（环境工程专业论文）基于swat模型的晋江西溪流域非点源污染模拟.pdf

摘要 摘要 非点源污染是指由于降雨产流过程中的冲刷、侵蚀或者灌溉等，使得大面积上 的污染物进入水体造成的污染，已经成为我国水环境恶化的重要诱因。晋江西溪流 域主要位于东南沿海的泉州市境内，是福建省内水土流失最严重的区域，随着近年 来工业污水等点源污染得到有效控制，非点源污染的影响日益显著，研究晋江西溪 流域的非点源污染具有重要意义。 运用g i s 软件建立了由d e m 、土地利用、土壤、降雨等数字化资料构成的s w a t 模型数据库，将流域划分为2 1 个亚流域与3 0 9 个水文响应单元，利用1 9 7 3 1 9 7 9 年氨氮与矿物磷各年的输出总量实测资料对氨氮与矿物磷的模拟结果进行率定，氨 氮年模拟效率系数( e n s ) 为0 6 9 ，相关系数( r 2 ) 为0 9 5 ，7 年平均相对误差( r e ) 为 1 8 6 ；同期矿物磷年模拟e n s 为0 7 9 ，r 2 为0 8 5 ，平均r e 为1 5 。 模型计算结果的分析表明，1 9 7 3 1 9 7 9 年，西溪流域各年非点源污染物的输出 量较为均衡，年内总氮、总磷负荷随季节呈不规则的“m 形态变化；流域非点源 污染负荷与土地利用方式有密切关系，水田与旱地两者相加产生了研究区非点源总 氮、总磷污染总量的6 6 、8 3 ：西溪流域非点源污染的空间分布不平衡，蓝溪流 域更严重；s w a t 模型能较好的模拟预测东南沿海植被恢复后流域产流、产沙、非 点源污染的年变化与月变化；植被恢复对产沙与非点源污染的影响远大于产流：西 溪流域由于土地利用变化所造成的非点源污染由2 0 世纪7 0 年代的年均1 5 3 0tn ( 6 3 k gn h a ) 与2 6 6tp ( 1 1k gp h a ) 上升到2 0 0 1 年的2 6 4 1tn ( 1 0 8k gn h a ) 与5 4 2tp ( 2 2 k gp h a ) ，非点源总氮、总磷污染分别增长了7 2 、1 0 4 ；对水系分维的初步研究 表明，通常水系分维值越大，非点源污染负荷越大。 关键词：s w a t 模型，非点源污染，空间分布，土地利用覆被变化( l u c c ) ，晋江西 溪 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 非点源污染( n o n p o i n ts o u r c eo fp o l l u t i o n ) ，是指由于降雨产流过程中的冲刷或 侵蚀或者灌溉等，使得大面积上的污染物进入水体造成的污染。目前非点源污染已 成为我国湖泊富营养化与水环境恶化的重要原因，控制非点源污染对水环境综合治 理及农业可持续发展有重要的理论和现实意义。 晋江西溪流域主要位于东南沿海经济社会比较发达的泉州市，西溪流域是福建 省内水土流失最严重的区域，随着近年来工业污水等点源污染得到有效控制，非点 源污染的影响日益显著，大量农业化肥、土壤氮磷营养物、有毒有害物质随降雨径 流进入河道，污染了西溪水质，严重影响西溪水体功能，与流域社会经济迅速发展 的现状极不协调，迫切需要进行西溪流域的非点源污染研究。但目前从流域非点源 污染角度研究晋江西溪流域尚未见报道，因此本文在前人应用s w a t 模型进行产流 产沙模拟的基础上，继续对晋江西溪流域1 9 7 3 1 9 7 9 年的非点源污染进行研究。 s w a t 模型是美国农业部( u s d a ) 农业研究所( a r s ) 开发的具有很强物理机制 的、长时段、适用于较大流域的分布式非点源污染模型。目前s w a t 模型已在国内 外许多地方成功的进行了非点源污染模拟，其有效性得到了广泛证明。但有关s w a t 模型的非点源污染研究，从研究区分布范围看主要位于半干旱、半湿润的内陆地区， 较缺乏降水量丰富的东南沿海湿润区流域的成果报道；研究内容多涉及流域植被覆 被现状下的非点源污染模拟，应用s w a t 模型对植被恢复的非点源污染响应研究较 少，尚未见到不同坡度下植被恢复的非点源污染响应研究。福建省内基于s w a t 模 型的非点源污染研究仍较为鲜见。 本文运用g i s 软件建立了由d e m 、土地利用、土壤、降雨等数字化资料构成的 s w a t 模型数据库；通过a r e v i e w 3 2 的空间分析功能将流域划分为2 1 个亚流域与 3 0 9 个水文响应单元；利用1 9 7 3 。1 9 7 9 年氨氮与矿物磷各年的输出总量实测资料对 氨氦与矿物磷的模拟结果进行率定；根据模拟结果，研究了1 9 7 3 1 9 7 9 年非点源污 染各年的污染负荷、研究期7 年平均的年内各月非点源污染变化、流域不同土地利 用的非点源污染、非点源污染在研究区2 1 个亚流域的空间分布、流域内各支流水系 的非点源污染；初步探讨了流域水系分维与非点源污染的关系；模拟了西溪流域不 同坡度下植被恢复的非点源污染响应；结合2 0 0 1 年的土地利用图研究了从2 0 世纪 7 0 年代到2 0 0 1 年由于土地利用变化造成的流域非点源污染变化。 