 8 、3 1 2 和3 1 0 9 ，河道泥沙、氨氮、总磷浓度分别下降了9 3 、2 7 2 和2 5 3 ；退耕还林措施对泥沙及污染负荷的削减和水质改善有一定的作用，而 化肥削减并不是东苕溪上游典型流域非点源削减的有效措施。 关键词：s w a t ；非点源污染；u s l e ；风险评估；最佳管理措施；水质响 应 m 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t w r a t e rq 谳埘i sb e c o i i 培a ni i l c r e 嬲i n gc o n c e mi i lc h 如【a t h en o n p o i n t u r c e 0 岬s ) p 0 1 l u t i o ni sm em o s t 呻o r t a n tc o n _ c r i b u t o rf o rw a t e rq u a l 时d e t e r i o 础o ni n s o m eb a s i n 舡am a i n 硼o wr i v e ro fm e 惭h ul a k c ，m e 啪t e r 删时o f 面对 砒v e ri sv 吖i i n p o r t 趾tf o rl o c 2 i lc o n l i n 嘶够w i me 毹“v ec o n 缸d lo fp o 硫s o u r c e ( p s ) p o l l u t i o ni i lt 1 1 ep 喊y e 躺，c o n t r i b u t i o nt 0 啪t e rp o l l u t i o n 劬mn p sb e c o m e s s i 嘶f i c a n ti i lt i a o x iw 乱e r s h e d n o n e t l l e l e s s ，s t u d i e si ns i m u l a l i i l g 吐l em i 伊a t i o na i l d 句陷i l s f o m l a t i o no fn p s 矗的ma 舒c l l l t l l r ma c t i v i t i e sw e r cl i i l l i t e di nt h et i a 0 对 w 乱e r s h e d e 位c t i v em e a s u r e sh a v en o t b e e np u tf o r w a r dt 0 劬d a m 朗t a l l ys o l v et l l e p r o b l e mo f 咖p o l l u t i o n h lo r d e rt 0c o n 们la 舒c u l t u r a ln p sp o l l 而。玛吐l e c o n t r i b u t i o no fd i 虢r e n tn p s 、弱a 1 1 a 1 ) ，z e di nt i a o ) 【iw 曲邯h e du s 通gt l l em e t l l o d so f m a m e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，g e o 鲫t l i ci 晌彻a t i o ns y s t e m ( g i s ) 锄dw a t e r s h e dm o d e l t h ek e yc o n 缸o la r e ao fs o i l 啪s i o na n dn p sp o l 晰o n 、嬲d e t e m 妇d t h ee 腩c to f b m p so nn p sc 0 n n o li i l1 f t a o x iw a t e r s b e dw 嬲e v a l u a t e d t h em a i nc o m e n t sa n dr e s u l t sw e r es h o w e da sf 0 l l o w s ： ( 1 ) t h es o i la 1 1 d 厂a t e ra s s e s s m e n tt o o l ( s 猁回w 舔呻l 锄t e di i l 也e e a s t - t i a 0 ) 【iw 豇e r s h e di nz h e j i 锄g ，c l l i l 坞w h e r en p sp o l l u t i o n 、v 弱诵d e l y c o n c e m e d 1 1 圮s w a t 髑c a l i b r a t e d 孤dv a l i d a t e du s i n gd a i l ys 仃e 如m o wa n d m o n t h l yw a t e r 删蚵r e c o r d s 舶ml9 9 9t 02 0 0 8 t h ec o e 伍c i e n t so fd e t e m l i n a t i o n ( ) w e r e0 9 0 ，0 9 6 ，o 8 9 ，o 7 2i l lc a l i b m t i o n 锄d0 8 3 ，o 8 0 ，o 8l ，0 7 4i nv a l i 拙i o n f o r 姗。