（环境工程专业论文）密云水库流域下游营养元素流失入库规律研究.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文 贡献量在点源污染中占据着主导地位，是最重要的点源。周边地区水土流失是 最主要的面源污染，占研究区域氮污染总量的6 0 2 3 ，磷污染总量的9 0 8 7 a 地形和植被覆盖度是最重要的两个面源污染影响因素。通过水土流失由农田流 失的化肥中，氮、磷元素流失量分别为1 4 3 7 3 吨和0 3 5 4 吨。降水直接进入水 库的氮和磷元素总量分别为1 0 9 0 7 吨和1 2 0 吨，是除水土流失外的第二大营养 物来源。在监测的清水河、对家河和白马关河中：清水河整个汛期无来水；对 家河和白马关河水体中的氮营养元素含量相对较高，但是水质总体上良好，仍 然处在地表水i i 类水体以上，汛期由这两条河流进入水库的氮和磷元素总量分 别为6 1 5 5 吨和1 2 4 吨。 总的来说，研究范围内营养元素的输入对水库水质有较大影响，以蓄水量 1 o x1 0 9 m 3 计算，不计水库营养元素的输出，课题所研究区域内每年输入水库 的氮、磷元素可引起水库中氮、磷元素含量分别增加o 4 6 3 m g l 和0 0 5 l m g l 。 关键词水库；营养元素；点源污染；面源污染 摘要 a b s t r a c t i nc h i n a ，w a t e rr e s o u r c ed i s t r i b u t i o ni su n b a l a n c e d ，a n dt h es h o r t a g eo fw a t e r i nm a n yn o r t hc i t i e si ss e r i o u s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，t h ed e m a n do f t h e w a t e rh a sb e e ni n c r e a s i n g t h es u r f a c ew a t e ri so n eo f t h ei m p o r t a n tp a r t so fw a t e r r e s o u r c e s ，b u ti tf a c e sac h a l l e n g eo fs i g n i f i c a n te u t r o p h i c a t i o np r o b l e m s b e c a u s eo f t h ee x c e s s i v ei n p u to fn u t r i e n tr e c e n t l y t oo b t a i nt h ei n f o r m a t i o no ft h ei n p u t q u a n t i t yo f t h ep o l l u t a n ti st h ef o u n d a t i o n t om a k et h ec o n t r o ls t r a t e g y t h em i y u nr e s e r v o i ri st h ei m p o r t a n ts u r f a c ew a t e rs o u r c eo fb e i j i n g i ti s n e c e s s a r yt om a s t e rt h es o u r c ea n dt h eg r o s so fn u t r i t i o nt h a te n t e r st h er e s e r v o i r t h e r ea r et h r e es o u r c e so fn u t r i t i o ni n p u ti n t ot h er e s e r v o i r ：p r e c i p i t a t i o n ，r i v e ra n d p e r i p h e r yd i s t r i c t t h ep o l l u t i o nf r o mp e r i p h e r yd i s t r i c t c a nb ed i v i d e di n t op o i n t s o u r c ea n dn o n p o i n t s o u r c e t h eg r o s sn u t r i t i o nf r o mt h ep r e c i p i t a t i o nw a so b t a i n e db ym o n i t o r i n gt h e q u a l i t ya n dt h eq u a n t i t yo f t h ep r e c i p i t a t i o no f p e r i p h e r yd i s t r i c t t h ew a t e rq u a l i t y a n dv o l u m eo ft h em a j o rr i v e rs u c ha sq i n g s h u ir i v e r ，d u i j i ar i v e ra n dw h i t e m a g