（环境工程专业论文）渭北坡地果园主要非点源污染物输移模型研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 渭北坡地果园主要非点源污染物输移模型研究 环境工程 刘静 赵晓光 摘要 “高投入、高产出的农业经营方式所导致氮、磷以及重金属等元素的流失是土壤 质量退化和造成水体污染的重要原因之一。选择水土流失严重的渭北黄土高原区，开展 坡地果园非点源污染物输移机理和预测模型的研究，对坡地果园施肥管理和有效预测污 染物流失均具有重要意义。 本文在国内外非点源污染研究的基础上，通过野外采集土样，采用土槽和人工降雨 相结合的微小区试验方法，选择总氮、总磷、重金属镉和铬为研究对象，从果园施肥强 度从发模拟污染物随径流和泥沙的输出过程，并提出了水蚀条件下污染物输移模型，旨 在为渭北坡地果园施肥管理和非点源污染的评价和预测提供科学依据。 在降雨历时为1 5 m i n ，降雨强度为1 2 m m m i n ，土槽坡度为8 0 ，装土容重为1 2 0 9 e m 3 ， 土壤含水率在1 0 的人工模拟降雨试验条件下，得出的主要研究结果如下： ( 1 ) 土槽产流时间发生在降雨开始后的5 m i n 左右，于降雨1 2 m i n 后径流模数m w 达 到最大值，峰值高于2 0 0 0m 3 k m 2 ；输沙模数m 。最大值出现在降雨7 5 m i n ，比径流模数 峰值提前，峰值约为6 5t t k m 2 。并且四种不同施肥处理下的降雨试验所得到的产流时间、 径流模数和输沙模数比较相近，这说明在人工降雨条件下，坡面产流输沙特征与土壤的 施肥强度没有太大关系。径流模数m w 和输沙模数m 。随降雨历时延长的输移模型可以 用拟合公式m w = f ( t ) 、m s = f ( t ) 表达，并且预测结果与测定结果基本吻合。 ( 2 ) 按照当地苹果低产园、中产园和高产园所施用的化肥强度水平设置c k 、a 、b 、 c 四种施肥处理，其中包括一个无肥处理c k 作为对照。四种施肥处理下径流中n w 变 化范围分别为0 7 4 1 0 2 m g l ，0 7 6 1 0 1 m g l ，0 8 7 1 2 6 m g l 和0 9 8 1 6 7 m g l ；p w 变化 范围分别为1 0 5 1 7 1 m g l ，1 6 3 2 3 m g l ，2 1 8 2 7 4 m g l 和2 4 2 3 3 9 m g l ；c d w 变化范 围分别1 2 7 1 8 8 u g l ，1 5 。9 1 9 3 u g l ，1 7 4 2 1 8 u g l 和2 1 0 2 8 3 u g l ；c r w 变化范围分别 为6 1 4 6 8 2 u g l ，6 5 8 6 8 6 u g l ，7 2 2 8 3 9 u g l 和8 3 0 9 4 6 u g l 。径流样中氮素浓度n w 和径流模数m w 随降雨历时的变化过程相似，在降雨1 2 m i n 时都会出现峰值的变化；其 他污染物的浓度p w 、c “c r w 随降雨历时呈波浪状变化。 ( 3 ) c k 、a 、b 、c 施肥处理下径流中n s 变化范围分别为8 5 4 7 1 1 4 1 6 m g k g ， 9 3 3 1 1 2 6 1 8 m g k g ，1 0 8 1 6 - 1 3 5 2 7 m g k g 和1 1 0 3 6 1 4 6 3 8 m g k g ；p 。变化范围分别为 7 6 4 7 8 0 3 3 m g k g ，7 8 5 1 8 3 2 9 m g k g ，8 2 6 3 8 9 3 9 m g k g 和8 0 0 6 11 4 2 8 m g k g ；c d s 变化 范围分别为7 7 4 9 8 7 u g k g ，7 9 2 9 8 5 u g k g ，8 6 4 - 1 1 4 3 u g k g 和9 3 3 1 2 0 7 u g k g ；c r s 变 化范围分别为1 6 3 7 5 5 6 4 4 9 m g k g ，2 2 1 0 4 8 0 7 9 m g k g ，3 6 9 9 6 1 0 0 3 4 1m g k g ， 2 2 5 9 6 1 2 4 5 9 m g k g 。泥沙样中氮素含量n 。和磷素含量p 。在产流初期呈上升趋势，于降 雨7 5 m i n 达到其峰值点后，又随降雨历时的延长有所下降；重金属镉含量c d s 和铬的含 量c r , 随降雨历时呈波浪状略微上升趋势。 ( 4 ) 在人工模拟降雨条件下非点源污染物的流失量均与施肥强度有密切关系。施肥 强度大，则污染物流失量也大，两者成正比关系。氮素在泥沙中的输出量是径流中的1 0 0 倍以上；磷素在泥沙中的输出量是径流中的3 0 倍以上；镉在泥沙中的输出量是径流中 的4 - 6 倍；泥沙中铬的流失占绝对优势。因此减少输出的泥沙量对减轻土壤中污染物的 流失具有重要意义。 ( 5 ) 通过进一步研究不同施肥处理下，径流模数、输沙模数和污染物输出情况之间 的关系，发现水蚀条件下f w ( t ) = m w c w 和( t ) = m s c 。