（水文学及水资源专业论文）基于swat模型的非点源污染模拟研究——以增江流域为例.pdf

摘要 基于s w a t 模型的鼍# 点源污染模拟研究 以增江流域为例 专、阻承文学及承资源 硕士生：侄秀文 指导导师：李开明 摘要 随着对点源污染控铡麓力豹提高，非点瀛污凝的严熏性已经逐步显现出寒。 在全球范围内，非点源污染已是导致水环境恶化的首要原因。本文在全面阐述国 虑夕 非点源污染模型发展豹基础上，应用竣新版本豹分散参数连续性j 点瀛接型 s w n i 、，划中等尺度流域一增江流域的非点源污染进行了模拟。 首先，没集和憋逢增泛流域内地形、主恐利用霸主壤类型、气象、水文等空 间和属性数据，建立适用于s w a t 模拟分析的研究区非点源污染基础数据库。应 用s w a t 的流域描述模块运行流域特征分析，生成流域水系湾勰、将增江漉域划 分成5 9 个子流域，并计算子流域和河道的地形参数：通过叠加土地利用、土壤 类型和地形坡度离散化分类数据进_ 步定义为3 3 4 个水文响应单元f h r u s ) 。 利用1 9 9 0 1 9 9 7 年麒麟咀水文站灾测得到的月平均流量列水文模拟进行参数 率定+ 用1 9 9 8 2 0 0 0 的月平均流量对模黧模拟结梁进行验汪。采用决定系数r 2 和n a s h s u t c l i f f e 效率系数e n s 对水文参数率定和验证的结果进行评定，莳利e n s 均大于0 8 ，表明对增江流域的水文模拟有很好的适应性。与污染物相关的参数 利用2 0 0 0 年的6 次监测结果对模型进行参数调整，验证结果表明模拟出的水质 结果和实际比较符合，可应用于增江流域的非点源污染研究。 本文模拟了增江流域研究区2 0 0 0 年的非点源污染状况，分析了流域非点源 污染负荷的空间和时问分布特征，时间上非点源污染集中发生在汛期空间上非 j i 源污染分布不均，受多种剀素的影嘲。计算了流域内主要的地利用类型的单 位j 丽积非点源污染负荷产出情况，其中水田对于非点源污染负荷产出的贡献大。 通过设计4 ；同的情景分析，模拟出了不同施肥量和畜禽养殖规模对非点源污染物 的产出影响，与2 0 0 0 年模拟的基准情景进行的对比，得出减少化肥施用水平对 溶觚态氮磷负荷削减比例较大，丽奁禽养艇规模的变化对吸附态氮及氨氮负荷的 影响较大。最后根据流域自身特点和模拟的结果及国内外的经验提出增江流域非 点源污染的控制和治理攒施。 关键词：s w a t ，非点源污染，增江流域 s 协t b a s e ds i m u l a t i o no nn o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o ni nt h ez e n 蜘i a n gw a t e r s h e d m a j o r ：w a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o l o g y n a m e ：r e nx i u w e n s u p e r v i s o r ：l ik a i m i n g a b s t r a c t w i t ht h ec a p a b i l i t yt oc o n t r o lp o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni m p r o v e d t h ep o n d e r a n c eo f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a v eb e i n ge m e r g e d a l lo v e rt h ew o r l d ，n o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o ni st h ep r i n c i p a lr e a s o no ft h ew o r s e n i n gw a t e re n v i r o a n e n t b a s e do l lt h e l a t e s tv e r s i o no fs o i la n dw a t e ra s s e s s m e n t1 1 0 0 lf s w a t ) ad i s t r i b u t e d - p a r a m e t e ra n d c o n t i n u o u sm o d e lf o rn o n - p o i n ts o u r c e s ( n p s ) ，t h i st h e s i si sf o c u s e do ns t u d y i n gt h e n o n p o i n ts o u r c eo f z e n g j i a n gw a t e r s h e d