u a nr i v e rh a db e e nm e a s u r e da n d t h e i rn u t r i e n tc o n t r i b u t i o nt ot h er e s e r v o i rh a d b e e nc a l c u l a t e dt o o f o rp o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h en u t r i t i o nw a sc o n t r i b u t e db y v a r i o u ss o u r c e s ：a n i m a lw a s t e s ，h u m a nf e c e s ，i n na n dr e s t a u r a n ti nt o u rs i g h ts p o t f o rn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h ec o n s u m p t i o no ff e r t i l i z e ra n dp e s t i c i d ew a s i n v e s t i g a t e d c o l l e c t e dt h ed a t ai n f o r m a t i o no fp e r i p h e r yd i s t r i c t ，w h i c hi n c l u d e d d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，l a n d s a t 7t m r e m o t es e n s i n gr e f l e c t i o n ，t h es o i lp r o f i l e a n dt h er a i n f a l ld a t ao fx i a h u i ，z h a n g j i a f e n ，c h a o h ea n db a i h er a i n f a l ls t a t i o n t r a n s l a t e dt h er e m o t es e n s i n gr e f l e c t i o na n di n v e s t i g a t e dt h es p o tb yu n s u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o na n ds u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o no fe r d a s a sar e s u l t ，t h ep e r i p h e r y d i s t r i c tl a n du t i l i z a t i o nt y p ep i c t u r ew a s g e n e r a t e d s u p p o r t e db y e r d a sa n dv i s u a l b a s i cs o f t w a r e ，t h el a y e ro fs o i le r o d i b i l i t yf a c t o r ，s l o p el e n g t ha n ds t e e p n e s sf a c t o r ， c r o pm a n a g e m e n tf a c t o r a n dc o n s e r v a t i o n p r a c t i c e f a c t o rw e r ea l s o g o t t h e n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nf r o m t h ep e r i p h e r yd i s t r i c tw a sc a l c u l a t e db ya p p l y i n gt h e 北京工业大学工学硕士学位论文 u n i v e r s a is o i ll o s se q u a t i o n t h ep r o f i l eo ft h er u n o f fo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s e l e m e n tw a sp r o v i d e d t h et o t a l p o l l u t a n ti m p o r t s a n dt h el o a dw i t h i n l a n di n d i f f e r e n tu t i l i z a t i o nw e r ec a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y i nm i y u nr e s e r v o i r ，t h ep o l l u t i o nw a sc o n t r i b u t e dm o r eb yn o n p o i n ts o u r c e t h a