的实测曲线与正弦函数曲线相似， 污染物流失量变化曲线也与正弦函数曲线相似。经函数拟合得出，c k 、a 、b 、c 处理 下径流样中污染物输移模型c 。, - - m w f w ( t ) 、泥沙样中污染物输移模型c s = m s ( t ) 和污染 物流失量输移模型拟合公式c z - - f ( t ) 。通过对水蚀条件下径流中和泥沙中实际测定的污染 物含量以及以及两者在水蚀条件下的污染物流失量进行对比验证，模型预测基本合理。 但是由于本文的模型还需进一步研究和完善，提高模拟预测精度。 关键词：坡地果园；污染物；模拟降雨；预测模型 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt r a n s p o r tm o d e l so fm a i nn o n p o i n ts o u r c e s p o l l u t a n ti nt h es l o p i n go r c h a r d so nw e i b e ip l a t e a u s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e：l i uj i n g i n s t r u c t o r ：z h a ox i a o g u a n g a b s t r a c t ( s i g n a t u 代) 么蹲 ( s i g n a t u r e o n ei m p o r t a n tr e a s o no ft h ed e g r a d a t i o no fs o i lq u a l i t ya n dt h ee x p a n s i o no fn o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n si sc a u s e db yt h ea g r i c u l a t u r a lm a n a g e m e n to f h i g h e ri n p u t , a n dh i g h e r y i e l d s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi n v e s t i g a t et h et r a n s p o r tm e c h a n i s ma n dm o d e lo f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t a n ta ti n t e n s i v e l y - e r o d e dw e i b e ip l a t e a uf o rr e a s o n a b l ef e r t i l i z ea n d e f f e c t i v e l yp r e d i c t i n gp o l l u t a n to nl o s ss l o p i n go r c h a r d s s e l e c t i n gt o t a ln i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u s ，t o t a lc a d m i u ma n dt o t a lc h r o m i u ma s m a t e r i a l so fs t u d y , t h ep a p e rh a sd i s c u s s e dt h eo u t p u tp r o c e e d i n go fp o l l u t a n tb yt h em e t h o d s o fs i m u l a t e dr a i n f a l li nb o t l lt h ei n d o o rs o i lb o x e sa n dt h ef i e l dp l o t s ，a n dd e v e l o p e d p r e d i c t i o nm o d e l si no r d e rt os e r v ev a l u a b l es c i e n t i f i cd a t af o rr e a s o n a b l ef e r t i l i z ea n d e v a l u a t i n gt h es t a t u so fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h el o e s sr e g i o n a r e s u l t ss h o w e d ： ( 1 ) t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t si ns i m u l a t i n gr a i n f a l ls h o w e dt h a tt h et i m er u n o f