（环境工程专业论文）基于warmf模型的流域非点源污染分析——以杭埠丰乐河流域为例.pdf

基于w a r m f 模型的流域非点源污染分析 一一以杭埠一丰乐河流域为例 摘要 将国外先进的非点源污染模型引入国内进行非点源污染模拟、预测与 控制管理方法的研究既是非点源污染模型理论研究的需要，也是国内非点 源污染控制管理实践的需要。论文引入美国流域水质管理模型一一 w a r m f 模型作为研究平台，选择巢湖( 国内“三湖”治理重点之一) 的 典型支流一一杭埠一丰乐河流域( 最大支流、高产粮区) 开展了非点源污染 的系列探索性研究： 1 ) 在分析、a r m f 模型原理及研究区地形地貌、土壤、土地利用等 特点的基础上，将流域概化为3 7 个子流域，并将其按地貌特征进行归并 分组。 2 ) 研究了w a r m f 模型与a v sw j a t 2 0 0 0 模型原理的对比。 3 ) 利用2 0 0 0 2 0 0 3 年水文与水质监测数据进行模型参数的校核与检 验，认为：w a r m f 模型的使用存在预热期现象，预热期不应参与校核与 检验效果的评价；排除预热期( 2 0 0 0 年) 后，模型的水文、泥沙、水质( 与 氮有关水质参数) 拟台效果是合理的。 4 ) 对比了w a r m f 模型与a v s w a t 2 0 0 0 模型的水文模拟效果，表明： 两模型都具有较好的水文模拟效果，但w a r m f 模型的过程拟合效果更好。 5 ) 以s s 、t n 为非点源污染物，系统研究了它们在全流域、支流域 以及子流域的入河与出口负荷，得到了它们的非点源负荷在流域水污染总 负荷中所占比例、非点源负荷构成、非点源负荷与土地利用类型关系、非 点源负荷的时空变化以及氮肥流失入河与入湖率等。 本文可以为流域非点源污染控制管理的理论研究，以及该区或国内其 它区域的流域非点源污染控制管理实践提供参考。 关键词：非点源、w a r m f 模型、s w a t 模型、杭埠丰乐河流域 a n a i y s i so fn o n p o i n t s o u r c e sp o u t i o ni nt h ew a t e r s h e d o nt h eb a s i so fw a r m fm o d e l 1 1 a k i n gh a n g b u f e n g l e r i v e rw a t e r s h e da sa ne x a m p i e a b s t r a c t s t u d y i n ga n da p p l y i n ga d v a n c e dn o n p o i n ts o u r c e s ( n p s ) p o l l u t i o nm o d e l i nc h j n ai sn o to n l yt h en e e do ft h e o r e t i c a is t u d yo fn p sp o l l u t i o nm o d e i ，b u t a l s ot h en e e do ft h ep r a c t i c e so fn p sp o l l u t i o nc o n t r o i i nc h i n ai nt h i ss t u d y ， aw a t e r s h e dw a t e r q u a “t ym a n a g e m e n tm o d e lf r o m t h eu n “e ds t a t e s w a r m fw a su s e da sap l a t f o r mi n h a n g b u - f e n g l ew a t e r s h e d ，w h i c h i st h e 1 a r g e s tr l v e rf l o w si n t oc h a ol a k ea n di se n r i c h e di nc r o pp r o d u c t i o n ，a n da s e r i e so f e x p l or i n gs t u d i e sw e r ec a r r i e do u t r e s u i t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 0 n t h eb a s i so fad e t a i l e da n a l y s j so nt h et h e o r yo fw a r m fm o d e l a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e