n p o i n t s o u r c e t h e p o i n t s o h r c c p o l l u t i o n i nt h e p e r i p h e r y d i s t r i c t o n l y c o n t r i b u t e d2 9 2 o fn i t r o g e na n d4 3 0 o fp h o s p h o r o u so ft h ew h o l en u t r i e n t i n p u t t e di n t ot h er e s e r v o i r h o w e v e r ，a n i m a lw a s t e sw e r et h em a j o rp o l l u t i o ns o u r c e i na l lo f t h e p o i n ts o u r c e t h ep e r i p h e r yd i s t r i c ts o i le r o s i o nw a st h ep r i m a r yp o l l u t i o ni nt h en o n p o i n t s o u r c e ，w h i c hc o n t r i b u t e d6 0 2 3 o fn i t r o g e na n d ，9 0 8 7 o fp h o s p h o r u s t o p o g r a p h ya n dv e g e t a t i o nc o v e rr a t e w e r et w oo ft h em o s ti m p o r t a n ti n f l u e n c e f a c t o r so f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n t h et o t a lr u n o f f so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s e l e m e n tw e r e1 4 3 7 3t o n sa n do 3 5 4t o n sr e s p e c t i v e l yw h i c hw e r e m a i n l yc a u s e db y t h ef e r t i l i z e rf r o mt h ef a r m l a n d t h ep r e c i p i t a t i o nc o n t r i b u t e d1 0 9 0 7t o n sa n d1 2 0 t o n sn i t r o g e na n dt h ep h o s p h o r u s ，w h i c hw a st h es e c o n di m p o r t a n t p o l l u t i o ns o u r c e m o n i t o r i n gw a sc o n d u c t e do nt h eq i n g s h u ir i v e r ，d u i j i ar i v e ra n dw h i t em a g u a n r i v e r t h e r ew a sn ow a t e ri nt h eq i n g s h u ir i v e ri nw h o l ef l o o ds e a s o n i nt h ew a t e r b o d yo fd u i j i ar i v e ra n dw h i t em a g u a nr i v e r ，t h en i t r o g e nn u t r i e n tc o n t e n tw a s h i g h e rt h a no t h e re l e m e n t s ，w h i l et h ew a t e rq u a l i t yw a sa c c e p t a b l e t h ew a t e r q u a l i t ym e t t h es t a n d a r do f t h en a t i o n a ls u r f a c ew a t e ri i i nt h ef l o o ds e a s o n ，6 1 5 5 t o n so fn i t r o g e na n d1 2 4t o n so f p h o s p h o r u s w e r e i n p u r e d i n t or e s e r v o i r r e s p e c t i v e l y i nc o n c l u s i o n , t h ei n p u to fn u t r i e n tw i t h i nt h i sr e s e a r c hs c o p eh a ss i g n i f i c a n t i n f l u e n c et or e s e r v o i rw a t e rq u a l i t y i ft h ew a t e rc a p a c i t yo ft h er e s e