fw a s g e n e r a t e df r o mt h es o i lb o x e si sa b o u t5m i n u t e sa f t e rr a i n a f t e r12m i n u t e st h er a d i a lf l o w m o d u l u sm a x i m i z e ，t h ep e a kv a l u ei sh i g h e rt h a n2 0 0 0 m 3 k l t l 2 a n dt h ep e a ko ft r a n s p o r t s e d i m e n tm o d u l u sv a l u ei sa b o u t6 5 t k i n 2 b e s i d e s ，t h et r a n s p o r ts e d i m e n tc h a r a c t e ri s i n d e p e n d e n to fs o i lf e r t i l i z e rl e v e l t h et r a n s p o r tm o d e lo fr a d i a lf l o wm o d u l u sa n d t r a n s p o r ts e d i m e n tm o d u l u sc a nb ef i t t e db yf o r m u l a sm w - - f ( t ) a n dm s = f t ) c o n t r a s t i n gt h e t e s tr e s u l t sa n dm o d e lf o r e c a s t , w ec a nf i n dt h em o d e la r er a t i o n a l 。 ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ef e r t i l i z e rl e v e lo fl o wy i e l da p p l eo r c h a r d ，m i dy i e l da p p l eo r c h a r d a n dh i g hy i e l da p p l eo r c h a r d ，s e t t i n gf o u rf e r t i l i z e rl e v e l s ，w h i c hi n c l u d en of e r t i l i z e rl e v e l i nd i f f e r e n tf e r t i l i z e rl e v e lt h ev a l u e so fr a d i a lf l o wn c o n s i s t e n c yv a r ya m o n g0 7 4 1 0 2 m g l ， 0 7 6 - 1 01m g l o 8 7 - 1 2 6 m g la n d0 9 8 - 1 6 7 m g l t h ev a l u e so fr a d i a lf l o wp c o n s i s t e n c y v a r ya m o n g1 0 5 1 7 1 m g l ，1 6 3 2 3 m g l ，2 1 8 2 7 4 m g l 和2 4 2 - 3 3 9 m g l t h ev a l u e so f r a d i a lf l o wc dc o n s i s t e n c yv a r ya m o n g1 2 7 1 8 8 u e g l ，1 5 9 1 9 3 u e g l ，1 7 4 - 2 1 8 u # l 和 2 1 0 2 8 3 u g 几t h ev a l u e so fr a d i a lf l o wc rc o n s i s t e n c yv a r ya m o n g6 1 4 6 8 2 u g l ， 6 5 8 6 8 6 u g l ，7 2 2 - 8 3 9 u g l 和8 3 0 9 4 6 u g l mc h a n g i n gp r o c e s so fnc o n s i s t e n c yi n w a t e rs a m p l ew a ss i m i l a rt ot h ep r o c e s so fr u n o f fm o d u l u sd u r i n gt h er a i n f u l l ，w h i c hb o t h w i t ht h ec h a n g eo fp e a kv a l u e t h ec h a n g i n gp r o c e s s e so fo t h e rp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n w e r ew a v i l n e s s ( 3 ) i nt h i sf o u rd i f f e r e n tf e r t i l i