（环境工程专业论文）密云水库上游小流域非点源污染预测研究.pdf

j b 塞窑道盔亟堂垃论塞空塞摘要 中文摘要 本论文以密云水库上游小流域为研究背景，在对流域内各类污染源调查分析 的基础上，应用流域数字高程模型d e m 、土地利用、土壤、气象、水文与水质以 及农业管理措施等数据，建立了基于s w a t 模型的密云水库流域非点源模型系统， 并采用实测数据对模型系统进行了参数的率定和模型的验证。结果表明，基于 s w a t 模型构建的非点源模型完全能应用于密云水库入库的非点源污染负荷模拟 和预测。 由于密云水库流域农业非点源污染涉及面广，治理难度大，只有实行多学科、 全方位的综合治理，才能对其进行有效控制。根据密云水库流域的实际情况和模 拟结果，本论文提出了控制农业非点源污染的管理措施，例如：采取保护性耕作， 大力推广高等种植，增加植被覆盖度，建立合理的轮作制度等。 在农业发展压力大的地区，我们不能像发达国家那样通过限制化肥、农药的 施用量等措施来减轻或消除农业非点源污染问题，而应采取“预防为主，防治结 合”的对策，此外还应加强理论方面的研究。 关键词：密云水库；s w a t 模型；非点源：流域 韭塞窑适盘亟主堂位论塞旦s i 基i a b s t r a c t as o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt o o l ( s w a t ) b a s e dn o n - p o i n ts o u r c e m o d e l i n g s y s t e mo ft h em i y u nr e s e r v o i rw a t e r s h e dw a se s t a b l i s h e db a s e do ni n v e s t i g a - t i o no f p o i n ta n dn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na n dd i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，l a n d - u s e ，s o i l ，w e a t h e r , h y d r o l o g i c a la n dw a t e rq u a l i t yd a t a , a n da g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n tp r a c t i c e s m e a s u r e d t i m e s e r i e ss t r e a mf l o wa n dw a t e rq u a l i t yd a t aw e r eu s e dt oc a l i b r a t ea n dv e r i f yt h em o d e - l i n gs y s t e m t h eh y d r o l o g i c a la n ds e d i m e n ts i m u l a t i o n sa g r e ew e l lw i t ho b s e r va t i o n s i nt h em i y u nr e s e r v o i rw a t e r s h e d t h es i m u l - a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en o n - p o i n t s o u r c em o d e l i n gs y s t e mc a na l s ob ea p p l i e dt os i m u l a t ea n dp r e d i c tn o n p o i n ts o u r c e l o a d i n g si nt h em i y u nr e s e r v o i r b e c a u s eo ft h eb r o a da f f e c t e da r e aa n dt h eg r e a tt e c h n i c a lc h a l l e n g e so fn o n p o i n t p o l l u t i o ni nt h em i y u nr e s e r v o i rw a t e r s h e d ，w es h o u l d t a k em e a s u r e sam u l t i d i s c i p l i n a r y , a l l - r o u n da n dc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tt oe x e r c i s ee f f e c t i v ec o n t r 0 1 t h i sp a p e r p r o p o s e sc o n t r o l l i n gm a n a g e m e n tm e a s u r e so fa g r i 