r v o i rw a s c o u n t e da s1 0 x 1 0 m 3a n di g n o r e dt h ee x p o ro fr e s e r v o i rn u t r i e n t ，t h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u sw i l li n c r e a s e0 4 6 3 m g la n d0 0 5 l m g lr e s p e c t i v e l ya st h er e s u l to f t h e n u t r i e n ti m p o r t k e y w o r d s r e s e r v o i r ；n u t r i e n t ；p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n ；n o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 北京的城市供水水源状况 北京是一个严重缺水的大都市，人均水资源年占有量3 0 0 立方米，仅为全 国人均的1 8 ，世界人均的1 3 0 ，比处在沙漠地带的以色列还低。并且部分水 质逐步恶化，属于资源性缺水地区。 2 0 世纪8 0 年代以来，已构成了全市饮用水源危机，供水不足成为制约北 京经济和社会发展的重要因素。目前全市每年用水量以达4 2 亿立方米，接近贫 水年全市地下水资源总量，大大超过了贫水年可供水量的极限。 随着首都经济和社会的快速发展，水的供需矛盾越来越突出。北京的供水 水库只有官厅、密云两座水库，密云水库每年供水近7 亿立方米，占全市地表 水供水量的5 0 ，城区自来水厂供水的6 0 。为了满足北京市用水需要，水库 为增加蓄水已进入高水位运行状态，同时受上游潮河和白河来水水质变化和流 域经济活动的影响，各种污染因素正直接威胁着水库水环境及其供水能力。水 环境的污染，更加重了水源危机。官厅水库由于上游地区的污染，已于1 9 9 7 年退出供水水源地，现在只有密云水库一盆水可供饮用。由于地表水的缺乏直 接导致了地下水资源的超量开采，地下水位连年下降，以形成了大面积的漏斗 区，与1 9 6 0 年相比累计超采7 0 多亿立方米。 水是现代城市的命脉之一。首都北京又是一个严重缺水的特大型城市。因 而，密云水库作为北京市最重要的地表水水源地，其水质状况的好坏直接影响 着首都经济，社会能否健康的发展。 密云水库位于北京市密云县北部山区，横跨于潮河、白河主河道上，流域 面积1 5 7 8 8 k m 2 涉及河北省和北京市的9 个县。是华北地区最大的人工湖。其 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 北京的城市供水水源状况 北京是一个严重缺水的大都市，人均水资源年占有量3 0 0 立方米，仅为全 国人均的1 8 ，世界人均的1 3 0 ，比处在沙漠地带的以色列还低。并且部分水 质逐步恶化，属于资源性缺水地区。 2 0 世纪8 0 年代以来，已构成了全市饮用水源危机，供水不足成为制约北 京经济和社会发展的重要因素。目前全市每年用水量以达4 2 亿立方米，接近贫 水年全市地下水资源总量，大大超过了贫水年可供水量的极限。 随着首都经济和社会的快速发展，水的供需矛盾越来越突出。北京的供水 水库只有官厅、密云两座水库，密云水库每年供水近7 亿立方米，占全市地表 水供水量的5 0 ，城区自来水厂供水的6 0 。为了满足北京市用水需要，水库 为增加蓄水已进入高水位运行状态，同时受上游潮河和白河来水水质变化和流 域经济活动的影响，各种污染因素正直接威胁着水库水环境及其供水能力。水 环境的污染，更加重了水源危机。官厅水库由于上游地区的污染，已于1 9 9 7 年退出供水水源地，现在只有密云水库一盆水可供饮用。由于地表水的缺乏直 接导致了地下水资源的超量开采，地下水位连年下降，以形成了大面积的漏斗 区，与1 9 6 0 年相比累计超采7 0 多亿立方米。 水是现代城市的命脉之一。首都北京又是一个严重缺水的特大型城市。因 而，密云水库作为北京市最重要的地表水水源地，其水质状况的好坏直接影响 着首都经济，社会能否健康的发展。 密云水库位于北京市密云县北部山区，横跨于潮河、白河主河道上，流域 面积1 5 7 8 8 k m 2 涉及河北省和北京市的9 个县。是华北地区最大的人工湖。其 北京工业大学工学硕士学位论文 设计库容为4 3 7 5 亿立方米，最大水面为1 8 8 平方公里。 2 0 世纪8 0 年代初期，由于北京严重的水危机，密云水库停止向天津市和 河北省供水，专供北京用水，并且由提供生产用水转为提供生活用水。密云水 库功能的转换，提高了其水源和环境保护的标准。北京市密云水库怀柔水库 京密引水渠水源保护管理条例将密云县北半部划为地表饮用水源保护区。即 使“南水北调”工程竣工，由于密云水库水质好、位势好、运行费用低等比较 优势，丝毫不会降低密云水库作为首都水源区的战略地位”1 。 多年来通过依法管理和保护，水库水质比较清洁，一直维持在国家地面水 环境质量i i 类标准的水平上。但由于流域内人类经济活动的迅速发展，库区水 体面临着富营养化的威胁。1 。 