（环境工程专业论文）渭河临潼断面以上流域非点源总氮负荷研究.pdf

摘娶 题目：遢逦i 鱼潼堑画丛速亟j e 壶源曼氢鱼萤型 塞 学科：叠缝王捏 作者：壅! 熬汤 导师：奎! 臣坠卫改鼬 答辩日期：2 q q 2 生q 3 旦2 4 口 摘要 渭河临潼断面以上流域有陕西省宝鸡、咸阳、西安三大城市，同时 也是渭河流域的重要地区。随着经济、社会的发展，河流氮污染的问题 日益，r z 重，其中的非点源n 污染要占相当大的比例。要制定合理而有效 的非点源n 污染的控制和治理措施， 荷的现状及未来变化趋势有所了解。 就必须对该流域的非点源n 污染负 本文正是以此为宗旨，多种方法、 多个方面地对该流域的非点源t n 年负荷进行了合理的分析研究。方法 以j o h n e s 的输出系数法和相关关系法为主，并进行了大量改进：同时注 意了人类社会、自然界影响非点源n 污染的诸多因素，使本文介绍的方 法更趋合理。作者对该流域的相关自然和社会环境做了详细的调查研究， 并在此基础上使用了五个方法( 年降雨量一年非点源丁n 负荷量相关法、 j o h n e s 的输出系数法、年径流模数一年非点源t n 负荷量相关法、考虑降 雨影响的输出系数法、考虑流域损失的输出系数法) 来估算该流域的非 点源t n 年负荷量、通过大量分析合理选取了丘大营养源( 种植用地、 城镇用地、自然地、牲畜、人) 的t n 输出系数、对该流域非点源t n 年 负荷量的未来变化趋势做了分析预测等。 关键词：非点源污染、非点源7 r n 污染、输出系数法、相关关系法、 输出系数、变化趋势 t h e m e ：n o n p o i n ts o u r c et nl o a dr e s e a r c hi nw e i h eb a s i n a b o v el i n t o n gs e c t i o n s u b j e c t ：星旦! i q 旦堡曼坠! 垒! 旦旦g i 凸壁皇! i 望g a u t h 。r ：- 劢啦j , 纽、j 2 勉- - a d v is 。r ： a n s w e rd a t e ：2 4 0 3 2 0 0 2 a b s t r a c t t h ew c i h eb a s i na b o v el i n t o n gs e c t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tz o n ei ns h a a n x i p r o v i n c eb e c a u s et h e r ea r eb a o j i 。x i a n y a n g ，a n dx i a nc i t i e si n i t a l o n gw i t ht h e e c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t s ，r i v e rn p o l l u t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s i nw h i c h ，n o n p o i n tn p o l l u t i o ni so c c u p i e ds i z e a b l es h a r e i no r d e rt or e a s o n a b l ya n d e f f e c t i v e l yc o n t r o la n da l l e v i a t en o n p o i n tnp o l l u t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt om a k ec l e a rt h e c u r r e n ta n df u t u r es i t u a t i o n so ft h eb a s i n sn o n - p o i n tn p o l l u t i o nl o a d s f o rt h i sp u r p o s e ， t h en o n - p o i n tnl o a d sa r ee s t i m a t e dw i t hv a r i o u sm e t h o d si nt h i sp a p e r t h e ya r em a i n l y b e du p o nj o h n e s se x p o r tc o e f f i c i e n tm o d e l i n ga p p r o a c ha n dt h ec o r r e l a t i v em e t h o d a n ds o m ei m p r o v e m e n t sa r em a d e s i n c et h e s em e t h o d sc a nr e f l e c tt h es o c i a la n d n a t u r a li n f l u e n c e so nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h e ya