i v 中文文摘 参数率定过程中，率定了磷的有效性指数( p s p ) 、磷的土壤分离系数( p h o s k d ) 、 氨氮的生物氧化速度常数( b c l ) 、亚硝氮的生物氧化速度常数( b c 2 ) 、土壤可利用水 ( s o la w c ) 、土壤蒸发补偿系数( e s c o ) 等参数。经率定，径流模拟的率定期 ( 1 9 7 2 1 9 7 5 年) 月模拟效率系数( e n s ) 为o 9 1 ，相关系数( r 2 ) 为0 9 2 ；径流模拟的验证 期( 1 9 7 6 1 9 7 9 年) 月模拟e n s 为0 8 5 ，r 2 为0 9 0 。产沙模拟中以1 9 7 2 年为预热期， 1 9 7 3 1 9 7 9 年的产沙月模拟e n s 为o 6 3 ，r 2 为0 6 5 ，7 年平均相对误差( i 也) 为1 4 1 。 非点源污染模拟中以1 9 7 2 年为预热期，1 9 7 3 1 9 7 9 年的氨氮年模拟e n s 为o 6 9 ，r 2 为o 9 5 ，7 年平均r e 为18 6 ；同期矿物磷年模拟e n s 为0 7 9 r 2 为o 8 5 ，7 年平均 r e 为1 5 。表明s w a t 模型能较好的用于东南沿海晋江西溪流域的非点源污染模 端如艺抗、产沙及非点源污染模拟精度均较高，可应用于晋江西溪流域非点源污染 模拟计算分析。经过计算分析，得出了以下主要结论； ( 1 ) 1 9 7 3 1 9 7 9 年，由于西溪流域各年降雨量差别不大等原因，各年非点源污染 物输出量较为均衡，年总氮输出量最大值约为最小值的1 6 8 倍，年总磷输出量最大 值约为最小值的1 6 7 倍；流域非点源污染负荷与降雨量有较强的相关性，流域月降 雨量与月非点源总氮、总磷负荷的相关系数( r 2 ) 分别为o 8 9 和0 9 1 ，年内各月非点 源污染负荷分布不平衡，汛期( 4 9 月) 6 个月的总氮、总磷负荷分别占全年的7 6 2 和7 5 8 ，年内总氮、总磷负荷随季节呈不规则的“m 形态变化。 ( 2 ) 1 9 7 3 1 9 7 9 年，西溪流域非点源污染负荷与土地利用方式有密切关系，园地、 旱地、水田的单位面积非点源污染负荷分列前三位，三者的单位面积非点源污染负 荷远大于其它土地利用方式，水田与旱地两者相加产生了研究区非点源总氮、总磷 污染总量的6 6 、8 3 。 ( 3 ) 1 9 7 3 1 9 7 9 年，西溪流域非点源污染的空间分布不平衡，其中安溪县的官桥、 龙门、长坑、上卿、城厢、蓬莱、虎邱和永春县的达埔等乡镇由于农田面积较多等 原因非点源污染较为严重；西溪的各支流中，蓝溪流域由于农田面积较大、崩岗造 成的重力侵蚀严重等原因非点源污染更严重。 ( 4 ) 西溪流域各水系区的水系分维值越大，农田面积比例越大，土壤侵蚀程度 越大，因而非点源污染负荷越大。 ( 5 ) s w a t 模型能较好的模拟预测东南沿海植被恢复后流域产流、产沙、非点源 污染的变化；植被恢复对产沙与非点源污染的影响远大于产流，植被恢复对非点源 污染的影响主要是通过产沙的变化实现的；研究区内年均产流量、产沙量、非点源 v 福建师范大学硕士学位论文 污染量均为林地 草地 1 0 5 且r 2 0 6 ，同时相对误差控制在5 0 以内。在参数率定过程中，如果调整很多参数中的一 个都可以得到相同结果，要选择最能描述过程的那个参数，否则这些参数不能反应 系统的真实过程 7 l 】。 4 2 2 径流参数率定 用于径流参数率定的径流实测值来源于1 9 7 2 1 9 7 9 年的西溪安溪站月径流量与 年径流量实测资料【7 2 】。通常将使用的资料系列分为两部分，其中一部分用于率定模 型，而另一部分则用于模型的验证，本次研究将1 9 7 2 1 9 7 5 年作为径流模拟的率定 期，1 9 7 6 - - 1 9 7 9 年为验证期。 径流模拟的参数借鉴前人【5 5 】的调参成果，最终选取了s c s 曲线的曲线系数 第四章西溪流域s w a t 模型构建与参数率定 c n 2 、土壤可利用水( s o l _ a w c ) 、基流消退系数( a l p h a _ b f ) 、地下水延迟天数 ( g w _ d e l a y ) 、土壤蒸发补偿系数( e s c o ) 、植被最大储水量( c a n m x ) 等6 个较为 敏感的参数予以调整。径流模拟率定后的1 9 7 2 - 1 9 7 9 年西溪年径流模拟值、月模拟 值与相应实测值的对比分别如图4 1 2 和图4 - 1 3 所示。 