f i r s t l y , d e m ，l a n du s e ，s o i l ，l a n dm a n a g e m e n ta n dw e a t h e rd a t aw e r ec o l l e c t e d f o rm o d e la p p l y i n gt ob u i l dt h en p sd a t a b a s eo fz e n g j i a n gw a t e r s h e d t h e nu s i n g s w a tw a t e r s h e dd e l i n e a t o rt oa n a l y z ew a t e r s h e dc h a r a c t e r , s t r e a mn e t w o r kw a s d e f i n e da n dt h ew a t e r s h e dw a sd i s c r e t i z e di n t o5 9s u b - b a s i n s l b p o g r a p h i cp a r a m e t e r s o ft 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 mt h ed e m 3 3 4 h y d r o l o g i cr e s p o n s et r a i t s ( h r u s ) 一t h es m a l l e s tc o m p u t i n gu n i t so fs w a tm o d e l w e r ed e f i n e db yo v e r l a y i n gt h el a n du s e ，s o i lm a pa n ds l o p ec l a s s e sm a p m o n t h l yf l o w - d a t as e r i e s o f1 9 9 0 1 9 9 7w e r eu s e dt oc a l i b r a t ec o r r e l a t i v e p a r a m e t e r so fh y d r o g r a p h i cs i m u l a t i o n a n dt h em e a s u r e dm o n t h l yd a t as e r i e so f 19 9 8 2 0 0 0w e r eu s e dt ov a l i d a t et h em o d e l a c c o r d i n gt h ec o e f f i c i e n t sf o rj u d g i n gt h e a d a p t a b i l i t yo ft h em o d e l ，s u c ha sc o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o n ( 影xn a s h - s u t c l i f f e c o e f f i c i e n t ( e n s ) a n dr e l a t i v ee r r o r , h y d r o l o g ym o d e l i n gh a sag o o dr e l a t i v i y , r 2a n d e n sa r ea l lo v e ro 8 i na d d i t i o n s i xr e s u l t so fw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gw e r eu s e dt o a d j u s tt h e c o r r e l a t i v ep a r a m e t e r so fn u t r i e n tm a t t e r s t h er e s u l t so fm o d e l i n g r e l a t i v e l ya c c o r dw i t ht h em o n i t o r i n gd a t a i nr e s u l t i ti ss u i t a b l ef o ru s i n gs w a t t o m o d e lt h enon p o i n ts o u r c ei nz e n g j i a n g u s i n gt h ev a l i d a t e dm o d e l ，t h e1 1 0 1 1 一p o i n ts o n r c ep o l l u t i o nr e s u l to f2 0 0 0w a s s i r e u l a t e d a n dt h et i m ea n ds p a c ed i s t r i b u t i