正s e d i i m n t ，a m m o i l i a 锄dt o t a lp h o s p h o m s ，r c s p e c t i v e l y t h es i i i 】【m a t i o n r e 池w e 陀f i n e 趴dt h en 1 0 d e lw 嬲姒m 出l ef o r 恤吣a r e a ( 2 ) b 觞e d0 nm ep l a t f o mo fg i sa n du 1 1 i v e r s a ls o i l l o s se q u a t i o n s l e ) ，t h e s o i le r o s i o nq u 趿t i t i e so fe 叙一t i a o x i r s h e dw e r e 趾a l y z e d 趾de v a l 删e d i k s u l t s s h o w e dm a tm es o i le r o s i o nw 嬲m a i l l l yi m p a c t e db yh y d r a m i ce r o s i o n t h e 锄砌 a v 哪g eo fs o i le r o s i o nm o d u l u s 锄o u n t e d t o2 3 4 7 们z 谢l i c hf e l li 1 1 t ot h ec a t e g o r y o fm i l d d e g r e ee r o s i o n a sf o rt o t a lr e g i o n ，也es o i le r o s i o nw 嬲蛐r o n g e ri i ls o u t h e m a r l dn o r n l e mp a r t st h a nt h a ti 1 1c e n 缸a lp a r t f o rd i 您玳n tl a n du t i l i z a t i o 玛n l e 砸m u a l a v e r a g es o i le r o s i o ni n t e n s 埘w a u ss i 卿f i c a n t l yd i 舵r e n t n ed e n s 时o f s o i le r o s i o n 浙江大学硕士论文 丘o m1 1 i 曲t 0l o ww 嬲r a i l l 【e d 私f o l l o w s ：u r b a i l r u i 试 f 打m l a n d 如r e s t o r c l l a ：f d 1 1 1 em e d i 眦a n ds e r i o u se r o s i o nh a p p e n e d 缸s t e 印s l o p ea i l d 洲a n d ( 7 0 1 2 0 ) ， w l l i l em ei n t e n s i v ea n dv e 巧i n _ t e i l s i v ee r o s i o nh a p p e n e di i lm ef a n n l 觚d 谢ma b l l l m s l o p e ( 1 2 0 ) ，u r b 趾l a n da n dm 】ml a n d ( 3 ) t h e 砌i c a t o rs y s t e mo fn p sp o l l u t i o nr i s k 嬲s e s s m e n t 妣l 戚n gp o l l u t i o n u r c e 似i s t i c s ，s o i le r o s i o ni n t e n s i 锣a n dn p ss i m u l a t i o nw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i i l g t on l en p s p o l l u t i o nr i s ke v a l 删i o nr e s u h s ，t l l ea r e ar a t i oo fe x 缸e m