（环境工程专业论文）swat模型在环太湖丘陵地区非点源污染研究中的应用.pdf

摘要 农业非点源污染己经成为我国水环境恶化和湖泊富营养化的重要诱因，因此， 控制农业非点源污染、保护生态环境对实现我国农业、资源和环境协调发展有重要 的理论和现实意义。 本文选择太湖流域中的典型丘陵地带宣兴梅林小流域进行野外原位试验， 通过野外观测与室内分析相结合的方法，研究小流域各营养物在降雨一径流下的迁 移特征，建立稻季营养盐目迁移通量与日径流通量的回归方程，揭示了营养物在暴 雨条件下随径流的流失过程。 研究中采用美国农业部农业研究局( a r s ) 开发的s w a t 模型对梅林小流域进行 非点源污染模拟计算。模型需要收集和整理地形、气象、土壤属性、土地利用状况 和管理措施等大量的数据，通过a v s w a t 由流域d e m 生成河网、划分子流域，并计 算子流域和河道的地形参数，通过叠加土地利用图和土壤类型图得至u s w a t 最小计 算单元水文响应单元( h r l o 。然后利用实测数据对模型进行了参数率定。利用 率定好的参数计算梅林小流域出口断面的径流、泥沙以及营养物质，并应用流域出 口断面实测的日径流量、日产沙量以及日营养物输出量的实测值对模型进行验证。 利用决定系数、相对误差以及n a s h s u t c l i f f e 效率判断模型流量参数率定和验证结果 的合理性，使用决定系数与相对误差来评价模型产沙、产污计算结果的可靠性。最 后，对模型的关键性参数进行了敏感性分析。结果证明s w a t 模型对环太湖丘陵地 带的非点源污染模拟具有一定的适用性。 关键词：非点源污染典型丘陵小流域营养物的迁移特征s w a t 模型 n o w a d a y s ，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 ni st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o r w a t e re n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o na n dl a k ee u t r o p h i c a t i o ni nc h i n a t h e r e f o r e ，i t sv e r y s i g n i f i c a n tt oc o n t r o la 曲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 na n dp r o t e c to u re c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tf o rr e a l i z i n gt h eh a r m o n i z e dd e v e l o p m e n to f r e s o u r c e ，e n v i r o n m e n ta n d a g r i c u l t u r ei nc h i n a a sat y p i c a la 鲥c u l t u r a lw a t e r s h e di nh i l l ya r e aa r o u n dt a l h ul a k e ，al i t t l e w a t e r s h e do f m e i l i ni ny i x i n gc i t yw a ss e l e c t e df o re x p e r i m e n ti ns i t u t h et r a n s p o r t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f m a n yf o r m sn u t r i e n t sd r i v e db yr a i n f a l l m n o f f o f t h ew h o l ew a t e r s h e d w e r es t u d i e db yf i e l do b s e r v a t i o n sa n dl a bt e s t f u r t h e r m o r e ，r e g r e s s i o nr e l a t i o n s h i p s b e t w e a nd a i l yt r a n s p o r a t i o nf l u x e sa n dd a i l yr u n o f f f l u x e sw e r es e tu p t h e nt e m p o r a l v a r i a t i o no f a g r i c u l t u r a ln u t r i e n t sc o n c e n t r a t i o nu n d e rs t o r mr a i n f a l lc o n d i t i o nw a s a n a l y z e d s w a tm o d e ld e v e l o p e db yu s d a a g r i c u l t