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 n f o re x a m p l e ，t a k i n gc o n s e r v a t i o nt i l l a g e ，c o n t o u rf a r m i n g , c o n s e r v a t i o nc r o pr o t a t i o n , a n d i m p r o v i n gc o v e rc r o p s d e v e l o p m e n tp r e s s u r ei nt h ea g r i c u l t u r a lr r e a sw i t hg r e a tp r e s s u r e ，w ec a nn o t r e s t r i c tf e r t i l i z e r ，p e s t i c i d ea p p l i c a t i o nr a t e , a n do t h e rm e a s u r e st or e d u c eo re l i m i n a t e a g r i 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 n w es h o u l da d o p t ”p r e v e n t i o nf i r s t ，c o m b i n i n g p r e v e n t i o n , ”c o u n t e r m e a s u r e s i na d d i t i o n , t h et h e o r e t i c a ls t u d ys h o u l da l s o b e s t r e n g t h e n e d k e y w o r d s = m i y u n r e s e r v o i r ；s o i l a n d w a t e r a s s e s s m e n t t o o l ( s w a t ) n o n - p o i n t s o u r c e ； w a t e r s h e d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名：走兰事有 导师签名： 学位论文作者签名：疋兰妒召 导师签名： 签字日期；p 少年，：月夕日 铆尹咱f 日 j e 塞窑道太堂亟堂僮途窑 独创世直明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：司占秀 签字日期：7 卯7 年，2 月夕日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘世海、刘莹老师的悉心指导下完成的。老师严 谨的治学态度，科学的工作方法，实事求是的科研精神，在完成学业的过程中无 时无刻不在潜移默化中影响着我，使我深受启发，这在我今后的工作和学 - j 中将 受益终生。老师谦虚的为人和随和的性格给我留下了深刻的印象，是我学习的榜 样。在此谨向老师致以诚挚的敬意和由衷地感谢，感谢老师对我的关心和指导。 感谢北京交通大学土木建筑工程学院的环境工程教研室、学院办公室等各部 门老师在研究生阶段给予我的关心和帮助。 感谢我的家人对我的关怀和鼓励，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 感谢所有在学习、生活中关心、鼓励、支持我顺利完成学业的亲人和朋友们。 j t 塞交通太堂亟堂僮坠窑缝盈 1 绪论 1 1 研究背景及意义 研究表明，随着人类经济活动的发展， 其是当点源污染控制水平达到一定程度后， 因。 水环境污染已成为全球性的问题，尤 非点源污染成为水环境污染的主要原 全球范围内，有3 0 5 0 的地表水体已经受到了非点源污染的影响。在许 多发达国家，由于基本上实现了对点源污染的有效治理，非点源污染己成为水环 境恶化的主要原因。1 9 9 4 年研究指出，美国的非点源污染量占污染总量的2 3 ，其 中农业非点源贡献率占7 5 左右；2 0 0 0 年，美国环保局发布报告，江河中7 3 的 b o d 、9 2 的悬浮物和8 3 的细菌均来自非点源；2 0 0 3 年，美国环保局的调查 结果表明，农业非点源污染是美国河流和湖泊污染的第一大污染源“1 ，全国有“ 的河流及5 7 的湖泊因农田径流而受到污染。在丹麦，大部分河流中9 4 的氮 负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染引起。在荷兰，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 ( b o e r s , 1 9 9 8 ) 。此外，许多欧洲国家 得出结论：硝酸盐和杀虫剂是最大的非点源污染。 在我国，农业生产活动引起的农业非点源污染是造成非点源污染的主要原因。 因此，本论文重点研究农业菲点源污染方面的问题。 目前，我国水资源分布极不均匀，干旱缺水严重影响了经济和社会的发展， 尤其是农业的稳定发展；水资源的紧缺与浪费并存，水体污染日趋严重，已经影 响到了人民的用水安全，形势严峻。 