r em o r er e a s o n a b l e o nt h eb a s i s o ft h ed e f i n i t ei n v e s t i g a t i o n sa n dr e s e a r c h e so ft h eb a s i n sn a t u r a la n ds o c i a ls i t u a t i o n s ， t h i sp a p e ru s e sf i v em e t h o d st oe s t i m a t en o n p o i n tt na n n u a ll o a d so ft h eb a s i n t h i s p a p e ra l s oc a r e f u l l ya n di m p e r s o n a l l yd e f i n e st h ev a l u e so ff i v ee x p o r tc o e f f i c i e n t s ， w h i c hi n c l u d ep l a n t i n ga r e a , u r b a na r e a , n a t u r a la r e a , l i v e s t o c ka n dh u m a n s f i n a l l y , t h i s p a p e rr e a s o n a b l ya n a l y z e sa n df o r e c a s t st h ef u t u r ea n n u a ln o n p o i n tt nl o a d so ft h e r e s e a r c h e db a s i na n ds oo n k e y w o r d s ：n o n p o i n tp o l l u t i o n ，n o n - p o i n tt np o l l u t i o n ，e x p o r tc o e f f i c i e n t m o d e l i n ga p p r o a c h ，c o r r e l a t i v ea p p r o a c h ，e x p o r tc o e f f i c i e n t ，l o a dt r e n d 西安理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 非点源污染研究的意义 非点源污染是指在降雨径流的淋沈和冲刷作用下，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，一 般情况下，也可称之为降雨径流污染。降雨( 尤其是暴雨) 期间，不但 河流的流量变化十分迅速，而且径流中的污染物浓度远远超过非降雨期。 例如，滇池湖泊流域的大清河，暴雨期间悬浮物浓度比平时均值高2 2 倍， 亚硝酸盐氮则高达1 6 3 倍；宝象河暴雨期最大悬浮物浓度是非暴雨期的 1 0 6 倍【。 重视非点源污染是国际大趋势。美国等非点源污染研究发达的国家经 多年研究证实，非点源污染是导致水质污染最主要的原因之一。研究和 控制非点源污染已是发达国家政府和农业部门的主要议题。 我国大部分地区降水集中，生态破坏导致水土流失严重。近年来化肥 农药等农用化学物质的用量不断增加，加上使用技术上的不合理，非点 源污染问题日益突出。湖泊、水库和河流已普遍富营养化并有加重之趋 势。水源中因农药等含量过高造成渔业损失、人类中毒事件也时有发生。 随着国民经济可持续发展认识的不断深入，研究和控制农业及城市非点 源污染的工作已日益受到人们的关注。但是，由于我国的非点源污染研 究起步晚，国家经济、技术欠发达，流域非点源污染研究在国内许多地 方尚属空白。本论文所研究的渭河临潼断面以上流域也不例外。 1 2 非点源污染负荷评价和预测方法综述 拼沧 1 2 1 国外的研究发展概况 在6 0 年代，农药对水生生态系统的影响受到极大的关注，人们开始 注意到农业非点源污染的潜在危害，但还缺乏定量评价其影响的方法。 这就促使人们向定量化研究，如美国的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模型( p t r ) ，以及最初( 1 9 7 1 年) 的城 市暴雨水管理模型等。土壤侵蚀是类重要的非点源污染，并且对其研 究在7 0 年代以前就取得了长足的进展，定量计算方法已相当成熟，但研 究的角度不是从非点源污染问题出发的，然而这方面的研究成果为开展 全面的非点源污染研究打下了良好的基础。 1 9 7 2 年美国水污染控制法修正案的制定标志着非点源污染研究的重 大转折。这项法律明确规定f 2 j ，在制定水污染规划时，必须同时包括点源 和非点源防治规划。这项法律的通过极大地推动了美国非点源污染研究 的开展，如7 0 年代美国在全国范围内开展了大规模的非点源污染调查和 研究工作，提出了一些有影响的非点源污染模型。 美国于1 9 7 2 年开始进行全国富营养化调查，选择了近千个典型的非 点源污染流域，详细研究了流域土地利用情况，力图探索全国范围内的 土地利用一营养负荷一富营养化关系，从而建立一种利用“宏观”流域 特征来估算水体营养水平的定量化方法。