e l ys e n s i t i v ez o i 坨， l l i g i l l ys e 璐i t i v ez o n e ，i n o d e m t e l ys c n s i t i v ez o n c ，l o w l ys e i l s i t i v ez o n ea n ds l i g h t l y s e n s i t i v ez o mi ne a s t - t i a o x iw 乱e r s h e dw 鹊2 4 3 ，3 8 4 ，1 1 4 ，1 6 8 a n d9 1 r e s p e c t i v e l y s o i le r o s i o nw a sm em a i l ls o u r c eo fs o i ln m r i e n tl o s sw m c hw 嬲a f r e c t e d b y 船i i l f a l l ，l 砒l d u s e ，t o p o 伊a p h y 舡l dv e g e 切n o nc o v e r t h em l t r i e n tc h e l i l i c a lf 0 锄 d h c t l yi i n p a c t e dm l t r i e n tl o s s ( 4 ) s 仅m a i l a g e m e n ts c e n a r i o si n l p 枷n gm l t r i e ml o s sw e r ea p p l i e d 锄da n a l y z e d t h e s c e i 谳o si n c l u d e df e n i l i z e rm a n a g e m e n t ( e g 1o d e c l i n ei nf e n i l i z 2 0 d e c l i i l ei nf e r t i l i 2 神，c r c pm a n a g e m e n t ( e g s 仃i pc r o p p i n g ，缸d wc r o p p i r 培) m l d l a n d s c a p ec h a n g e ( s u c h 邪5 a r e ac l l a n g e dn d m 白咖l l 趾dt 0f o r e 鸭a i l d1o a r e a c l m g e d 丘o mf 酬锄l dt of o r e s t ) t h er e s u l t sr e v e a l e dt l l a ts 臼邙c r o p p i n gw 鹊m o r e e m c i 咖n 姗m eo m e ri m p l 锄e n t e dm a i l a g e m e n tp r a c t i c e s t h en p sp o l l u t i o n r c m o v a le m c i c i 】l c yw 嬲5 2 4 8 ，31 2 a n d31 0 9 f o rs e d i l n e n t ，o 硌a 1 1 i cn j 仃o g e i l ， 赳l do 唱a 1 1 i cp h o s p h o m s1 0 a d i i l g s ，觚dm ec o n c e n 饥l t i o i l so f d i m e n ：t ，彻 m 1 0 i l i a 跚l d t o t a lp h o s p h o n 略i l lr i v e r sw e r ed e c r e a u s e db y9 3 ，2 7 2 a n d2 5 3 i nt h es c e m i r i o o fs 螂c r o p p i i 玛l 趾d s c 印ec l 姗g ep l a y e dap o s i t i v er o l e i nt h er e d u c t i o no f p o l l u t i o nl o a d 锄dm ei m p r o v e m e n to fw a t e r 小l a l i 劬w h e r e 嬲f e n i l i z e rm a n a g e m e n t d i dn o tl e a dt 0 舭e 脏c t i v er e d u c t i o no f 舭n p sp o l l 而o ni nm ee a s t - 面a o ) 【i 础e d k e yw 0 r d s ：s w 峨n o n l 砷i ms o u r c ep o l l u t i o no 咿s ) ；u s l e ；b e s tm 锄g 锄e n t p r a c t i c e s ( b l s ) ；w a 触q 砌时r e s p o i l s e v 浙江大学硕士论文 致谢 论文付梓在即，硕士生涯即将结束，回想起来，感慨万千。