近年来，我国的点源污染已经得到了有效的控制和治理，而非点源污染问题 却日益严重，尤其是菲点源污染所造成的建表水污染闯题，已经在我国许多城市 和地区显现出来。据专家估算，目前我国水体氮、磷污染物中来自工业、生活污 水和农业非点源水污染的大约各占1 3 饼，地下水有将近5 0 已被农业非点源污 染，我国湖泊被富营养化的水体占6 3 3 ，其中氮、磷的5 0 以上来自农业非点 源污染负荷。我国五大淡水湖之一的巢湖，目前主要受到氮、磷及有机物的污染， 总氮、磷严重超标，其中7 0 来自非点源污染。我国第三大淡水湖的太湖，由于 沿湖的工农业排放，目前9 7 面积的水体己经处于中等富营养化状态，并且有研 究表明，进入太湖的污染物中，太湖流域的农业非点源污染引起的总氮排放量最 多，城镇居民的生活污水引起的总磷排放量最多。水体富营养化造成了水质恶化、 i e 塞銮垣塞堂亟堂位i 佥毫 绪途 水源紧缺、生态环境破坏，严重制约了经济和社会的持续发展。 我国水体的非点源污染占很大的比重，已超过了点源污染。研究表明，北京 密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖等水域，非点源污染比例超过点源污染。非 点源污染已经上升为威胁人类饮用水的主要原因( 鲍全盛等，1 9 9 6 ，1 9 9 7 ) 。目前， 我国工业废水、生活污水的治理已经得到了广泛的重视，但是农业非点源污染却 没有得到足够的重视。 随着我国农业的发展，化肥、农药的施用量逐渐上升，其过量使用造成了大 量化肥和农药随着降水或灌溉水进入水域，严重影响了水体水质。农业非点源污 染己成为我国农村生态环境恶化的重要原因之一。今后，随着我国人口的迅速膨 胀，农业集约化程度的高速增长，以及加入w t o 后农业生产的扩大所引发的过量 施肥、施药，该问题将会加速恶化。 与点源污染相比，非点源污染的研究及治理难度更大。在水环境的控制中， 如果只是单纯的进行点源污染控制，而不重视非点源污染的研究，很难从根本上 改善水质。 水资源是经济和社会发展的重要支撑和保障，加强非点源污染研究对我国水 污染的防治具有重要意义，同时，我国非点源污染的控制也已经到了刻不容缓的 地步。若能够有效地进行非点源污染控制，并将环境管理在农村地区广泛地开展， 环境管理效果将会更加显著，在此过程中，建立适应性更强的管理措施是一项重 要内容，其关键是水质评价。为了对非点源污染进行有效的治理与控制，必须研 究污染物的流失过程和规律，但由于水资源在时空上的分布性和差异性，水质评 价过程只有极少数能够通过实地监测来完成。因此，在进行非点源污染量化、影 响评价研究和污染治理时，最为有效的方法是建立模型，进行时间和空间上的模 拟( 牛志明等，2 0 0 1 ) 。数学模型方法不仅可以模拟各类非点源污染负荷的形式和 迁移转化，还可以为非点源污染控制和管理的定量化提供有效的技术手段。可见， 非点源污染模型的建立具有重要意义。 1 2 农业非点源污染概述 非点源污染主要来源于水土流失、农药和化肥的施用、农村家畜粪便与垃圾、 农田污水灌溉、城镇地表径流、林区地表径流、废弃的矿山、大气沉降，以及森 林砍伐、土地开发等可能产生污染的生产活动。根据美国环保局的划分，非点源 污染的类型主要有以下几种：农业、林业、水文特性改变、航运、公路、城市、 湿地一缓冲带”1 。 在我国，化肥使用量增长很快，1 9 7 8 年为8 8 5 k g ( h m a ) ，1 9 9 3 年已经增至 2 i e 哀交道盘堂亟堂焦监塞 蟹监 1 9 3 5 k g ( h m 2 a ) 。由于对化肥的有效利用率低，平均每年农田氮肥流失率为3 3 3 7 3 6 ：磷肥的损失率一般在2 5 。有田间试验表明，喷洒的农药仅有2 3 3 0 附在目标作物上，有3 0 5 0 落到了地面上，其余进入大气中。大量的化肥、 农药通过雨水冲淋、农田灌溉、土壤渗透等途径进入江、河、湖、库等水域，成 为了农业非点源污染的主要原因柳。随着点源排放的逐步控制，农业非点源污染成 为非点源污染的主要原因。因此，本论文的重点放在农业非点源污染方面。 1 2 1农业非点源污染的定义与特征 农业非点源污染指的是农业生产中，氮、磷等营养物质、农药及其他有机或 无机污染物，通过农田的地表径流和农田渗漏，形成的水环境的污染。 农业非点源污染具有以下特点： ( 1 ) 农业非点源污染的形成过程具有随机性。面源污染受降雨时间、降雨量、 温度等的影响较大，因而大多数面源污染的发生具有随机性、不确定性。 ( 2 ) 农业非点源污染的影响因子多，污染物具有不确定性。在某个区域内， 多个污染者的排放相互交叉，排放途径各不相同且较复杂，因而所产生的污染物 是很难确定的。 ( 3 ) 农业非点源污染的分布范围广，污染物的分布具有不均匀性和分散性。 土地利用状况、地形地貌、水文特征等的不同导致了非点源污染在空间上的不均 匀性。此外，污染源的分散性导致污染物排放的分散性，因此其空间位置和涉及 范围不易确定。 ( 4 ) 不易监测性。由于非点源污染的随机性，污染物的不确定性，以及不同 条件下污染物的迁移转化，对某一种污染物进行识别和监测是很难实现的。 