u r a lr e s e a r c hs e r v i c e ( a r s ) i su s e dt o e s t i m a t et h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n m a p s ，w e a t h e r , p r o p e r t i e so f s o i l s ，l a n d u s ea n d l a n dm a n a g e m e n td a t aw e r ec o l l e c t e df o rm o d e la p p l y i n g d e mo f t h ew a t e r s h e dw a s u s e dt od e f i n et h es t r e a mn e t w o r ka n dd i s c r e t i z et h es u b b a s i n sb ya v s w a t t o p o g r a p h i c p a r a m e t e r so f t h es t r e a mn e t w o r ka n ds u b b a s i n sw e r ea l s od e r i v e df r o m t h ed e m h y d r o l o g i cr e s p o n s eu n i t s ( h r u s ) - t h es m a l l e s tc o m p u t i n g u n i to fs w a tm o d e l w e r e d e f i n e db yo v e r l a y i n gt h el a n du s em a pa n ds o i lm a p t h e ns w a tm o d e lw a sc a l i b r a t e d w i t ho b s e r v e dd a t a t h en e x ts t e pw a st ou s et h ec a l i b r a t e dp a r a m e t e r st oc a l c u l a t et h e d a i l yf l o w , d a i l yl o a d i n g so f s e d i m e n ta n dn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t s i na d d i t i o n ，d a i l y o b s e r v e df l o w , s e d i m e n tl o a d i n g sa n dn u t r i e n tl o a d i n g sw e r eu s e dt ov a l i d a t et h e c a l i b r a t e dm o d e l c o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o n ，r e l a t i v ee r r o ra n dn a s h s u t c l i f f e c o e f f i c i a n ta r eu s e dt oe s t i m a t et h ea d a p t a b i l i t yo f f l o wr e s u l t ，a n dc o e f f i c i e n to f d e t e r m i n a t i o na n dr e l a t i v ee r r o ra r eu s e df o ra s s e s s i n gt h er e s u l to f s e d i m e n tl o a d i n g s a n dn u t r i e n tl o a d i n g s a tl a s t ，t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s s e n s i t i v i t yw a sa n a l y z e d a c o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h es i m u l a t i o no f s w a tm o d e li sa p p l i c a b l eo nn o n - p o i n t p o l l u t i o ni nh i l l ya r e aa r o u n dt a l h ul a k e k c y w o r d s ：n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ；l i t t l et y p i c a lw a t e r s h e di nh i l l ya r e a ； t r a n s p o r t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f m a n