o n so ft h es e d i m e n ta n dn u t r i e n t sw e r e a n a l y z e d t h e r ei sac o n c e n t r a t i o no fn o n p o i n ts o u r c ep o l i n t i o nj i 1 f l o o ds e a s o n i n s p a c e ，n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sd i s t r i b u t e dd i f f e r e n t l ya n di sa f f e c t e db ym a n y r e a s o n s ，t h ei n f l u e n c eo ns e d i m e n ta n dn u t r i e n t so fv a r y i n gl a n d u s ew e r ea n a l y z e d p a d d yf i e l dh a sag r e a tc o n t r i b u t i o nt on o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n d i f f e r e n ts c e n a r i o s w e r ed e s i g n e dt os i m u l a t et h ei n f l u e n c e0 ns e d i m e n ta n dn u t r i e n t so fv a r y i n gl a n du s e a n df e r t i l i z a t i o n b yc o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t ht h er e s u l t so fn o nm a n a g e m e n t m e a s u r eu s e ds c e n a r i o i n f l u e n c ee f f e c to fd i f f e r e n tm e a s u r ew a sd e d u c e df r o mt h e s i m u l a t i o n r e d u c i n gf e r t i l i z a t i o nc a np a r ed o w ns o l u b en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa n d d e c r e a c i n gd o m e s t i cf o w l sc a nr e d u c ea d s o r b e n tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i nt h ee n d ， m e a s u r e sf o rc o n t r o l l i n gn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na l ep r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr c s u r sm a dt h ee x p e r i e n c e so f o t h e ra r e a s k e yw o r d s ：s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt o o l s ) ，n o np o i n t - s o u r c e sp o l l u t i o n ， z e n g j i a n gw a t e r s h e d i i i 2 0 0 7 届中山大学硕士论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 水环境污染已是当前普遍存在的一个世界性问题。水体的污染源，概括地讲 可以划分为：点源、面源( 也称为非点源) 和内源。点源是指各种废水的集中排 放，主要来自于工业和生活污水；非点源污染的来源比较广泛，其中以来自农田 的面源污染最为突出；内源主要指水系沉积物的释放，即底泥释放出的污染物质。 随着点源污染控制能力的提高，面源污染的严重性逐渐显现出来。1 9 9 5 年， 美国6 0 的河流及5 0 的湖泊的污染与非点源污染有关i l 】。在奥地利北部地区， 据计算进入水环境的非点源氮量远比点源大；在丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷、 5 2 的磷负荷是由非点源污染引起的1 2 。