z e rl e v e lt h ev a l u e so fnc o n s i s t e n c yi ns e d i m e n ts a m p l e v a r y a m o n g 8 5 4 7 1 1 4 1 6 m g k g ， 9 3 3 1 - 1 2 6 1 8 m g k g ，1 0 8 1 6 1 3 5 2 7 m g k g a n d 11 0 3 6 - 1 4 6 3 8 m g k g t h ev a l u e so fpc o n s i s t e n c yi ns e d i m e n ts a m p l ev a r y a m o n g 7 6 4 7 8 0 3 3 m g k g ，7 8 51 8 3 2 9 m g k g ，8 2 6 3 8 9 3 9 m g k ga n d 8 0 0 6 一l1 4 2 8 m g k g t h e v a l u e so fc dc o n s i s t e n c yi ns e d i m e n ts a m p l ev a r ya m o n g7 7 4 9 8 7 u g k g ，7 9 2 - 9 8 5 u g k g ， 8 6 4 - 11 4 3 u g k ga n d9 3 3 1 2 0 7 u g k g t 伧v a l u e so fc rc o n s i s t e n c yi ns e d i m e n ts a m p l e v a r ya m o n g1 6 3 7 5 5 6 4 4 9 m g k g ，2 2 1 0 4 - 8 0 7 9 m g k g ，3 6 9 9 6 1 0 0 3 4 1m e g k g a n d 2 2 5 9 6 - 1 2 4 5 9 m g k g t h ec h a n g i n gp r o c e s s e so fv a l u e si nn a n dpc o n s i s t e n c yi ns e d i m e n t s a m p l ei n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e ng r a d u a l l yd e c r e a s e d 1 1 1 ec h a n g i n gp r o c e s s e so fv a l u e si n c da n dc rc o n s i s t e n c yi ns e d i m e n ts a m p l es h o w e di n c r e a s i n gt e n di nw a v i l n e s s ( 4 ) t h e r ei sac l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m o u n to fp o l l u t a n tl o s sa n df e r t i l i z e t h e a m o u n to ff e r t i l i z ei sh i g h e f t h el o s sa m o u n to fp o l l u t a n ti sl a r g e r t h el o s so fni n s e d i m e n ts a m p l ei s10 0m u l t i p l e so fi ti nr a d i a lf l o w 硼砣l o s so fpi ns e d i m e n ts a m p l ei s3 0 m u l t i p l e so fi ti nr a d i a lf l o w 。 砀el o s so fc di ns e d i m e n ts a m p l ei s4 - 6m u l t i p l e so fi ti n r a d i a lf l o w 1 1 1 el o s so fc ri ns e d i m e n ts a m p l eh a v ea s c e n d e n c y s ot h el o s so fp o l l u t a n ti n s o i lo c c u p i e sap r e d o m i n e n tp r o p o r t i o ni n t h et o t a ll o s so fp o l l u t a n t ( 5 ) b yt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ec o n n e c t i o nc u r v eb e t w e e nr u n o f fm o d u l u s a n dp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni ss i m i l a rt os i n u s o i d a lr u n i o