（环境工程专业论文）桃花江中上游流域农业非点源污染模型研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 桃花江是桂林市重要的工业和饮用水源。同时该流域也是漓江重要的支流之一。经污 染源调查、现场调研和降雨前后的水质监测后，确定非点源污染为该流域的主要污染问题。 因此，研究桃花江流域的农业非点源污染对整个漓江生态、水质具有重要的理论和现实意 义。 在国家8 6 3 项目p 河流上游来水污染控制技术与示范：流域内面源污染控制技术与示 范高效绿色观光农业子题”的支持下，选择桃花江上游流域的一个典型农业流域作为获 得实地调查和获取基础资料数据的平台。阅读和总结国内外相关文献，结合工作时间段内 收集的降雨径流事件，对不同土地利用类型的表层径流和河流水质进行测定。经实验测定 和分析，指出了流域内的农业非点源污染现状和非点源污染存在的问题。利用a n n a g n p s 模型对流网内的降附径流量、氮、磷营养物的流失进行了模拟，主要取得了以下成果： 1 ) 通过对桃花江中上游流域的实地阳问调查，收集和整理了流域的基础资料，分析了 流域内的水环境现状和非点源污染现状； 2 ) 对2 0 0 5 年5 9 月的降雨事件案进行监测分析，得出了不同土地利用方式的氮、磷 流失规律，为a n n a g n p s 模型的污染因子空问分布提供验证的依据： 3 ) 随降雨事件发生的非点源污染径流中输出的氮磷浓度和输出量与降雨强度和降南持 续时间近似成正比关系； 4 ) 利用m a p g i s6 5 、e n v i4 0 和a r c v i e wg i s3 3 等软件首次建立了桃花江中上游流 域的基础空间数据库和专题文件，利用a r c v i e wg i s a n n a g n p s 交互界面提取需要的参数 因子，输入分室参数，运行出模拟结果，对参数迸行调试。最终运行出最终结果：总氮模 拟结果2 7 5 妇，与估算结果( 3 1 0 6t a ) 的误差为1 1 5 ；总磷模拟结果为8 0 3 讹，与估 算结果( 1 0 4 3t a ) 的误差为2 3 。 关键词：a n n a g n p s 模型；农业非点源污染；氮：磷：桃花江；流域 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t t a o h u a j i a n gr i v e ri st h ei m p o r t a n tw a t e rs o u r c eo f i n d u s t r ya n dd r i n k i n gi ng u i l i nc i t y ，a n d a l s ob r a n c ho fl i j i a n gr i v e r n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sd e t e r m i n e dt h em a i np o l l u t a n ti s s u e a f t e ri n v e s t i g a t i o nb e f o r ea n da f t e rr a i n i n g t h u s ，i t si m p o r t a n tt os t u d yt h ea g r i c u l t u r a ln o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o ni n1 幻h u 萄i a i l gr i v e rf o rt h ew h o l e l i j i a n gr i v e r u n d e rt h es u p p o r to f p r o j e c t8 6 3 ，at y p i c a lk a r s ta g r i c u l t u r a lw a t e r s h e dw a st a k e na sas t u d y a r e ai nu p p e r & m i d d l et a o h u a j i a n gr i v e rw a t e r s h e d b a s i cd a t a b a s ew a sg o t t e nt h r o u g hf i e l d i n v e s t i g a t i o n a f t e rr e a d i n gr e f e r e n c e s ，a n dm o n i t o r i n go f r a i n f a l le v e n t s ，c u r r e n ts i t u a t i o no f n p s i nt h ew a t e r s h e dw a sp o i n t e do u t 1 1 ”a m o u n to fn i t r o g e n & p h o s p h o r u sl o s st h r o u g hr a i n f a l l e v e n t sw a ss i m u l a t e d a c h i e v e m e n t