一路走来，伴随 着老师的指导和同学朋友的关心和帮助，值此论文完成之时，我心中满是感激， 对我而言，这段经历是人生中最为宝贵的回忆。 首先要感谢我的导师王飞儿老师。导师渊博的学识、严谨的治学态度及缜密 的思维深深感染着我，自始至终都在激励我认真踏实地做好每一件事，使我在学 习态度和思想认识上有了很大的改变和进步。在今后的工作、生活及学习中我将 不断进取以不辜负导师的殷切期望。师恩永忆! 我还要感谢金婧靓师姐、史铁锤师兄、钱轶超师兄，在我2 0 0 9 年入学至今 给了我很多的指点与帮助，当我遇到难题时总是悉心为我解答，使我少走了许多 弯路。遥感所的李丹同学及数学系的杨一超同学在我模型运行过程及数学建模中 给予了许多指导，使我能够快速找到解决问题的方法。 感谢环保楼的师兄师姐们，感谢中心南楼的同学们，感谢b 3 2 0 的同学们， 感谢寝室的小伙伴。感谢聂泽宇师兄、罗玲师姐、夏芳芳、威韩英、程广焕、边 金云、杨佳、许涛、朱李俊、钟晓航、杨神、李亚男、余华东、鲁亢、邓经友、 刘德富、李瑶。感谢这个大家庭让我的研究生生涯变的丰富多彩，也是在与大家 的相处中让我明白友情的珍贵，生活的真谛，也更加懂得珍惜平静的温馨和快乐 的滋味。 感谢我的至亲好友段德超、张丽、陈鸿苗、戈晓艳、全倩、陈晨、姚歌、祝 曼，多年的友谊就像一本温暖的书，不管在哪里，只要一个电话，一翻开它，我 们就可以无话不谈，就是这样子! 每当我遇到生活的困境你们总是第一时间听我 抱怨并帮我分析问题的来源，每当我获得一点成绩时你们总比我还开心，分享我 的喜悦。人生的路途有你们，我倍感幸福。 最后我要特别感谢我的父母，一直以来，我都是在父母的关爱与呵护下无忧 无虑地长大，父母的爱是我生活强大的后盾也是我奋斗的源动力，没有你们就没 有我现在的一切。 两年半的研究生生涯，我学到了很多，明白了很多道理。让我学会成长，懂 得分辨什么是谎言，什么是真理，更铸造一颗逐渐强大的心在今后的人生中， 我会尽自己的努力让我的人生更加精彩! 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 目前，水环境污染已严重威胁着当今人类的生存和发展，成为亟待解决的重 大环境问题之一【1 1 。水污染问题主要分为点源污染和非点源污染。点源污染主要 是工业废水和城市生活污水通过固定排污口集中排向水体；非点源污染，又称面 源污染，指溶解的或固体的污染物从非特定的地点进入受纳水体，引起水体富营 养化或其他形式的污染。 我国目前正处于污染构成的快速转变时期，面源污染的负荷比重在逐年上 升据研究，非点源污染已成为巢湖、太湖、滇池等重要湖泊水质恶化的主要原 因之一【2 ，3 1 。近一二十年来的研究表明，氮、磷污染负荷已占受纳水体污染负荷 的5 0 以上，并对受纳水体产生严重影响【1 1 。随着点源污染控制的加强，非点源 污染对流域水环境污染的贡献越来越显著。但非点源污染具有随机性大、模糊性 强、分布广泛、滞后严重、潜在性强等特点，决定了非点源污染不可能像点源污 染那样能够进行集中处理和控制。 为解决流域水环境污染问题，近年来，我国对全国范围的重点流域水环境污 染进行了重点整治，采取了一系列的管理措施。重点流域水污染防治“十一五” 规划、海河流域水污染防治规划、( ( 近岸海域污染防治规划、淮河流域水污 染防治规划和滇池流域水污染防治规划等相关文件的发布实施，大大促进 了流域水环境污染的控制，但对流域农业非点源的来源、贡献、迁移和转化规律 了解甚少，因此，难以提出有效的措施从根本上解决流域水环境污染问题。 太湖流域社会经济发达，苕溪流域是太湖的重要入湖河道，目前已经成为农 业面源污染的典型河流。以农田为例，该地区农田平均施肥水平超过全国平均水 平，远超过国际生态安全水平2 2 5 妯。各断面水质达标情况不容乐观，如河流 上游青山湖水库受农业面源等氮磷污染的影响，库区水质为类，属于轻度富营 养化。因此苕溪流域作为沿岸城市及杭嘉湖平原的重要水源地，其水质安全面临 严重威胁 综上，本研究拟以农业面源污染突出的东苕溪上游典型小流域为研究对象， 通过对不同类型面源污染流失特征解析，定量分析不同污染来源对目标水体水质 浙江大学硕士论文 的影响，构建非点源污染风险模型，划分流域非点源污染控制关键源区，为进行 有效的流域非点源污染控制与管理提供技术支撑。 