1 2 2 农业非点源污染的危害 1 2 2 1 污染水体，加重水体富营养化 水体污染是指污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后，其含量超过 了水体的自然进化能力，使水体的水质和水体底质的物理、化学性质或生物群落 组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能的现象。农业面源污染严 重污染水体，是水体富营养化的主要原因。研究表明，对于湖泊、水库等封闭水 域，当水体内无机氮总量大于0 2 m g 1 ，磷酸盐磷浓度大于0 o l m g 1 时，就可能 引起藻华现象的发生。由于农业非点源污染，我国近一半的湖泊已经处于严重的 富营养化状态。近年来，我国的湖泊、水库等水体的富营养化加剧，甚至危及城 j b 立銮适太堂亟坐位i 佥塞 绪i 金 乡居民饮用水的安全，形势十分严竣。农业非点源污染受到了中央和地方广泛的 关注。 1 2 2 2 污染土壤，使土壤退化 土壤污染是指进入土壤中的有毒、有害物质超出土壤的自净能力，导致土壤 的物理、化学和生物学性质发生改变，降低农作物的产量和质量，并危害人体健 康的现象。当农田施用过量的农药和化肥时，就会使许多有害物质进入土壤，对 土壤造成污染。因此化肥的不合理施用与过量施用，会导致土壤肥力下降和严重 的非点源污染。由于土壤肥力持续下降，农产品的产量和品质也会随之下降，农 民会更加依赖农药和化肥，希望以此来改善状况，这就很容易形成恶性循环，引 起土壤生态环境的严重恶化，从而使粮食和蔬菜的安全也受到威胁。 1 2 2 3 对生物的有害影响 重金属、农药的残留物等有毒、有害物质一旦进入水体，不仅对水生生物造 成直接危害，某些有毒物质还可以通过食物链的富集作用使处于食物链高位的人 或畜中毒。这不仅是对环境的污染、对经济发展的阻碍，更是对人类健康的破坏。 1 2 3 我国农业非点源污染现状 解决农业非点源污染属世界性难题。在我国，由于农业生产压力逐年加大， 所以控制农业非点源污染的工作就更加艰难。据专家估算，目前我国水体氮、磷 污染物中来自工业、生活污水和农业非点源水污染的大约各占1 3 。1 ，地下水有 将近5 0 已被农业非点源污染，湖泊等地表水中氮、磷的5 0 以上来自农业非点 源污染。我国水体的非点源污染占很大的比重，已超过了点源污染。 1 2 3 1 农村生活污水排放量增加 随着城镇化的迅速发展，以及人口的增长，农村生活污水的排放量会不断增 加。专家指出：预计到2 0 1 0 年，中国村镇污水排放量约2 7 0 亿吨。 1 2 3 2 化肥投入量增加 我国人口众多，为满足广大人民群众对粮食的需要，必须提高粮食产量。因 此，在生产力发展水平不高的情况下，我国农业生产中的化肥投入在逐年迅速增 加。目前，我国的化肥生产量和使用量已经位居世界首位。据统计，2 0 0 2 年全世 界化肥总用量为1 ，4 2 亿t ，我国为43 3 9 5 万t ，约占世界总用量的3 0 5 3 ，单位播 种面积化肥用量大约是世界平均水平的3 倍。据调查，化肥损失量中约有1 5 通 过地表径流进入水体，造成水质污染。 1 2 3 3 农药施用量大 我国是世界上农药生产和使用大国。目前“1 ，我国农药年产量达4 6 万t ( 有效 4 | e 塞交道盘堂亟堂僮迨童 鳌盐 成分) ，高居世界榜首；每年的农药施用量近2 3 万t ( 有效成分) ，居世界第一。据 1 9 9 8 2 0 0 0 年的统计数据分析“1 ，我国平均农药使用水平为1 2 7 埏h m ( 有效成 分) ，蔬菜、果树和粮食作物( 水稻、小麦) 是使用量最多的作物。研究表明，我国 4 0 的水稻生产和大于5 0 的棉花生产中存在农药的过量施用现象，在蔬菜、瓜 果的生产中，此现象更为明显。 1 2 3 4 湖泊富营养化现象严重 近年来，我国经济飞速发展、人1 2 1 加速增长，但水污染防治对策的发展却相 对缓慢，这就造成了湖泊水污染严重，尤其是富营养化己成为焦点问题。我国湖 泊的总面积约为8 34 0 0 k m 2 ，约占国土总面积的o 8 。大型淡水湖泊和城市湖泊 均为中度污染，7 5 以上的湖泊富营养化加剧。据2 0 0 0 年对全国1 3 1 个湖泊的营 养程度的调查评价表明，6 1 个湖泊富营养化( 占被调查湖泊数的5 1 2 ，面积占4 2 3 ) 、5 4 个湖泊中度营养化( 占被调查湖泊数的4 1 2 ，面积占4 3 1 ) 。 1 3 非点源污染研究进展 1 3 1 国外研究进展 7 0 年代末，为满足水质规划的要求，数学模型被用于定量评价农业污染水质 的现状，并进行预测生产条件的改变对水质的影响程度。从此，非点源污染的研 究由相关因素分析和时空分异分析转向了与非点源污染控制密切相关的主控因子 和关键区域的空间分析。数学模型研究应用到截留、填洼、下渗等降雨径流 及污染物迁移转化等过程当中。在此期间，部分发达国家在非点源污染的控制和 管理措施方面也有一定的发展，其中，最具代表性的是美国的“最佳管理措施”。 它以合理利用土地为基础，提倡运用非生物工程、生物工程措施减少非点源污染， 发展生态农业；政府还通过政策、税收鼓励、引导农民科学种田，避免滥施化肥 和农药。 