此外，美国和加拿大联合展开 的土地利用与五大湖水质污染关系的项目研究了各种单一土地利用类型 的单位面积污染负荷，探讨了多种影响因子( 地形、土地利用程度、肥 料、农药、气候条件等) 对污染负荷的影响。总之，7 0 年代初期的研究 主要侧重于非点源污染的“宏观”特征分析和比较点源污染和非点源污 染的相对比重1 3 j 。 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 r _ a r m n p s ，以 及其他研究者开发的通用土壤侵蚀模型( u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ，简 称u s l e ) i “、s t o r m 、a c t m o 、u t m 、l a n d r u n 等是于7 0 年代中 西安理工太学硕士学位论文 期建立的，这一时期也是非点源污染模型大发展的时期。水文数学模型 是这些非点源污染模型的基础。 其中u s l e 模型和后来开发出的r u s l e ( r e v i s e du s l e ) 方程模型 p j 至今仍然是应用最为广泛的非点源污染负荷的研究方法。人们对土壤侵 蚀的研究在7 0 年代以前就取得了长足的进展，定量计算方法已相当成熟。 虽然其研究的角度并不是从非点源污染的问题出发的，但是这类方法的 研究成果为开展全面的非点源污染研究打下了良好的基础。随即，u s l e 和r u s l e 方程应运而生。通用土壤侵蚀方程实际上是一个经验方程，它 是经过了长达4 0 多年的现场观测调查出来的。方程提出的前提是假设了 决定土壤侵蚀的因子有以下6 种：降雨能量因子、土壤可蚀性因子、坡 长因子、坡度因子、作物覆盖及管理因子和侵蚀控制因子。在运用这两 种方程时，先对这6 种因子取值，再运用土壤侵蚀方程( u s l e 或r u s l e ) 或与其相应的负荷函数来定量计算模拟出非点源污染的时间和空间特征 以及非点源污染负荷量。当然，这种方法虽然有效，但是仍然存在诸如 缺乏理论基础、对客观资料要求高等局限条件。 总之，从7 0 年代初期到中期，非点源污染研究取得了两方面重要的 进展：一是从简单的经验统计分析提高到复杂的机理模型分析：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 种资料的要求很高，大多数模型只能用于很小的集水面积。显然，这对 于非点源污染的广泛性格格不入，从而限制了这些模型的推广和应用。 由于存在着上述问题，所以在7 0 年代后期，特别是进入8 0 年代以 来，研究的重点主要转向如何把已有的模型应用到非点源污染的管理中 去，以及开发新的实用模型、非点源污染的控制与管理措施的研究与广 泛实施等，并注意了经济效益分析。这一时期国外提出的有代表性的模 型有：a r m l 6 1 、a n s w e r s l 7 1 、c r e a m s i 引、a g n p s l 9 1 等。随着计算机技 术的发展，非点源污染研究也开始使用地理信息系统( g i s ) 方法【m 】。 绪论 a r m 模型是由h y d r o c o m p 公司于1 9 7 6 年在h s p ( 水文计算模拟程 序) 模型的基础上建立的，随后又经过迸一步工作( 模型算法改进、扩 大检验范围等) ，使得模型更加完善。开发a r m 模型的最根本的目的是 建立一种针对农业土地上土壤、农药、营养物和其他非点源污染物流失 的各种管理措施的有效性的评价控制方法。a r m 模型可模拟进入河道的 径流( 包括融雪径流) 、泥沙、农药和营养物，它们来自地面源和地下( 壤 中) 源。模型的主要部分是模拟流域的水文响应、产沙、农药吸附、农 药降解以及营养物的转化，这几个部分也就构成了a r m 模型的主体框 架。另外，能否比较准确地模拟营养物和农药在土壤中的垂向运动和转 化也是影响模型运行效果的关键。为此，该模型把整个土层划分为四层： 表土层、上层、下层和地下水层，表土层和上层的厚度作为模型输入参 数( 一般情况下它们的厚度分别为o 2 5 一o 7 6 c m 和7 6 2 1 5 2 4 c m ) 而上 层的深度应与土壤掺合的深度相当。在a r m 模型所描述的运动中，可认 为进入河流的污染物来自表土层、上层和地下水层，地表径流对溶解药 品、农药颗粒、泥沙及其吸附的化学品的输移起主要作用，壤由流能输 移上层土壤中的溶解态农药和营养物，这主要是污染物在土壤。的垂向 运动时水分下渗和渗透作用的结果。a r m 模型的显著优点是它对降雨径 流污染的主要环节和过程都有较详尽的描述，这对我们深，、了解和认识 非点源污染的形成规律和机制具有重要作用，而不足主要体现在它只适 用于河道输移和转化作用可以忽略的特小流域( 上限近似为2 5 k m 。) 以及与其水文模拟相似、对地下水的输移不加考虑j 的流域。 美国农业部丌发的c r e a m s 模型是一个连续模拟模型，包括了水文、 侵蚀、化学品3 个部分，水文部分输入了由s c s 法【j2 j 确定的径流量，以 及根据土壤水分分布和土壤性质确定的渗透率。侵蚀和泥沙流失部分使 用了运输能力和u s l e 方程。