1 2 非点源污染定义、发生机理及其基本特征 1 2 1 非点源污染定义 非点源( n o n p o ns o u r c ep o l l u t i o n ，n p s ) 污染也称面源污染，它是指时空上 无法定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、土质、地貌、地形等环境条件和 人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接对水环境构成污染的污染物来源 【4 】 1 2 2 非点源发生机理 非点源污染的形成，主要由以下几个过程组成，即降雨径流过程，土壤侵蚀 过程，地表溶质溶出过程和土壤溶质渗漏过程，这四个过程相互联系相互作用。 ( 1 ) 降雨是非点源污染物迁移转化的原动力，与坡面径流及产沙有密切关系 雨滴由高空落下具有一定的能量，当它下落击溅颗粒时，会使土粒向四周飞溅， 而产生土壤分离现象。当地面产生径流时，就会容易被携带走，造成土壤侵蚀。 雨滴的冲击还能撞实土壤表面，产生板结作用，减少下渗量，间接地增加了地面 径流，这又会增加水流的侵蚀和携带泥沙能力。 ( 2 ) 土壤侵蚀过程是农业非点源污染形成的重要过程之一，水土流失不仅使 土壤环境和质量得到损害，而且给受纳水体带来危害，因为流失的水土是污染物 的重要载体。 ( 3 ) 地表溶质溶出过程是非点源污染物以溶解态的形式向下层土壤迁移的复 杂过程。降雨使可溶态氮素向下迁移，饱和水流引起显著淋失。 ( 4 ) 土壤渗漏过程是污染物以溶解态的形式向下层土壤迁移，其运移过程是 一个复杂的过程，受土壤特性、作物微生物等多种因素的影响。 1 2 3 非点源污染特征 相对于点源污染，非点源污染具有随机性、间歇性、潜伏性、滞后性和复杂 性等特点5 叫。 ( 1 ) 发生时间的随机性 2 浙江大学硕士论文 大多数非点源污染问题，包括农业非点源污染，涉及随机变量和随机影响。 由于非点源污染的影响因子，如降雨、植被类型、气候、地质地貌等分布的随机 性，决定了非点源污染的形成具有较大随机性。 ( 2 ) 发生方式的间歇性 非点源无法在产生源处进行监测，致使其真正的产生源也难以或无法追踪， 导致污染物的监测、控制和处理困难而复杂。 ( 3 ) 发生时机的滞后性 在降雨来临之前，农业化学品的施用和其它污染物在土地上的积累都不会造 成水体的污染，这一段时间是非点源污染的潜伏期。一旦暴雨来临，潜伏期内累 积污染物就会迅速随径流流失，造成水体污染。潜伏期越长，土地表面累积的污 染物就越多，暴雨发生时所形成的污染负荷就可能越强。 ( 4 ) 发生机理的复杂性 非点源污染的发生与传输机理涉及了多个学科的研究领域，其中包括气象 学、水文学、土壤学等等，其复杂性远远超过了点源污染。一般将非点源污染分 为城市和农业( 农村) 非点源污染两大类，其中农业非点源包括农田中的化肥、 农药、家畜粪便、生活污水、农田水土流失、水产养殖、大气干湿沉降、林区地 表径流等造成的水体污染。 1 3 国内外非点源污染研究现状 从非点源污染研究的提出至今，国内外已经开展了大量的研究，主要集中两 个方面：模型定量化研究与控制管理研究。 1 3 1 非点源污染模型研究 环境模型是对流域农业非点源污染复杂的自然、化学和生物等过程的数学描 述。由于现场检测耗时费力，而环境模型对于降雨径流污染负荷的预测、控制方 案的模拟制定又具有现场监测手段所缺乏的预测功能，因此，环境模型逐渐成为 国际上流域农业非点源污染研究的重要工具。随着计算机技术的发展、非点源污 染理论的成熟、模拟和监测条件的完善，国外流域非点源模型的发展经历了以下 几个阶段【l 】： 2 0 世纪5 0 6 0 年代，是农业非点源模型的起步阶段。很多学者从水文学、水 浙江大学硕士论文 动力学的角度出发，研究暴雨事件响应后形成的径流产汇流特性，重点是对其产 流条件的空间差异性进行研究，其中最典型的为美国土壤保持局提出的s c s c n ( s o i lc o n v e r s a t i o ns e i c e c u en 硼1 b e r ) 法和通用土壤流失模型雏形。随着不断 的改进，这两个模型在降雨径流计算和土壤侵蚀估算方面发挥了重要的作用，以 后开发的多个机理模型( s w a t 、a n n a q 岬s 等) 都将其纳入作为子模块。 2 0 世纪6 0 7 0 年代，是农业非点源模型迅速发展的时期。最初是一些基于受 纳水质分析、根据土地利用或径流量与非点源污染负荷相关关系而建立起来的简 单经验统计模型。