到了8 0 年代，非点源污染研究更加深入，并提出了一些非点源污染扩散与负 荷的模型，如农业管理系统中的化学污染物径流负荷和流失模型、用于农业非点 源管理和政策制定的农业非点源污染模型、农田尺度的水侵蚀预测预报模型、流 域非点源污染模拟模型。与此同时，计算机技术和卫星遥感技术与非点源污染模 型相结合，广泛应用于非点源污染的预测、管理和决策，为非点源污染研究提供 了全新的手段。 9 0 年代末期，与非点源污染负荷相关的流域开发方向、非点源污染管理模型、 非点源污染风险评价得到了很大的发展。 j e 塞銮逼太堂亟堂僮i 金童 绪! 金 1 3 2 国内研究进展 我国在8 0 年代开展的湖泊富营养化调查标志着我国非点源污染研究的开始， 之后在多个城市开展了非点源污染研究。其中，农业非点源污染研究先后在大伙 房水库、于桥水库、滨池、太湖、巢湖、晋江流域等地区开展了工作，在农业非 点源和城区径流污染的宏观特征与污染负荷定量计算模型等方面进行了初步研究 嘲”】。主要研究方法有：类型源实验法、径流实验厂法、受纳水体水质监测法、通 用模型计算法等；在非点源污染的宏观控制方面，主要研究利用元素示踪技术遥 感、人工降雨模拟、地理信息系统等技术。 9 0 年代，研究人员提出了针对我国的非点源污染控制与管理措施，重点研究 农药、化肥污染的宏观特征、影响因素在农业非点源污染中的重要作用。 目前“，我国的水污染控制重点主要放在点源上，对非点源污染的认识还处 在起步阶段，缺乏相应的管理研究和实践，相关的法规条例也十分有限。缺乏针 对非点源污染的治理手段，管理措施、政策有效性的量化研究更是一个空白，相 关的非点源污染管理和控制措施零散，未形成体系。非点源污染的管理和控制措 施的推广常常因为成本、利润等诸多因素而频频受阻，达不到预期效果。 1 3 3 非点源污染模型研究概况 我国对非点源污染的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，国外一些发达国家开始于 7 0 年代。至今，国内外的学者已经开发了大量的数学模型对非点源污染进行估算。 例如：美国土壤环保局在1 9 7 2 年提出的计算径流量的s c s ( s o i lc o n s e r v a t i o n s e r v i c e ) 模型，近年来在国内外得到广泛的应用；1 9 8 0 年以来，遥感技术、人工 模拟试验技术得到应用，g i s ( 地理信息系统) 技术在土壤侵蚀与非点源污染研究 领域开始得到应用，可使g i s 与u s l e ( 通用土壤流失方程) 结合来估测土壤侵蚀 率和侵蚀量。我国的研究者对这些模型进行修正、改进，使得模型的精度更高， 适用性更强，同时也大大减少了所需投入的资金和时间。 目前，非点源污染模型主要分为两大类：统计型经验模型和机理型过程模型。 统计型经验模型通过典型样区的监测实验提取数据，在水质参数、水文参数和景 观参数间建立经验关系式，应用较为简单；机理型过程模型综合了水文模型、土 壤侵蚀模型和污染物迁移转化模型，形成了相对完整的系统模型，能够定量描述 非点源污染发生的连续过程，其优势是计算时间序列性强、空间分布特征清晰。 通过国内外学者的研究，对非点源污染负荷的估算已经从简单的经验符合估算模 型发展到机理模型，从对农田集水区的估算扩大到对流域的估算。 6 韭峦窑逼盘堂亟堂焦论塞绻逾 1 3 4 非点源污染研究目前存在的问题 在国外“”，具有坚实的水文学基础、考虑污染物地表迁移转化过程、可推广 应用于资料少的大流域非点源污染机理模型较少，而经验型模型又难以大范围的 推广应用。对于大气干沉降和非点源毒性污染物在空中、地表的迁移转化研究刚 开始，迁移转化的过程研究明显不足。许多非点源污染的管理和控制措施，只考 虑了对地表水质的改善，而忽略了地下水质。如保护耕作制降低了地表径流中的 杀虫剂的浓度和负荷，却使地下水中的浓度明显增加。人们利用湿地等自然景观 截污时，缺乏对截污机理的深刻认识和设计标准的明确规定，使湿地在蓄存非点 源污染物的同时，本身的生态效益也在降低。 至今，我国对非点源污染的控制还没有非常有效的措施。非点源污染的发生 主要受到气候条件的影响，强度主要受到地理条件的影响，它具有随机性、不确 定性、广泛性和时空分布不均匀等特点，这些因素都使得研究者对非点源污染的 监测和处理十分困难。此外，由于非点源污染的统计资料比较缺乏，对非点源污 染控制效果做出定量的预测很困难。目翦，非点源污染控制中最为迫切也最为关 键的问题是，非点源污染排放调查与预测方法的缺乏“1 。这一问题的解决将使得建 立能够快速、简便进行非点源污染负荷分析与预测的技术与方法成为可能。近年 来，我国的一些地区开展了非点源污染特别是农业非点源污染的调查工作，并取 得了一些成果，但是，目前我国非点源污染调查工作还缺乏相应的调查标准，抽 样方法、调查方法和调查内容等方面还需规范，使得非点源污染分析与预测无法 获得有效的数据支持，限制了非点源污染研究的进一步发展”1 。 1 3 5 非点源污染研究未来发展趋势 在国外，研究者进行了长期的非点源污染控制与管理实践，经验表明：通过 大量非点源污染的调查，与非点源污染机理型研究相结合，构建以实用性为目标 的污染负荷模型，并将其纳入水污染防治规划，能够极大的促进非点源污染的控 制与管理”。 