荷兰农业非点源提供的总氮和总磷各占 水环境污染总量的6 0 和4 0 5 0 i 3 l 。直至2 0 世纪6 0 年代，中国水体污染 问题尚不突出，7 0 年代以后各大湖泊、重要水域的水体污染，特别是水体的氮、 磷富营养化问题急剧恶化。重要的湖泊水质持续下降，五大湖泊中太湖、巢湖已 进入富营养化状态，水质总氮、磷指标等级已达劣五类 4 1 。洪泽、洞庭、鄱阳湖 和一些主要的河流水域如淮河、汉江、珠江、葛洲坝水库、三峡库区也同样面临 着富营养化的威胁【5 l 。 在全球范围，非点源污染是导致水环境恶化的主要原因。在美国，对主要的 点源污染物的控制即使达到零排放，仍然不能有效控制水体污染。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，对面源污染的控制没有意义， 同时非点源污染排放物的增加在很大程度上抵消了在点源污染治理上所取得的 成效。我国至今尚未有非常有效的措施能够对非点源污染进行控制，因此，有效 地控制非点源污染已是当务之急，迫切需要建立快速、简便进行非点源污染负荷 分析与预测的技术与方法，研究非点源的污染与控制有着重要的现实意义。 1 。2 非点源污染概述 1 2 1 非点源污染的概念 美国清洁水法修正案中定义非点源污染为“污染物以广域的、分散的、微量 的形式进入地表及地下水体”嘲。随着对非点源认识的不断深化，不同的学者 对非点源概念的具体说法不一，但不同定义的基本内涵还是趋于一致的【7 1 1 1 。典 型的非点源污染发生方式是降雨径流及积雪融水污染( 即狭义非点源污染) ，此 第1 章绪论 外还包括废物堆放区的废液下渗和大气沉降等。概括地讲，非点源污染是指时空 上无法定点监测的，与大气、水、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条件和 人类活动密切相关的，通过降雨径流的淋溶和冲刷作用或积雪融水，使大气中、 地面和土壤中的污染物浓度升高，有害物质浓度增加，水体富营养化和酸化等造 成水体污染的现象 7 1 。 1 2 2 非点源污染的类型 由非点源污染的定义，可以看出非点源污染的成因及其来源。非点源污染的 成因有水土流失、城市膨胀、农药化肥的过量使用，土地利用方式的不合理等自 然的和人为的原因。其来源归纳如下：地表径流、土壤侵蚀和流失、化肥农业的 施用、农田污水灌溉、农村生活污水、畜禽粪便、水体人工养殖、大气干湿沉降、 底泥二次污染等【9 j 。一般根据产生非点源污染的源的角度，把非点源污染分成农 田径流、畜禽养殖污水、城市径流、矿山径流和农村生活污水五类。这样分类的 目的一方面有利于认识各类非点源污染的规律，例如城市径流污染和农田径流污 染存在很大的差异，从而可以更好地进行水质预测；另一方面分类也为非点源污 染控制提供了更好的途径【l l 】。 1 2 3 非点源污染的特点 与点源污染相比，非点源污染具有时间上的不确定性、滞后性、空间上的广 泛性、模糊性、潜伏性，过程更加复杂，信息获取难度大，危害规模大，研究、 控制与管理难度大等特点1 7 , 9 - 1 4 。 ( 1 ) 时间上的随机性 从非点源的起源和形成过程分析，非点源污染的发生与区域的降水过程密切 相关，受水文循环过程的影响和支配。因此，降雨的随机性决定了非点源污染形 成具有较大的随机性。 ( 2 ) 污染发生的滞后性 以非点源污染中的农业非点源污染为例，农田中农药和化肥施用造成的污 染，在很大程度上与降雨和径流关系密切，降雨是污染发生的驱动力。因此，施 放在农田的农药和化肥可能长时间积累在地表，只有在降雨条件下，发生产汇流 过程，才会出现污染，在时间上看具有滞后性。 ( 3 ) 空间范围的广泛性和分散性 由于经济的迅速发展，人类向环境排放污染物的种类和排放途径逐渐增加， 这些污染物或是以污水的形式通过排污口进入水体。或是进入大气，或是积累在 2 2 0 0 7 届中山大擘硕士论文 地表。当降雨发生时，进入大气的污染物以及积累在地表的污染物将随着径流进 入水体，这一过程在空间范围上具有分散、范围广等特点。 ( 4 ) 不确定性 影响非点源污染的因子复杂多样，例如地形、土壤条件、人类活动等。由于 缺乏明确固定的污染源、也没有固定的排放点，排放具有间歇性等，因而其污染 的来源、污染负荷等均存在很大的不确定性和随机性，使得非点源污染控制变得 更加困难。 ( 5 ) 难监测性 非点源污染的发生主要受气候条件如降雨等因素的影响，其强度受地理条件 的强烈影响，因其不确定性、滞后性等一些特性使得对非点源污染的监测和其在 水体污染中的贡献率的客观评价十分困难。 ( 6 ) 难控制与难治理 由上述几个特点决定，在研究和控制非点源污染方面具有很大的难度，用传 统的点源污染控制采取的末端治理技术很难有效地控制非点源污染。 ( 7 ) 公众意识不强 由非点源的上述特点也可以得出，治理控制非点源污染需要政府的正确引导 以及公众积极参与支持。