1 9 7 21 9 7 3 1 9 7 41 9 7 51 9 7 61 9 7 71 9 7 81 9 7 9 图4 1 21 9 7 2 1 9 7 9 年西溪年径流模拟值与实测值对比 f i g 4 12c o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t e da n dm e a s u r e dy e a r l yr u n o f f o fx i x iw a t e r s h e df r o m19 7 2t o 1 9 7 9 写 零 写 零写荨雩弓荨导辱荨导耳写弓写写零写写号 袋嫠譬蓉蓑誉蕞蕞 蓑 美 嫠蓉嫠凑蓑疾裘 裘 蓑 誊 誊安 景安 图4 - 1 31 9 7 2 1 9 7 9 年西溪月径流模拟值与实测值对比 f i g 4 - 1 3c o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t e da n dm e a s u r e dm o n t h l yr u n o f f o f x i x iw a t e r s h e df r o m1 9 7 2 t o1 9 7 9 经过率定，1 9 7 2 1 9 7 9 年西溪年径流模拟( 如图4 1 2 ) 1 拘效率系数( e n s ) 为0 9 0 ， 年模拟值与年实测值的相关系数( r 2 ) 为0 9 4 ，模拟期的8 年平均相对误差( r e ) 为 0 8 5 。率定期( 1 9 7 2 1 9 7 5 ) 的月径流模拟e n s 为0 9 2 ，r 2 为0 9 2 ：验i 正期( 1 9 7 6 - - - 1 9 7 9 ) 3 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 2 1 0 9 8 7 6 5 ij 卯 卯0 3 3 2 2 1 1 福建师范大学硕士学位论文 的月径流模拟e n s 为0 8 2 ，r 2 为0 8 6 ；整个模拟期( 1 9 7 2 1 9 7 9 ) 的月径流模拟( 如图 4 1 3 ) e n s 为0 8 9 ，r 2 为0 9 0 。由以上分析可知，模拟期的径流模拟效果较好。 4 2 3 产沙参数率定 s w a t 模型认为河道中的泥沙又两个来源：一部分是来源于水文响应单元或子 流域，另一部分来源于河道中的冲刷【2 3 2 4 1 。 ( 1 ) 子流域中的产沙 s w a t 模型采用改进后的美国通用土壤流失方程( m u s l e ) 模拟每个水文响应单 元的土壤侵蚀和泥沙负荷过程，m u s l e 方程通过利用地表径流和最大径流量计算土 壤侵蚀和产沙过程，利用径流量的变化同时进行泥沙侵蚀和输移变化过程的模拟。 因此在子流域内影响产沙量的因子包括了m u s l e 中的几个关键因子，如保持措施 因子( u s l e _ p ) 、土壤侵蚀因子( u s l e _ k ) 、作物经营管理因子( u s l e _ c ) 、水文响应 单元的坡度( s l o p e h r u ) 和坡长( s l s u b b s n h r u ) 等。 ( 2 ) 河道输沙过程 河道输沙过程包括河床的冲刷和泥沙的沉积，如果模拟时段有较强的暴雨或因 为河床不稳定则会引起河道中河床的冲刷。此部分模拟涉及的主要参数有河床侵蚀 因子( c he r o d r t o 、河床覆被因子( c hc o v r t o 、泥沙输移线性系数( s p c o n b s n ) 、 泥沙输移指数系数( s p e x p b s n ) 等。 产沙模拟率定时，u s l ek 参照土壤数据库中的主要类型取值，u s l ec 采用 s w a t 土地利用数据库中的默认值，u s l ep 在取值范围内运用试错法进行模型的 率定。虽然s w a t 产沙模拟中的泥沙来源涉及到子流域与河道两个过程，但通过率 定地表径流和基流与总径流的比率，就可以得到较为合理的泥沙模拟结果【2 4 1 ，而且 在大多数情况下，由于能获取的关于河道泥沙侵蚀和沉积过程的数据不足，影响了 河道泥沙输移结果的率定。因此本文在模拟过程中通过率定子流域产沙结果，使其 达到较佳的模拟精度，同时把河道泥沙过程作为影响模拟精度的一个因子考虑。 第四章西溪流域s w a t 模型构建与参数率定 1 4 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 o 写写雩写t 宁弓；辞号写t 呷t 5 霉弓写零写写霉写写零 晏娄蚕 姜 姜 姜 姜 娄娄姜姜姜姜萎姜囊晏姜蚕姜萎 n n n寸寸寸 ni n ”9卜卜卜算9 0璺口外9 9 s ：s ： 衾 衾 袁 容s =s ：衾s ：客衾s ：衾衾衾衾容容g ：衾 图4 1 41 9 7 3 1 9 7 9 年西溪月产沙模拟值与实测值比较图 在产沙模拟中，本研究借鉴张运生【删与王林【5 6 】的方法，将1 9 7 2 年作为模型模 拟预热期，不用于结果评价。经率定，1 9 7 3 1 9 7 9 年西溪月产沙模拟值与实测值符 合较好( 如图4 1 4 所示) ，e n s 为0 6 3 ，r 2 为0 。6 5 ；同期的年产沙模拟中，各年相对 误差( r e ) 的绝对值在0 4 3 2 1 之间，7 年平均r e 为一1 4 1 。 4 2 4 营养物参数率定 由于研究时段( 1 9 7 3 1 9 7 9 年1 距今已逾3 0 年，西溪的实测水质资料较少，仅有 氨氮与矿物磷的部分实测资料。