n t h r o u g hf i t t i n gf o r m u l a , t h e p o l l u t a n tt r a n s p o r tm o d e li nr a d i a lf l o wa n di ns e d i m e n ts a m p l e ( c w - m w f w ( t ) ，c s = m s f s ( t ) ) a n dt h ep o l l u t a n tl o s st r a n s p o r tm o d e l ( c z - 蜀r t ) ) a n db ef o u n d a f t e r p r o o f t h em o d e lf o r m u l a i sr a t i o n a la n d c a nb eu s e dt of o r e c a s tt h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o no f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t i nt h es l o p i n go r c h a r d sa r o u n dt h ew e i b e ip l a t e a u w h i l et h em o d e lf o r m u l a sn e e dt ob e m o d i f i e d k e yw o r d ：s l o p i n go r c h a r d p o l l u t a n t s i m u l a t i n gr a i n f a l l p r e d i c t i o nm o d e l t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 娄料技支学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匆l 衔日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：勿i 嚆年 指导教师签名： 年月日 1 绪论 1 1 研究背景和意义 1 绪论 自2 0 世纪6 0 年代以来，西方国家涉及点源污染的法规变得更为严格，对点源污染 的识别和治理能力不断提高，然而很多湖泊、河流的水质并未像预料的那样得到改善， 7 0 年代末期至8 0 年代初期人们开始关注非点源污染，并认定农业是非点源污染的主要 贡献者【l 2 1 。 非点源污染是指溶解性或固体污染物在降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引 起的水体污染，其主要来源包括土壤侵蚀、化肥与农药的过量使用、城市和公路径流、 畜禽养殖和农业与农村废弃物等1 3 j 。现今关注的农业非点源污染物主要集中在氮、磷、 重金属等。土壤侵蚀发生在陆地表面透水性的地表，其发生发展过程不但比城市和公路径 流更为复杂，而且土壤侵蚀引起的农业非点源污染也严重影响了地表生态系统。因此，近 2 0 年来，土壤侵蚀引起的农业非点源污染成为全球关注的焦点【4 】。据报道，2 0 世纪9 0 年代，全球3 0 一5 0 的陆地面积受到农业非点源污染的影响1 5 】，在美国土壤侵蚀所引起 的水质污染已造成2 2 亿一7 0 亿美元的经济损失 6 1 。 大量研究表明1 7 j ，9 1 ，坡耕地严重的水土流失所导致的农田表层土壤以及氮、磷、钾 等营养物质的流失是土壤质量退化和造成水体污染的重要原因。为了满足人们日益增长 的农产品需要，在“高投入、高产出”的传统农业经营方式影响下，农民大量使用农用化 学产品，如化肥、农药等。这些农用化学产品在坡耕地表面的大量释放和迁移，不仅造 成经济上的浪费，也会影响农产品的内在品质，更会对水体构成严重威胁，造成非点源 污染。这一问题对于干旱半干旱气候、水土流失严重、土壤质量恶化的黄土高原旱地农 业区而言尤为突出。 近年来，陕西省苹果产业快速崛起，苹果生产面积迅猛扩张，至2 0 0 5 年底，全省 苹果园面积6 1 8 1 5 万亩，产量5 5 5 2 1 万吨，为全省6 0 0 万人年均纯收入增加到了上千 元。现今陕西苹果约占全国产量的2 7 ，占世界产量的9 4 ，其中渭北黄土高原优质 苹果种植面积已占苹果总面积的7 7 ，产量占到8 6 5 。渭北地区地貌类型为水土流失 严重的黄土高原沟壑区，面积约2 7 万h m 2 ，果园主要集中在便于管理的条带状塬面， 以1 5 度以下的缓坡地为主，是典型的坡地果园。为获取产量的最大化，果园投入了大 量化肥，每年纯氮施用量超过3 0 0 k g h m 2 ，纯磷施用量超过2 7 0 k g l 瑚2 。在各类化肥中， 磷肥的重金属杂质含量最高( 砷、镉、铜、铅、锌和汞分别达到了2 7 3 、2 4 5 、3 2 5 、8 6 、 2 7 0 和0 4 2 m g k g ) ，造成的污染也最严重l l u j 。 