近年来，非点源污染模型的模拟尺度不断增大，可以模拟由几千个小流域组 成的大尺度流域，但是水文模型很少考虑模拟尺度对参数有效性的影响，通常是 将小尺度上建立的水文模型应用到大的空间尺度上，假定参数在几十米到几千米 的空间变化中保持有效性，并没有指出在大尺度空间上如何确定参数。对于污染 物的迁移，现有的非点源污染模型对污染物迁移的模拟仍旧比较粗略，微观尺度 机理模型如何推广到宏观尺度上的问题仍未得到解决。此外，非点源污染模型之 7 韭壶窒逗盔堂亟生焦i 佥塞 绪i 佥 问的数据库可兼容性差，因此，为不同模型建立统一结构和格式的非点源污染模 拟基础数据库是目前亟待解决的问题。 i 4 本论文研究的目标与内容 1 4 1 研究区位置 密云水库东北部的高岭、太师屯等乡镇，其人口密度大，化肥、农药施用量 较大，化肥流失严重，县内工矿企业较少，是典型的农业县，可进行小区监测。 在该区域选择面积9 5 平方公里的典型小区，进行模拟研究。 1 4 2 目标 我国是农业大国，农业生产和生活活动引起的农业非点源污染成为非点源污 染的主要来源。本论文重点研究农业菲点源污染对密云水库流域的影响。 论文研究的主要目标：对已有非点源污染预测模型进行分析对比，针对密云 水库流域的具体情况，修改或建立适合于密云水库流域的非点源污染预测模型。 弄清楚流域非点源污染的基本情况，来源和分布，以及对密云水库水质的影 响。以农业土地利用类型为主，在流域系统中建立非点源污染模型。 通过该模型可以对密云水库流域系统及其内部发生的复杂污染过程进行定量 描述，帮助分析非点源污染产生的时间和空间特征，识别其主要来源和迁移路径， 预测污染的产生负荷及其对水体的影响，并评估土地利用的变化、不同的管理与 技术措施等对非点源污染负荷和水质的影响，预测流域非点源污染在未来几年中 的变化情况和发展趋势，为流域内非点源污染控制提供理论和实践依据。 1 4 3 亟待解决的问题 1 明确农田、果园、植被等因素对氮、磷污染物的影响。 2 对s w a t 模型的某些参数进行修正，通过大量数据的支持，对模型参数进 行校准，使非最优参数值所导致的误差最小化，从而建立适用于密云水库流域的 非点源污染预测模型。 3 利用修正后的模型对密云水库流域作定量计算，主要是对氮、磷等污染物 进行定量模拟计算。得出农田、果园中的化肥、农药等引起的农业非点源污染对 密云水库的影响，总结该项指标对水库水质的影响，从而预测不同条件下密云水 8 韭塞变道盔兰亟堂僮趁塞绪j 金 库流域的污染状况及在未来几年中的发展趋势。 4 分析模型模拟得出的结论，提出有效的改善措施。 1 4 4 论文研究内容及技术路线 在污染物进入水体后，其对水体的影响机制与点源污染相同，因此非点源污 染模型重点研究由陆地进入水体前的迁移转化过程，而对非点源污染进入水体后 的描述采用的模型与常用的点源污染模型相同。 从非点源污染产生机制的角度来看，主要有三个过程：径流形成的过程、径 流冲刷地面及形成土壤侵蚀的过程、泥沙及氮磷污染物进入水体的过程。因此， 该课题研究的技术路线应是：明确非点源污染的产生和迁移转化过程，通过对非 点源污染物输出的三个主要环节降雨径流、水土流失和污染物迁移进行模拟， 建立适合密云水库的流域模型，进行时间和空间上的模拟。 在建立模型之前，吸收当前非点源污染研究的最新成果，结合前人对密云水 库流域进行的大量调查与研究工作得出的结论，系统分析影响菲点源污染的敏感 性因子，研究影响非点源污染负荷的主要因素，充分借鉴已有统计经验模型和机 理型过程模型，最终建立反映密云水库流域非点源污染产生、迁移转化的模型。 思路如下： 1 、了解清楚该流域非点源污染的基本情况，尤其是污染物的来源和分布，以 及对密云水库水质的影响。 2 、分析并确定非点源污染模型的影响因素。 3 、对该区域内非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移的过程进行系统的综合， 选取或建立非点源污染模型。 4 、分析参数敏感度及其对输出结果的影响，得出模型输出结果对参数的敏感 性。 5 、分析评价不同因素对非点源污染模拟结果的影响，充分考虑这些影响因素 对农业非点源污染模型的意义，减少模型模拟结果的不确定性。 6 、通过大量数据的支持，对模型参数进行校准，使非最优参数值所导致的误 差最小化，进而对模型进行验证。 7 、使用不同于校准的数据来进行验证经过校准的模型是否可以使用。 8 、运行模型，进行流域非点源污染的模拟和预测。 9 韭夏窑道丕堂亟堂焦监室 蜜垂垄匪速堡拯逸 2 密云水库流域概况 2 1 自然概况 2 1 1 地理位置 图2 一l 密云水库及周边乡镇位置图 密云县地理坐标为北纬4 0 。1 9 4 1 。3 1 ，东经1 1 5 。2 5 1 1 7 。3 3 ，位于北 京市东北部，地势西北高东南低，平均海拔为7 5 m ，东南侧靠燕山西端，南侧为 军都山，西屏大马群山，北接坝上高原，密云水库流域基本处于山后区。东北部 群山起伏，西南部是潮白河冲积平原；中部密云水库是我国华北地区最大的水库， 也是首都的重要水源基地和水源保护区。 密云水库位于京郊密云县城北山区，横跨潮河、白河主河道上，距首都约 l o o k m ，水库最大水面面积1 8 8 k m 2 。