r r a i n ，s o i l ，l a n du s ea n dl a n dc o v e ro ft h es t u d y a r e a ， h a n b u - f e n g l e w a t e r s h e dw a sd e l i n e a t e di n t o3 7s i m u l a t i o n s u b w a t e r s h e d s t h e y w e r e g r o u p e d b a s e do nt h e i rt e r r a i nc h a r a c t e “s t i c s ， w h i c ha i m e dt oe s t a b l i s ht h es o i ll a y e r s c o n f i g u r a t i o n ； ( 2 ) t h ed i f 他r e n c ew a ss t u d i e do nb e t w e e n t h ew a r m fm o d e la n ds w a t m o d e l ： ( 3 ) o nt h eb a s i so fs e n s i t i v i t y a n a l y s i s ，t h em o d e lw a sc a l m r a t e da n d v e r i f i e d ，u s i n gh y d r 0 1 0 9 ya n dw a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n g d a t af r o m2 0 0 0t o 2 0 0 3r e s u l t ss h o w e dt h a tw a r m fm o d e lh a d “w a r m u p ”p e r i o d ，t h e m o d e l i n gr e s u j t sj nt h j s p e r i o ds h o u j d 力o tb eu s e dt oc a l c u l a t ea n de v a 】u a t e m o d e i s e m c i e n c y w i t ht h ee x c l u s i v eo f “w a r mu p ” p e r i o d ， t h ea i l y e a r r e l a t i v ee r r o r so fh y d r o l o g y ，s e d i m e n ta n dw a t e rq u a l i t yw e r el e s st h a n2 0 ， 5 0 ，6 0 r e s p e c t i v e ly a n da 1 1p e a r s o nc o e 踊c i e n t sf o rm o n t h l yh y d r o l o g i c a l d a t aw e r eo v e ro8a n da l ln a s h s u t c l i f r ee m c i e n c y ( e n 3 ) w e r eo v e r05 5 ； ( 4 ) 1 _ oc o m p a r e t h es i m u i a t i o nr e s u i to fw a r m fm o d e lw i t h a v s w a t 2 0 0 0m o d e l ，i ts h o w e dt h a t ：t h et w om o d e l sb o t hh a dap e r f e c t s i m u l a t i o nr e s u l t s b u tt h ew a r m fm o d e lh a db e t t e re f r e c t ( 5 ) t h es sa n dt n w e r es t u d i e da st h en p sp o l l u t i o n t h el o a d so ft h e m j nt h ee n t i r ew a t e r s h e da n de a c hs u b w a t e r s h e d ，t h el o a de n t e r i n gi n t ot h er i v e r o ri n t ot h el a k ew e r e a n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y t h ef 0 i l o w i n g r e s u l t sw e r e g o