其中，渭河贯穿陕西关中，属黄河一级支流，其水污染程度更居黄河众支流之首。 西安科技大学硕士学位论文 除沿途工矿企业、居民点点污染排放以外，由于渭河支流多从北部渭北高原汇水而来， 这里疏松的土壤以及起伏的地形，使其成为严重的水土流失区，同时该地区历来为陕西 的粮仓，农业生产发达活跃，这两个因素导致大量的农业污染物因水土流失被带入渭河， 与点污染共同导致了渭河及周围水域的严重污染。 因此，选择水土流失严重的渭北黄土高原区，开展坡地果园非点源污染物输移机理 和模拟模型的研究，有效预测与控制土壤溶质流失，对于生态环境保护和坡地果园土壤 养分的管理均具有重要意义。 1 2 国内外研究动态及发展趋势 坡地非点源污染物的输移是一个非常复杂的物理化学过程，受到众多因素的影响， 如降雨特征、土壤特征、植被特征、地质地形特征、化学物质特征以及水文环境特征等。 其中有三个直接决定因素是降水、土壤和化学物质。降水是地表径流和下渗水分的来源， 是形成水土流失过程中水的破坏力的物质基础【1 1 1 。而且水也是土壤溶质的溶剂和载体， 可以使溶质随侵蚀泥沙迁移。土壤是侵蚀作用的主要对象，也是化学物质的寄存和运动 的空间介质体。因此，土壤的特性，尤其是透水性、抗蚀性、抗冲性和内含化学物质的 特性对非点源污染物在降雨条件下的输移特性有很大的影响。化学物质是土壤溶质的重 要组成成分，其化学元素的种类、特点及含量的多少直接影响着降雨条件下非点源污染 的程度，是研究的主要对象。为了有效控制与预测坡地非点源污染物的输移过程及特征， 需要了解各种影响因素，探求土壤溶质输移过程与污染物输入强度之间的联系，揭示其 内在机制。 1 2 1 坡地非点源污染物输移途径 农业非点源污染物输移途径的研究包括两个方面，污染物在土壤中的转化过程和污 染物在外界条件下( 降雨、灌溉等) 从土壤向水体扩散的过程。土壤学家似乎更为重视 农业化学物质在土壤中的转化过程及作用机理，并取得了不少成果【1 2 , 1 3 】。而农业化学物 质经土壤进入受纳水体并对其造成污染则为环境学者所重视，他们的工作极大推动了农 业非点源污染的研究。 土壤中的化学物质存在形式多种多样，土壤特性不同，土壤中化学物质的存在形态 和数量也均不相同。有的以溶解态形式存在与土壤溶液中，有的以吸附态形式被吸附在 土壤颗粒上，有的未溶解以固态形式存在与土壤中。当土壤环境改变时，土壤中化学物 质的浓度也发生相应的变化。这些复杂的变化过程主要与土壤质地土壤化学组成及其 组分含量、化学成分的溶解度和电解度、离子与土壤颗粒作用关系、离子的吸附与解析 特性、土壤水分特性及环境温度有关。 在降雨条件下，土壤养分及化肥农药等非点源污染物的迁移有两个过程：一是在降 2 1 绪论 雨过程中，土壤中非点源污染物随下渗水的水分向深层迁移；二是当降雨强度大于土壤 入渗能力时发生土壤侵蚀，产生地表径流，土壤表层的养分及化肥农药等在雨滴击打及 径流冲刷作用下，向地表径流传递，并随地表径流和泥沙进行迁移。 水分在坡地上的迁移过程十分复杂，和土壤中化学物质输移特征密切相关的水分迁 移过程主要包括入渗、地表径流及壤中流等。由于水是土壤中化学物质的溶剂和载体， 坡地非点源污染物将伴随坡地水分的迁移和迁移。在降雨过程中，土壤溶质通常以两种 形式进入径流：一是存在于土壤溶液中的溶解形式，随着溶液之间的相互混掺进入地表 径流；另一是被吸附在土壤颗粒上的吸附态形式，通过解析以及随侵蚀泥沙进入地表径 流。 农业非点源污染物迁移到地表径流的主要方式有：对流和扩散作用使土壤中活性化 学物质迁移到土壤表层 1 4 , 1 5 1 ；水膜理论或混合区概念中【1 0 1 所阐述的化学物质从土壤表 层或近地表的土壤溶液迁移到地表径流【2 l j ；化学物质溶解到径流以及由回流引起的化学 物质的释放【2 2 】等。 1 2 2 坡地非点源污染物输移影响因素 降雨条件下，影响坡地非点源污染物输移的影响因素是多方面的，总的来说可归纳 为自然因素和人为因素。 ( 1 ) 自然因素 降水降水是气候因子中与土壤侵蚀关系最密切的一个因子，是地表径流和下渗 水分的来源，是形成水土流失过程中水的破坏力的物质基础。通常，暴雨造成严重水土 流失，产生的非点源污染程度也越大，因为非点源污染物主要靠地表径流运输和转移。 暴雨由于雨量大、雨滴大、动能也大，雨滴的击溅侵蚀作用也强，因此少数强大的暴雨 往往造成巨量的水土流失。王万忠等【2 3 1 的研究表明，黄土高原地区引起产流产沙的主要 降雨类型为短历时局部雷暴雨，由于雨强大，坡面很快形成超渗产流，进而造成坡地表 土及其土壤污染物的大量流失。佘雕等【2 4 j 以野外试验和室内分析相结合的方法，研究了 黄土高原南部黄增土侵蚀时养分变化的规律。结果表明，土壤养分的流失随雨强增大而 逐渐增强，雨强在1 0 m m m i n 上下时，流失浓度最大，后随雨强增大泥沙样中养分含量 略有降低。s n y d e r 等i z 5 j 利用染色体( p o n t a c y lb r i l l i a n tp i n k - b ) 作为示踪剂，在宽为1 0 e m ， 长为2 0 0 c m ，高为3 0 c m 的土槽上进行了沙土降雨试验，研究结果表明径流溶质浓度随 雨滴动能增加而增加。 