sw e r eg o t t e na sb e l o w ： 1 c h a r a c t e r i s t i e sa n dc u r r e n ts i t u a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n ta n dn p sp o l l u t i o ni nu p p e r t a o h u a j i a n gr i v e rw a t e r s h e dt h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o nw e r ep r o v i d e d 2 c h a r a c t e r i s t i c so fl o s so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nd i f f e r e n tl a n du s et y p ef r o mm a yt o s e p t e m b e ri n2 0 0 5w e r ep r e s e n t e da saf a c tf o rf u r t h e rc a l i b r a t i o no f a n n a g n p sm o d e l 3 n ec o n c e n t r a t i o na n da m o u n to fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u si sd i r e c tp r o p o r t i o nt od e n s i t y a n dd u r a t i o no f m i n f a l le v e n t s 4 s o f t w a r em a p g i s6 5 ，e n v i4 0a n da r e v i e wg i s3 3w e r et a k e nt ob u i l db a s i cs p a c e d a t a b a s e sa n dt h e m e sf o rt h ef i r s tt i m e p a r a m e t e r sw h i e hb eu s e di nt h em o d e lw e r ee x t r a c t e d ， i n p u tc e l lp a r a m e t e r sw e r eg o t t e nt os i m u l a t ev a l u e sa f t e rd e b u g g i n g t h es i m u l a t e dv a l u e so ft o t a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r e2 7 ，5t aa n dg 0 3v ar e s p e c t i v e l y a n dt h ee s t i m a t e dv a l t i e sa r e3 1 0 6t aa n d1 0 4 3 “丑1 1 1 es c a l ee r r o rv a l t i e sa r e1 1 5 a n d2 3 r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：a n n a g n p sm o d e l ；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 ；n i t r o g e n ；p h o s p h o r u s ； t a o h u a j i a n gr i v e r ；w a t e r s h e d n 桂林s - 学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在李金城副教授指导下进行的研究工作及 取碍的研究成果。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 包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论 文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：乏查翌整 签字日期：宣立：生： 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：查瑙 指导教师签字：之垒至反 签字日期：递2 ：! 查 桂林工学院硕士学位论文 第1 章非点源污染概述 1 1 污染源的分类及特。性 水体的污染源通常可划分为t 1 1 ：点源( p o i n ts o l l l c - 七) 、非点源( n o n - p o i n ts o u r c e ) 和内 源( i n n e rs o u r c e ) 。 