yf o r m sn u t r i e n t s ；s w a tm o d e l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同 事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 意如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ： 冲月譬日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) 牛f 月g 日 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 我国三大淡水湖之一的太湖，目前富营养化面积占7 5 ，近几年来更是发生 了大面积的蓝藻爆发。1 9 9 9 年度太湖流域监测资料表明，在所监测的1 0 1 个断 面中，属v 类和劣v 类水质的断面比例达6 5 4 ，达到类水质要求的断面 比例仅为3 4 6 ，流域内主要污染指标为总磷、总氮和高锰酸盐指数，环湖主要 河流和环湖交界水体水质较差，氮、磷污染严重【1 】口2 0 0 4 年太湖流域水资源公报 的数据显示，流域河流水质状况整体差于2 0 0 3 年，汛期水质略好于非汛期。全 年9 3 5 的评价河流水质劣于类，流域整体水质状况不容乐观。太湖面临的主 要环境问题是湖体的富营养化，而发生水体富营养化的主要原因是农业非点源污 染。 非点源污染使地表水严重恶化。据研究圆，2 0 世纪7 0 年代非点源污染对美 国水体污染的贡献为：固体总悬浮物的9 2 ，总氮的7 9 ，总磷的5 3 ，大肠 杆菌的9 8 。2 0 世纪8 0 年代的数据为：b o d 的5 7 ，总磷的8 7 ，总氮的5 8 ， 固体总悬浮物的9 8 。2 0 世纪9 0 年代有研究【3 】认为全球3 0 5 0 的陆面受到 非点源污染的影响。另据美国、日本等国家的研究报道f 4 】，即使是点源污染全部 实现零排放，江河的水质达标率仅为6 5 ，湖泊的水质达标率为4 2 ，海域的 水质达标率为7 8 ，湖泊、水库、河口的水体富营养化主要来源于非点源污染。 在丹麦2 7 0 条河流中，9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染所引起【5 】。据 我国许多湖泊水体的调查 6 】，输入湖泊的污染物约有一半以上来自非点源污染， 它们通过降雨径流等途径进入水体。北京密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖、 云南洱海等水域，非点源污染比例超过点源污染，已经成为威胁地表水的主要污 染源用。其中，北京密云水库年污染负荷总量中，c o d 的6 4 ，b o d 5 的6 l ， n h 3 - n 的8 5 ，t n 的6 6 和t p 的8 6 都来自于非点源污染i s ；而每年流入云 南洱海的t n 和t p ，非点源污染部分分别占了9 7 1 和9 2 5 1 9 , 埘。 太湖流域现有丘陵总面积约7 3 3 8 k m 2 ，约占流域面积的2 0 。由于土壤中 肥料、农药、盐分不断积聚，并通过降雨径流过程汇入河道，给区域生态环境带 l 来影响，对流域水环境构成严重威胁，因此对丘陵地区非点源污染特征的研究就 显得十分重要。由于环太湖流域丘陵地区地形起伏较大，土地利用类型多样，其 营养盐产生、迁移及转化规律具有其独特性和复杂性。 因此，需要结合丘陵地区水流运动和污染物迁移转化的特点，采用野外原位 试验、室内分析和数值模拟研究等多种手段，对各类非点源污染的产生、迁移和 转化机理进行综合研究，分析各种污染物质在时空上的分布特征，在此基础上， 提出适合丘陵地区特点的非点源污染负荷计算理论和方法。 本文在分析总结国内外相关文献的基础上，选择太湖流域典型丘陵地区 宜兴梅林头坳小流域作为研究区域，通过收集、整理该典型丘陵地带的基础资料， 分析小流域内非点源污染现状及存在的问题，在稻季开展典型丘陵小流域非点源 污染产生以及迁移转化规律的野外原位试验，建立稻季日径流通量与各营养盐日 迁移通量的回归方程，为流域水资源的合理配置和流域面源污染的综合治理等战 略决策提供了有力的技术支撑。 1 2 农业非点源污染研究进展 农业非点源污染主要是指农业活动所引起的各种污染物( 沉淀物、营养物、 农药、盐分、病菌等) 以低浓度、大范围的形式缓慢地在土壤圈内运动和从土壤 圈内向水圈扩展的过程【1 1 1 。农业非点源污染主要来源于化肥、农药、水土流失与 农业废弃物【1 2 1 。在i n # j ，荷兰农业非点源所提供的总氮、总磷分别占水环境污 染物总量的6 0 和4 0 5 0 t 1 3 1 。美国6 0 以上的地表水污染问题是由农业活 动引起的【1 4 l 。在国内，太湖污染源调查发现来自农业非点源的总氮排放量达 2 7 6 7 9 4 吨，占该区总氮排放量的3 6 1 ；滇池中来自农业地表径流的氮、磷分 别占总量的5 3 和4 2 ，造成滇池严重的富营养化。 剖析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系是国内外非点源污染研究的 基本出发点【1 6 】。