氮、磷、杀虫剂损失分为溶解态和沉积态， 沉积态中考虑了富集因子。因此，c r e a m s 模型可估计农田单元的泥沙、 水和污物损失，模型不需要现场数据校正，按现有参数和一些估测值就 4 西安理工大学硕士学住论文 可运作，模型的运行费用低。c r e a m s 模型成功地与经济分析结合，能 比较不同农业生产活动的土壤流失、化学物流失量和纯收益。因此，它 提供了一种评价各种农业管理措施对控制化学物流失作用的有效方法。 a g n p s 模型是建立在地表径流模型基础之上，专门为政策制定者和 管理部门研制的一种农业非点源污染模型，它可对小至数公顷的小流域、 大至2 0 ，0 0 0 多公顷的大型农业流域进行非点源污染预测，其计算过程 也可简洁而直观地由计算机完成。该模型一般模拟农业流域中的径流、 沉淀物和营养物质的输移，而在营养物质中主要考虑n 、p 这两种农作物 所必需而又是造成农业非点源污染的主要物质。a g n p s 模型以网格为基 本运行单位，这里的网格是指为了方便在流域内各点进行研究以相同尺 寸将流域划分出来的小方格( 具体尺寸需根据实际需要而定) 。非点源污 染物从某一污染源输移到流域出口的过程中，其路线相对稳定并通过若 干网格。这样，人们只需分别对各网格进行监测和研究即可了解全流域 的非点源污染状况。由于a g n p s 模型能与g i s 很好地配合使用，而g i s 目前发展迅猛，发展前景广阔，因此可以说两者的结合在非点源污染模 型的发展史上是一次飞跃。鉴于此，笔者认为有必要对a g n p s 模型作较 为详细的论述。 a g n p s 模型主要包括了3 个部分： i 水文部分 模型对水文部分的研究主要是针对径流量和峰值流量进行的。其 中，径流量的计算以s c s 曲线数量法( s c sc u n ，en u m b e rm e t h o d ) 1 1 2 1 为基础，基本方程简述如下： 0 ：( p - 0 2 5 s ) 2 一p + 0 8 s 上式中q 为径流量、p 为雨量、s 为持水系数。 绪论 各网格的峰值流量由s m i t h 和w i l l i a m s 的经验关系式结合 c r e a m s 模型给出： q ，= 3 7 9 a 。7 c s 。“( r 0 2 54 ) 。9 ”心“1 9( 1 2 ) 式中q 。为峰值流量( m 3 s 1 ) 、a 为排水面积( k m 2 ) 、c s 为排水路 径的斜率( m k i n ) 、r o 为径流量( m m ) 、l w 为流域长宽比( l w = l 2 a ) 。 ( 1 2 ) 式中的系数值由现场监测得出。 i i 侵蚀和沉淀物输移 这类计算用w i s c h m e i r 和s m i t h 改进的u s l e 方程完成【1 4 1 ，该方程 用于对上游地区单场暴雨侵蚀量的计算，表述如下： s l = e 1l s c ，p - s s f ( 1 31 这里，s l 为土壤侵蚀量、e i 为暴雨产生的总动能和3 0 分钟的最大 强度、k 为土壤侵蚀因子、l s 为地貌因子、c 作物覆盖和管理因子、p 为污染治理措施因子、s s f 为网格内的坡形调整因子。上述各因子的值 可由农业手册( a g r i c u l t u r a lh a n d b o o k5 3 7 ) 中算得，土壤侵蚀量以流域 中各网格为单位计算，并将侵蚀土壤和沉淀物分为5 类( 黏土、粉沙、 砂、细砾和粗砾) 考虑。 i i i 化学物质的输移 这里的化学物质主要是指全流域的n 、p 和c o d 。化学物质输移的 关系式是在考虑了土壤结构变化影响后由c r e a m s 模型和牲畜圈养污 染模型( f e e d l o te v a l u a t i o nm o d e l ) 【l5 】修改而来，表述如下： n u t 。d = n u t r g ( x ) e 月( 1 4 ) 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 4 ) 式适用于沉淀物所携不可溶营养物质的输移计算 n u t ，“= e 。n u t 。，q ( 1 5 ) ( 1 5 ) 式适用于可溶营养物质的输移计算。 上两式中，n u t 。d 为由沉淀物携带的不可溶n 和p 、n u t f 为农田土 壤中的n 和p 含量、e r 为富集率( e r = 7 4 q 。( 工) “27 ，) 、q s ( x ) 为沉淀 物的生成量、t f 为土壤结构的修正因子、n u t s o i 为可溶n 或p 在径流中的 浓度、c 。为产流期间土壤表面可溶n 或p 的平均浓度、n u t 。为输移过 程中n 或p 的截留系数、q 为总径流量。 总之，a g n p s 模型与c r e a m s 模型相比较的主要改进在于充分考 虑并控制了空间变化对水分、泥沙及养分迁移和输出的影响，而这些影 响对农业非点源污染的评价和控制是至关重要的。在现有模型的应用与 完善方面，a g n p s 模型也比较突出。 虽然a g n p s 模型已经考虑到了空间变化对农业非点源污染的影响， 但这是不够的。前几年发展起来的地理信息系统( g i s ) 为农业非点源污 染建立模型所需处理的大量空间和统计数据提供了新的技术手段。