点源污染主要来自于工业废水和城市生活污水在固定排污口的集中排放，点源污染已 经在各国政府的重视下得到了较好的控制和治理；非点源污染( 又称面源污染) 是相对于 点源而言的一种分散的污染源造成的水体污染，具体是指溶解的和固体的污染物( 生活污 水、生活垃圾、农田化肥或山地土壤颗粒等) 从非特定的地点在降水或融雪等地表径流的 冲刷作用下汇入受纳水体，从而引起水体的富营养化或其它形式的污染【2 】，非点源污染具 有分散性、隐蔽性、随机性、不确定性、不易监测性、难以量化等特征，已成为影响水体 质量和造成水体污染的广泛来源；内源污染主要是指水系沉积物的释放。 随着点源污染控制能力的提高，非点源污染逐渐突现出来。非点源污染具有以下特性 口l ： ( 1 ) 分散性。从污染的来源比较，点源污染较集中，而非点源污染控制较分散，它随 流域内土地利用状况、地形地貌、水文特征、气候、天气等的不同而具有空间异质性和时 间上的不均匀性： ( 2 ) 隐蔽性。由于污染物排放的分散性导致其地理边界和空间位置的不易识别； ( 3 ) 随机性。非点源污染主要受水文循环过程( 主要为降水以及降雨形成径流过程) 的影响和支配，而降雨径流具有随机性，所以非点源污染亦具有随机性； ( 4 ) 不确定性。由于影响非点源污染的因子复杂多样，从而使其排放的污染物具有不 确定性： 一 ( 5 ) 不易监测性。由于非点源污染涉及多个污染者，在给定的区域内它们的排放是相 互交叉的，加之不同的地理、气象、水文条件对污染物的迁移转化影响很大，因此，很难 具体监测到单个污染者的排放量： ( 6 ) 难量化。由于污染负荷的时间变化( 次降雨径流过程、年内不同季节及年际间) 和空间( 不同地点) 变化幅度都很大。 实践证明，单纯的控制点源污染不能使水体免受污染，必须对在不确定的时间、不确 定的途径和不确定排放数量的非点源污染进行治理才能从根本上治理水体污染。 1 2 非点源污染的分类及研究重点 根据不同地区产生非点源污染物的非点源污染体不同，可以分为以下几种类型： ( 1 ) 农业非点源污染。主要是指农业生产活动中，农田中的土粒、氮、磷、农药及其 桂林工学院硕士学位论文 它有机或无机污染物质，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏， 使大量污染物质进入水体，造成了污染； ( 2 ) 城市非点源污染。主要是指在降雨过程中，雨水及所形成的径流，流经城镇地面 聚集一系列污染物、有毒污染物质及杂物，随之流入河流或湖泊，污染地表水或地下水： ( 3 ) 矿山非点源污染。主要是指由于人类活动引起的，大面积的露天开采土石方，破 坏了原来的土壤结构和植被，导致高度的水土流失。此外，在降雨条件下，散落在矿区地 表的泥沙、盐类、酸类物质和残留矿渣等污染物，全部随地表径流进入水体，形成非点源 污染； ( 4 ) 大气沉降引起的非点源污染。主要是指大气中的营养物质和有毒物质直接或随同 降雨降落在土壤或水面，引起的非点源污染。如：酸雨引起的植被或水体污染。 非点源污染研究已成为国际上环境问题研究的活跃领域，农业非点源污染被确定为非 点源水质问题的主要原因。我国对非点源控制的研究尚处于初级阶段，主要针对农业非点 源污染和流域水环境的技术控制和管理。本文主要针对农业非点源污染对桃花江水体的贡 献进行研究。 1 3 农业非点源污染的现状 许多发达国家已经证实农业非点源污染是导致水体污染的主要原因。农业非点源污染 影响了全世界陆地面积的3 0 5 0 ，在全世界不同程度退化的1 2h n a 2 耕地中，约1 2 由 农业非点源引起【4 1 。尽管农田养分在不断投入，而农田土壤养分的积累及流失量却在不断 增加，农业非点源污染所占的负荷越来越大，农业逐渐成为水体富营养化的最主要的污染 源，其主要原因是： ( 1 ) 作物种植面积在流域总面积中占有最大的比例； ( 2 ) 土壤、气候和水文条件都促使养分从地向水体转移； ( 3 ) 化学肥料投入量越来越大，致使大量养分流失。 农业非点源污染是由大范围分散污染造成的，主要包括农田径流和固体废弃物的淋溶 污染，如：土壤侵蚀、农田化肥农药的旌用、农村家畜粪便与垃圾、草牧场的家畜生产、 农用污水灌溉以及林地和草地的养分流失。土壤中未被作物吸收或土壤固定的氮和磷通过 人为和自然途径进入水体。随着点源污染控制能力的提高，非点源污染的严重性逐渐显现 出来。 国内外的研究证明农业非点源污染约占污染总量的2 3 。在美国，即使达到零排放，仍 然不能有效控制水体污染，抓紧非点源污染控制工作的重要性可见一斑。我国对污染物排 放实行总量控制，但这只对点源污染的控制有效，对非点源污染的控制没有意义。在我国 强化工业和生活污水排放与治理的同时，非点源污染的控制也应积极开展和加强，否则水 体污染不会得到根本性的好转。农业非点源是最为重要且分布最为广泛的非点源污染，三 峡大坝库区1 9 9 0 年的统计资料也表明，9 0 的悬浮物来自农田径流，n 、p 大部分来源于 2 桂林工学院硕士学位论文 农罔径流，北方地区地下水污染严重。 在2 1 世纪，面对巨大的人口压力，我国农业土地资源的开发己接近超强度利用，化肥 农药的施用成为提高土地产出水平的重要途径，因此，非点源污染的控制关系到农业及区 域社会经济的可持续发展。 1 4 农业非点源污染的机理 1 4 1 迁移机制 农业非点源污染物主要来自于土壤圈中的农业化学物质【6 】，农业非点源污染的形成实 质上是指农业非点源污染物从土壤圈向其它圈层( 尤其是水圈) 扩散的过程【7 l 。