农业非点源污染问题采用的研究方法主要为径流试验场法，在 研究区域内选择一块面积不大，能代表研究区域各类特征的封闭性或半封闭性小 流域，同步监测降雨径流的水质、水量，确定污染物单位负荷量，然后通过单位 负荷量乘以研究区域面积，估算非点源污染负荷量。 上世纪9 0 年代后，随着计算机技术的飞速发展，研究人员将遥感a 憋) 、地 理信息系统( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 及人工模拟试验技术等引入非点源污染研 究领域，提高了工作效率和精度，促进了非点源污染研究的发展。 1 2 1 氨素迁移转化规律研究 农业氮素的流失是农业氮素面源的主要贡献者，已报道的农业氮素非点源研 究较多地针对氮肥的一种或几种周转产物而进行，如土壤中的硝氮( n 0 3 - n ) 淋 溶流失1 1 7 , 1 8 1 、氨氮( n h 4 + 挥发损失【1 9 , 2 0 l 、氮氧化物等温室气体的释放1 2 1 1 、旱作 土壤地表径流的多种形态氮素的流失 2 2 。2 6 1 等。 影响氮径流损失的因素主要包括流失形态( 包括径流携带、侵蚀泥沙) 、降 雨、肥料种类、植被覆盖度、不同的土地利用方式以及耕作制度等 2 7 1 。降雨和 径流是土壤氮素流失的主要动力。 黄满湘等【2 明在室内模拟降雨下农田径流中的氮流失，结果表明在大暴雨和 裸地试验条件下颗粒态氮是流失的主要形态。彭琳【2 9 1 等在陕西安塞径流区的观 测表明，以土壤颗粒的形式流失的氮占流失总量的9 5 以上。黄丽【3 0 1 等的研究 表明三峡库区紫色土坡地也是如此，因此控制养分流失的关键在于控制土壤颗粒 的流失。袁东海1 3 1 1 等对红壤坡耕地不同农作利用方式下氮素流失的研究表明， 等高耕种、休闲地等控制土壤氮素流失优于水平沟和水平草带，坡耕地土壤氮素 流失主要途径为径流流失，其中径流流失的氮素又以水溶态为主。s m i t h 等口习 将有机肥施于耕地以研究氮素的径流，发现施牛粪将增加土壤固体颗粒与 n h 4 + - n 在地表水中的流失，而对n 0 3 - n 的流失几乎无影响。 s h a r p l e y l 3 3 】认为坡地土壤氮素径流损失表现为两种形式，其一，溶解于径流 中的养分随径流流失，这一部分的养分主要是速效养分；其二，吸附于泥沙颗粒 表面以无机态和以有机质形式存在的养分，这一部分养分多为可矿化的养分。张 兴昌【3 卅认为坡地土壤氮素流失过程实际上是表层土壤氮素与降雨、径流相互作 用的过程，土壤氮素流失的多少主要受相互作用的限制，降雨和径流是土壤氮素 流失的动力，只有从相互作用过程研究入手，才能揭示土壤氮素流失的机理。 彭琳等【3 5 1 的研究表明旱作土壤中硝基氮每年随水而下渗的深度为1 o 3 1 5 m 。土壤质地和结构主要决定土壤的透水性质，土壤剖面中大孔隙越多则淋溶 损失越大。吕殿青等【3 6 l 在陕西米脂沙质土壤上进行了相同施氮量不同灌水量的 实验，在春玉米收获后测定0 2 0 c m 土层中残留的硝基氮含量，发现土层残留 硝基氮含量与灌水量成正相关关系。大量研究表明在粗质土壤上硝基氮的淋溶比 细质土壤严重1 3 7 1 。氮肥的种类和旌肥水平会影响硝基氮淋失1 3 羽，土壤中硝基氮 含量随施肥量增加丽增加，但并不是线形增加。g a i n e s 等1 3 9 】研究认为土壤中的 粘粒、粉粒和有机质越多，硝基氮就越不易淋失。另有研究发现【4 0 4 1 1 ，有机肥的 施用会增加土壤粒径及团聚体含量，阻碍n 0 3 ，n 向下迁移。耕作方式亦会影响 硝基氮淋失f 4 2 】：农田系统中，轮作明显减少淋失，连种作物的硝基氮淋失很大， 间作系统的淋失量比单作系统可减少一半，套种也会减少淋失。此外，氮素淋失 还取决于土壤含水量、土壤持水力、土壤渗透系数和土壤溶液浓度差【4 3 】。 另有研究发现 4 4 , 4 5 ：有机氮肥如尿素旌入农田，在厌氧或好氧的条件下均能 首先转化为氨氮，氨氮有可能经硝化作用生成硝基氮，硝基氮也有可能经反硝化 细菌作用生成氮氧化物、氮气。因此，尿素施入水稻田后的较长时期内，田间不 同形态及途径下的氮素损失的重要原因为氨氮挥发m 。无论在酸性还是碱性土 壤中，尿素施入稻田后都存在氨挥发损失【4 7 2 1 ，其损失量占施n 量比例的o 4 i - 4 0 【5 ”。影响氨挥发损失的主要因素有：当地气候条件( 如光照、温度、湿度、 风速、降雨量) 、施肥时期、大气氮湿沉降以及田面水的n h 4 + - n 浓度等因素。另 外，可以通过混施尿素一氯化钾【5 4 1 、尿素一磷酸钙( 5 5 1 以降低土壤中的p h 值、加 入脲酶抑制剂和藻类抑制剂【5 6 】以及适当的施肥管理措施( 如旱地土壤混施尿素、 灌水前混施尿素或深施大颗粒尿素等) 降低氨挥发损失。 1 2 2 礴素迁移转化规律研究 长期大量的施用磷肥，会明显提高土壤耕层有效磷的积累，增加农田土壤磷 素流失的风险和数量1 5 7 1 ，对河流、湖泊水体富营养化将构成威胁。颗粒态和溶 解态磷随径流流失是农田生态系统中的磷进入水体的主要途径1 5 8 , 5 9 1 ，溶解态磷 虽然往往在数量上低于颗粒态磷，但主要以正磷酸盐形式存在的溶解态磷可为藻 类直接吸收利用，对地表水环境质量有着更为直接的影响f 硎。 