g i s 是以计算机为基础，为处理大量不同来源的空间信息而设计的输入、管 理、分析、显示和输出系统，包括了4 部分：1 数据采集输入子系统，主 要作用是将各种地形图、降雨、生产活动统计数据信息，采集并输入到 g i s 中；2 数据存储管理子系统，主要作用是以一定的组织形式和数据结 构将所输入数据存储在空问数据库中，使用户可以以各种形式进行检索 查询、提取、修改、更新等：3 数据运算分析子系统，主要作用是对数据 库中的数据进行各种统计运算和模型运行等；4 输出子系统，主要作用是 将数据库由的各种数据、图形及运算结果以表格、图像、图形等形式输 出。利用g i s 较强的数据处理功能，提取模型所需参数，大大促进了对 非点源污染的研究。o i s 的早期应用主要限于数据处理和绘图，但近来 绪论 已用于环境规划和资源管理，可将空间和非空间信息集合起来，为分析 地形的空间变异提供一致的框架，把地形和地理特性相似的统一体联结 起来，这对非点源污染的研究也是至关重要的i l “。与g i s 相结合的方法 取得了较多成果，如h e 发展了一个软件系统，将g r a s s ( g i s 软件) 和a g n p s 相结合i l7 1 ，从土地利用图、数字地面高程图、土壤图等g i s 文件中自动加工提取a g n p s 模型所需的参数，并研究了美国密歇根州一 个农业流域土壤侵蚀和营养元素( 氮和磷) 流失情况，并在模拟预测的 结果上，提出了农业最佳管理措施；e n g e l 发展了g r a s s 和a n g p s 及 a n s w e r s 的界面，模拟土壤侵蚀及营养元素在农业流域中的损失【1 8 】等。 这一时期，其他较为著名的非点源污染研究还有：1 9 7 8 年，前西德 v e r w o r n 把水文学中的时段单位线概念引入非点源污染营养复合分析计 算中，建立了“特征污染单位线”的概念和方法f 】”，并已取得了较好的 应用效果。1 9 8 4 年，z i n g a l e s 等应用水文学中瞬时单位线的概念和方法 建立并应用了非点源污染的单位质量响应函数概念模型【2 ，也值得借鉴。 1 9 8 7 年，r i n a l d o 和m a r a n i 以流域地貌单位线为基础，提出了流域尺度 的溶质输移模型【2 “。但是，上述的各种模型对资料的要求比较高且参数 繁多，局限性十分明显，在缺乏长系列实测资料的条件下很难完全运用， 效果也不尽如人意。7 0 年代末和8 0 年代，美国开发出输出系数法( e x p o r t c o e f f i c i e n tm o d e l i n ga p p r o a c h ) 以及一系列改进方法1 2 2 j 1 2 8 i 。该方法通过 多元线性相关分析，直接建立了土地利用类型与河流非点源污染负荷的 相关关系，具有模型形式简单、建模及模型运用费用低且方便、适用于 大中型流域、对缺乏长系列实测水质资料的流域实用性强等优点。 从9 0 年代至今，非点源污染研究更注重于模型的运用和改进，使非 点源污染模型研究也更具实用性。较为典型的是英国学者j o h n e s 等人于 9 0 年代中期提出的改进后的输出系数模型【2 引以及其他学者提出的相关方 法、美国学者d a v i d 等人于9 0 年代末期提出的总量平衡方法p 。 改进后的输出系数法模型通过输出系数并充分利用相对容易得到的 西安理工大学硕士学位论文 土地利用状况等资料直接建立土地利用与受纳水体非点源污染负荷的关 系，大大省略了非点源污染复杂的过程研究，很大程度上降低了对侵蚀、 污染物质的迁移转化试验和资料的依赖性，从而也降低了建模费用，为 大流域非点源污染负荷量的估算提供了一种具有一定精度的应用方法。 由于非点源污染监测难度大、费用高及重视不够等原因，我国尚缺乏长 系列非点源污染监测资料。因此，输出系数法在我国有着很大的推广价 值。由于该方法是本论文所要研究和探讨的主要方法，其阐述见第三章。 d a v i d 等人提出的总量平衡法研究是针对美国伊利诺斯( i l l i n o i s ) 州 这一土地利用类型主要是农业用地的流域进行的，其宗旨是利用排除法 的原则。总量平衡法认为在闭合流域中n 、p 等由于化肥施用、干湿沉降、 土壤和植物固氮、人畜排泄等造成一个流域年度n 、p 输入量，而农业产 量、土壤植物含氮物质的挥发、地下和地表水的携带、人工和自然的除 n 等又造成一个流域年度n 、p 的流失量，上述输入量、流失量和流域持 养变化量之代数和应为0 。在承认此表达式的前提下，并且弄清了其他量， n 、p 的非点源污染负荷量也就可以计算出来。n 、p 在其中可以以不同 的方式存在，非点源污染研究所注重的流域出口断面输出的t n 、t p 也 只是其中一部分。显然，这一部分由于非点源污染研究的特殊性和复杂 性往往很难直接准确评价和预测。d a v i d 等人对伊利诺斯州长达5 0 余年 的水质、用肥量、土壤持肥量、植物固氮量、雨水输入n 、空气沉降量 等资料进行分析，得出流域出口t n 、t p 输出量大致等于流域内的n 、p 输入量之和减去土壤、植物持养量和以其他方式造成的n 、p 流失量之和。 