中后期开始出现非点源污染机理模型、连续时段序列响应分析 模型，如农田径流管理模型( a 鲥c u h u r a lr u n 0 1 j f m 狃a g e m e mm o d e l ，删) 【l o 】、 农药迁移和径流模型( p e s t i c i d et r 娜p o r t 锄dm n 0 岳f 0 r a 面c u l t u 】融l 觚d s ，p t r ) 、 农业化学品运输模型( a c t m o ) 和统一运输模型( u l l i t et r a n s p o r t a t i o nm o d e l ， u 刑) 等。这一时期的突破性研究成果为m s b m e i e r 首次提出的用于坡地侵蚀 模拟估算长期平均土壤流失的通用土壤流失方程( u n i v e f s a ls o i l l o s s e q 删o i l ，u s l e ) 【1 1 】，该方法同时结合s c s c n 法模拟了流域的非点源污染流失。 2 0 世纪7 0 8 0 年代，新一代实用性、注重管理的非点源污染模型应运而生。 比较著名的农业非点源污染模型包括农田径流管理模型( a 鲥c u l t 删r u i l o 行 m a m g 锄e mm o d e l ，a 删) 【1 们，农业管理系统的化学污染物径流负荷与流失 模型( c k i n i c a lr u n o i j fa n de r o s i o n 丘o ma 西c u l t u r a lm a i l a g e i n e n ts y s t e m ， c r e a m s ) 【1 2 1 、流域非点源污染模拟模型( 觚a ln o n p o 砬s o u r c ew 舭r s h e d e n v i r o n m e n tr e s p o i l s es i i l l u l a t i o n ，a n s w e r s ) 、流域水文水质模型( 蛳l o g i c a l s i m u l a t i o np r o g r a m - f o r 呦n ，h s p f ) 、农田小区模型( e r o s i o np r o d 似i v i 锣i m p a c t c a l c u l a t i o r ，e p i c ) 、土壤侵蚀机理模型一农田尺度的水侵蚀预测模型( w 啦r e r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ，、砸p p ) 和用于农业非点源管理与政策制定的农业非 点源污染模型( a 鲥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 nm o d e l ，a g n p s ) 等【1 3 1 。 这一时期地理信息系统( g e o 伊a p k c a li i 面m a t i o ns 障m ，g i s ) 技术逐渐与 u s l e 【1 4 ，1 5 1 、m u s l e( m o d i f i e du 1 1 i v e r s a ls o i ll 0 s se q u a t i o n ) 【l l 】、r u s l e ( r e v i s e du i l i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) 【1 6 l 等模型结合进行流域土壤侵蚀量的估 算，并在u s l e 方程基础上修改、建立了一个识别非点源污染流失的风险模型， 结合g i s 技术分析了流域的土壤侵蚀关键源区【1 7 1 ，取得了较好的研究结果。 4 浙江大学硕士论文 2 0 世纪8 0 9 0 年代，g i s 等3 s 技术的发展推进了非点源污染的定量化研究， a r c e w ，a r c i i 怕，g r a s s 等g i s 软件与非点源污染模型进行耦合的研究成为 这一时期的研究重点【9 1 ，随后陆续出现了s w a t ( s o i l 觚d a s s s m e mt 0 0 1 ) ，b a s i n s ( b e 地ra s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e 咖gp o i n t 柚dn o n p o i i l ts o u r c e s ) 、 a n n a g n p s 等大型的流域连续分布式参数机理模型【1 3 ，1 9 1 。目前，这些模型已经 成为农业非点源污染研究的主要手段和方向之一，广泛地应用于模拟n p s 污染 物形成机理、探讨污染负荷时空分布、标识非点源流失关键源区、模拟非点源管 理方案、提供最佳管理措施等。目前，非点源模型已在美国【2 0 】、芬兰【2 1 1 、德国圈、 韩国【2 3 】、加拿大【2 4 ，2 5 1 、比利时口6 1 得到了较广泛的应用。 