4 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，其余大部分很快与土壤组分发生作用。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1 6 】j 。据 w a d d e l l 和b o w e r l 6 2 1 估计，旌用的磷肥约5 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 1 0 ，沥滤到根区以 下的土壤或地下水 l 。晏维金等【6 3 】的研究发现，在特定的土壤和降雨径流条件 下，磷流失主要通过地表径流途径，流失的颗粒态磷以o 2 5 r a m 以下的颗粒物为 主，流失的磷中8 0 以上是颗粒态形式的磷，而颗粒态磷中6 0 9 0 随o 1 m m 以下的颗粒物流失；不同粒径团聚体对磷的富集机理和富集系数不同，o 1 m m 粒 径团聚体对磷的富集可能是由于粘土的吸附作用，而0 0 4 5 0 1 m m 团聚体对磷 的富集作用较差，富集系数小于1 ，沉积物对磷的平均富集系数为1 4 9 ；在此基 础上，晏维金等还通过实验建立了沉积物富集系数与其累积流失量的相关经验模 型，可用来预测颗粒态磷流失。 影响磷素流失的因素很多，如土壤质地、土壤性质、磷肥施用量及施用方式 等删，但农田输入水体的磷几乎全部是和水土流失有关，并且植被类型一土地 利用类型在很大程度上左右了磷元素的流失量。邬伦f 6 5 】等以于桥水库流域为例， 通过人工降雨模拟实验与天然降雨径流过程监测，得出磷随径流过程的输出特 征：总磷、水溶态磷的输出浓度随降雨径流过程减小，总磷输出浓度变化规律呈 抛物线型，递减速度快，水溶态磷输出浓度呈非线性分布，与总磷比较，其递减 变化幅度小；磷输出速率基本上随降雨径流过程呈递减变化，磷累积输出量呈线 性上升趋势。单宝庆等 6 6 1 以人工降雨的方法，对巢湖边早作表层土壤在降雨后 所产生的磷迁移过程进行了研究，结果表明：在两种雨强值( 7 0 m m 和3 5 r a m ) 9 0 r a i n 内模拟的降雨过程中，供试的土壤产生表面径流和土壤内部壤中流两种径 流模式。降雨强度大，表面径流和壤中流始流时问早，水流量和浓度相应高，累 积输出也多。相同雨强下，农田作物的覆盖作用能促进壤中流，减缓表面流，但 对始流时间的影响不大。裸露土壤的总磷浓度曲线呈波浪状递减，作物覆盖土壤 则呈均匀缓慢的递减趋势。在中到大雨条件下，壤中流累积输出的径流量都低于 s 表面流，差幅决定于土壤表层界面特征，表面径流中的磷迁移量是壤中流的3 4 倍。磷素输出方式以悬浮态总磷为主( 7 8 5 9 4 9 呦，溶解性磷和正磷酸盐所 占比例很低吲。土壤有效磷含量受多种因素的影响，一般土壤全磷量愈多，有 效磷也增多，两者间成一定的相关性；质地粘重土较砂质土全磷量高，有效磷以 p h 6 7 范围最高，有机质多的土壤，因其分解过程释放有机磷，又促进无机磷 溶解，故磷有效性增高；溶于土壤溶液中的磷，借助于固相一液相、液相一液相 间的平衡体系而扩散，但在此作用下的可溶性磷移动的距离很小，扩散系数也仅 为1 0 x1 0 。1 。c m 2 s ；施氮肥，可促进磷的溶解和释放，使植株吸收磷提高。施硫 肥可增加含磷灰石类型土壤磷利用率：土壤渍水还原可致磷酸铁、铝类化合物溶 解而增加有效磷量【醐l 。这说明合理施肥可提高磷肥利用率，减少磷素流失。 由于土壤对磷有强烈的吸附固定作用，它对作物的有效性就很低，土壤磷素 可以随径流流失，也可被淋溶，其中随径流流失是磷进入水体的主要途径，多数 情况下淋溶水中的磷浓度很低 6 9 - 7 1 1 。c h e n 等7 2 l 认为轻质的砂土、砂壤土或粉砂 壤土等土壤吸附磷的能力较弱，由于这类土壤通透性较强，且有较高比例未被吸 附的磷的存在，只有在大雨条件下，才会发生磷的淋溶损失，而较小的土壤颗粒， 例如土壤粘粒和腐蚀质颗粒，主要是以侵蚀和径流形式进行迁移的。当施用大量 磷肥后，紧接着一场大雨或者灌水，会有相当数量的磷随水流失。梁新强等【7 3 】 建立具有单排单灌的试验小区，对水稻田在多次天然降雨条件下形成的径流中氮 磷的流失特征进行研究。结果标明，降雨径流中总磷的浓度随着降雨量及施肥量 的增加而增大，颗粒磷占较大的比重。总磷的累计流失负荷约在o 0 7 o 1 5 k g h m 2 。 1 3 非点源污染模型研究 随着机算机及3 s 技术的发展，非点源污染模型在非点源污染研究中占据了 重要地位。完整的非点源污染模型系统一般由以下4 个子模型构成：降雨径流模 型、泥沙侵蚀和输移模型、污染物迁移转化模型及受纳水体水质模型。一般地将 这些模型归并为两大类：一类为非点源污染负荷模型：一类为水体响应模型【7 4 】。 