t t e n ：t h ep r o p o r t i o no ft h en p sp o l l u t i o nl o a di nt h et o t a lw a t e rp o l l u t i o n l o a d ，t h ec o m p o s i n go f t h en p sp o l l u t i o nl o a d ，t h er e i a t i o no f t h el o a do f n p s p o l l u t i o na n dt h et y p eo fl a n du s e ，t h ec h a n g e so f t h en p sl o a ds p a t i a l l ya n d t e m p o r a l ly t h er a t i oo f t h enf e r t i l i z e rt h a te n t e r i n gt h er i v e ro rt h e1 a k e ，a n d s o0 n t h i ss t u d yc o u l dp r o v i d ea s s i s t a n c e st ot h et h e o r e t i c a ls t u d yo fw a t e r s h e d n p sp o 儿u t i o nc o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，a sw e l la st h er a i s i n go fp r a c t i c a l m a n a g e m e n tm e a s u r e sf o rn p s c o n t r 0 1i nt h es t u d ya r e aa n do t h e ra r e a s k e yw o r d s ：n o n p o i n ts o u r c e s ；w a r m f ：s w a lh a n 曲u f e n g l ew a t e r s h e d 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 揣地、搀状 委 导师：。治， 图清单 图2 1 土壤氮循环示意图( 据参考文献1 0 8 ) 图3 1 水文原理示意图 图3 2 湖泊、水库水文模拟示意图 图4 1 杭埠丰乐河流域示意图一 图4 2 流域地貌图 图4 3 流域年降雨月分布图( 龙河口站2 0 0 3 年为例) 图4 4 流域土壤类型分布图 图4 5 流域土地利用分布图 图4 6 流域单元划分示意图 图4 7 子流域按地貌分类图一 图4 8 地貌与土壤类型分布图 图4 9 杭埠一丰乐河流域工程管理界面 图4 一1 0 气象数据输入界面 图4 1 1 子流域单元输入数据示意图 图4 1 2 河段单元物理数据输入示意图 图4 13 河段单元引水数据输入示意图 图4 1 4 水库物理数据输入示意图 图4 1 5 水库单元出口数据输入示意图一 图4 1 6 水库单元与藻类生长有关参数输入示意图 图4 1 7 系统参数输入数据示意图 图4 1 8 流域监测站点布置示意图， 图5 1 桃溪水文站2 0 0 1 年曰径流量拟合效果图( 校核期) + 图5 2 桃溪水文站2 0 0 2 年日径流量拟合效果图( 校核期) 图5 3 桃溪水文站2 0 0 3 年曰径流量拟合效果图( 检验期) 图5 4 桃溪水文站2 0 0 1 年月径流量均值拟合效果图( 校核期) 5 5 桃溪水文站2 0 0 2 年月径流量均值拟合效果图( 校核期) 图5 6 桃溪水文站2 0 0 3 年月径流量均值效果检验( 检验期) 图5 7 晓天水文站2 0 0 1 年日径流量拟合效果图( 校核期) 图5 9 晓天水文站2 0 0 3 年日径流量拟合效果图( 检验期) 图5 1 0 晓天水文站2 0 0 1 年月径流量均值拟合效果图( 校核期) 图5 1 1 晓天水文站2 0 0 2 年月径流量均值拟合效果图( 校核期) 图5 1 2 晓天水文站2 0 0 3 年月径流量均值拟合效果图( 检验期) 图5 1 3 三河大桥站2 0 0 0 年水温拟合效果图( 校核期) 图5 1 4 三河大桥站2 0 0 1 年水温拟合效果图( 校核期) 图5 1 5 三河大桥站2 0 0 2 年水温拟合效果图( 校核期) 图5 1 6 三河大桥站2 0 0 3 年水温拟合效果图( 检验期) 图5 1 7 三河新大桥站2 0 0 0 年水温拟合效果图( 校核期) 图5 1 8 三河新大桥站2 0 0 1 年水温拟合效果图( 校核期) 图5 1 9 三河新大桥站2 