我国模型的研究起步较晚，于2 0 世纪8 0 年代中期陆续出现了一些用于农业 非点源污染负荷估算的基于监测数据的经验统计模型和概念机理模型。9 0 年代 中后期，随着国外模型的介绍引入，以及g i s 技术的推广，国内研究取得了较 好的进展，g i s 与u s l e 结合进行土壤侵蚀量的预测研究也得以探讨【2 | 7 】。国内刘 枫等【2 8 1 较早地应用u s l e 方法量化识别流域非点源流失的时空规律及重点污染 区。胡连伍等【2 9 】引入施肥调整因子和距离河网远近因子，采用u s l e 对杭埠丰 乐河流域土壤侵蚀潜在风险区进行了识别2 1 世纪初，农业非点源污染控制研 究在我国方兴未艾，g i s 工具与环境模型被引入北京密云水库3 0 1 、辽河流域【3 、 黄河流域【3 2 1 、黑沟河流域【3 3 1 、苕溪流域阱1 等开展了一系列非点源污染模拟研究。 1 3 2 非点源污染控制研究 随着对农业非点源污染的形成机理及危害认识研究的深入，各国相继提出了 各种控制非点源污染的管理措施，其中以美国“最佳管理措施”( b e s t m a i l a g e m e m p r a c t i c e s ，b m p s ) 最具代表性【3 5 1 。经统计表明，美国自1 9 9 5 年实施大尺度流域的 农业非点源污染的最佳管理措施后，近1 0 年各类污染负荷( 氮、磷等) 及泥沙流 失量均得到了有效的控制，目前已经发展成为美国非点源污染控制与水害治理的 一种综合性技术与法规体系。 1 3 2 1b m p s 简介 美国国家环保局把b 御s 定义为“任何能够减少或预防水资源污染的方法、措 施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护程序【3 6 1 。工程性措施多从 浙江大学硕士论文 非点源污染物的迁移转化途径入手，改变或切断污染源的传播途径；非工程性措 施，即管理措施，主要针对非点源污染源的控制，从源头上控制非点源污染物进 入水环境中【3 7 1 。b m p s 通过有机结合这两种措施有效的作用于农业非点源污染负 荷的削减【3 8 】。 1 3 2 2b m p s 在非点源污染控制中的应用 ( 1 ) 工程措施 目前国内外对于控制非点源污染的主要工程措施有人工湿地、蓄水池、梯田 工程和草沟与植被过滤带。 人工湿地( c 0 n s 蜘l c t e dw ，e t l a l l d s ) 是7 0 年代末发展起来的一种污水处理新技 术，它的设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优 化组合来进行【3 9 】。人工湿地对污染物的净化能力主要取决于污染负荷的特性和 湿地的滞水时间。s u n n ya 等人【4 明利用人工湿地对生活污水进行了处理，各类 非点源污染物均取得了较好的去除效果。d o r a t e 等人【4 1 】在埃及利用人工湿地对农 村生活污水进行了处理，t n 去除率达到了6 5 。中国科学院湖泊所在太湖地区 采用滴滤池与人工湿地相结合处理农村生活污水的长期试验结果表明，人工湿地 对于污染物的去除具有较好的效果，而处理费用低( o 2 0 3 7 元吨) ，维护简 单。人工湿地处理技术适用于资金短缺、土地面积相对丰富的农村地区。总体而 言人工湿地处理技术优点是所需的能源少，维护成本低，同时具有美化环境、节 约水资源的特点；缺点是处理效率较低，占地面积较大且反应停留时间较长。主 要适用于资金短缺、土地面积相对丰富的农村地区。 蓄水池( c i s t e m ) 也称为水塘，主要用于蓄积因降雨产生的径流，经过一定 时间的物理沉淀后再进行集中处理，沉淀过程中可去除径流中大部分的固体悬浮 物和颗粒态污染物。在中国【4 2 】，开展生态蓄水池的建设也是控制农村生活污染 的保证。有研究表明流域内多个水塘通过沟渠相连形成的多水塘系统对营养盐和 沉积物的截留具有显著效果m 】。总体而言蓄水池处理技术的优点是开放式，便 于收集后集中处理，但不能永久性地去除径流污染物。b e i g l l l e y 等人m 1 在加州土 壤侵蚀研究室( s o i le r o s i o nr e s e a r c hl a b o r a = t o 巧，s e r l ) 的研究中发现两种坡道 拦截b m p 对于泥沙流失的控制可以达到9 6 。 6 浙江大学硕士论文 天然水塘与河流不断进行物质交换，滞留污染径流，沉降悬浮物，是控制非 点源污染的一种有效的途径【4 5 1 ，多水塘系统是一类特殊的人工水塘湿地生态系 统，是以水塘为点、沟渠为线的流域系统。多水塘系统以其高效截留的特性在国 内外得到广泛的应用。