6 1 3 1 非点源污染模型发展历史 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7 0 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 7 5 , 7 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( 黑箱模型) 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 ，l a n d r o n 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。 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9 0 年代初至今。随着计算机技术的飞速发展和3 s 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( 6 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 咖0 0 0 及s w a t 2 0 0 5 等。 国内外非点源污染模型研究 1 3 2 1 国外非点源污染模型研究 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： 7 w e p p 7 7 , 7 s l ( 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 ) 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，按其研究尺度已发展了坡面版、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 7 9 ( a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n t - s 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 i s o , s 1 ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ) 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 8 2 , s 3 l ( 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、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 l 8 4 1 ( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t so fa g d 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，特别适用于农药迁移的模拟。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。 1 3 3 1 2 国内非点源污染模型研究 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。温灼如【s s 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【8 6 1 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8 刀将改进的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f 髂1 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1 8 9 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。从近年来国内的研究可以看出： 非点源污染物对地下水的污染方面的研究很少，建立的模型大多数是污染负荷模 型，忽略了壤中流对地表水质的影响。 1 3 3 非点源污染模型发展趋势 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 9 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【删： ( 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。 ( 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。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。 1 0 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 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 本文采用野外试验、室内分析与计算机模拟相结合的方法，选择太湖流域典 型丘陵地区宜兴梅林小流域为研究区域，对整个小流域营养盐的迁移特征进 行研究，揭示了环太湖流域典型丘陵地区农田营养盐随降雨径流的迁移特征，并 在试验研究的基础上，引入了美国农业部开发的非点源污染模型s w a t 模型 对流域内各形态的营养盐的迁移转化规律进行数值模拟，为太湖流域水资源的整 体规划和非点源污染的综合整治提供技术支持。