密云水库北京集水区面积为4 4 9 8 k m 2 ，西起 延庆县白河堡、大庄科，昌平县黑山寨、下庄；东到密云县新城子、大城子；南 到密云、怀柔水库林场，潮河、白河、怀河北京市境内流域范围。 2 1 2 地貌 密云水库上游流域处于内蒙古地轴东段和燕山台褶带上，经过漫长的地史阶 o j b 塞銮适太堂亟堂僮丝塞蜜云盔座逋堡拯猩 段的构造变动，形成了复杂的构造格局。内蒙古地轴和燕山台褶带经历了各自独 特的演化过程。燕山台褶带自中生代起经历了大规模的断裂活动和猛烈的岩浆爆 发侵入活动，地表盖层断裂，褶皱和岩浆侵入等均有显示。由于地壳运动加之长 期风雨侵蚀等外力作用，使水库流域内地表形成了山峦起伏、断裂纵横、岭谷相 间的地貌景观。 流域地势西北高，东南低，河流走向与山脉的走向一致。西北部以海拔1 0 0 0 2 2 9 0 m 的中山为主，著名的山峰有雾灵山( 2 1 1 6 m ) 、云雾山( 2 0 4 7 m ) 、东猴顶山 ( 2 2 9 3 m ) 和海陀山( 2 2 0 0 m ) 等1 0 多座山峰，东南部多分布低山、丘陵和部分平原。 流域一般高程约在1 5 0 0 m 以上，属侵蚀构造地貌类型。 2 1 3 地质、土壤 密云水库库区位于燕山沉陷带中部偏南，主要为太古代变质岩系及震旦纪中 下部地层分布。褶皱断裂较发育。库区均为分布范围较广的变质岩组成。其中密 云群的变质岩以片麻岩为主，夹有麻粒岩、混合岩；阳坡地组分布于半城子、自 马关、冯家峪等地，岩性以黑云斜长片麻岩、花岗岩片麻岩、石英岩为主。流域 内多片麻岩、花岗岩，个别间有石灰岩层。 密云县境内土壤分为四类：褐土、棕壤、草甸土、粟钙土，其中褐土分布最广， 主要分布在1 5 0 6 0 0 m 的低山、丘陵地带，面积为8 9 5 7 3 k i n 2 ，占6 0 2 ；棕壤分 布在6 0 0 7 0 0 m 低山阴坡、直到2 2 9 3 m 的中低山均有分布，面积为5 1 1 4 k m 2 ，占 3 4 4 ；草甸分布于河谷地带，占1 9 ；粟钙土分布于北部坝根一带，占2 2 。 另外还有一部分黄土分布。1 。 土壤垂直分布规律，自高而低为：山地草甸土、山地棕壤、粗骨性棕壤、淋溶 褐土、粗骨性淋溶褐土。研究区内山坡地的土壤主要为山地草甸土、棕壤和褐土。 高山区土层较厚，土壤肥沃、湿润；而低山丘陵区多为风化岩残屑混合物，土层 较薄。山区天然次生林地有机质含量较高；而低山区土壤一般贫瘠，植被稀疏、 水土流失严重。在密云县境内，集水区土层厚度 2 5 。的面积占5 0 以上。 2 1 4 气候 水库集水区属暖温带半湿润季风型大陆性气候，气候温和，无霜期长达1 5 0 d 左右，r 照充足，水热同期。冬季寒冷干燥，秋季天高气爽，夏季炎热多雨，春 季干旱多风。由于山势起伏，地形复杂，以至气温、降水等要素的时空变化很大。 j b 夏至堑盔堂亟主堂位盗塞窒重盔廛逾缝挺猩 主要受西北高压气流控制，冬季干燥寒冷，春季干旱多风，夏季受东南季风影响， 湿热多雨，秋季次之。流域内地形复杂，山峦起伏，沟谷纵横，因此形成不同的 气候类型。年平均气温由南部9 1 0 ，向北部1 0 2 5 递减。昼夜温差大于1 2 ，春季日较差最大，夏季最小。年平均气温为8 5 9 5 c 。1 0 的积温为3 3 8 5 4 2 1 0 ；无霜期差异较大，一般在1 5 0 d 左右；总日照2 8 0 1 8 h ，辐射总量 1 3 4 6 k e a f c m 2 。 全流域内多年平均降水量为4 8 8 9 m m ，流域内降水分布，一般是从东南向西 北递减，年均降水在3 0 0 7 0 0 m m ，赤城县最小，一般不足4 0 0 m m ，潮河和黑河 流域较多，可达6 0 0 7 0 0 m m 。流域内6 8 月降水约3 0 0 4 0 0 m m ，占全年降水 量的6 5 7 5 ，多雨年与少雨年之比约2 4 ：1 。北京市境内库区年平均降水量 6 6 0 m m 。年降水变幅大，最多为1 4 0 6 m m ( 1 9 5 9 ) ，最小为2 4 2 m m ( 1 8 6 9 ) ，丰水年的 降水量是桔水年的5 8 倍。年降水量平均距平为1 0 0 4 1 6 0 ，7 m m ，相对变率为 2 0 2 5 。降水年内分配极不均匀，全年降水量8 0 8 5 集中在汛期( 6 9 月) ， 并多以暴雨形式出现。暴雨历时短，强度大，夏季雨量往往集中在几场降雨之中， 有时一次降水量可占全年的6 0 7 0 。由于受山脊地形的影确，这些山脊成为东 南气流运行的天然屏障，从而形成山前( 迎风坡) 多雨带，往往形成暴雨中心。暴雨 中心多出现在九松山( 密云) 、溪翁庄( 密云) 、枣树林( 怀柔) 、千家店( 延庆) 一带。这 些暴雨中心最大2 4 h 暴雨量为2 0 0 3 0 0 m m ，个别暴雨中心可达4 0 0 m m 以上。实 测m 的暴雨量：密云站( 1 0 3 1 m m ，1 9 5 2 - 0 7 0 2 ) ，古北1 3 ( 9 7 o m m ，1 9 5 7 0 7 2 4 ) 。致 使这些局部地区频繁发生山洪、泥石流等灾害。 流域内气候的垂直分布明显。