随着密云水库流域社会经济的发展，农田、果树施用化肥、农药的数量的 逐年增多。上游地区旅游开发使各种废弃物数量增多。加之流域内采矿活动有 所加强，生态破坏日趋严重，对水库水质构成了严重的威胁。 在1 9 8 8 1 9 9 9 年十年间库区总氮含量增长了4 8 7 ，总磷含量增长了3 1 7 ， 浮游植物细胞密度上升较快增长了4 1 7 ，以达中营养程度，向富营养化发展 的趋势明显。库区总磷如按照国家环保局颁布的地面水环境质量标准 ( g h z b 1 9 9 9 ) 评价已达到v 类标准。沿库围发展的环湖果品基地，以达到人 均l 亩果园，化肥、农药的使用对水环境形成了压力，密云水库二级保护区农 田平均化肥使用量为氮肥2 5 3 千克，公顷，磷肥6 3 9 千克公顷，均高于怀柔、 官厅水库保护区。同时由于过度养殖，使养殖粪便、污水成为水质的主要污染 源之一。 研究表明，密云水库向富营养化发展主要是由水土流失与大面积施用农药 引起的，虽然水库流域污染程度总体上属于轻度污染，但是库区向富营养化发 展的趋势表较明显“1 。 北京作为首都，如果密云水库的水质出了问题，不仅会造成环境恶化、制 第1 章绪论 约经济发展，还会影响社会稳定。所以密云水库水体的长期稳定，对首都安全 供水具有极大的意义。 1 2 水源污染源的分类 污染物的发生源根据空间分布特征可以分为点源和非点源两种”。点源污 染是指有相对产生范围或位置并有固定排放点的污染源所产生的污染。非点源 污染是指在降雨径流的淋洗和冲刷作用下，大气、地面和地下的污染物进入江 河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水体污染，它是与水文循环早期阶段有 关的现象“1 ，也可称为降雨径流污染，它是发生在整个空间范围内的污染问题。 非点源是相应于点源的重要污染源类型。非点源污染的重要性随点源污染控制 能力的提高而逐渐表现出来，特别是当点源污染控制水平达到一定程度后，非 点源污染势必成为水环境污染的主要来源。 这一点在许多国家的发展实践中已得到充分的证实。 在美国，6 0 的河流和5 0 的湖泊与非点源污染有关”1 。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。1 。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 。1 。全球3 0 5 0 的陆地受到 非点源污染的影响n 。 我国也存在严重的非点源污染，如太湖、云南滇池和天津于桥水库等非点 源污染负荷量就占很大比重，很多城市的地表饮用水源( 如于桥水库、密云水库、 滇池、西安的黑河引水工程等) 也受到降雨径流污染的威胁川。湖泊富营养化与 非点源污染密切相关，这是非点源污染逐步受到重视的一个重要原因。 第1 章绪论 约经济发展，还会影响社会稳定。所以密云水库水体的长期稳定，对首都安全 供水具有极大的意义。 1 2 水源污染源的分类 污染物的发生源根据空间分布特征可以分为点源和非点源两种”。点源污 染是指有相对产生范围或位置并有固定排放点的污染源所产生的污染。非点源 污染是指在降雨径流的淋洗和冲刷作用下，大气、地面和地下的污染物进入江 河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水体污染，它是与水文循环早期阶段有 关的现象“1 ，也可称为降雨径流污染，它是发生在整个空间范围内的污染问题。 非点源是相应于点源的重要污染源类型。非点源污染的重要性随点源污染控制 能力的提高而逐渐表现出来，特别是当点源污染控制水平达到一定程度后，非 点源污染势必成为水环境污染的主要来源。 这一点在许多国家的发展实践中已得到充分的证实。 在美国，6 0 的河流和5 0 的湖泊与非点源污染有关”1 。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。1 。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 。1 。全球3 0 5 0 的陆地受到 非点源污染的影响n 。 我国也存在严重的非点源污染，如太湖、云南滇池和天津于桥水库等非点 源污染负荷量就占很大比重，很多城市的地表饮用水源( 如于桥水库、密云水库、 滇池、西安的黑河引水工程等) 也受到降雨径流污染的威胁川。湖泊富营养化与 非点源污染密切相关，这是非点源污染逐步受到重视的一个重要原因。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 国内外非点源污染负荷评价和预测方法综述 为了对非点源污染进行有效的治理与控制，必须研究其负荷定量化问题“。 利用数学模型可以有效解决非点源污染的随机性和观测点的不确定性。数 学模型可以模拟各类非点源污染的形成、迁移、输出等过程，从而为地表水资 源的合理开发和利用提供决策依据，并使地表水环境保护措施的实施更加科学 化、定量化。所以非点源污染数学模型的研究一直是非点源污染研究的核心内 容之一。 1 3 1 非点源模型的分类 1 3 1 1 按照建立途径和所模拟的过程分类 ( 1 ) 直接模型通过对非点源污染物输出的三个重要环节降雨径流， 水土流失、污染物迁移进行模拟，估算污染物的输出量。 ( 2 ) 黑箱模型抛开污染物在区域地表的实际迁移过程，立足于受纳水体 水质分析，从而计算汇水区域污染物的输出量。 1 3 1 2 按对研究区域的处理方法分类 ( 1 ) 集总参数模型将研究区域作为一个整体来考虑，在有关特性均匀一 致条件下建立的模型。 ( 2 ) 分散参数模型将研究区域划分成较小的具有下垫面特性单一的单元， 然后对每个单元进行模拟，通过迭加的方法得到流域总输出。 1 3 2 非点源污染模拟模型的发展概述 在人们认识非点源之前，水土流失问题已被广泛关注。由土地利用不当、 坡面陡峻、土质疏松、地面植被不良、耕作不合理及滥伐森林等原因引发的土 壤侵蚀使土壤肥力下降“，大量肥沃的表层土壤丧失的同时使水库淤积，河床 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 国内外非点源污染负荷评价和预测方法综述 为了对非点源污染进行有效的治理与控制，必须研究其负荷定量化问题“。 利用数学模型可以有效解决非点源污染的随机性和观测点的不确定性。数 学模型可以模拟各类非点源污染的形成、迁移、输出等过程，从而为地表水资 源的合理开发和利用提供决策依据，并使地表水环境保护措施的实施更加科学 化、定量化。所以非点源污染数学模型的研究一直是非点源污染研究的核心内 容之一。 1 3 1 非点源模型的分类 1 3 1 1 按照建立途径和所模拟的过程分类 ( 1 ) 直接模型通过对非点源污染物输出的三个重要环节降雨径流， 水土流失、污染物迁移进行模拟，估算污染物的输出量。 ( 2 ) 黑箱模型抛开污染物在区域地表的实际迁移过程，立足于受纳水体 水质分析，从而计算汇水区域污染物的输出量。 1 3 1 2 按对研究区域的处理方法分类 ( 1 ) 集总参数模型将研究区域作为一个整体来考虑，在有关特性均匀一 致条件下建立的模型。 ( 2 ) 分散参数模型将研究区域划分成较小的具有下垫面特性单一的单元， 然后对每个单元进行模拟，通过迭加的方法得到流域总输出。 1 3 2 非点源污染模拟模型的发展概述 在人们认识非点源之前，水土流失问题已被广泛关注。由土地利用不当、 坡面陡峻、土质疏松、地面植被不良、耕作不合理及滥伐森林等原因引发的土 壤侵蚀使土壤肥力下降“，大量肥沃的表层土壤丧失的同时使水库淤积，河床 第1 章绪论 抬高，通航能力降低，洪水泛滥成灾。因为其对人类的巨大影响，人们较早地 开展了此方面的研究并且取得了大量研究成果，尤其在定量计算的方法上已逐 渐发展成熟。这方面的研究为水土流失型非点源的研究提供了有效的研究方法， 为全面开展非点源污染研究打下了良好的基础。 1 3 2 i 非点源的发展大致经历了如下几个阶段 ( 1 ) 非点源研究的初创时期( 6 0 年代到7 0 年代初期) 6 0 年代，农药对 水生态系统的影响受到极大关注，人们开始注意农业非点源污染的潜在危害， 并开始进行污染负荷的定量化研究，如美国加州的h y d r o c o m p 公司开始为 e p a ( 美国环保局) 研制农药输移和径流负荷模型( p t r ) ，以及最初( 1 9 7 1 年) 的城 市暴雨管理模型( s w m m ) 等。 ( 2 ) 非点源模型的大发展时期( 7 0 年代中期) 在这一阶段还逐步形成并 投入使用了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 ) ，它是由美国 环保局( u s e p a ) 于1 9 7 6 年发布的，同时提供了大量的实用非点源模型，并详 细介绍了应用模型分析、评价和预测管理措施的实施效果。例如，h y d r o c o m p 公司的非点源污染系列模型p t r h s p a r m n p s ，以及其他研究者开发的 s t o r m ，a c t m o “，u t m ，l a n d r u m 等。 这一时期非点源污染研究取得了两方面的重要进展：一是从简单的经验统 计分析提高到复杂的机理模型；二是从长期平均负荷输出或单场暴雨分析上升 到连续的时间序列响应分析。这些模型虽然经过了一些实测数据的检验并得到 有限的应用，但它们往往对各种资源( 计算机、数据、费用、用户素质等) 的要 求很高，大多数模型只能适用于很小的集水面积。这些不足限制了模型的推广 应用。 ( 3 ) 实用模型发展阶段( 8 0 年代) 这一时期非点源污染问题进一步受到 北京工业大学工学硕士学位论文 重视。以非点源污染为主题的国际会议和各种专著大量出现。这一阶段的模型 研究主要集中在把已有的模型用于非点源污染管理，开发含有经济评价和优化 内容的非点源管理模型。代表模型有：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 p s ) ”、农田尺度的水侵蚀预测预报模型( w e p p ) “”3 、流域非点源污染 模拟模n ( a n s w e r s ) 田“2 “等。这些模型都得到了不同程度的应用。为了提高模 型土壤侵蚀部分模拟的简便性和准确性，美国农业工程师协会( a s a e ) 提出并逐 步改进了w e p p 模型；另外，传统的土壤流失方程( u s l e ) 也经过改进形成 r u s l e 。同时，最佳管理措施b m p s 发展更加成熟，美国环保局、农业部水 土保持局和各州政府都建立起了相应的实施细则和办法，模型分析技术被大量 应用于评价b m p s 的效果。 ( 4 ) 对现有模型的完善阶段从9 0 年代初至今，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，推进了非点源污染的定量化研究。“。非点源污染管理模型和非点源污染风 险评价成为这一时期应用模型研究的最新突破点”“。而且这一阶段模型研究进 一步由纯数学问题转向一种系统决策工具，以帮助预测非点源污染的程度并对 各种水域管理措施进行评价。同时，开发非点源模型系统平台，为非点源污染 的研究和控制提供有利工具，也成为一个重要的研究方向。表1 1 比较了部分 常见非点源模型。 1 3 3 我国在非点源污染方面的研究 我国在非点源研究上起步较晚，进入8 0 年代以来才逐渐认识到非点源污染 问题的重要性。”。1 9 8 0 1 9 9 0 年我国的非点源污染研究仅是农业非点源的宏观 特征与污染负荷定量计算模型的初步研究。9 0 年代以来，农药、化肥型模式在 农业非点源污染中占据了重要地位。 北京工业大学工学硕士学位论文 重视。以非点源污染为主题的国际会议和各种专著大量出现。这一阶段的模型 研究主要集中在把已有的模型用于非点源污染管理，开发含有经济评价和优化 内容的非点源管理模型。代表模型有：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 p s ) ”、农田尺度的水侵蚀预测预报模型( w e p p ) “”3 、流域非点源污染 模拟模n ( a n s w e r s ) 田“2 “等。这些模型都得到了不同程度的应用。为了提高模 型土壤侵蚀部分模拟的简便性和准确性，美国农业工程师协会( a s a e ) 提出并逐 步改进了w e p p 模型；另外，传统的土壤流失方程( u s l e ) 也经过改进形成 r u s l e 。同时，最佳管理措施b m p s 发展更加成熟，美国环保局、农业部水 土保持局和各州政府都建立起了相应的实施细则和办法，模型分析技术被大量 应用于评价b m p s 的效果。 ( 4 ) 对现有模型的完善阶段从9 0 年代初至今，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，推进了非点源污染的定量化研究。“。非点源污染管理模型和非点源污染风 险评价成为这一时期应用模型研究的最新突破点”“。而且这一阶段模型研究进 一步由纯数学问题转向一种系统决策工具，以帮助预测非点源污染的程度并对 各种水域管理措施进行评价。同时，开发非点源模型系统平台，为非点源污染 的研究和控制提供有利工具，也成为一个重要的研究方向。表1 1 比较了部分 常见非点源模型。 1 3 3 我国在非点源污染方面的研究 我国在非点源研究上起步较晚，进入8 0 年代以来才逐渐认识到非点源污染 问题的重要性。”。1 9 8 0 1 9 9 0 年我国的非点源污染研究仅是农业非点源的宏观 特征与污染负荷定量计算模型的初步研究。9 0 年代以来，农药、化肥型模式在 农业非点源污染中占据了重要地位。 第1 章绪论 表l - 1 常见的非点源模型比较 模型名称模型特点 u s l e 或 美国通用流失方程，属6 参数乘法计算式。包括降雨侵蚀径流因 ( r u s l e ) 方 子、土壤侵蚀因子、坡长因子、坡度因子、植被覆盖度因子、流域管 理措施因子。用于计算土壤侵蚀模数。常与s c s 水文模型结合计算 程 污染负荷，适用于n 、p 等各种非点源污染物 最早开发于1 9 7 6 年，模型包括h s p 水文模型、泥沙、农药等污 染物吸附解析模型等。其显著的优点就是能够对降雨径流的主要环节 a r m 模型 和过程有详尽的描述，用于河道和转化作用可以忽略的小流域的n 的迁移 美国农业部开发于1 9 7 9 年，属于集中式物理模型，模型包括s c s c r e a m s 模型 水文模型、g r e e n a m p t 入渗模型。模型适用于农田小区的污染物的 流失。可以用于小流域内计算n 、p 负荷及简单污染物平衡 开发于1 9 8 7 年，属于场次分散流域模型。包括s c s 水文模型、 a g n p s 模型 u s l e 方程。适用于2 0 0 9 3 0 0 h m 2 流域内n 、p 等营养物流估算 最早开发于1 9 9 6 年，属于集中参数流域模型。包括s c s 水文模 s w a t 模型 型、r u s l e 方程。适用于大流域内的n 、p 等复杂污染物的平衡 1 3 _ 3 1 直接模型完整的流域非点源污染模型实际上是一个模型系统，包括降 雨径流模型、侵蚀和泥沙输移模型以及污染物的产生与迁移模型“”( 或考虑泥 沙与其它非点源污染物也具有相似的特点把泥沙视为非点源污染物处理) 。 ( 1 ) 降雨径流模型据不完全统计，全世界大约已建立了数以百计的产流 计算模型。比较著名且应用较为广泛的有：澳大利亚气象局模型( c b m ) ，日本 国家防灾研究中心的水箱模型( t a n k ) ，美国国家气象局的水文模型( n w s h ) ， 美国国家气象局河流预报中心的萨克拉门托水文模型( s r f c h ) ，原苏联水文气 象中心降雨径流模型( h m c ) 等。我国也开发了一些产流模型如新安江模型和陕 北模型。