主要由降 雨径流过程、土壤侵蚀过程、地表溶质随径流流失过程和土壤中溶质的渗漏4 个过程组成。 农业非点源污染物的迁移转化过程是指来自于土壤中的化学污染物以土壤向水体扩散 转移的过程，其本质是一种扩散污染，表现为污染物质在土壤中转移和扩散的过程和污染 物在外界条件下( 降水、灌溉等) 向水体转移和扩散的过程。 农业非点源污染物多种多样，有各种有机、无机类化肥、农药、盐分、重金属、病毒、 泥沙等。这些污染物随地表径流进入地表水体( 河流、湖泊和浅海湾) 或者经渗流进入地 下水环境，形成氮、磷富集，地表水体富营养化；水体中的有害、有毒重金属、有毒有机 农药等物质增多；盐分增加，降低水质的使用价值。非点源污染物通过径流方式迁移到纳 污水体，造成水体的富营养化，最终导致水体水质的恶化。 1 4 2 农业非点源污染对水环境的影响机制 农业非点源污染物来源量大面广，它夹带大量泥沙、营养物质、有毒有害物质进入水 体，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，导致水体富营养化 和酸化。影响机理分为2 类： ( 1 ) 探讨受纳水体的环境容量，大部分水体包括地下水都具备一定的环境净化能力， 减少污染物的排放量和充分利用水体的环境容量同样能使水体免受污染； ( 2 ) 重点研究农业非点源污染对水体产生的危害【8 。1 0 】。 人类活动导致的水体富营养化现象是当今世界水污染治理的难题，并已成为全球最重 要的环境问题之一。水体富营养化不但直接危害渔业和水资源的利用，严重地影响工农业 生产的可持续发展，且加速水体淤积，使江河湖泊蓄水能力下降，导致洪涝灾害i l ”。 1 5 农业非点源污染的研究方法 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研究的基本出发点，目 前，对农业非点源污染的研究主要有野外实地监测、人工模拟降雨和农业非点源污染计算 机模拟等方法。下面简要介绍这3 种较为常用的农业非点源污染研究方法。 桂林工学院硕士学位论文 1 5 1 野外实地监测 由于农业非点源污染是具有分散性、隐蔽性、随机性、不确定性的复杂过程，所以收 集必要的基本数据( 包括背景资料和降雨径流监测数据) 仍是农业非点源污染研究中不可 缺少的一种手段，但是在多数情况下仅作为一种辅助手段，主要用于各类模型的验证和模 型参数的校正。在野外实测中，多采用综合试验场法和源类型划分法。 1 5 1 1 综合试验场法 具体方法是先在研究区域内选择一块面积不大又具有代表性的典型径流小区，在径流 小区内同步监测降雨径流的水量和水质。最后，以小区为单位污染负荷量计算整个研究区 域的农业非点源污染负荷量。采用这种方法，工作量相应减少，花费也较少，因而在我国 得到了广泛的应用。 该方法的缺点是较难确定典型小区，但是因为农业非点源污染是一种时空差异性很强 的现象，仅以小区研究代替大区域，污染负荷的计算精度显然不高，也不利于了解污染的 地域差异。故在实践中只用来作为一种粗略统计的方法来估算地域差异较小的流域非点源 污染负荷。 1 5 1 2 源类型划分法 具体方法基本同综合试验场法。不同点在于先对研究区域进行详细调查，根据土地利 用状况划分为不同的非点源类型区，然后在每个源类型区内选择一块典型小区作为径流试 验场，同步监测水量和水质，建立各源类型的污染负荷估算模型。 这种方法考虑了不同土地利用方式对非点源污染总负荷量的贡献，因而提高了估算精 度，但是工作量和费用也相应增加。在实际应用中因其野外工作量较大以及耗费人力、物 力较大，故也较少采用。 1 5 。2 人工模拟试验 随着人们对降雨机理的深入研究，设计出人工布雨器模拟各种类型的自然降雨，因而 可以在人为控制的条件下模拟各种自然条件下的非点源污染。 人工模拟试验的优点是：可以获取大量在野外无法取得的数据，解决了传统方法的研 究周期长、耗费资金高等的缺陷。目前，人工模拟试验主要用于非点源污染机理和模型的 研究。人工模拟试验大量减少了野外作业量，给研究人员留出了大量科研的时间。具有较 强的操作性和可行性。 1 s 3 数学模型计算机模拟 在研究非点源污染量化研究及其影响评价和污染治理时，最为有效的和直接的方法是 4 桂林工学院硕士学位论文 建立数学模型计算机模拟，即进行时间和空间序列上的模拟。 随着人们对非点源污染研究的深入，对定量控制和过程的严格要求都从不同方面促进 了非点源污染模型的发展、理论的成熟、监测过程以及定量计算方法的日趋完善。并且随 着计算机的普及使用，使得数学模型计算机模拟的精度和质量都趋于实际调查结果，具有 方便快捷和易于操作的优点。 1 5 3 ，】农业非点源污染模型研究发展进程 1 ) 非点源污染模型研究经历了大致4 个阶段l l 司 i “前计算机时期”( 2 0 世纪5 0 - _ 6 0 年代) ：主要发展了一些数学模型( s c s 1 3 1 曲线和 u s l e t l 4 1 方程) ，在径流计算和土壤侵蚀预报发挥了重要的作用。 “水文学黄金时期”( 2 0 世纪6 0 年代) ：较为有代表性的数学模型为s t a n f o r d 流域模 型f 啊。 