地形地形是影响水土流失的重要因素之一。地面坡长、坡度、坡形、分水岭与 谷底及河面的相对高差以及沟壑密度等都对水土流失有很大的影响。其中，坡长和坡度 对坡地土壤侵蚀和土壤污染物流失影响的相关研究报道较多，而且比较深入和系统。 a h u j a 等拉6 j 通过室内模拟试验研究了坡长和坡度对土壤磷随径流迁移的影响，试验结果 3 西安科技大学硕士学位论文 表明坡长从3 3 c m 增大到1 0 0 c m 时，单位土壤面积的平均径流磷浓度也随之增加，当坡 度在4 - 6 0 内增大时，径流磷浓度按照比例增加。地形条件对养分流失的影响于对侵蚀 的影响一致。刘秉正等【2 7 j 的研究表明，当坡度小于1 2 0 时，养分流失量与坡度的关系为 线性，而当大于1 2 0 时则为幂函数关系，坡度增大养分流失量增加，但土壤肥力的衰减 速度减慢。孔刚等【2 8 】通过室内人工降雨模拟试验，研究不同坡度土壤侵蚀和养分流失的 过程与机制。结果表明，土壤中养分的流失量随坡度的增大而增大，但在2 0 0 附近时存 在转折点，2 5 0 时养分流失量反而减小。 土壤土壤是侵蚀作用的主要对象。其中，地表土壤容重是影响土壤溶质随径流 迁移的重要因素之一。此外，土壤透水性、抗蚀性、抗冲性对水土流失有很大影响。 王辉等【2 9 】通过室内模拟试验，研究了降雨条件下土壤容重对黄土区坡面土壤氮、磷 和钾随径流迁移过程的影响。结果表明，随着土壤容重增大，初始产流时间提早，径流 系数增大，土壤流失量增多，土壤磷和钾流失量也随之增大。径流养分浓度变化对土壤 容重响应程度的大小次序是：n o 弓- n p 0 3 4 p k + 。径流养分流失率过程曲线存在“峰值 点”，它是土壤容重、溶质理化特性以及土壤水文参数综合作用的结果。也有研究结果 表b , i j l 3 0 ，不透水坡地的初始产流时间比半透水和完全透水坡地提前5 7m i n ，且土壤侵 蚀总量大于其余两者土壤侵蚀量之和；在二次降雨条件下，不透水坡地的土壤侵蚀剧烈， 土壤侵蚀量大于其他2 种状况之和的5 倍；在首次降雨过程中3 种不同透水状况的径流 养分浓度变化表现一致，仅在降雨7 5m i n 后开始呈现差异；二次降雨过程中径流养分 浓度存在显著差异。赵晓光等p l j 通过室内降雨侵蚀试验( 坡面面积为0 3 m x l 0 m ，雨强 分别为1 3 9 、1 4 9 、1 8 8 和2 6 6 m m m i n ) ，研究表明，表层土壤抗剪强度与土壤含水率 及容重均密切相关。抗剪强度起初随含水率增加而缓缓增大，在含水率1 2 1 4 时达最 大，然后较迅速减弱。随容重增大，土壤抗剪强度呈直线趋势较快增大。在土壤干容重 不变( 1 2 9 c m 3 ) 情况下，试验土壤含水率达1 6 时，其抗蚀能力最强。对西北黄土地区一 些土壤的研究表明，土壤膨胀系数越大，崩解越快，抗冲性越弱；土壤抗冲性随土壤中 根量和土壤硬度的减小而减弱；土壤的利用情况不同，抗冲性也有显著差别，其中以林 地最强，草地次之，农地最弱。 植被植被覆盖是自然因素中对防止水土流失起到以下积极的作用：拦截雨滴， 有效削弱余地对土壤的破坏作用；调解地面径流，增加地面糙度，分散径流，减缓流速； 固结土体，减少土壤冲刷等。 ( 2 ) 人为因素 土地利用方式不恰当的土地利用方式和农田管理模式会导致土壤侵蚀和过量的 氮、磷随地表径流流失，从而形成对大面积水体的非点源污染【3 2 1 。孟庆华等【3 3 l 通过两年 的地位研究，不同土地利用方式的养分输出总量有较大变异，变化趋势为坡地农田 梯 田农田 梯田果园 坡地果园，径流当中养分输出占系统养分总输出的比例明显不同，对 4 1 绪论 n 、p 、k 的径流输出影响显著，还指出坡地果园是较理想的土地利用方式。黄云风等【划 通过在福建省九龙江流域内选取典型小流域来研究不同植被类型与土壤侵蚀和氮、磷流 失的关系。结果表明，不同植被覆盖的典型小流域降雨径流中悬浮泥沙、氮、磷的流失 依次为：坡地果园 水稻田 半人工果林 天然次生林；典型小流域降雨径流流失的悬浮 泥沙量、氮、磷流失量与植被覆盖度和降雨量成反比；而且氮的主要流失形态为溶解态， 磷的流失形态主要为泥沙结合态。 化肥和农药的施用大量长期施用化肥和农药容易引起土壤中氮、磷和重金属等 农业污染物的累积，是造成非点源污染物流失的根源。在美国，农田流失的养分分别占 湖泊和河流水体污染负荷的5 0 和6 0 1 3 5 j 。s h a r p l e y 等 3 6 】的研究表明，施肥农田流失的 d i p ( d i s s o l v e di n o r g a n i cp h o s p h o r u s ) ，通常与d r p ( d i s s o l v e dr e a c t i v ep h o s p h o r u s ) 等值， 是不施肥农田的4 5 倍或更高。n a s h 等田j 对澳大利亚w e s tg i p p s l a n dd 锄啪肥沃奶牛场 磷的流失进行监测，结果发现3 年以上的奶牛场的d r p 和t d p ( t o t a ld i s s o l v e dp h o s p h o r u s ) 流失量分别占总磷流失量的9 3 和9 6 。