0 0 2 年水温拟合效果图( 校核期) 图5 2 0 三河新大桥站2 0 0 3 年水温拟合效果图( 检验期) 图5 2 1 北闸渡口站2 0 0 0 年水温拟合效果图( 校核期) 图5 2 2 北闸渡口站2 0 0 1 年水温拟合效果图( 校核期) ”拍铂鼹叭们舛酷酪卵韶的加加饥佗乃弭引盯&；跎跎驺鲋蚪黔锚鼬卯卯卯铝褥踞踞黔黔 5 2 3 北闸渡口站2 0 0 2 年水温拟合效果图( 校核期) 5 2 4 北闸渡口站2 0 0 3 年水温拟合效果图( 检验期) 5 2 5 子流域t n 非点源入河负荷空间分布图 5 2 6 流域t n 入湖非点源负荷与施肥、降雨月变化图 眇黔吆 图图图图 表清单 表卜l 不同土地利用方式氮、磷流失比较( k g h a ) 表3 1w a r m f 、a v s w a t 2 0 0 0 模型区别对比分析表 表4 一l 流域土壤类型统计表 表4 2 流域土壤养分含量分级标准表( 据舒城县土壤志) 表4 3 子流域土地利用面积统计表( k m 2 ) 表4 4 丰乐河2 号子流域所在河段点源一览表 表4 5 丰乐河4 号子流域所在河段点源一览表一 表4 6 杭埠河3 6 号子流域所在河段点源一览表 表4 7 杭埠河3 7 号子流域所在河段点源一览表 表4 8 土地利用类型化肥施放调查表 表5 1 水文与水温调节主要参数一览表 表5 2 水文与水温主要参数结果表( 以4 号子流域为例)一 表5 3 桃溪站水文校核与检验表 表5 4 晓天站水文校核与检验表 表5 5 水温校核与检验成果表 表5 6 泥沙调节主要参数一览表 表5 7 流域泥沙主要参数结果表( 以4 号子流域为例) 表5 8 泥沙校核与检验表 表5 9 与n 有关水质参数一览表 表5 一l o 流域与n 有关主要水质参数结果表( 以4 号子流域为例) 表5 1 1 水质参数校核与检验表 表5 ，1 2w a r m f 模型与a v s w a t 2 0 0 0 模型水文拟合效果对比表 表5 1 3 流域s s 入河非点源负荷构成分析表 表5 一1 4 土地利用类型单位面积s s 入河非点源负荷统计表 表5 一1 5 杭埠河、丰乐河支流s s 入河非点源负荷统计表 表5 一1 6 流域入湖s s 非点源负荷构成分析表 表5 1 7 杭埠河、丰乐河支流s s 出口非点源负荷统计表 表5 一1 8 流域t n 入河负荷构成分析表 表5 一1 9 土地利用类型单位面积t n 入河非点源负荷计算表 表5 2 0 杭埠河、丰乐河支流t n 入河非点源负荷表 表5 2 1 子流域t n 入河非点源负荷表 表5 2 2 流域t n 出口负荷( 或入湖负荷) 成果表 表5 2 3 流域t n 入湖非点源负荷与施肥、降雨月变化统计表 表5 2 4 杭埠河、丰乐河支流t n 出口非点源负荷成果表 表5 2 5 化肥氮素流失率计算表 一配；2佰；呈侣何如昭跖虬蛇g!够眄卯卯孵鲫鲫叭窨 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志和致询拍地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包禽为获得盒壁上、业太堂 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。 学位论文作者签字 嘶弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墼工些盍芏有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 赶王些盍堂可以将学位论文的全部绒部分论文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、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： 签字日翮争 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 焉聋，势凝：每r 日乒融f 苓6 | t 秘 电话 邮编 致谢 本文是在尊敬的导师、省环保局张之源总工程师、教授，彭书传老师 精心的指导下完成的。从论文的选题、构思以及资料的获取都浸注了张之 源教授、彭书传老师的大量心血。导师的严谨治学、诲人不倦的精神让我 受益匪浅。随论文完成之际，向导师致以最衷心的感谢。 在论文的写作中，得到了环境科学与环境工程学院孙世群老师、汪家 权老师、李如忠老师的不吝教诲，在此表示诚挚的感谢。 最后，还要感谢单位的领导和同仁们，在我课程学习和论文撰写期间， 给予我的大力支持。 感谢所有给予帮助的老师和同学们。 