这些模型的参数不等，结构繁简不一，计算的时空尺度也有较大差别。 北京工业大学工学硕士学位论文 尽管不同模型描述的产汇流机制不同，但都定量分析计算径流形成过程：包括 流域蒸发、截留和下渗；坡面调蓄和河网调蓄等子过程。在流域汇流计算方面， 单位线类方法是我国目前应用最广的方法之一，特别是n a s h 瞬时单位元线模 型。但n a s h 模型在物理概念上不尽合理，用于北方干旱半干旱地区时，出现 峰值偏低，过程拟合欠佳等不合理现象。 ( 2 ) 侵蚀和泥沙输移模型与产汇流模型相比，国内外对产沙进行定量研 究的起步相对较晚，研究的内容相对较少，并且还处于进一步完善阶段。目前 世界上较为流行的土壤侵蚀模型有：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 ) ，m e y e r w i s c h m e i e r ( 1 9 6 9 年) 的壤侵蚀过程数学模型，柯罗拉州立 大学水流和泥沙推演模型，侵蚀生产力影响计算模型( e r o s i o n p r o d u c t i v e i m p a c tc a l c u l a t i o n ) ，国内也针对个别流域特点开发了一些局部的产沙输沙模型 如：黄委会绥德水保试验站、黄委会农水局同河海大学合作研制的小流域产汇 流子模型和产输沙子模型，清华大学水利系泥沙研究室谢树楠等1 9 9 1 年提出的 黄河中游黄土丘陵沟壑区暴雨产沙模型，西安理工大学建立的窟野河暴雨产流 产沙模型，中科院地理研究所和加拿大多伦多大学地理系研制的黄土丘陵沟壑 区典型小流域侵蚀产沙过程模型等。国内开发的模型都是在解决实际流域产沙 问题中提出来的，针对性较强，因而在应用的范围上受到了较大的限制，没有 得到广泛的推广。 ( 3 ) 污染物的迁移模型对于水质控制规划、水污染治理、以及水土保持 等实际工作来说，暴雨径流过程中河流特定断面的污染物浓度过程c ( o 与负荷 率过程l ( t ) 都是不可缺少的资料。目前，推求c ( t ) 与l ( t ) 的途径有同步监测，污 染物迁移宏观模型( 如单位线类模型) 、微观机理模型( 如美国a r m 模型中的n 、 p 转化子模型) 、以及在前面模型的基础上建立的考虑污染物迁移转化机理的宏 观概念性模型等。 l _ 33 2 黑箱模型流域下垫面的性质不同，其非点源污染物的产生过程与特点 嚣l 章缝论 也不同。一般流域的下垫匿包括透水地嚣、不透水她露与水嚣这三种类型，嚣 曼以透水地霭为主。城枣亿流域蕊下垫蘧鼓不透永缝覆必主，其产污逑程楣对 比较麓攀，一般哥采用一阶、挣洗模羹来计算暴雨径流污染负荷量。豳承面啻接 进入水体的污染负荷量淑决予簿水中的污染物浓度与降水量，也较翁估计。与 暴雨产流计算相比较，流域暴雨产污量计算是一个难度很大的研究课题，因为 人们无法测得类似于毛雨量的毛污染物蟹，而且影响因素更为错综复杂。因此， 人们研究了一些间接方法来推算产污量。如建立污染负荷率( 或浓度) 径流量 ( 流量) 相关关系，输沙率流量关系等等。这类方法实质上是回避了产污算这 一环节1 。 我髫于6 0 年 弋初开展戆化学侵 喹与化学径浚抟研究，是我国菲燕源污染辑 究的先导。钛鹊年代开始，由于水麾、湖溶等静富营养纯，戳及河流水质、泥 沙等方西翡需要，开展了农村菲点源污染的研究。在j # 点源污染研究中，土 地乖j 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。 通常在不同的土地利用类型上，采用具有代袭性的区域，同步监测降雨径流的 水质、水量、确定出污染物的单位负荷量。然后通过单位负荷与颇积的乘积来 估算，来监测非点源污染的发生负荷爨。但由予非点源污染是一种时空茇异性 很强的现象，仅仅以小区碜 究来代替大区域，佑算糕度较差，鼹黠也不利于对 嚣点源污染爨馨发生援槔的醭究。 麸降雨径漉污染螽奄形成避程冒鲡，在降雨过程串，共有形成径流，才有可 畿产生菲点源污染。因此，降雨径流污染负荷量与降雨径流畿密切相关。根据 典型流域的次暴雨水质水煮同步懿测资料，可建立水质水量相关关系及输沙率 与流爨相关关系。 阕内在些流域如汉江流域和黑河流域根据巍地水文观测资牲进行了径漉 深与污染物负荷之闻的相关关系研究。也在其他流域进行了竣沙攀与渡量敷掇 关关系硬究。但是，如予黑键模型本爨蜓缺陷限粼了它鲍推广应爨。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 4 非点源污染研究存在的问题及发展方向 1 3 4 1 非点源模型研究存在的问题非点源污染经历了3 0 多年的研究，非点源 模型从无到有逐步发展完善，在模型研究方面取得了大量有价值的研究成果为 污染源的管理控制及治理提供了必要的支持。但是仍然存在一些亟待解决的问 题： ( 1 ) 缺乏明确的水文基础及迁移转化机理； ( 2 ) 对大中型流域的模拟能力较差，不便于推广应用； ( 3 ) 经验模型多，适应性差；要求的参数多及参数难于率定； ( 4 ) 模拟结果不一定理想等。 1 3 4 2 未来的发展趋势g i s 技术提供了生成、操纵和管理不同性质资料的工 具“，8 0 9 0 年代以来，在土壤侵蚀与非点源污染研究领域开始得到应用， 具有快速、灵活、人机对话、图形显示等优点的g i s 技术的应用，以成为当前