对滇池的监测报告表明，因农业化肥污染带入 滇池的总氮和总磷已分别占到总污染物入湖总量的5 2 7 和6 4 。农药也是水体非点源 污染的一大来源，喷施农药时约有4 0 6 0 降落到地面，5 3 0 漂游于空中，这些农 药又可通过降雨返回地面，污染土壤和水体。 农业耕作措施农田土壤污染物流失与农业耕作方式密切相关。土壤中留有过多 的作物残茬，将会导致氮素淋溶增加；延迟耕作时间可以有效推迟作物残茬的矿化，从 而降低氮素淋溶【3 8 1 。研究【39 4 0 】表明，与传统耕作方法相比，深松、梨耕种植和免耕等 水土保持耕作法可分别减少总磷流失量8 1 、7 0 和5 9 ，总磷流失量与产沙量呈正相 关。左长清等【4 l 】对红壤坡地果园不同耕作措施的研究表明，从水土保持效应来看，从优 至劣的顺序为横坡耕作 顺坡耕作 果园清耕 裸露对照区。通过横坡耕作和顺坡耕作结 果比较，在几乎不增加投入的情况下，可减少径流0 8 4 倍、泥沙1 3 7 倍。横坡耕作虽然 有明显的保持水土作用，但仍有1 5 5 0 4 5 t ( k m 2 a ) 的水土流失量，超过了南方容许流失量 5 0 0 t ( k m 2 a ) 的标准。欲要从根本上控制水土流失，还需与其他措施配合。李裕元等 4 2 1 通过施肥方法试验表明，表施或表层混施会显著增加径流中水溶状态养分的浓度，而深 施( 条施与穴施) 则随径流流失的养分相对较少。k l e i n m a n 等 4 3 , 4 4 指出施撒肥料到土壤 表面是一种常见的施肥方法，而施肥后的很快降雨是径流养分浓度峰值高低的重要因 素，并指出影响径流溶质浓度主要因素有施肥量、肥料种类和施肥位置。 1 2 3 坡地非点源污染物预测模型 为了有效的治理和控制非点源污染，最有效、最直接的方法就是研究污染物的流失 规律，利用数学手段建立非点源污染模型，分析非点源污染产生的时间和空间特征，识 别其主要来源和前移途径，预报污染产生的负荷及其对环境的影响，为流域规划和管理 5 西安科技大学硕士学位论文 提供决策依据。 ( 1 ) 非点源污染模型 概念 非点源污染模型是以水文循环为基础，通过研究水和泥沙在空气、土壤等介质中淋 溶、输移和转化的过程，从而进一步研究氮、磷、重金属等非点源污染物质和泥沙的迁 移转化流失现象，评价其对地表水和地下水质的影响，同时还要考虑到污染物质在不同 介质中的物理、化学和生物效应。 结构 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、土壤侵蚀 和泥沙输移模型、污染物的产生和迁移模型以及受纳水体水质模型四个子模型【4 5 4 7 】，见 图1 1 。 降雨径流子模型卜一- 土壤侵蚀和泥沙输移子模型 污染物的产生和迁移子模型 受纳水体水质子模型 图1 1 非点源污染模型基本结构图 降雨径流子模型该模型描述水文过程的合理性和准确性直接影响到非点源污染模 型的模拟结果，根据该模型的建模基础又可分为以下几类：以水文学推理公式为基础的 模型，包括从最简单的径流系数法到美国土壤保护局的s c s 法【4 8 】；以时段单位线或瞬 时单位线为基础的模型【4 9 j ；以水文数学模型为基础的物理过程模型5 0 , 5 1 】。 土壤侵蚀和泥沙输移子模型土壤侵蚀模型是预报水土流失、指导水土保持措施配 置、优化水土资源利用的有效工具，长期以来备受国内外学者的广泛关注。该模型分经验 模型( e m p i r i c a lm o d e l ) 、物理过程模型( p h y s i c a lp r o c e s sb a s e dm o d e l ) 和分布式土壤侵蚀 模型【5 2 1 。 污染物的产生和迁移子模型非点源模型对污染物迁移的模拟可分为2 类，一类是 不考虑污染物的平衡过程，认为污染物在土壤中的含量是恒定的，典型的有早期的 a g n p s 模型和c n p s 模型等。这类模型往往只将污染物根据物理形态划分为溶解性和 非溶解性2 种，根据土壤侵蚀量和暴雨径流量来计算2 种形态污染物的负荷。另一类是 考虑污染物平衡过程，即土壤中污染物的状态和含量是受到各种过程影响的。如 c r e a m s 、e p i c 、s w r r b 、s w a t 和h s p f 等模型。 受纳水体水质子模型该模型是水体中水质污染物随时间和空间迁移转化规律的定 量描述。水质模型的正确建立依赖于对污染物在水体中的迁移转化过程的正确认识以及 6 1 绪论 定量表达这些过程的能力。 分类 非点源污染模型按模拟区域可分为城市非点源污染模型和农业非点源污染模型。 城市非点源污染模型中用到的方法及其机理按其复杂程度有以下几种1 5 3 j ：常量浓度 法、电子表格法、统计方法、回归特征曲线方法和堆积冲洗。 农业非点源污染模型根据模型的复杂性和模拟技术可以分为两类【5 4 l ：简单负荷估算 模型和机制性模拟模型。其中，简单负荷估算模型往往是流域地形特征与污染物输出负 荷之间的简单经验关系，通常通过手工计算就可以得到结果。简单负荷估算模型主要用