感i 身f 论文评审委员和答辩委员会对论文的批评和指正。 作者：孙莉宁 2 0 0 5 年s 月2 0 日 第一章绪论 1 1 非点源污染概况 1 1 1 非点源污染及其危害 水体污染的形式多种多样，就其来源可以分为两类：点源与非点源污 染。点污染源指的是通过沟渠管道集中排放的污染源，它们有固定的排放 点，排放量和浓度，随生产、生活活动有规律性的周期变化。如工业废水 和城镇生活污水的排放。 非点源( n o n p o i n ts o u r c e ) 污染的概念有很多，常见的定义是指溶解的 或固体污染物从非特定的地点随降雨或者融雪产生的径流进入受纳水体 所造成的污染“。1 ，也称暴雨径流。近年来，杨爱玲等将非点源引申为时 空上无法定点监测的、与大气、水文、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，可随时随地发生的，直接对大气、土壤、 水构成污染的污染物来源。它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”1 。水环境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，其中，暴雨径流是主要的水体非点 源形式。 继6 0 年代发达国家对点源进行有效控制后，非点源逐渐成为水环境的 一大污染源或首要污染源。据美国、日本等国报道，即使点源污染得到全 面控制，江河的水质达标率仍仅为6 5 ，湖泊仅为4 2 “。 水环境非点源可以分为城市与农村非点源，其中又以农业非点源为 主，农业非点源污染主要源于人们在从事农业耕作活动时，使用化肥、农 药过量或不合理的使用，此外也包括畜禽养殖业排污及土地利用结构不当 等”5 1 。据报道，在美国，非点源污染占污染总量的2 3 ，其中农业生产活 动贡献率为7 5 “。在丹麦2 7 0 条河流中9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷是来自 于非点源污染”1 ；荷兰来自于农业非点源污染的总氮、总磷分别占水环境 污染总量的6 0 和4 0 5 0 聃1 ；日本的稻田是b i s w a 湖的最大污染源；在 西班牙的c a n a r y 岛上调查发现，主要农业区的地下蓄水层中硝酸盐平均 浓度是9 11 m g 几，有些地方甚至超过2 5 m g l ，其中的大多数硝酸盐来自 农业化肥而不是生活污水”1 ；我国地表水的非点源污染也很严重，湖泊的 氮磷5 0 以上来自于农业非点源污染，如太湖的农业非点源氮量占入湖总 氮量的7 7 ，磷占3 3 4 “”“，此外，根据邢光熹等人用6 “n 技术在太湖地 区所做的研究，该区浅层水井中的硝态氮主要来自农田淋洗出的n o 。一 一n 。 非点源来源面广，它夹带着大量的泥沙、营养物、有毒有害物质进入 江河、湖库，引起水体悬浮物浓度升高、有毒有害物质含量增加，溶解氧 减少，水体富营养化和酸化。据k e v i nm p o t t e r 等( 2 0 0 4 ) 在美国卡罗 莱纳州北部研究结果，该区河流水质污染，非点源贡献占7 0 ，直接影响 水生生物的多样性“。据报道：二十世纪7 0 年代，中国3 4 个重点湖泊。中 富营养化的湖泊仅占评价面积的5 ，到二十世纪9 0 年代，中国东部湖 泊全部处于富营养化状态，2 0 0 2 年监测的8 个大型淡水湖泊水库有6 个 处于富营养状态，滇池属于重度富营养化“。云南省3 0 余个湖泊中，8 0 以上不同程度地呈现富营养化“。 非点源污染受控于气象、地形、土壤、土地利用与覆被、水资源开发 与利用等条件，具有在时间与空问上发生的随机性、作用机制的复杂性与 模糊性、监测与控制的困难性等特点，从而使其成为当今水质污染与调控 研究的难点与热点。 1 1 2 国内外非点源污染研究概况 美国是世界上非点源污染研究与控制较为系统的代表国家之一，美国 环保署( u s e p a ) 将非点源污染控制，尤其是农业非点源污染控制，视为 “未完成的事业”。 土壤侵蚀、水土流失很早以前就为人类所认识，但对农业水质污染最 早源于6 0 年代农药与水质污染的关系研究。7 0 年代是非点源污染研究的重 大转折时期，9 7 2 年美国颁布清洁水法( c w a ) ，该法提出通过控制点 源和非点源来实现水质管理目标：美国选择全国近千个流域开展土地利用 一湖泊富营养化关系研究：美国与加拿大联合开展了土地利用与五大湖水 质污染关系的研究等等。对非点源污染负荷、基本特征、影响因素、经验 负荷计算模型等开展了初步研究。7 0 年代末一8 0 年代，非点源污染研究得 到广泛发展，表现在尺度扩大、类型增多与机理研究的深入，尤其是机理 型的非点源计算模型得到大力发展。同时，计算机技术、3 s 技术开始为非 点源污染研究提供全新的手段。