而至今，还没有形成一些有效的政策措施，公众也对由 农田施用过量化肥和农药等引发的污染以及农业生产过程中产生的污染缺乏足 够的认识，对隐蔽性强、分散的村落污水垃圾及畜禽粪便等有机废弃物给水环境 带来的危害也缺乏重视。 1 2 4 非点源污染模型 非点源污染的特点使得对其监测和处理困难而复杂，这给非点源污染控制带 来了很大困难，加之非点源污染的统计资料缺乏，对非点源污染效果做定量的预 测遇到很大挑战。非点源污染模型通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染 过程进行定量描述，可以帮助我们分析非点源污染产生的时间和空间特征，识别 其主要来源和迁移路径，预报污染的产生负荷及其对水体的影响，并评估土地利 用的变化以及不同的管理与技术措施对非点源污染负荷和水质的影响，为流域规 划和管理提供决策依据。 完整的非点源污染模型一般由四个子模型构成，如图1 1 所示。 第1 幸绪论 受纳水体水质模型 污染物迁移转化模型 土壤侵蚀和泥沙输移模型 降雨径流模型( 水文模型) 图1 - 1 非点源污染模型基本结构 降雨径流模型用来解决各类流域的产汇流问题，即推求流量过程线与径流 量。它是整个研究的基础，因为降雨径流过程是形成非点源污染的直接动力，可 见，对其描述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。 土壤侵蚀与泥沙输移模型研究土壤侵蚀量、流域产沙及河流输沙问题，泥沙 不仅本身是种重要的非点源污染物，而且还能吸附和夹带许多其它污染物( 如 n 、p 和重金属) 。 污染物的迁移转化过程子模型研究污染物( 液态和固态) 在径流形成过程中 的转化和输移过程，几乎涉及化学的所有领域，是非点源污染研究的核心内容。 受纳水体水质子模型研究非点源污染负荷对受纳水体的影响，是进行非点源 污染研究的目的。现有模型大都未将受纳水体水质子模型包括在内，因为其研究 历史比非点源污染长，也更成剿”】。其结构如图1 - 2 所示。 图1 - 2 非点源污染模型结构图 由于应用的目的不同，实际中非点源模型的结构往往更为复杂，可能涉及水 质模拟、气候模拟、作物生长模拟和管理控制费用估算等方面的子模型阚。 1 3 国内外非点源污染模拟研究进展 1 3 1 国外研究进展 夺2 0 世纪7 0 年代中期以前，非点源污染的定量化研究以简单的统计模型 为主，模型结构功能单一，对非点源污染的模拟和估算能力有限。 4 2 0 0 7 届中山大学硕士论文 这一时期的非点源污染研究始于不同土地利用方式对河流水质产生不同影 响的认识，依据因果分析和统计分析的方法建立模型，并以此构建污染负荷与流 域土地利用或径流量之间的统计关系【1 7 t 墙l 。这类统计模型对数据的需求比较低， 往往借助于产汇流的理论如h o r t o n 入渗方程，s c s 模型等，能够简便地计算出 流域出口处的污染负荷，表现了较强的实用性和准确性，因而在早期得到了较为 广泛的应用，但是由于它们难以描述污染物迁移的路径与机理，使得这类模型的 进一步应用受到了较大的限制。 2 0 世纪7 0 年代中后期到9 0 年代初期，非点源污染机理模型逐步成为开 发的主要方向，并将已有的模型应用于中小流域非点源污染的管理中， 开发含有经济评价和优化内容的非点源管理模型。 这一时期机理模型成为非点源模型开发的主要方向，早期著名的有流域模型 h s p f ，模拟农业污染的a r m 以及模拟城市暴雨径流污染的s t o r m 、s w m m 。 7 0 年代后期，特别是8 0 年代以来，非点源污染模拟的研究重点开始转向如何将 已有模型应用到非点源污染的管理中，开发新的实用模型，强调普遍适用性和实 用价值，并注意了经济效益的分析。代表性的模型有：a n s w e r s ( a r e a l n o n - p o i n t s o u r c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n tr e s p o n s es i m u l a t i o n ) “l j 模型采用 概念模型模拟水文，用泥沙连续性方程模拟侵蚀，用方格网状划分研究区域，可 供水质规划者或其他用户模拟土地利用方式对水文和侵蚀响应的影响；由美国农 业部农业研究所开发的农业管理系统中的化学污染物污染模型c r e a m s ( c h e m i c a l s ，r u n o f f , a n de r o s i o nf o ra g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 1 1 ”：为 了提高模型土壤侵蚀部分模拟的简便性和准确性，美国农业工程师协会( a s a e ) 提出并逐步改进了农田尺度的水侵蚀预测模型w e p p ( w a t e re r o s i o np r e d i c t i o n p r o j e c t ) 。