爿 点源模型大发展时期( 2 0 世纪7 0 一8 0 年代) ：在此期间非点源研究在两方面取得 了重要的进展：从简单的经验统计分析提高到复杂的机理模型：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。出现了一系列的非点源污染系列模型： p t r _ h s p a r m _ n p s ：s t o r m 、a c t m 0 、u 1 m 、l a n d r u n ，新一代n p s 污染模型： c r e a m s f 6 l 、a n s w e r s f l 7 1 和a g n p s 【j 9 1 等。其中，1 9 7 2 年美国水污染控制法修正案 的制订标志着非点源污染研究的重大转折。 计算机模型与g i s 相结合的综合体( 2 0 世纪8 0 年代末期至今) ：提高了模型的输入 输出功能和运作效率，引进了新技术和健全了监测手段。 我国模型应用和开发状况：受基础数据和技术手段限制，大多采用抛开在区域地表的 实际迁移过程，立足于受纳水体水质分析，计算汇水区域污染物输出量的经验统计模型， 模型一般采用流域水文模型与降雨径流污染负荷估算模型相接口的方法。 2 ) 非点源污染模型的分类1 1 9 】 按降雨径流子模型的复杂程度分： a 以水文学上的推理公式法为基础的模型，范围从最简单的径流系数法到美国水土保持 局的s c s 法。 b 以水文学上的时段单位线或瞬时单位线概念为基础的模型，分为两种情况：降雨径 流子模型采用单位线法进行汇流计算，即用时段或瞬时单位线推求流量过程线；用时段或 瞬时单位线推求非点源污染负荷过程线。 以水文数学模型为基础的非点源污染数学模型，即试图详尽地描述非点源污染的物 理、化学和生物过程，这些模型都属于机理模型。 按对研究区域( 流域) 的处理方法分： a 集总参数模型。把研究区域作为一个整体来考虑，在有关特性均匀一致的条件下建立 桂林工学院硕士学位论文 的模型，模型把影响过程的空间特性实行平均化模拟，假设流域内各因子分布是均的， 在给定的某一次降雨中，流域的一些空间因子，如降雨、地形、管理措施、土壤类型等对 水文过程不产生影响、模型的输出端是一个单一的结果，不包含流域水文过程空间特性的 具体信息，采用流域内各点参数的平均值代表和概括总体性，有很大的局限性和粗放性， 是一种经验方法。 b 分散参数模型。将研究区域划分为较小的具有均一特性的单元，然后对每个单元分 别进行模拟，通过叠加的方法得到流域总输出量。充分考虑流域各个因子的空间差异性， 它把流域细划为多个连续的小单元，不同单元中流域因子不同，而同一个单元中的流域因 子是近似相同的。因此，模型可以对流域内的任一“点”进行模拟和描述，从而把各个单元 的模拟结果联系起来，扩展为整个流域的输出结果。它提供了一种从微观到宏观的思路和 方法。( 如c r e a m s 模型、a g n p s 模型和a n n a g n p s 模型) 根据模型建立的途径和模拟过程分： 丑经验模型( 或黑箱模型) 。在一定条件下，以实地观测或实验数据为基础建立的非理 论模型，故模型与相同条件下的实际观测值较为吻合，模型的可靠性和实际经验有很大的 关系。由于它们只是把输入的数据通过一定的算式转变为输出结果，而对于物理过程则无 法模拟，所以有时也把经验模型叫做黑箱模型。常见的经验模型是u s l e 、r u s l e 【2 0 】、 s l e m s a 、i d e r o s i 等。 b 物理模型( 或过程模型) 。模拟整个事件或系统的过程，采用原理和理论的推导，参 数由实测获得，也可由方程求得，如：c r e a m s 、a n s w e r s 、w e p p u “、a g n p s 等。 c 概念模型( 或半物理模型) 。即把某一物理过程的各个阶段都分别用简化的手段进行 处理或模拟。当数据、信息及基本原理缺乏时，一般要采用该模型。 d 随机模型。基于长序列事件中某一状态出现的可能性，对水文中的一些不确定因素 进行研究。对流域中出现的突发事件可以较好地预测，因而具有较强的随机性。 1 5 3 2 农业非点源污染的常用模型及评价 1 ) r u s l e ( r e v i s e du n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) ：是在改进u s l e 中不合理分析方法、 弥补原始数据不足的基础上发展起来的，适用于不同的地区、不同的作物和耕作方式以及 林地和草地等，可用于模拟多种流域管理措施下的水土流失状况，甚至可以计算出在很小 的措旌变动时，土壤侵蚀速率发生的变化。 2 ) c r e a m s ( c h e m i c a l sr u n o f f a n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r em a n a g e m e n ts y s t e m ) ：主 要用于估算农田对地表径流和耕作层以下土壤水的污染，模型由3 个功能模块组成：水 文模块：估算日径流量和洪峰流量、渗透、蒸发和土壤饱和含水量，径流计算采用s c s 曲 线法( 适用于日降水量) 和g r e e n - a m p t 入渗方程( 适用于极点降雨资料) ，也可用于利用 地上水流序列计算片蚀和细沟侵蚀、利用沟道水流序列计算沟蚀和沟口面积，计算暴雨过 6 桂林工学院硕士学位论文 程中的径流量；侵蚀或泥沙模块：用于计算不同场次降雨的土壤水土流失量，主要包括 地上水流、沟道水流和泥沙沉积，模型在计算泥沙沉积和运移的过程中，引用与u s l e 相 同的侵蚀性( e r o s i v i t y ) 和可蚀性( e r o d i b i l i t y ) 指标；化学污染物模块。 