9 0 年代以来，非点源污染研究更加活跃， 非点源来源、种类与迁移转化机制的研究迸步深入，如：细菌、病毒等 微生物、有毒污染物，尤其是大气中挥发性有机污染物( v o c s ) 成为关注 的新增非点源污染物；海岸带、地下水的反补给等成为地表水的重要非点 源来源。流域层次、非点源污染管理与风险评价模型成为新的突破口，g o 年代末期开始出现流域非点源管理水质模型。此外，在立法方面，美国正 在着手制定部农业非点源污染防治法律，计划用l o 年左右的时间完成。 在国内，8 0 年代开始的湖泊富营养化调查是我国开始非点源污染研究 的标志，之后，北京、广州、沈阳、上海、杭州、苏州、南京等陆续开展 城市非点源研究；大伙房水库、于桥水库、滇池、太湖、巢湖、晋江流域 等地陆续开展农业非点源研究。进入2 0 世纪9 0 年代以来，农药，化肥的非 点源污染及其影响研究成为农业非点源研究的主体，在大气沉降、生物污 染、交通污染等方面开展了部分研究工作，也提出了一些有针对性的非点 源污染控制管理措施。但总体上，我国目前水污染控制重点仍是点源，对 非点源的认识与控制还处于起步阶段，相关的法规条例还十分有限。 1 1 3 非点源污染研究特点 迄今，农业是非点源污染研究的重点，研究内容又主要集中在三个方 面：机理研究、模型化研究与控制管理方法研究。三方面具有密切联系， 机理研究是模型化研究的基础，模型化是流域非点源研究的重要手段，模 型化研究可咀为控制管理方法提供依据。以下主要就农业非点源污染三个 方面的研究状况分别进行介绍。 1 2 农业非点源污染机理研究概况 农业非点源污染机理研究主要表现在对农业非点源流失途径与影响 因素的研究方面。 1 2 1 流失途径研究 农业非点源流失的主要途径有地表径流、农田排水和淋溶( 或渗漏) “，以下以氮、磷为例，简述其研究情况： l2 1 1 地表径流 地表径流是氮、磷流失的主要途径。 在农业生产中，施用氮肥是非常经济有效的措施，较少的投入能够得 到较高的经济产量，但是人们往往只注意到增加作物产量这一方面，而忽 视了作物生长的养分需要与减少环境污染之间的平衡“。氮肥的不恰当 施用导致农田氮养分流失，既是一种经济上的损失，同时也是对环境的巨 大危害。旖用氮肥时，各种形态的氮肥施入土壤后，通过化学与微生物过 程，转化为硝态氮( n o 。一一n ) 、亚硝态氮( n o 。n ) ，这两种氮不易被土壤颗 粒吸附，易于被淋洗进入水体而形成污染。而n h 。乞n 容易被土壤胶体所吸 附，但是当土壤对n h 。n 的吸附达到饱和时，n h _ n 同样会被淋洗而进入 水体m ”1 。 磷肥施入土壤中后容易被固定。作物对磷肥的利用率很低，通常情况 下，当季作物只有5 一1 5 ，加上后效一般也不超过2 5 ，因此约有7 5 一9 0 的磷滞留在土壤中。长期过量施用磷肥 ”。农田土壤中的磷既可以随径流流失 土壤中的磷进入水体的主要途径“2 1 。 使得农田耕层土壤处于富磷状态 也可被淋溶，随径流流失是农田 1 2 1 2 农田排水 农田排水也是造成农业非点源污染的一个途径。在马铃薯与玉米轮作 的农田中各旌氮肥9 3 4 k g h 辩? 和6 2 8 k g h l l 2 ，然后对作物生长的两季进行连 续监测，结果表明，因农田排水而流失的氮分别为2 4 4 k g h m 2 和9 2 k g h m 2 ， 农田排水中流失的硝态氮浓度分别是1 4 m g l 和7 m g l ”。美国对连续5 年的 小麦田排水中氮的流失观察表明：每公顷旌用4 8 k g 、9 6 k g 和1 4 4 k g 氮，在 生长旺季排水中的氮量分另j 是不旋肥的4 8 、9 6 和1 2 7 倍，而在冬季休 闲时，也是不施肥的1 0 7 1 6 2 倍”“。澳大利亚a u s t i n 等在1 9 9 6 年的试 验指出：紧随施肥漫灌形成的径流中t p 的f r p ( o 4 5 f i l t e r a b l er e a c t i v e p h o s p h o r u s ) 浓度和无机p 肥施用量( 正常施肥量范围) 成直线相关“；单 艳红等通过模拟试验表明。“：在施肥后的6 0 d 内田面水溶解性总磷( d t p ) 含量受施肥量的影响，尤其是施肥后1 0 d 内是磷素流失的高风险期，田面 水溶解性总氮( d t n ) 含量在施肥后1 0 d 内受施肥量的影响。此外，张志剑、 张水铭等也进行了相应的研究“圳。 1 2 1 3 淋溶损失 淋溶损失是指土壤中的氮、磷随水向下移动至根系活动层以下，从而 不能被作物根系吸收所造成的氮、磷损失。 磷肥施入土壤后，只有极小部分在土壤中呈离子态的磷酸盐才能被作 物吸收，其余极大部分很快与土壤组分作用。