美国的一项研究证实晰】，多水塘能有效缓解因暴雨径流 产生的初次污染，且对营养盐和沉积物的截留具有显著效果，约能截留来自农业 的氮、磷污染负荷达9 0 【4 7 1 ；在中国的南方丘陵区域设置多水塘系统，能够极大 的拦截地表径流、泥沙及污染负荷，成为了当地流域水陆交错带的重要组成部分 【4 8 1 ；毛占坡m 等人在安徽六叉河的研究表明，多水塘系统能截留日降雨强度 1 4 1 m m 降雨所产生径流的9 0 ，径流峰值从2 6 i n 3 s 降低到0 3i n 3 s 。通过修建多 级暴雨滞留池，构建人工多水塘系统，从而使非点源污染物得到有效的控制，这 是欧美国家推行的一种有效的生态方法【1 ，4 8 5 0 巧2 1 。 梯田工程( t e 棚c e s ) 为水土保持坡面治理工程措施，它通过改变土壤理化 性状、微生物状况、土壤水分状况、减蚀蓄水作用及微地形小气候，使得土壤的 水分和肥力有所增加，是控制坡耕地水土流失和实现农业高产、稳产的根本措施 之一【3 9 】方志发等人【4 2 1 的研究表明梯田工程对于以坡耕地为主的农田非点源污 染控制比较有效。m i s e o nl e e 等人【5 0 】对韩国汉江典型小流域模拟的研究结果显 示，采用等高线耕作的阶梯式农田可分别减少幽e n t ( s s ) 、t o t a li 灿g e n ( t n ) 、 t 删p h o s p h o r u s ( t p ) 流失量为1 7 2 、3 6 5 和4 1 4 。另外，采用梯田工程需 同时增加植被覆盖以减少因表面积增大而造成地表水分蒸发量的增加。 草沟与植被过滤带( g r 鹤s w a t 删ss t r i p s ) 是过滤净化农田径流中污染物、 沉积物和农药等农业非点源污染的一种有效系统，该措施通过滞缓径流、沉降泥 沙、强化过滤和增强吸附等功能，利用沉积、过滤、吸附和化学作用等过程的联 合作用实现农业非点源污染的控制，一般设在庄稼地或养殖场的下部，成为控制 农业非点源污染的重要方式【加】。b b a ：t t a r a i f 5 3 ，5 川在研究植物带对非点源的控制作用 时，发现植物带可减少表面流中7 5 的可溶性磷流失和7 0 的总磷流失，而硝态 氮的浓度有增高的趋势。另外，由于缓冲带的功效受地形、水文、植被、土壤等 多因素的影响，在设立植被过滤带时需综合考虑外界环境因素以及过滤带的自身 条件，如植被种类、植被过滤带的形状、轮廓等。m i s e o nl e e 等人【5 0 】研究结果显 示植物缓冲带宽度介于5 1 0 米时对控制流域非点源污染形成的效果最好，可分别 7 浙江大学硕士论文 减少s s 、t n 、t p 流失量为2 4 8 、5 4 和5 6 ( 2 ) 管理措施 b m p s 的管理措施包含三个层次，分别为养分管理、耕作管理和景观管理。 这三个层次在效果上互相配合，从而达到物质循环效率高而环境影响因素低的目 的【5 5 1 。 综合肥力管理措施( h 1 ：t e g r a t e df e n i l 埘m a n a g e m e m ，i f m ) 属于养分管理的 范畴，植物生长所需要的养分来自土壤，因此养分管理的目的就是使土壤养分的 供给与植物需求最大限度的平衡3 明。目前养分管理的主要方式有两个方面：测 土施肥和变量施肥。测土施肥针对土壤的养分供给能力和水平来推荐合理的养分 补给措施；变量施肥也称测土施肥，该技术利用全球定位系统( g p s ) 和g i s 技术，在数字化土壤养分分布图和产量图的基础上，根据区域内土壤养分的变化 自动调整肥料用量【5 5 1 。研究证实，改变施肥技术，减少化肥施用量，合理安排 农药化肥的施用时间可以有效减缓污染物与降水之间的作用。m i s e o n l e e 【5 0 1 在研 究韩国汉江流域时，应用s w a t 模拟减少作物3 0 化肥施用量对泥沙和污染物负 荷的流失量的影响，模拟结果可有效改善水土流失状况，s s 、t n 和t p 流失量分 别减少了1 6 1 、8 2 和8 6 。 耕种措施通过保护土壤表面来减轻土壤侵蚀，从而提高作物对营养元素和农 业化学物质利用率的一种可持续发展的耕作方式，主要包括保护性耕作( 少免耕 覆盖直播技术) 、等高耕作、合理轮作等。保护性耕作指所有与传统耕作方式不 同的田地管理措施的总称，可分为适量耕作和免耕，要求新一轮种植作物时保持 至少3 0 的作物旧茬【3 7 ，3 9 ，4 川；等高耕作与梯田工程类似，沿着等高线种植并结合 秸杆、免耕覆盖等保护性措施使降水快速的渗入土壤，减少水土流失【3 7 1 ；合理 轮作是在农田土壤上对不同的农作物实行合理轮作种植制度，从而提高农作物对 土壤中营养