这里，能否准确地计算出流域n 、p 输入量、土壤植物持养量和其他方式 的n 和p 流失量是关键。因此使用总量平衡法就必须对研究流域的这些 情况进行详细分析。对于n 输入量，总量平衡法将其分为：( 1 ) 空气沉 降( 包括雨水输入) ；( 2 ) 植物的固氦；( 3 ) 化肥施用。而对n 的输出总 量平衡法将其分为( 1 ) 动物( 主要是牲畜及家禽) 所耗n 、p ：( 2 ) 、农 作物生长所耗n 、p ；( 3 ) 生活污水的除氮、磷治理：( 4 ) 河流自净除n 、 9 绪论 p ；( 5 ) 流域河流输出的n 、p 。d a v i d 等人以流域输出的n 、p 为所求结 果通过对其他部分的分析、统计、计算来最终确定流域t n 、t p 的输出。 9 0 年代非点源污染研究的其他成果还有w i g h t 和s k i l e s 开发出s p u r 模型【3 ”，对牧地造成的非点源污染提供了一个管理参考依据：p a l a c i o s 和 c u e v a s 充分利用计算机体系开发出s h i f t 径流分布模型【3 2 】，为非点源污 染研究提供了一定的便利；a r n o l d ，a l l e n 和b e r n h a r 开发出一个综合的地 表一地下水系列模型【3 ”，在一定程度上补充了一些现有模型( 如 a n s w e r s 、a g n p s 等) 对地下水非点源污染考虑的不足；r e n a r d 和 f o s t e r 修改了u s l e 模型，并得到了广泛的应用口4 】：w i l l i a m s 和n i c k s 应 用c r e a m s 模型和水蚀预测模型( w e p p ) 评价植被过滤带对土壤侵蚀 和营养元素的迁移和截留作用1 35 j ；c a n a l e 建立了大肠杆菌数学模型来预 测城市地表径流中大肠杆菌的变化和管理口6 l ；h e 发展了一个软件系统， 将软件( g r a s s 、g i s ) 和a g n p s 相结合，从土地利用、数字地面高程 图、土壤图等g i s 文件中自动加工提取参数【3 7 | ；e n g e l 发展了g r a s s 和 a g n p s 及a n s w e r s 的界面，模拟土壤侵蚀及营养元素在农业流域中的 损失【3 8 ；法国的r o b e r t 在b a l q u h i d d e r 流域进行了一系列研究，分析了 利用遥感呈像来区分流域内的土地类型的方便性和准确性【3 ，为此类方 法用在非点源污染研究方面铺平了道路；d o n a l d 和j i l l 研究了美国科罗 拉多高纬度地区n 的流失情况，并指出n 的输出主要是由于空气沉淀和 生态系统中的生化反应造成的 4 0 1 ；s t a n s b u r y 、w o l d t 和b o g a r d i 联合开发 出水输移物估计和决策支持系统1 4 1 1 ：a z i a 、b o u z a h r 和l a k s h m i n a r a y a n 针对农业非点源污染开发出m e t a 模型，该模型成功地预测了美国 c o r n b e l t 和l a k es t a t e s 等地区的农业非点源污染情况【4 z j ；另外，t e n b e r g e 和m e t s e l e a r 还建立了可用于研究非点源污染的s a w a h 水文模型【4 列； s t e v e n 开发出p r l ( p e r c e n tr e d u c t i o ni nl o a d ) 模型【4 4 】等等。 1 2 2 国内的研究发展概况 西安理工大学硕士擘住论文 我国基本上进入8 0 年代才逐渐认识到非点源污染问题的严重性，并 在城市暴雨径流污染和农业非点源污染方面开展了一些工作，如在北京 市、苏州市、天津于桥水库流域、云南滇池流域、四川沱江等处开展研 究。8 0 年代在非点源污染研究方面我国开展的工作不多，特别是在控制 与管理方面开展得更少。这种状况对我国的自然资源的保护与合理开发 利用，环境污染的有效控制和促进国民经济的发展是十分不利的。在8 0 年代，国内较为典型的研究有王皓根据流域的地形特点及植被情况划分 单元，运用水文学、水力学的原理建立方程计算坡面漫流和污染物负荷， 提出了非点源污染负荷的单元坡面模型法【45 j ：夏青等以整个流域为研究 对象、降雨为输入、径流和污染负荷的传输为输出建立了计算流域非点 源污染负荷的数学模型【4 6 】等。 9 0 年代以来，我国在非点源污染的研究上也有了一定的发展。施为光 较为成功地为成都市的非点源污染做出了分析【4 7 j ：北京大学的李本纲和 陶澍分析了g i s 和环境模型相结合的趋势，并给出了g i s 、r s 、e s 于环 境模型理想的结合框架【4 s 】；西安理工大学的李怀恩、沈冰等几位教授开 发出用于暴雨径流污染负荷计算的响应函数模型【4 9 】和非点源污染数学模 型3 】等；浙江农业大学的王珂等详细地分析了将污染模型与地理信息系统 相结合来管理农业非点源污染在中国的发展前景【5o 】；甘肃农业大学的杨 具瑞等根据暴雨径流污染浓度变化特点，采用最t b - - 乘法对暴雨期间污 染源各监测数据进行回归分析处理，对湖底糙率采用自动调整处理，建 立了湖泊暴雨径流水质模型1 5 ”，并且在滇池流域非点源污染预测中，证 明是成功的。