缺点：模型参数单一，没有考虑流域土壤、地形和土地利用状况的差异性，只能作粗 略的计算和预报及预测。 3 ) a g n p s ( a g r i c u l t u r e n o n e p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n m o d e l ) ：是美国农业研究所( a r s ) 与明尼苏达污染控制局( m p c a ) 以及自然研究保护局( n r c s ) 早在1 9 8 0 年开发的基于场次 的单事件农业非点源分散流域模型，主要用于估算流域的侵蚀速率、土壤流失量以及从流 域流失的营养量( n 、p 、有机碳等) 。模型中，侵蚀速率和侵蚀量计算由u s l e 的计算方 法；径流计算主要采用s c s 曲线法；化学营养元素的运移的计算与c r e a m s 模型相同。 其优点在于：采用分散参数模拟的方法，把流域栅格化为多个小单元，任一单元模拟 工程的参数分布相同( 每个单元应包含2 l 类参数，有些参数可通过专业数据库直接查取， 有些可利用模型提供的参数表获得) 。模拟结果可通过该流域检验，也可在用户定义的地块 中进行。 4 ) a n s w e r s ( a r e a ln o n e - p o i n ts o u r c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n t a lr e s p o n s es i m u l a t i o n ) ： 是基于场次的分散物理模型，主要用于模拟流域管理措施或b m p s ( b e s tm a n a g e m e n t p r a c t i c e s ) 对径流和泥沙产生的影响。 优点：模型预测及模拟径流和营养物质的结果与实测值较吻合。 5 ) w e p p ( 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 ) ：是一种连续的物理模型，可模拟的流域物 理过程( 日土壤水分平衡、不同植被条件下的日蒸发量、年作物产量、径流、灌溉时的侵 蚀、林地侵蚀、细沟和沟间侵蚀、农业管理措施对侵蚀的影响等) 。模型中的泥沙计算方法 同c r e a m s ，入渗过程用g r e e n a m p t 入渗公式计算，需要不同类型的参数。 优点：可模拟土壤侵蚀过程及流域的某些自然过程；非常规坡形的陡坡、土壤、耕作、 作物及管理措施对侵蚀的影响等；土壤侵蚀的时空变异规律；预测泥沙在坡地以及流域中 的运移状态。适用范围广，可模拟的项目多，易操作，运行环境的要求低。 6 ) s w a t ( s o i la n dw a t e r a s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 2 3 】：计算方法基本同c r e a m s ，增加一个模 块模拟侧向水流和地下水流( 还可同时模拟水池、水库、河道及沟道中的泥沙、化学物质 损失量等) 。 优点：主要用于大型流域，也可对流域内的许多次一级流域进行模拟，还可以模拟流 域中的一般水文过程。 1 5 3 3 非点源污染模型发展的新动态 1 ) 非点源污染模型运用与g i s 和r s 动态监测相结合。g i s 表示时间信息的方法有： 在数据库中删除过时信息，用现状信息代替，即快照模型；重新定义和建立一个新的 7 桂林工学院硕士学位论文 数据层来反映变化信息：为数据库中每个元素存贮该元素的生成时刻和发生变化时刻， 在表中以时问指针相连接生成时刻和发生变化时刻。动态监测要求不仅能表示的现状， 还要反映到n 的变化及乃现状信息，因此，采用方法，即数据库中既存贮的现状， 又保存n 的现状信息，二者经过空间分析即得到一r i 的变化信息。 农业面源污染动态监测中易变的因素主要有：土地利用、农业种植结构与施肥及区域 降雨，它们的获得是区域农业面源污染动态监测的关键。遥感技术能快速、动态地提供地 球表层信息，土地利用可通过遥感数据更新；农业种植结构与施肥及区域降雨变化可利用 区域的年度农业和社会经济统计和降雨观测站观测数据，通过数据库管理系统创建新的年 度属性数据库。 2 ) 非点源污染模型在b m p s 评价中的应用1 2 4 】。非点源污染模型应用于评价中的一项重 要内容就是b m p s 评价，b m p s 主要是针对非点源污染而提出的控制性措施的总称，包括 不同的内容，把b m p s 评价作为模型的一项功能虽然增加了模型的参变量和开发难度，但 与此同时也扩展了模型的模拟功能、增加了模型运行结果的可信程度。 3 ) 生态系统缓冲带( b u f f ) 的泥沙及营养元素迁移规律。