因此本研究将1 9 7 3 1 9 7 9 年西溪安溪站共9 3 个氨氮 实测瞬时值、9 3 个矿物磷实测瞬时值 倒( 每月1 2 个) 分别乘以其当月径流总量 得出各月氨氮、矿物磷输出量，再将每年1 2 个月求和得出各年氨氮、矿物磷输出量， 作为氨氮与矿物磷的实测值用于率定模拟结果。 s w a t 模型对营养物的模拟分为两大部分，即地表径流中氮磷的迁移转化过程 和河道中的氮磷转化过程。在地表径流氮磷的迁移转化中s w a t 模拟了有机氮、硝 态氮、泥沙吸附态有机磷、可溶性磷和泥沙吸附态矿物磷5 种形态的氮磷；在河道 氮磷的转化过程中s w a t 模拟了有机氮、硝态氮、氨氮、亚硝氮、有机磷和矿物磷 6 种形态的氮磷。营养物的参数率定也分为两部分【1 5 3 9 】： ( 1 ) 地表产流过程的主要营养物参数率定 氮的下渗系数( n p e r c o ) ：地表径流中的氮含量与下渗水流中氮含量的浓度比。 该参数对氮负荷有重要影响，n p e r c o 越大，径流中的氮含量越高。n p e r c o 调整 为0 2 ： 3 7 福建师范大学硕士学位论文 磷的下渗系数( p p e r c o ) ：地表径流中的磷含量与下渗水流中磷含量的浓度比。 该参数对磷负荷有重要影响，p p e r c o 越大，径流中的磷含量越高。p p e r c o 调整 为1 0 ； 磷的土壤分离系数( p h o s k d ) ：表层1 0n u n 土壤中可溶性磷的浓度和地表径流 中可溶性磷的浓度之比。p h o s k d 是为了表示土壤颗粒对于可溶性磷的吸附作用而 引入的，p h o s k d 越大，表明土壤对可溶性磷的吸附能力越强，所以可溶性磷的污 染负荷量越低。p h o s k d 调整为2 0 0 ； 磷的有效性指数( p s p ) ：可溶性磷加入到土壤中后，由于和土壤之间的相互作用， 可溶性磷的浓度迅速降低，然后变化缓慢，p s p 指经过最初的降低后剩余可溶性磷 的比例。p s p 调整为0 7 。 ( 2 ) 影响河道中营养物转化的主要参数率定 b c 2 ：在2 0 c 时亚硝氮的生物氧化速度常数( d a y 1 ) ，b c 2 控制从亚硝氮到硝态 氮的氧化速度，b c 2 越大，则亚硝氮污染负荷越小而硝态氮污染负荷越大。b c 2 调 整为2 。 b c 4 ：在2 0 c 时有机磷的矿化速度常数( d a y - 1 ) ，b c 4 控制有机磷的矿化速度， b c 4 越大，则有机磷污染负荷越小而矿物磷污染负荷越大。b c 4 调整为o 0 1 - 经过营养物模拟的率定，确定出本次研究中s w a t 模型的主要参数如表4 8 所 示，流域出口模拟评价结果如表4 - 9 所示，氨氮与矿物磷的年模拟结果分别如表4 1 0 、 图4 1 5 和图4 1 6 所示。 表4 8 模型主要参数率定结果 t a b 4 8c a l i b r a t i o nr e s u l t so ft h em a i nm o d e lp a r a m e t e r s 3 8 表4 9 流域出口泥沙、氨氮和矿物磷模拟评价结果 t a b 4 _ 9e v a l u a t i o n so ns i m u l a t e ds e d i m e n t ，a m m o n i a n i t r o g e na n dm i n e r a lp h o s p h o r o u sa tt h ee x i t o fx i x iw a t e r s h e d 表4 1 01 9 7 3 1 9 7 9 年西溪流域出口氨氮、矿物磷实测与模拟对比表 时氨氮实测氨氮模拟 相对误差 矿物磷实测矿物磷模拟相对误差 间( t )( t ) ( )( t )(t)() 1 9 7 33 2 43 0 6 95 31 5 71 6 65 7 1 9 7 42 6 22 9 8 61 41 8 31 7 6 _ 4 1 9 7 52 4 8 6 3 1 1 4 2 5 32 1 91 7 81 8 7 1 9 7 62 0 2 82 2 8 31 2 61 21 0 8 49 7 1 9 7 72 0 21 5 4 8- 2 3 46 89 7 64 3 6 1 9 7 88 8 6 66 1 5 93 0 51 4 61 4 41 4 1 9 7 91 0 1 4 6 4 03 6 91 4 71 5 55 1 平均4 4 8 6 3 6 5 11 8 61 4 91 4 61 5 1 2 0 0 1 0 0 0 詈8 0 0 臻6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 n寸n口卜 吼 卜卜卜卜卜卜卜 饥乱乱m西昏饥 一- _ _ , m w 一_ _ _ 图4 1 5 氨氮模拟值与实测值比较图 f i g 4 15 s i m u l a t e da n do b s e r v e dv o l u m e s o fy e a r l ya m m o n i a m 缸o g c np o l l u t i o n 2 5 2 0 厶 u 嫠1 5 霉 i b 1 0 5 0 n甘 n口f 、0 ( 3甄 卜f - t - t -f -r - -卜 乱m吼吼帆乱m _ 一一- 叫一一 图4 1 6 矿物磷模拟值与实测值比较图 f i g 4 16 s i m u l a t e da n do b s e r v e dv o l u m e s o fy e a r l ym i n e r a lp h o s p h o r o u sp o l l u t i o n 表4 1 0 和图4 1 5 结果表明，1 9 7 3 1 9 7 9 年氨氮的模拟与实测【7 2 】符合较好，除 1 9 7 8 与1 9 7 9 两年的r e 为- 3 0 5 和- 3 6 9 外，其余年份的r e 均在2 5 以下，7 年平均r e 为一1 8 6 ，氨氮年模拟e n s 为0 6 9 ，r 2 为0 9 5 。表4 1 0 与图4 1 6 的结 3 9 福建师范大学硕士学位论文 果表明，矿物磷的年模拟e n s 为o 7 9 ，r 2 为0 8 5 ，r e 值除1 9 7 7 年为4 3 6 外， 其余年份的r e 均在1 9 以下，1 9 7 3 1 9 7 9 的7 年平均相对误差为一1 5 ，模拟精度 较高。数据表明蹦9 1 ，由于安溪化肥厂、制药厂、钢铁厂等投入生产所产生点源的 影响，1 9 7 8 与1 9 7 9 两年的氨氮实测值突增。由于s w a t 模型河道输出文件( r c h ) 中的有机氮、硝态氮、亚硝态氮、有机磷等其他s w a t 模拟结果无相应实测值，因 而未对其进行率定。 总体上看，模型模拟结果基本合理，可应用于晋江西溪流域非点源污染模拟计 算分析。 第五章模型计算结果分析 第五章模型计算结果分析 5 1 非点源污染负荷年际变化 由于本研究重点研究非点源污染，因此在加入工业点源污染率定好模型后，将 工业点源去掉，再次运行率定好的s w a t 模型进行计算，模型模拟时间为1 9 7 2 年1 月1 日1 9 7 9 年1 2 月3 1 日，其中1 9 7 2 年为预热期，1 9 7 2 年的模拟结果不纳入 以下分析。去掉工业点源后，模型1 9 7 3 1 9 7 9 年河道输出文件( r c h ) 中的氮磷模拟结 果及相应实测降雨量、径流量、输沙量如表5 1 与图5 1 所示。 表5 - 1西溪流域s w a t 模型的年模拟计算结果 时间耥蒸。黧，嘉恐鬟翥警蚤瑟黧篆罄警訾 对比表4 1 0 与表5 1 可知，去掉工业点源后，1 9 7 8 与1 9 7 9 两年的氨氮模拟值 由6 1 5 9t 与6 4 0t 降为2 8 0 3t 与2 8 0 5t ，此两年亚硝氮与硝态氮的模拟值也略有降 低，其余模拟项不变。由表5 1 可知，在1 9 7 2 1 9 7 9 年的7 年平均河道内各种氮素 形态中，硝态氮比例最大，为4 8 2 ，其次为有机氮，比例为3 3 3 ，氨氮与亚硝 氮的比例较小，分别为1 3 与5 5 ；河道磷素形态中，有机磷占绝大多数，达9 4 3 ， 其余5 7 为矿物磷。 4 1 福建师范大学硕士学位论文 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 1 9 7 31 9 7 41 9 7 51 9 7 61 9 。7 71 9 7 81 9 7 9 图5 - 11 9 7 3 1 9 7 9 年西溪流域各年实测降雨、实测输沙、模拟河道总氮、总磷对比图 f i g 5 1 t h ey e a r l ym e a s u r e dr a i n f a l l ，m e a s u r e ds e d i m e n t ，s i m u l a t e dt n ，s i m u l a t e dt pi nx i x i w a t e r s h e df r o m19 7 3t ol9 7 9 由表5 1 与图5 1 可知，模拟期内河道总氮与河道总磷的年输出量变化不大， 各年分布较为均匀，年总氮最大值( 1 9 7 5 年，2 5 3 8 1t ) 为年总氮最小值( 1 9 7 7 年， 1 5 0 6 4t ) 的1 6 8 倍，年总磷最大值( 1 9 7 5 年，3 2 3 4t ) 为年总磷最小值( 1 9 7 7 年，1 9 3 1 d 的1 6 7 倍。 由表5 1 与图5 1 还可以看出，各年的河道输沙、河道总氮、河道总磷均与降 雨量关系密切，如1 9 7 5 年的降雨量比1 9 7 8 年的大，其另外三项也比1 9 7 8 年的大； 1 9 7 7 年的降雨量比1 9 7 6 年的小，其另外三项也比1 9 7 6 年的小。究其原因，降雨是 土壤侵蚀和非点源污染物流失的主要驱动力【3 0 1 ，径流和泥沙是非点源污染物流失的 载体，当下垫面条件不变时，土壤侵蚀与非点源污染受降雨量影响较大，如在西溪 流域年降雨量与相应河道输沙量、河道总氮、河道总磷三者的相关系数( r 2 ) 分别为 o 5 2 、0 6 1 和0 4 5 。 5 2 非点源污染负荷年内变化 表5 2 是s w a t 模型月模拟河道输出文件( r c h ) q 日1 9 7 3 1 9 7 9 年的月均计算结果 及实测月均降雨量，图5 2 表示了各月非点源总氮污染随逐月降雨量的变化过程， 图5 3 表示了各月非点源总磷污染随逐月降雨量的变化过程。 