依据土壤的性质和组成不同， 有的被吸附在土壤中带正电荷的铁、铝氧化物胶体表面；有的被土壤粘粒 局部带正电荷的边缘吸附；有的与铁、铝或钙盐发生化学作用形成不溶性 磷酸盐化合物：有的与土壤中有机质结合成有机结合态磷，降低了磷在土 壤中的移动性。据英国洛桑试验站的资料，磷在土壤剖面中向下移动的速 度每年不超过o 1 一o 2 m m 。据毗d d e l l 和b o w e r 估计，施用的磷肥约5 9 6 扩散 到大气中，土壤吸附固定5 5 7 5 ，植物吸收7 1 5 ，被径流带入地表 水5 l o ，渗滤到根区以下的土壤或地下水 3 0 ) 、中等( c n 为2 5 3 0 ) 和高( c n 梯田农田 梯田果园 坡地果园，径流量养分 输出占系统养分总输出的比例明显不同，对n 、p 、k 径流输出量影响显著， 还认为坡地果园是较理想的土地利用方式。5 “。 l e v a r o n ”5 1 研究了不同土地利用方式控制的流域养分流失比较( 见表 卜1 ) ，农田的氮、磷流失量远大于草地和林地。 表卜l 不同土地利用方式氰、磷流失比较( k g h a ) 参数农田草地林地 t n1 3 85 9 62 7 4 t p4 1 60 6 806 3 正磷酸盐 12 003 2o 1 5 n pl5 03 9 5i9 6 此外，陈能汪洪华生等( 2 0 0 4 ) 在福建省九龙江流域内选取典型小 流域来研究不同植被类型与土壤侵蚀和氮、磷流失的关系，典型小流域降 雨径流流失的悬浮泥沙量、氮、磷流失量与植被覆盖度成反比”“。s u s a n n a t y 等( 2 0 0 2 ) 在0 h i o 洲的研究表明：土地利用和水质关系紧密，尤其 是氮、磷、排泄物大肠杆菌”“。m a n d e r 等( 2 0 0 0 ) 研究了土地利用模式 对n 、p 和有机物流失的显著影响“。c d am c l a y 等( 2 00 1 ) 在新西兰 结合土地利用、表土属性对、v a i k a t o 区的浅层地下水浓度影响研究指出： 地下水的非点源污染反映了农业措旌的集约程度，以及土地利用方式”“。 p r a k a s hb a s n y a tld 等( 2 0 0 0 ) 提出了“土地利用和土地覆盖营养物质关 联模型”，研究认为林地的增加可以减少流域硝酸盐氮的流失，而居住用 地，城市用地和建成区对硝酸盐的贡献是非常大的“。 景观结构( 池塘、湿地、缓冲区域等) 改变污染物的去向，适当的景 观格局降低污染物的输出”“。陈利顶等研究了水溶性n 含量的季节动态变 化特征以及与流域形状、景观空间分布的相互关系作为研究，发现“源” ( s o u r c e ) “汇”( s i n k ) 景观类型的空间分布格局在非点源污染形成中起重 要作用“；沙地田、草、林体系景观模式增加景观异质性，拦蓄暴雨径流， 改善土壤结构“。在南方丘陵区域的多水塘系统，具有拦截地表径流、泥 沙以及养分的重要生态功能，是流域水陆交错带的重要组成部分”“；傅伯 杰等“指出坡顶到坡底的林地、坡耕地、草地景观结构具有较好的土壤 养分保持能力和水土保持效果，有效控制非点源污染。 1 2 2 6 田间管理方式 田间管理方式也与农田氮、磷流失有关，特别是耕作时间和耕作方式。 耕作方式对土壤侵蚀和地表径流有着重要的作用，犁耕农田的地表径流量 是免耕农田的1 8 5 倍“，水平沟与传统耕作方法相比，每年可以减少 6 5 7 k g k m 2 矿质氮流失“，而免耕较其它耕种方式可更有效降低硝态氮的 淋溶“。 不同灌溉方式土壤养分流失情况不同，一般按下列顺序递增：喷灌 淹灌 沟灌拍“。 研究表明，当水田灌溉用水量减少3 1 3 6 时，地表排水量减少7 8 9 0 ， 氮素负荷量减少7 6 8 0 ，渗漏水氮素负荷量减少3 4 4 0 9 6 ”。 7 f m o r a r i 等( 2 0 0 4 ) 集成a r c i n f o 与c r o p s y s t 模型研究了意大利北部 p o 流域最佳管理措旌对流域水质的影响，研究认为灌溉合理化是减少该地 区非点源污染的关键，而且综合体现了农民利益和环境保护的要求“。 1 3 非点源污染模型研究概况 污染物在径流形成过程中的迁移与转化十分复杂，对它的研究基本方 法有两个：实验研究与数学模型研究。实验研究需要同步监测降雨、径流 及其水质变化过程，且短期监测还难以满足要求，费用十分昂贵，因此对 比而言，借助数学模型进行非点源污染的模拟与预测是较为经济适用的方 法，得到各国科研工作者的广泛应用，当然，数学模型的建立也需要一定 的实测资料作为精度控制的保证。 通常的非点源污染模型包括三个子模型构成，分别是：降雨径流子模 型( 水文模型) 、侵蚀和泥沙输移子模型( 土壤侵蚀子模型) 、污染物迁移 转化子模型。