另外，陈西平开发出了三峡库区的降雨及农田径流污染模 型吲；陈喜侏等进行了降水一地表径流中重金属化学形态变化的研究【5 3 】 等。 1 2 3 非点源污染负荷研究的发展趋势 绪论 非点源污染负荷预测和评价模型发展至今已有较完备的模型体系和 方法，然而在实际应用上几乎没有哪一种方法可以说己具有广泛的实用 性和通用性，而且或多或少地存在参数繁多、精度不够理想、率定困难、 对资料有限地区的模拟和计算乏术等问题。因此，总的来说非点源污染 负荷研究在今后的发展趋势可概括如下：( 1 ) 开发具有一定机理基础的、 大中型流域尺度的模拟预测模型，如l e o n 等人( 2 0 0 1 ) 、v i n e y 等人 ( 2 0 0 0 ) 5 5 1 、k r y s a n o v a 等人( 1 9 9 8 ) 及文献 5 7 的研究；( 2 ) 有限资料条 件下非点源污染年( 多年平均、代表年等) 负荷量的估算问题，文献 5 8 、 f 5 9 1 在这方面进行了初步探索；( 3 ) 模型参数汇总分析、降雨的空间分布 对模型模拟精度的影响等问题亦开始引起重视【6o j 【6 l j ；( 4 ) 完善非点源污 染机理的研究，理论的完善有助于非点源污染治理实践的深化，是其模 型方法改进和创新的基础；( 5 ) 非点源污染问题本身可以看作是环境科 学、水文科学、地理地质科学、管理科学和社会科学的交叉问题，无论 哪一门科学有了新的进展和突破，都有可能为非点源污染研究提供新的 思路和方法。所以密切注意各门科学的发展，认真分析它们的新成果运 用于非点源污染研究的可能性也是今后研究的一个趋势。 1 3 本文研究的内容及意义 正如前面所述，虽然我们国家在非点源污染负荷研究方面有一定成果 和发展，但是由于各种因素的制约比起其他发达国家仍然是落后的，尤其 是在大流域非点源污染负荷研究方面更是如此，甚至我国绝大多数大流 域非点源污染研究仍是空白，本文所研究的渭河临潼断面以上流域也不 例外。 由于非点源污染的形成机理十分复杂，涉及到的问题繁多，对大流 域非点源污染研究更是如此。显然，要想有效而合理地对流域非点源污 染进行控制和治理就必须对流域非点源污染负荷进行准确的预测和评 西安理工走学项士擘住论文 价，然而迄今为止尚没有一种对各流域都实用的通用模型。具体流域非 点源污染研究必须着眼于三个方面进行：( 1 ) 对研究流域( 主要是宝鸡、 咸阳、西安地区) 的有关各方面情况进行详细调查分析；( 2 ) 非点源污 染负荷模型和方法的建立和运用：( 3 ) 对模型和方法的运行结果进行分 析、评价、预测。 综上所述，本文拟开展的渭河临潼断面以上流域非点源污染负荷研 究主要包括以下部分： ( 1 ) 调查及文献、资料查询，主要是宝鸡、成阳、西安地区历年的 土地利用状况、人口和农业状况以及水文地质和水质状况； ( 2 ) 输出系数法的方法研究。包括传统的j o h n e s 输出系数模型研究、 考虑流域损失的输出系数法研究、考虑降雨影响的输出系数法研究： ( 3 ) 输出系数的研究，重点放在对输出系数确定原理的研究和宝鸡、 咸阳、西安地区各土地利用类型输出系数的确定： ( 4 ) j o h n e s 输出系数模型、相关修改模型及其它数学模型的建立及 运用： ( 5 ) 评价模型的运行结果，以及预测研究流域的未来非点源t n 负 荷状况。 渭河作为黄河的第一大支流和陕西省的最大河流是全省国民经济发 展的命脉，陕西省关中地区( 以宝鸡、咸阳、西安为主) 工业集中、人 口密集、农业发达、旅游资源丰富、科技教育实力雄厚，渭河更是横亘 于此，其作用显得越发重要。近年来，随着陕西省经济的快速发展和人 口的增长，对水资源的需求量逐年增加，严重污染了渭河水体。另一方 面，由于陕西省乃至全国由于经济不发达、治污投入小、技术力量薄弱 等原因使得渭河治污工作落后，形成了利用一污染一再利用一再污染的 恶性循环，渭河水质污染近年几乎已全河段严重超标，本文所拟重点研 究的n 类污染物也常常超过水利部s 1 6 3 9 4 行业标准第v 类要求。这些 严峻的情况已严重制约了陕西省经济的发展、同时带来了一系列环境方 绪论 面的问题，也影响了我国关于经济发展重心由沿海向内陆转移的发展战 略。因此控制和治理渭河水质污染是一个亟待解决的问题。通过前人的 努力和文献资料，渭河的点源污染情况已经比较清楚。但是，对于非点 源污染这一部分由于其特殊性、复杂性等原因如今也尚停留在只知其存 在而不知其量的阶段。这对渭河水质的全面治理是十分不利的。通过本 论文的研究，希望能建立一些适用于渭河i 临潼断面以上流域非点源污染 预测和评价的宏观方法，为渭河非点源污染的控制和治理提供一定的理 论和实践基础。 西安理工大学硕士学位论文 2 研究流域的自然、社会环境 2 1 研究的流域范围 本文研究的流域范围是渭河临潼断面以上流域，但由于渭河上游主 要在甘肃省经济不发达地区，水质条件好，污染极小，所以本文研究的 地区主要是造成渭河水污染的宝鸡、成阳、西安三地。需要指出的是， 如未作说明，本文中的研究流域一词所指的范围即是宝鸡、成阳、西安 三地的渭河流域部分。