另外，传统的土壤流失方程( u s l e ) 也经过改进形成r u s l e ( r e v i s e d u n i v e r s a l s o i ll o s s e q u a t i o n ) 1 2 0 1 。其中，c r e a m s 模型奠定了非点源模型 发展的“里程碑”，它主要应用于研究土地管理对水、泥沙、营养物和杀虫剂的 影响，其预测径流使用的是s c s 法( 美国农业部土壤保持局曲线) ，产沙子模型 采用经验公式u s l e ( 通用土壤流失方程) ，预测污染物负荷采用的是概念模型， 它首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了系统的综合。 c r e a m s 推出后，立即引起了广泛的关注，并在其基础上发展出了一系列结构 特征类似的模型，如农田小区模型e p i c l 2 ”，用于模拟农业活动对地下水影响的 g l e a m s 模型l z z l 。 该期非点源模型取得了三个方面的重要进展，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 第1 幸绪论 应分析，并从集中式向分布式模型发展。并且出现了g i s 与一些简单经验统计模 型的集成，如与通用土壤流失方程s l e ) 集成用于计算土壤的侵蚀量，不过二 者的集成也仅限于松散模式。 第三阶段，从9 0 年代初至今，随着大型化、实用化机理模型的建立， 对现有非点源模型的进一步完善，以及桌面式g i s 的栅格数据分析功能 与空间处理能力的增强，非点源污染模型与理信息系统( g i s ) 的集成成为 主流，模型在非点源污染研究中应用更加广泛。 9 0 年代初期，一些机理模型如a g n p s 、w e p p 与支持栅格数据空间分析的 g i s 软件g r a s s 、a r c i i n f o 进行紧密集成1 2 3 , 卅。研究表明，与g i s 相结合的 模型应用更有效，比较有代表性的是1 9 9 5 年s a v a b im r 等人将g i s 技术与w e p p 模型结合来进行流域水土流失的评价【2 5 】。但这些集成是在工作站环境下进行的， 其应用受到很大的限制。 9 0 年代后期，一些功能强大的超大型流域模型被开发研制出来，这些模型 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。其中比较著名的有美国国家环保局开发的b a s i n s ( b e t t e ra s s e s s m e n t s c i e n c ei n t e g r a t i n gp o h a ta n dn o n - p o i n ts o u r c e s ) 1 2 6 1 ，a r n o l dj g 等开发的 s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 2 7 】模型，以及美国自然资源保护局和农业 研究局联合开发的a n n a g n p s ( a n n u a l i z e da g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c e ) 模型等。 同时，随着网格数据分析和空间分析功能的扩展，一些桌面式g i s 软件如a r c v i e w 与分布式参数模型a g n p s ，a n n a g n p s ，s w a t ，b a s i n s 进行了集成【2 8 ，捌，集 成后充分发挥了桌面系统强大的交互查询功能，广泛应用于模型研究区域降雨一 径流、土壤侵蚀、溶质迁移的连续模拟，估算污染负荷，以明确主要的污染因子 和关键源区，以及参数的自动提取，并与控制管理措施相结合。上述几个软件目 前集成的最新版本有m 岬s 3 5 1 、u 屺s 眦虹、a v s w 町、s w a 砣0 0 5 、 b a s i n s 3 1 。在其网站可以免费获得，并能够得到相关应用指导和版本维护升级 服务。另外，这一阶段模型研究进一步由纯数学问题转向一种系统决策工具，以 帮助预测非点源污染的程度并对各种水域管理措施进行评价【3 0 】。同时，把传统的 非点源模型与专家系统或各种人工智能工具相结合，开发非点源模型系统平台， 为非点源污染的研究和控制提供有利工具，也成为一个重要的研究方向。 1 3 2 国内研究进展 我国的非点源污染研究起步较晚，从2 0 世纪8 0 年代开始，开始对非点源和 区域径流污染的宏观特征与污染负荷定量化计算模型的进行初步研究【3 1 1 。相对于 6 2 0 0 7 届中山大学硕士论文 西方发达国家，我国在非点源污染模型方面的研究较弱，从综合成果来看，大致 可以分为三类： 一类是在基础条件差、缺乏非点源污染监测数据的情况下，通过一些监测数 据，采用相关分析法，对降雨径流、水土流失、污染物迁移的相关分析，估算污 染物的输出量，此类模型以统计型模型为主。