前者是后者的基础，降雨径流是泥沙与污染物迁移的动力与 载体，泥沙本身是一种非点源污染，同时也是许多其它污染物迁移的载体， 污染物迁移转化子模型在于计算污染物在径流( 坡面流、壤中流、地表径 流、地下径流) 中的迁移转化。 实际应用中为了研究的方便常将地表水质模型纳入其中，因为地表水 质的变化往往是非点源污染研究的目的。有时也可以将气候模拟、作物生 长模拟、管理控制费用估算和点源与非点源排污交易等方面模型也纳入其 中。 考虑模型研究的系统性与全面性，以下分别就非点源污染模型与地表 水质模型研究概况进行介绍。 1 3 1 非点源污染模型研究概况 1 3 1 1 国外非点源污染模型研究概况 纵观非点源模型的研究发展，可以分为三个阶段： 第一阶段，主要出现在2 0 世纪7 0 年代初期以前，作为非点源污染研究 基础的水文与土壤侵蚀模型研究取得一定的进展，代表水文模型，如： h o r t o n 入渗方程7 “、g r e e n a m p t 入渗方程m 3 、s c s 方程川、s t a n f o r d 模型 ( s t a n d f o r dw a t e r s h e dm o d e l ，s w m ) ”、美国的萨克拉门托 ( 1 9 7 2 ，s a c 珊e n t o ) 模型m3 、日本的水箱( t a n k ) 模型( 1 9 6 9 年得到世界 气象组织认可) ”等。对于土壤侵蚀模型：1 9 4 0 年a w z i n g 提出第一个土 壤侵蚀模型”“，经进一步完善，1 9 6 5 年w w i s c h m e i e r 和d s m i t h 在对美 国 8 东部地区3 0 个州l oo o o 多个径流小区近3 0 年的观测资料进行系统 分析的基础上，提出了著名的通用土壤流失方程( u n i v e r s a ls o i ll o s s e q u a t i o n ，u s l e ) ”。它们的出现为以后非点源污染定量计算奠定了基础。 7 0 年代初，利用统计建模方法探讨多种因子对污染负荷的影响，代表模 型，如：美国加州h y d r o c o m p 公司开始为美国环保署研制的农药输移和 径流负荷模型( p t r ，p e s t i c i d et r 8 n s d o na n dr u n o f r m o d e l ) ，以及最初的城 市暴雨水管理模型( s w m m ，u r b a ns t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ，1 9 7 1 ) “。该阶段的特点是基础研究与基于统计方法建模，不能给出污染物迁移 转化机理上的解释，可以简称为基础研究阶段或经验模型阶段。 第二阶段，主要出现在2 0 世纪7 0 中期8 0 年代，特点是：1 ) 水早灾害 防治与水资源开发的需要推动了水文模型研究的蓬勃发展，同时，伴随计 算机计算能力的提高，分布式水文模型成为研究热点，代表模型，出现了 半分布模型，如：t o p m o d e l ”“，分布模型，如：s h e ”“、s w a m ”“、i h d m 4 “、 中国的新安江模型( t 9 8 1 年) ”等。此外，土壤侵蚀模型研究由于流域产沙 的复杂性发展相对较慢，代表模型如澳大利亚的g u e s t 模型( 1 9 8 3 ，g r i f f i t h u n i v e r s i t ye r o s i o ns y s t e mt e m p l a t e ) ”“。2 ) 水文、土壤侵蚀机理的研究 极大地推动了非点源污染研究，相继出现了一大批以机理研究为主要特点 的模型，2 0 世纪7 0 年代的代表模型，如：h y d r o c o m p 公司的非点源系列 模型p t r h s p ( h y d r o c o m ps i m u l a t i o np r o g r a m ) 一a r m ( a g r i c u l t u r a lr u n o f f m a n a g e m e n t ) 一n p s ( n o n p o i n ts o u r c e p 0 1 1 u t a n tl o a d i n gm o d e l ) 、s t o r m ( s t o r a g et r e a t m e n to v e r f l o wr u n o 行m o d e l ) 、a c t m 0 ( a g i c u l t u r a lc h e m i c a l t r a n s p o r tm o d e l ) 、u t m ( u n i f i e dt r a