由于资料条件有限、三门峡水库影响等原因，流 域以临潼水文站及水质监测站为流域出口监控断面。研究流域三地市几 乎全部位于关中盆地，总面积约为3 1 1 5 2 平方公里，占整个关中盆地总面 积的6 4 3 。由于渭河临潼断面以上流域面积巨大、支流繁多，为了准确 地定出研究范围，这里作以下表述。 表2 1 研究流域范围一览表 泾河部分成阳市所辖长武县、旬邑县、彬县、淳化县、泾阳县、永寿县、 乾县、礼泉县、武功县泾河水系部分。 北岸宝鸡市所辖的陇县、千阳县、宝鸡县、歧山县、风翔县、扶风 渭县、麟游县、宝鸡市区的渭河北岸地区；成阳市所辖的乾县、 河 武功县、兴平县、咸阳市区的渭河北岸地区。 部 南岸宝鸡市所辖的宝鸡市区、宝鸡县、眉县的渭河南岸地区；西安 分 市除高陵县的全部地区，包括：长安县、蓝田县、临潼县、周 至县、户县和西安市区。 注：由于本论文所选择流域出口断面为临渣测站( 控制断面) ，故宝鸡市风县、太白县，成阳市 所辖的三原县、淳化县的土地西安市所辖高陵县不在研究范围。 2 研冤流域的自然、社会环境 2 2 渭河概况 渭河为黄河第大支流，流经甘陕两省，起源于甘肃省渭源县，经 陇西、武山、甘谷天水诸县，经陇西、武山、甘谷、天水诸县由宝鸡县 凤阁岭入陕，呈东南向蜿蜒于甘陕两省之间，形成甘陕两省的一段天然 分界。最终，向东注入黄河。 渭河在陕西省流经宝鸡、岐山、眉县、扶风、武功、周至、兴平、 户县、咸阳、西安、高陵、临潼、渭南、华县、华阴、大荔、潼关等数 十城镇，在潼关东注入黄河。 渭河全长8 0 0 余公里，在陕西省境内长约5 0 0 公里，流域面积3 3 万平方公里，分别占渭河全程和总流域面积的6 1 3 7 和5 3 7 9 ，多年平 均径流量为5 9 3 亿立方米( 成阳站资料) 。 渭河林家村以上至源头，一直曲折蜿蜒于六盘山谷之中，出陕西宝 鸡峡后则流淌于平坦的关中平原。渭河宝鸡峡以上，由于受人为影响较 少水质清澈，污染较少。 渭河流经的陕西省关中地区属暖温气候带，受大陆季风性气候的影 响，春旱少雨，因此冬春夏初大量引灌渭河水，渭河宝鸡段河流时见干 枯，尤以冬夏为甚。由于河道缺水，渭河稀释自净能力丧失殆尽。关中 平原西起宝鸡，东至潼关号称“八百里秦川”，是渭河地堑基础上经过黄 土沉积和河流冲积形成的平原，海拔3 2 0 6 0 0 米，南北两侧呈不对称性 阶梯台地。 渭河至眉县段，两岸为黄土台塬，河宽加大，最宽处有1 0 公里之遥， 以周至、武功境内的三厂河滩与西安草滩最为知名。该段地势平坦、水 流缓弱，河心滩地众多。 渭南以下，由于受黄河影响雍水严重、泥沙沉积、河宽水浅。 渭河进入关中平原后，支流众多。北岸主要有漆水河、泾河、洛河； 南岸主要有清水河、马峪河、潘溪河、石头河、黑河、乾峪、涝河、新 西安理工大学硕士学位论文 河等。南岸河流皆源于秦岭，流短且急、水量充沛、水质良好。 渭河的最大支流是泾河。泾河发源于六盘山中部的老龙潭，流经宁、 甘、陕三省，至陕西高陵县泾渭堡前入渭。全长4 4 4 6 公里，流域面积 4 5 4 万平方公里，陕西省内河长2 7 5 3 公里，流域面积0 9 2 万平方公里。 2 3 研究流域的自然、社会环境概况 2 3 1 自然概况 研究流域土地利用区的气候类型为半湿润向半干旱过渡的大陆性季 风气候，从气候的光、热、水要素上来看，光照条件较陕南为好，但热 量、降水不如陕南河谷平坝地区丰富。气候条件的流域差别，表现为东 部日照强烈、热量丰富、降水较少：西部则日照较少，热量稍差、降水 较多。从南北差异来看，渭河以南日照、热量稍差，降水较多；渭北则 普遍日照强烈，降水少。因此，可以说，关中东部为半干旱气候型，关 中西部为半湿润气候性。秦岭北坡光、热、水要素则表现出明显的垂直 分布，由下向上，热量愈来愈差，降水则逐渐增加，故愈向上，气候的 湿润度愈高。 研究流域的地貌类型主要有秦岭北坡山地，渭河平原，渭河南岸台塬， 洪积平原和渭北台塬、断块山地等。从地貌类型的面积构成来看，该区 以平原为主，其次为山地和丘陵。地貌类型的空间结构呈典型的阶梯状 结构，即由渭河向南北两侧依次出现河漫滩、河流阶地、台塬、丘陵低 山和中山。 该区的生态系统类型以农田生态系统为主，其次为森林生态系统、草 地生态系统和城市生态系统。平原、台塬以农田生态系统为主，其间点 缀着规模不等的多个城市生态系统，丘陵、低山区为农田、草地与森林 生态系统的复合区，低中山区为草地与森林生态系统的交错区，而中高 2 研究流域的自然、社会环境 山区则以森林生态系统为主。 对于研究流域的土壤，平原、台塬区的主要是发育在原生褐土类型上 的农业土壤一娄土，而在北部山地的则以褐土、黑垆土为主，秦岭北坡 由下向上依次出现褐土、棕壤、暗棕壤及山地草甸土等类型。 上述自然要素的类型及其分布特征，决定了三地市的土地类型以渭河 为轴线，向南北依次抬升，形成台阶状空间分布形状。即由渭河向南北 两侧依次出现潮土河漫滩地、娄土底阶地、娄土高阶地、娄土黄土台塬 地、淋溶褐土洪积平原及褐土灌丛草地低山地、褐土落叶阔叶林低山地、 棕壤针阔叶混交林中山地、暗棕壤针叶林中高上地及山地草甸土亚高山 地等类型。 2 3 2 社会经济概况 研究流域土地利用区的总人口为1 8 6 4 ，2 5 万人，占全省总人口的 5 3 9 ，平均每平方公里5 9 8 4 人，相当于全省平均人口密度的3 6 2 倍