本文的主要研究内容包括以下三 个方面： ( 1 ) 在分析总结国内外相关文献的基础上，选择太湖流域典型丘陵地区一 一宜兴梅林头坳小流域作为研究区域并开展野外原位试验，分析小流域内非点源 污染现状及存在的问题，进行了全流域污染物流失规律研究分析。 ( 2 ) 通过七参数法将小流域实测4 2 7 个高程点坐标转化为北京五四坐标系 及5 6 黄海高程系，并结合南京测绘局绘制的小流域1 ：1 0 0 0 0 地形图，在地理信 息系统软件a r c v i e w 下生成格网数字高程模型。在流域内实测出水田、旱地、菜 地、芦苇地、草地、杉木林、板栗林、竹林、桃园、梨园、茶园、池塘、房屋、 道路、养鸡场共十五种土地利用类型的空间分布，通过七参数法的坐标变换生成 北京五四坐标系下的土地利用类型图。使用七参数法的坐标变换公式将实测的红 黄壤与水稻土的空间坐标转换为北京五四坐标系，绘制出典型流域的土壤类型 图。应用观测、实验及计算等手段得到s w a t 模型运行的各项参数，将其建成 l l 数据库导入s w a t 模型和g i s 软件a r e v i e w 相结合的g i s 界面a v s w a t 2 0 0 0 中， 为s w a t 模型的模拟计算打下基础。 ( 3 ) 运用s w a t 模型计算流域出口的流量、产沙量与营养物产量，将计算 值与实测值进行对比分析，通过参数的率定与验证提高模型的计算精度，并对模 型输入参数进行敏感性分析，找出对计算结果影响最大的参数。 1 4 2 研究技术路线 本论文的研究技术路线见图1 4 1 。 1 2 图1 4 - 1 论文研究技术路线图 1 5 论文创新点 本文的创新点主要包括以下两个方面： ( 1 ) 选择太湖流域典型丘陵地区宜兴梅林小流域建立试验基地，采用 野外田间试验和室内分析相结合的方法，进行了全流域污染物流失规律研究分 析。 ( 2 ) 将s w a t 模型成功运用于典型丘陵小流域中，对比出口断面的实测值 与模型计算值可以发现模型计算精度尚可，由此可见s w a t 模型可以应用于太 湖流域典型丘陵地区的非点源污染研究当中。 1 4 第二章环太湖丘陵地区营养盐迁移规律研究 太湖流域地处长江三角洲南部，北滨长江，南靠钱塘江，东临东海，西部毗 临天目山、茅山，面积3 6 9 0 0 平方公里，行政区划包括江苏省苏南地区，上海市 的大部分，浙江省的嘉兴、湖州二市及杭州市的一部分。其中江苏省占5 2 ，6 ， 上海市占1 4 0 ，浙江省占3 2 8 ，安徽省占o 6 。太湖流域以平原为主，占 总面积的7 1 ，水面占9 ，其余为丘陵和山地。整个流域地形特点为周边高、 中间低，呈碟状。 2 0 0 5 年太湖流域总人口4 5 3 3 万人，占全国人口的3 5 ，其中城镇人口3 0 6 6 万，农村人口1 4 6 7 万，人口密度为1 2 2 8 f f k n l 2 ，为我国人口最集中的地区之一。 太湖流域是是我国工农业经济比较发达的地区之一，流域内国民生产总值约 2 1 2 2 1 亿元，占全国g d p 的1 1 6 ；人均g d p 约4 7 万元，是全国人均g d p 的 3 4 倍。流域现有耕地面积1 9 3 5 万亩，由于人口高度稠密，平均每人仅占有耕地 0 4 3 亩，流域土地利用率程度很高，垦殖指数达到4 8 6 ，耕地、园地和精养鱼 池等集约型农业用地约占5 5 ，耕地复种指数为2 1 0 。 与此同时，流域内农田化肥施用量一直以较高速度增长，以宜兴市为例，二 十多年来，其耕地面积减少了1 6 ，但化肥用量却提高了三倍之多t 9 ”。化肥的大 量施用使土壤中的营养盐出现盈余和富集现象，加大了营养盐随地表径流的流失 风险，使得太湖流域的非点源污染问题日益严重。丘陵地区占太湖流域面积的 2 0 ，该地区农业活动频繁，随降雨产生的农业、牧业和林业营养盐成为太湖地 区非点源污染的重要来源。因此，研究环太湖丘陵地区在自然降雨径流下农田 营养盐的迁移特征，对于定量估算太湖流域非点源营养盐的入湖通量，明确太湖 富营养化的治理方向和目标具有重要意义。 2 1 典型小流域概况 梅林小流域位于宣兴市东南约5 k m ( 3 1 。2 0 7 n ，1 1 9 。5 1 7 e ) ，距离太湖约 9 k m ，属于典型的环太湖丘陵小流域，其地理位置如图2 1 1 所示。该小流域面 积为1 2 2 h m 2 ，全年温暖湿润，年均降雨量1 1 5 0 m m ，年平均气温1 5 5 。c ，流域 1 5 边界清楚，可进一步分为头坳与二坳两个子流域，其中头坳子流域面积7 3 7 l l n 2 ， 二坳子流域面积4 8 3 h m 2 ，流域内海拔落差达到四十多米。流域内的土地利用类 型多样，除了海拔较高的山坡被大片的杉木林与竹林覆盖外，主要土地类型有稻 田、旱地、菜地、板栗林、茶园、梨园、桃园等。其中稻田主要集中在流域地势 低平的地区，板栗林和茶园等位于流域丘陵坡地。流域内的主要土壤类型为红黄 壤( 旱地) 和水稻土，本次研究全部在头坳小流域进行。 图2 1 - 1 梅林小流域地理位置图 2 2 典型小流域营养盐迁移规律试验研究 2 2 1 试