缓冲带b u f f 作为一种相邻系 统伴随水流产生化学物质的迁移与水文过程有一定的联系，但具体特征很不相同，所以， 将非点源污染模型应用于b u f f 中的物理过程是否可行，要具体分析研究。 4 ) 湿地水文过程研究( w e t l a n d h y d r o l o g y ) 湿地及其与之相邻地域中的水文过程以及 与之相关联的非点源污染问题将会成为非点源污染模型应用的广阔舞台。 已有研究证明，地表水和河流水的水质与淡水湿地的现存量呈正相关。一旦湿地缩小 或消失后，则水体会接受来自外部输入营养物质和其他的物质，造成水体的富营养化1 2 ”。 1 。6 论文研究内容和技术路线 目前对农业非点源污染负荷的定量估算方法主要有2 种：第一，通过对非点源污染物 输出的迁移过程模拟，估算污染物的输出量，这种非点源污染负荷模型具有较高的精度， 但对基础数据、技术手段等的要求较高；第二，不考虑污染物迁移过程，通过对收纳水体 的水质分析，依据各影响因子，得出非点源污染物输出量的统计模型。其中，第2 种模型 发展较快，已有广泛的应用【2 6 】，但精度较低，其区域适用性也有限制。 本论文采用第1 种方法，以桃花江典型岩溶区农业流域为研究对象，利用现场监测和 g i s 技术解决基础数据编辑和参数输入结合连续的非点源污染模型对非点源污染物的迁移 过程进行模型。研究内容包括以下： ( 1 ) 在典型岩溶区农业流域内的实验田内进行农业非点源污染的现场调研； ( 2 ) 通过实地调查、资料收集，建立实验区流域的土壤类型、理化性状和土地利用方 式等基础信息数据库和专题图层； ( 3 ) 分析流域水环境质量现状，初步估算典型非点源污染源排放量； ( 4 ) 在实验区域监测降雨径流产生的氮磷流失量，分析流域内随降雨产生的养分流失 b 桂林工学院硕士学位论文 规律； ( 5 ) 验证a n n a g n p s 模型在流域的适用性。 本文的技术路线见图l l l 资料收集与实地调查l - _ _ _ i _ - - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ 一 上 9 桂林工学院硕士学位论文 第2 章流域概况 2 1 自然地理特征 2 1 1 地理环境及水文水资源特征 2 1 1 1 地理环境 圉2 - l 桂林市辖区内水表图 桃花江位于桂林市的西北部，是漓江的一级支流。发源于临桂县五通镇与灵川县青狮 潭乡交界的中央岭东南侧，由北而南经临桂五通镇、庙岭镇后，在临桂县庙岭莲塘折向东 流，于长海路西北约o 8k m 处进入桂林市，向北沿大山、神山的西面流行，至神山北面汇 合后转向沿桂林市区西边缘南流，后在牛牯山向东穿过市区，在南门桥下分流，主流东行 1 0 桂林工学院硕士学位论文 象鼻山北麓汇入漓江。当水位高于1 4 6 2m 时，部分水流翻过虹桥坝沿宁远河( 桃花江故 道) 南流，在雉山萝i - 洲注入漓江。流域涉及5 个乡镇( 五通、庙岭、定江、潭下、灵川) 和2 个城区( 秀峰、象山) 1 2 7 。 2 1 1 2 水文水资源特征 桃花江流域集水区面积2 9 8k m z ，流域长度6 5k m ( 下游市区段1 9 1k m ) ，河水水位变 化大，流量差异大，最大流量7 0 0m 3 $ ，最小流量1 0 6n 1 3 s ，年平均流量1 1 6m 3 s 。桃花 江上游支流金龟河上建有金陵水库，集水面积2 2k m 2 ，中游有3 条河流相继汇入桃花江， 分别是法源河、社塘水和乌金河。其中法源河最长，为1 3k m ，集水面积4 1 3 3k m 2 。3 条 支流总集水面积约占桃花江总面积的2 5 左右脚l 。流域各个支流均为短小溪流，主要有法 源河、道光小溪、乌金河、徐家村小溪及敦睦村小溪。 法源河发源于潭下大庙岭底村东的白水头，源头海拔高度6 2 4 7n l ，于洋江头注入桃花 江，长1 3k m ，汇水面积4 1 3 3k m 2 ，河宽1 5n l ：道光小溪发源于灵川火车站南侧，在燕子 岩注入桃花江，全长9 ，3 5k m ，汇水面积2 1 1 3k m 2 ，河宽1 2m ；乌金河发源于矮山的长塘， 全长1 9k m ；徐家村小溪，发源于桂林三中南侧，全长1 5k m ；敦睦村小溪发源于猴山， 在银荔华侨宾馆上游8 0 0 i n 处注入桃花江，全长3k m 。桃花江自五仙坝至矮山桥断面河床 坡降o 4 4 9 5 0 ，枯水水面比降o ，4 3 ，洪水水面比降o 0 3 。枯水期河槽宽一般为4 0 5 0m ， 水深一般为2 4m ，此时宁远河基本断流，河水由象鼻山入漓江；丰水期河槽宽一般为5 0 6 0m ，飞鸾桥最宽时为7 1n l 。桃花江沿岸堤岸高度低，枯水水面至堤岸2 3m ，到胜利桥 断面仅为4m 。河道弯曲，加之其支流河床大多数均为泥河床，为拦水灌溉修筑多个沿河 堤坝，河床水深变化较大，严重阻塞河道，使枯水水面呈现阶梯状，影响河道的泄洪能力。 桃花江千流总长6 4k m ，其中五仙闸至宁远河出口段为市区段，总长1 8 4 5k m ，自西北向 东南穿过市区。干流河槽宽度4 0 8 0m 不等，年平均径流量3 6 6 亿m 3 ，多年平均流量1 1 6 m 3 s ，枯水期多年平均流量1 1 5m 3 s ，实测最小流量0 6 3 7 m 3 s l 。 