4 2 第五章模型计算结果分析 表5 21 9 7 3 1 9 7 9 年的7 年月均计算结果及月均实测降雨量 t a b 5 - 2 a v e r a g em o n t h l y m e a s u r e dr a i n f a l la n ds i m u l a t e dr e s u l t sf i o m19 7 3 t o19 7 9 月份镒雨赫訾总篱例訾总篱例 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月 1 月2 月3 月4 胃5 月6 月7 月8 月9 月t o f l n f l t 2 a 图5 2 研究区总氮与降雨量关系图 f i g 5 2 t h e r e l a t i o n s h i pf i g u r eb e t w e e n in 图5 3 研究区总磷与降雨量关系图 f i g 5 3 t h er e l a t i o n s h i pf i g u r eb e t w e e nt p a n dr a i n f a l lo f s t u d ya r e a a n dr a i n f a l lo fs t u d ya r e a 由于非点源污染经常是伴随着降雨径流过程特别是暴雨过程而产生的，所以非 点源污染负荷主要集中在汛期产生【7 3 】。从表5 2 、图5 2 和图5 。3 中可以看出，西溪 流域降雨量较大的汛期( 和9 月) 非点源总氮、总磷污染负荷均较大，其中8 月份的总 氮、总磷比例分别为1 6 3 4 、1 7 3 3 ，而降雨量较小的月份其非点源污染负荷也 较小，如1 2 月份的总氮和总磷比例仅为1 3 6 和o 9 5 ；汛期( 4 9 月) 6 个月的降 雨量占全年的7 4 ，而同时汛期( 4 9 月) 6 个月的总氮、总磷负荷分别占全年的7 6 2 和7 5 8 ；以上数据说明，降雨量与非点源污染负荷有较强的相关性，西溪流域月 4 3 o o o o o 弱 加 坫 如 驰 o o o o o o o 5 4 3 2 i o o o 0 o o 5 o 5 o o 2 2 i l 5 o o o o o 0 驰 如 拍 垭 福建师范大学硕士学位论文 降雨量与月非点源总氮、总磷负荷的相关系数( r 2 ) 分别为0 8 9 和0 9 1 。受降雨量影 响，总氮、总磷负荷均在7 月出现“波谷”，而两侧的6 月与8 月均出现“波峰， 年内总氮、总磷负荷随季节呈不规则的“m 形态变化。由于在s w a t 模型7 年模拟 结果的各月均值中，从5 月到6 月的径流和产沙模拟值均表现为增大，因而出现从 5 月到6 月降雨量下降而污染负荷增加的情况。 5 3 非点源污染的空间分布 流域非点源污染受降雨、产沙、土地利用等因素影响，由于上述因素等影响， 非点源污染有很强的空间差异性。s w a t 模型运用泰森多边形法实现各雨量站数据 的空间离散，表5 3 与图5 4 是s w a t 模型使用的研究区各子流域1 9 7 3 1 9 7 9 年的7 年平均降雨量，模型产沙、非点源总氮、非点源总磷计算结果的7 年平均值如表5 3 中与图5 5 、图5 6 、图5 7 所示。 表5 3 各子流域1 9 7 3 1 9 7 9 年模型计算结果的7 年平均值 里坐：主：三尘墼篷逆型z ! i 翌坚! 垒鲤堡! 旦! 堡2 呈箜坠! 业垒箜垫墅尘12 z 兰鲤12 2 2 亚流域 降雨量( 删n ) 产 2 a ) 总氮( t ) 总氮( k g h a ) 总磷( t ) 总磷( k g h a ) 1 9 2 1 7 1 9 2 1 7 1 8 0 6 3 1 7 5 8 5 1 7 6 2 7 1 7 3 8 3 1 7 1 8 7 1 7 1 0 5 1 7 1 8 7 1 6 0 5 1 7 3 6 2 1 7 5 4 7 1 9 2 8 1 8 3 3 8 1 8 6 0 6 1 7 5 4 7 1 7 5 4 7 1 5 8 6 4 1 6 4 5 9 3 3 6 4 2 8 5 5 6 8 5 5 9 8 6 0 5 1 1 8 4 6 0 0 2 3 7 3 2 2 0 4 2 8 7 5 8 2 3 8 5 6 8 7 3 1 4 5 0 3 9 l l o o 2 2 9 0 4 3 3 1 3 3 6 0 2 1 0 6 0 2 3 4 6 5 3 7 8 5 7 1 9 5 3 9 7 4 1 4 1 4 5 1 0 3 1 7 0 2 5 6 8 1 3 2 7 1 0 0 1 6 7 4 2 8 4 l o o 1 4 3 7 2 4 4 5 3 8 1 0 1 4 4 4 6 - 3 6 7 5 2 1 5 8 5 5 6 4 2 4 4 4 1 8 0 3 6 9 4 5 4 6 o l 8 3 7 6 6 9 4 5 3 8 4 9 4 7 3 3 8 7 7 3 3 7 0 2 5 6 