流域气候大致可划分为两个气候带，即北部为 中湿半干旱森林草原气候带，南部为暖湿半湿润山地气候带，以马营、独石口为 界。海拔7 0 0 m 以下的山地属暖温半湿润类型，l o 的年积温在3 5 0 0 以上： 海拔在7 0 0 1 0 0 0 m 山地属中温半湿润类型，1 0 年积温为1 7 0 0 3 5 0 0 ；海 拔在1 0 0 0 1 9 0 0 m 属寒温半湿润类型，1 0 年积温小于1 7 0 0 ；超过1 9 0 0 m 的 亚高山草甸地区属于冷温半湿润类型。 流域内大气相对湿度年均值约为6 9 7 0 ，年水面蒸发量1 6 1 4 m m ，陆地蒸 发量3 8 0 m m 。北京市境内各季节主要气象要素及降水量见表2 1 密云水库上游北 京市境内主要气象要素值 表2 - 1 密云水库北京集水区主要气象要素值 | e 塞窑适丕堂亟堂垃监塞蜜亟盔痊逾麴趣猩 季 节吞 夏 圣l ：冬全年 总日熙时( h ) 7 8 7 57 3 7 56 7 7 25 9 9 82 8 0 1 8 辐射总量( k j e r a 2 ) 1 7 6 61 7 8 711 8 48 9 55 6 3 ，2 雠雨总量t r a m ) 5 6 05 0 4 5 9 0 8 8 4 6 5 9 7 雨餐占全年) s 5 7 6 5 1 3 7 1 3 1 0 0 蒸发量( t a m ) 6 2 5 1 6 1 7 3 3 4 8 5 1 6 5 3 】7 8 3 2 注：摘自京津周围地区密云县造林绿化总休规划。 2 1 5 水文 密云水库主要承接潮河、白河的来水，其次是这些河的支流。密云水库的净 蓄量与流域内的径流量呈正相关o ”。水库上游流域的河网密度大于o 3 k m k m 2 。 1 9 1 8 1 9 8 5 年，多年平均径流量1 4 5 亿m 3 。潮河、白河属季节性河流，地下水 补给量不大，汛期降雨所形成的地表径流是潮河、白河的主要补给形式，全年径 流量的7 0 集中在汛期的7 9 三个月，详见表2 2 。密云水库流域的水文条件有 如下特点- ( 1 ) 年丰枯变化悬殊、频繁。偏枯水年及枯水年约占4 1 ，偏丰水年及丰水年 占3 5 ，平水年占2 4 。 ( 2 ) 丰水年与枯水年交替发生，且变化较大。最大年径流量5 6 1 亿m 3 ( 1 9 3 9 ) ， 最小年径流量2 8 3 亿一( 1 9 4 1 ) ，相差近2 0 倍。 ( 3 ) 丰水年、枯水年连续出现。6 8 年间，丰水年连续出现6 次，一般不超过2 年，枯水年连续发生过9 次。 ( 4 ) 北京市境内局部地区的暴雨频率与水库来水水文频率极不相应，据分析， 1 9 9 1 年6 月个别暴雨中心出现的暴雨频率可在3 5 0 年一遇以上，而密云水库1 9 9 1 年6 月最大入库洪峰流量仅为3 6 1 0 m 3 s ，其水文频率不足1 0 年一遇( 吴长文，1 9 9 4 ) 。 ( 5 ) 流域内土壤侵蚀严重，侵蚀形式主要表现为水力侵蚀、重力侵蚀。水力侵 蚀又表现为面蚀和沟蚀。由于本地区植被盖度较低，坡面都不同程度的有鳞片状 面蚀和耕地面蚀。重力侵蚀主要为泥石流，多集中在云蒙山、汤河的低山河谷区。 由于汛期降水多以暴雨为主，水量集中，流速大，入库泥沙量主要集中在汛期6 9 月，河流含沙量与流量同步涨落。潮河的平均含沙量为3 3 k g m 3 ，白河2 9 5 k g m 3 。 虽然流域内土壤侵蚀严重，但从水库来水量的沙量来看却很低，共计年平均输沙 量2 7 0 万m 3 ，这是因为水库上游为土石山区，表面土壤层薄，侵蚀物质多为大颗 粒卵、砾石，以推移质形式运动，并在沟道、河道和小型水库内淤积。据统计资 料，流域内多年平均土壤侵蚀模数达1 9 5 0 吨 k i t l 2 ，共计年平均输沙量5 2 7 万吨， j e 夏窑亟盘堂亟堂位监室坌量盔庄远堑拯猩 最高年份的1 9 7 4 年达1 2 9 8 万吨。据测算，截至1 9 9 5 年密云水库淤积量已达2 4 1 8 亿1 3 1 3 ，占总库容4 3 7 亿1 1 1 3 的5 5 ，平均年淤积量约为6 0 0 万m 3 ，比设计淤积速 度快2 2 倍。因此，密云水库的土壤侵蚀问题是影响水库寿命、直接威胁首都饮用 水供应的重大环境问题。 表2 1 2 潮白河永系特征 ( 6 ) 由于汛期降水多以暴雨为主，水量集中，流速大，入库泥沙量主要集中在 汛期6 - 9 月份，截至1 9 8 0 年密云水库淤积量己达4 4 0 0 万m 3 。 2 1 6 植被 植被是反映自然环境变化的一项重要因素。密云水库北京集水区内，植被分 布以森林为主，可分为人工林和天然次生林。人工林主要分布在浅山丘陵和低山 地带，在中山人为活动多的地方也有分布，人工林的主要树种有油松、侧柏、刺 槐和落叶松，还有部分经济林：天然次生林主要分布在中山和低山人为干扰少的 地方，树种以山杨、蒙古栋和椴树为主的阔叶混交杂木林为主。集水区地带性植 被为暖温带落叶阔叶和常绿针叶林，因为长期受人为影响，原始植被类型已不多 见，现在自然植被多为松栋林、杨桦林或灌丛草本群落。山地自然植被的分布规 律受地形、气候及土壤的影响甚为显著，特别是坡向和海拔高度制约着水热条件， 从丽构成自然植被有规律的垂直分布。根据密云水库上游潮自河流域生态现状 调