桃花江是雨源性河流，实测最大流量8 4 0m 3 s ，实测最小流量0 , 6 3 7m 3 s ，年平均流量 1 1 6m 3 s 。桃花江流经临桂、灵川两县和桂林市的秀峰、象山两个区，紧靠桂林市城乡结 合区，经济相对发达，人口集中。人口的高度密集加大了对资源的需求与消耗，也加大了 对流域生态与环境的开发、破坏与污染p o 】。 流域地下水类型主要为孔隙承压水及溶水。孔隙承压水补给来源主要是地下径流补给， 岩溶水的补给来源主要是大气降水、地表水和周围岩溶裂隙水补给。随着工农业现代化的 迅猛发展，地下水开采量和使用量迅速增加。与此同时，由过度放牧和人为因素导致的地 表植被减少、大面积旌肥而引起的农业非点源污染( 地表径流加剧、土壤流失加重和地下 渗漏的增加等) 致使大量营养物质进入受纳水体并且污染地下水体，加剧了水资源短缺的 现状。 桂林工学院硕士学位论文 2 1 2 地质地貌 桃花江位于桂林市峰林溶蚀谷地和孤峰溶蚀平原地带，是亚热带岩溶地貌的典型代表。 流域上游多为低山丘陵，中下游多为岩溶平原。研究区域位于桂林市的西北部，地处漓江 的主要支流桃花江上游两岸。该区域地质地貌较为复杂，定江至庙岭以北为侵蚀剥蚀地貌， 主要为第三系( e ) 碎屑，组成的中低山和缓丘；定江以东大部分地区为堆积地貌，一级阶 地广泛分布，主要为第四系沉积物，下部砾石层厚4 1 1m ，中部不稳定砂土层厚约2i n ， 上部粘质或亚粘土层厚3 8m ，市区内主要为溶蚀地貌，峰丛洼地发育，峰体海拔高度在 3 0 0 5 0 0m ，主要为泥盆系和石炭系灰岩、生物灰岩，夹杂白云岩 3 q 。流域整体地形较开 阔，海拔在1 5 2 m 3 1 4 m 之间，平均海拔1 6 7 n l ，流域内坡度在0 0 0 0 0 l o o 6 1 l9 4 0 之间， 平均坡度o 0 7 8 9 ，地势较平缓。 流域内岩溶和断层构造发育，主要表现为裂隙洞穴多、地下河广泛分布、埋藏孔洞见 洞率高( 5 0 7 ) 、岩溶塌陷十分发育且分布具有方向性。 2 1 3 气象 桃花江流域属中亚热带季风气候区，较为湿润。境内气候温和，雨量充沛，无霜期长， 光照充足，降水开始时间早，分布不均匀，主要集中在3 月初到8 月底，冬季时间短，夏 季时间长，四季分明，气候条件十分优越。夏季气温高，最高气温出现在7 月，为3 9 4 ， 冬季气温较低，较为干燥，偶有降水，最低气温出现在1 月，为一4 9 ，多年平均气温 1 9 1 。 桃花江流域水量充沛，多年平均降水量为18 0 0 26 0 0m i l l ，集中在5 7 月份，约占 全年降水量的一半以上，多年平均蒸发量14 0 0m i l l ；年平均相对湿度为7 3 7 9 ；全年 风向以偏北风为主，平均风速为2 2 2 7m s ；年平均日照时数16 7 0h r ；平均压强为9 9 4 9 百帕3 2 1 。 表2 - 1 桂林市多年平均月降水量蒸发量 月份 l23456 7 891 01 l1 2 降水量m 6 2 77 1 o 1 1 0 52 5 7 53 0 】4 3 2 02 2 01 8 3 86 5 77 7 19 8 6 5 5 o 占全年， 3 43 86 0 1 4 1 1 6 71 7 61 2 1l o 23 64 25 43 2 蒸发量日 3 5 93j | 54 2 o5 6 】7 7 19 j 】 】l4 8 j 】6 5】6 59 2 55 9 64 2 0 占全年 4 ，l3 64 86 48 81 0 41 3 11 3 31 3 3 1 0 6 6 84 8 2 1 4 生态环境 2 1 4 1 土壤及土地利用结构 桃花江流域土壤类型主要为砂岩、页岩和石灰岩发育形成的坡积、残坡积红粘土、石 灰性土以及河流冲积粉质粘土。红粘土广泛分布于上游低丘地带，土层厚度差异大，一般 1 2 桂林工学院硕士学位论文 在lm 以上，d h 值4 5 5 ，肥力中等，有机质含量在o 6 4 3 2 ：石灰性土主要分布在 市区河段谷地，土中砾石含量较大，土层厚度变化大，p h 值在5 5 7 5 ，土壤肥沃；冲积 粘土主要分布在河流沿岸，土层深厚肥沃，p h 值在4 5 5 5 ，多被开垦形成大面积的肥沃 的有机质粘土层一水稻土。研究区域( 取样点在桃花江仙人桥下水稻田内) 土壤p h 值 为5 0 1 。 根据2 0 0 1 年调查统计资料：桃花江流域林业用地67 9 9 6 公顷，占土地总面积的4 0 5 ( 含有林面积65 2 7 4 公顷，灌木林面积1 7 8 0 公顷，宜林荒山9 3 6 公顷) ，森林覆盖率4 0 。 在65 2 7 4 公顷有林地中，用材林54 6 4 5 公顷，占8 3 7 2 ，防护林4 9 5 7 公顷，占7 5 9 ， 经济林5 6 7 2 公顷，占8 6 9 。 非林地用地( 相对林业用地而言) 有99 7 0 2 公顷，其中农业用地78 5 6 ，0 公顷，( 其他 一石山为主含道路、河流、村庄等) 21 1 4 2 公顷1 3 ”。见图2 2 圉2 - 2 流域内土地利用结构 2 1 4 2 流域生态环境 桃花江流域是桂林市两江四湖工程的2 期工程的主要工作区域，主要目的之一是为了 清淤截污、疏通河道、提