3 9 3 3 1 4 2 9 0 4 5 6 ，4 8 7 4 5 2 0 5 2 1 6 6 1 2 6 9 8 7 l 2 2 9 0 1 7 0 2 1 0 4 1 4 0 9 1 6 2 5 9 7 2 8 l 1 1 3 2 1 8 6 l o 7 l 1 1 1 2 5 o 0 4 o 9 l 0 7 6 o 6 2 1 6 9 i 2 5 0 7 1 0 4 1 4 2 1 0 3 o 6 5 1 3 7 o 6 5 0 4 5 1 5 4 1 2 9 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 屹埒h ：2 m 墟侉 第五章模型计算结泉分析 2 0 2 l 全流域 图5 - 61 9 7 3 - 1 9 7 9 年研究区各子流域 7 年平均非点源总氪产出量分布图 f i s 5 u 5 b 巧- w a t e a n n r s h e 毖舞“1 9 呻7 3 t o “高9 0 fd s 1 9 7 图5 71 9 7 3 - - 1 9 7 9 年研究区各子流域 7 年平均非点源总磷产出量分布图 f i g 5 - 7 a a n u a l t o t a lo h o s p h o r o a s l o s s o f s u b - w a t c r s h c d sf r o m1 9 7 3t o1 9 7 9 m 蚴| 量 福建师范大学硕士学位论文 由表5 3 与图5 4 可知，研究区各子流域1 9 7 3 1 9 7 9 年的年均降雨量分布较为 均衡，都在1 5 8 6 - , 1 9 2 8i i 蚰之间。2 2 个子流域降雨量的变差系数( c v ) 仅为0 0 5 6 ， 各子流域降雨量差别较小。由表5 3 与图5 - 5 可知，研究区各子流域的产沙模数差 别较大，从4 号子流域的9 8t k m 2 a 到2 0 号子流域的1 6 5 7t f k m 2 a ，1 8 号子流域的 产沙模数更高达3 3 6 0t k m 2 a ，最大值与最小值相差达3 4 2 倍。究其原因，1 8 号与 2 0 号子流域的森林覆盖率较低而农田面积比例较高，水土流失严重，同时1 8 号与 2 0 号子流域所在的安溪县官桥、龙门等乡镇也是崩岗群发育区，重力侵蚀严重，这 一切进一步加剧了水土流失。 由表5 3 可知，1 9 7 3 1 9 7 9 年西溪流域年均坡面流失总氮约1 5 3 0t ，或6 3k g h a ； 1 9 7 3 1 9 7 9 年流域年均坡面流失总磷约2 7 0t ，或1 1k g h a 。研究区2 1 个亚流域坡 面总氮和总磷流失量的分布如图5 - 6 和图5 7 所示，表明流失量的空间分布有较大 差别。氮、磷流失量均较大的有8 号、1 2 号、1 5 号、1 8 号和2 0 号亚流域，主要位 于安溪县的官桥、龙门、长坑、上卿、城厢、蓬莱、虎邱和永春县的达埔等乡镇， 这与林和振【2 】研究所得出的官桥、龙门镇是西溪流域水土流失强度最大的乡镇的结 论是一致的。究其原因，这五个亚流域的耕地面积比例均较高，同时森林覆盖率均 较低。高耕地面积比例导致单位面积上施用的氮肥、磷肥较多，大量肥料被降雨径 流冲刷随水土流失造成非点源污染；根据l e v a n o nd t 7 4 1 、陈立项t 7 5 】等人的研究，由 于翻耕，农田土壤中矿化作用强烈，硝酸盐的淋失明显大于林地等免耕土壤，从而 增大了总氮流失量。低森林覆盖率使得其他条件相同时更容易发生水土流失，流失的 氮磷更多。 亚流域的氮磷损失还表明，1 号、4 号、6 号、1 0 号、1 7 号等亚流域的氮磷流 失量均较小，究其原因，这几个亚流域均处于西溪上游甚至源头区域，径流量较小， 河网较稀疏，水流对土壤的侵蚀作用较弱，使得水土流失量较小，氮磷流失量也较 小；此外，这几个亚流域的耕地面积比例均较低而森林覆盖率均较高，农田面积越 小、林地覆盖面积越大则氮磷迁移量越小唧】。 5 4 各水系非点源污染负荷贡献 按照s w a t 模型对研究区水系及子流域的提取划分结果，将研究区水系划分为 五个部分( 如图5 8 ) ，分别为坑仔口溪区、一都溪和双溪区、龙潭溪区、蓝溪区、金 谷溪和干流区。各水系区1 9 7 3 1 9 7 9 年的年均侵蚀模数、非点源总氮、非点源总磷 第五章模型计算结果分析 流失量如表5 - 4 所示，各区贡献率如图5 - 9 所示。 图5 8 研究区5 个水系区划分及主要 水系 f i g 5 8 f i v em a j o rs u b w a t e r s h e d s o fs t u d ya r e a 坑仔区一都区龙潭区蓝溪区金谷区 图5 - 91 9 7 3 1 9 7 9 年各水系区年均入河泥沙、总 氮、总磷贡献率 f i g 5 - 9 c o n t r i b u t i o nr a t e so ft h e5m a j o r s u b - w a t e r s h e d si na n n u a ll o s s e so fs e d i m e n t s ，t o t a l n i t r 0 2 e na n dt o t a lv h o s v h o r o u sf r o m19 7 3t o19 7 9 表5 _ 41 9 7 3 1 9 7 9 年各水系区年均计算结果及部分参数 t a b 5 - 4a n n u a ll o s s e so fs l o p es e d i m e n t s t o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r o u sf r o m19 7 3t o19 7 9 表5 4 与图5 9 表明，各水系区年均入河泥沙、非点源总氮、非点源总磷流失 量差别较大，如蓝溪区的侵蚀模数为1 7 2 7t k m 2 a ，而坑仔口溪区仅为3 0 0 3t k m 2 a ； 蓝溪区产生了全流域2 9 7 的非点源总磷污染，而坑仔口溪区仅占8 9 。究其原 因，坑仔口溪区由于面积较小，且处于流域上游，水量较小( 如图5 8 与表5 4 ) ， 故此区的入河泥沙、总氮、总磷贡献率均较低；虽然蓝溪区的面积比一都溪和双溪 区小，但蓝溪区的耕地面积比例是5 个水系区中最大的，同时森林覆盖率较低，故 此区的总氮、总磷贡献率均大于一都溪和双溪区，泥沙贡献率更是一都溪和双溪区 4 7 0 0 0 0 0 0 0 6 5 4 3 2 1 福建师范大学硕士学位论文 的4 倍多。说明在研究时段内，蓝溪是西溪流域水土流失、非点源污染相对更严重 的区域。 5 5 非点源污染与水系分维关系研究 5 5 1 水系分维的意义 自从1 9 7 7 年分维理论的创始人m a n d e l b r o t 7 6 】首先把分维研究引入流域地貌研 究以来【7 7 1 ，国内外学者【7 8 8 3 】对地貌特征量间的统计分维进行了研究，发现水系分维 与地貌发育、地貌类型、土地利用等因素密切相关。水系分维反映的是水系所处流 域地貌侵蚀发育的程度，水系分维的差异反映的是流域地貌发育程度的差异，当水 系的分维值小于1 6 时，流域地貌处于侵蚀发育的幼年期，分维值越接近1 6 ，流域 地貌越趋于幼年晚期7 9 1 。河网密度及切割强度越高，水系分维值越高，且地貌类型 为低地和平原的，其水系分维值较高【8 0 1 ；水系分维可以反映河流的平均河网密度【8 3 】， 反映地面被径流切割的程度，从而间接反映出区域土壤侵蚀的程度【8 2 1 。但目前国内 的水系分维研究大多运用g i s 技术分析数字高程模型( d e m ) ，计算分维值，而对 水系分维值的生态环境意义研究较少。研究【1 5 删还表明，非点源污染与径流量、土 地利用也关系密切，径流量及切割强度越大，非点源污染负荷越高，且主要地处于 低地平原的农田面积越大，非点源污染负荷越高。从上述结论看，水系分维值、非 点源污染负荷均与土地利用等有密切关系，水系分维与非点源污染应该存在某种相 关性。由于非点源污染的难以监测等特点，目前流域非点源污染的定量化研究大都 通过s w a t 、a g n p s 等模型模拟研究。因此，本研究以东南沿海晋江西溪流域为例， 基于该流域s w a t 模型的非点源污染模拟和水系的分维值计算，来探讨流域非点源 污染与水系分维的关系。 5 5 2 分维值的计算方法 目前，水系分维常用的计算方法是传统的计盒方法。设粗视化网格的边长为， 包含河流片段的网格数为似) ，当不断变化时，即对应一组el ，82 ，3 ， k ，得到一组似1 ) ，从2 ) ，从3 ) 以点( i ne ，i n 似) ) 为坐标作双对数图， 用最小二乘法可以拟合一条直线： 1 9 从) _ a d l g ( 5 1 ) 第五章模型计算结果分析 直线的斜率d 即为水系分维数。可以利用不同的比例尺进行测量，计算河长、河网 密度的分维数，河网的形态特征一般用河网密度来表示【8 1 1 。比例尺比值不同时对应 不同的，分别对河长和河网中的干支流总长度进行测量，得到不同测量次数似) ， 代入式( 5 - 1 ) ，进行直线拟合所得斜率d 分别为河长分维数d l 和河网分维数d n 【8 4 1 。 本次研究选用1 ：i 0 0 0 0 栅格形式( 3 0 m x 3 0 m ) 的d e m ，运用美国e s r i 公司地 理信息系统软件h r c v i e wg i s3 2 的水文分析功能【8 5 1 ，结合水系分维的计盒方法， 对西溪流域进行水系的河网分维研究。 水系分维的研究可分为宏观与微观两方面，从整个流域的角度来探讨的分维可 称为水系的宏观分维，目前大多数对水系分维的研究都是宏观上的【8 3 1 ，当要进行流 域间的比较研究时，宏观分维是具有参考价值的。就河网的分维来说，对于同一流 域的不同亚流域，它们的土地利用、地貌类型、侵蚀发育程度等都不完全相同，其 水系的河网分维( 微观分维) 也是不同的。就本文所要探讨的非点源污染问题来说， 对于不同的亚流域，其非点源污染负荷是不同的，那么其水系宏观分维的意义就不 大了。 因此，研究流域内部水系分维与非点源污染的关系时，要从微观上考虑，把流 域根据某一标准划分为若干个亚流域，分别计算出每个亚流域的水系分维，然