如1 9 8 5 年朱萱等 3 2 1 通过研究农田 暴雨径流污染特征及污染物输出规律提出了采用统计技术的区域径流一污染负 荷模；李怀恩、庄咏涛硼l 利用国外几个典型的改进输出系数模型，给出了输出系 数法在黑河流域的应用实例，模型结构简单，应用方便，对输入资料要求不高。 惠二青等p 4 l 提出了一种保守性物质非点源污染负荷估算方法，并在山东省小清河 流域进行应用中证明该模型可行，适用于中大尺度流域的非点源污染模型。虽说 这些模型对基础资料的要求不高，但是要求具有一定场次暴雨的连续水质水量同 步监测结果。另外，这些从特定地区的监测中得出的经验模型，其适用性也受到 一定的限制，从而模型的实际推广应用有一定的难度。 二是直接引进国外的成熟模型( 主要是机理模型) ，根据国内实际情况进行 模型参数的率定、调试或稍作修改，并应用到具体流域中进行模拟验证。 这种形式的模型应用研究比较多，近年来几乎所有成熟的国外非点源污染模 型，如s w a t 、a g n p s 等在国内都有所涉及。苏保林p5 3 6 1 、胡远安p 7 , 3 8 l 、万超 f 3 鲥，张雪松、郝芳华【4 0 】等分别进行了s w a t 模型的适用性研究。另外，g i s 与 非点源污染模型相结合，在三峡库区、千岛湖流域【4 1 1 ，汉江流域 4 2 1 、九龙江流 域【4 3 删等多个流域进行了应用研究。 三是从非点源污染机理出发，根据理论分析及实验研究，建立描述径流、侵 蚀产沙及污染物迁移转化过程的模型。 近年来，很多研究者也开始从非点源污染物的迁移转化机理上开展研究，并 且取得了很好的成果。西安理工大学李怀恩等 1 5 , 4 5 蝌对国外现有模型的不足，从 我国的实际出发，建立了一个完整的流域非点源污染模拟系统，包括产汇流模型 及非点源污染物的产生与迁移模型。其中流域汇流采用了逆高斯分布瞬时单位线 法，其显著特点是微观机理与宏观求解的有机统一，既考虑了水动力学与污染物 迁移转化机理，又便于求解与应用，较好地解决了模型机理与实用性之间的矛盾。 1 3 3 非点源污染模型存在问题与发展趋势 存在问题： 欧美发达国家在非点源模型方面虽说取得了大量有价值的成果，但也存在着 如下问题： 7 第l 章绪论 ( 1 ) 模型的不确定性1 1 1 , 4 6 】 由于非点源污染过程的复杂性，而非点源模型多为确定性模型，因此，不可 能完全准确的把握非点源污染的规律，使得模拟果并不一定理想。 ( 2 ) 模型的尺度【1 i ，切 大多数模型只能适用于较小的流域面积，对大型流域以及大区域的模拟能力 较差，一般不能直接推广应用。随着规划需要和模拟技术的不断发展，非点源污 染模型的模拟尺度不断增大，可以模拟由几千个小流域组成的大尺度流域。但是， 已有的非点源污染物在土壤中的监测数据多为小区或更微观尺度内获得的结果， 而流域模拟的参数输入的尺度要相对大得多，对输入参数进行一定的空间集总必 然对模型模拟结果产生很大影响i l l j 。 ( 3 ) 非点源污染模型之间的数据库可兼容性差【1 1 l 模型的研究和实际应用需要大量的不同部门的数据，为不同模型建立统一结 构和格式的非点源污染模拟基础数据库是急需解决的问题之一。美国环境保护局 开发的b a s i n s 系统以及在模型统一界面方面作出了示范，但还有大量的工作需 要完成。 ( 4 ) 现有的模型一般要求参数太多，参数率定难度大1 4 刀 我国的非点源模型研究在近年来虽然得到较快发展，但就其受重视程度和人 力、物力投入来看，同我国非点源污染现状和发展的趋势相比还显得很不够。主 要问题有：缺少系统的基础性资料；非点源污染的管理体系不完整；缺少自主性 模型；没有非点源数据库。川 发展趋势： ( 1 ) 模型的不确定性分析与研究【l l 1 6 , 4 7 , 删 模型的考虑因素广泛，输入数据众多，影响因素也相应较多，分析评价不同 因素对非点源污染模拟结果的影响，并探索相应对策，减少模型模拟结果的不确 定性，对模型的合理应用具有重要的指导意义。 ( 2 ) 模型与3 s 技术的进一步耦合、以及虚拟现实技术的集成利用【i l 4 7 , 4 8 1 3 s 技术解决数据的获取与参数的选择问题，同时，v r ( 虚拟现实) 在非点源 模型中的应用将大大提高模型的可视化程度，并可实现实时交互、反馈，直观地 模拟出非点源污染的发生过程。 ( 3 ) 模拟范围扩大【4 砌 由单纯模拟流域水文循环、非点源污染过程负荷向大气、水文、水质综合模 拟发展。非点源污染负荷中大气的干湿沉降占一定的比例，但现在的大部分模型 没有考虑这一因素；另外，空气的淋溶负荷也成为非点源模型考虑的一部分；还 8 2 0 0 7 届中山大学项士论文 有，就是要考虑非点源模型与水质模型的接口。 ( 4 ) 非点源模型与大型流域管理模型的结合1 1 6 4 7 j 近年来欧美国家出现的流域集成管理的思想导致了一种集合污染负荷、水 质、工程治理以及费用效益分析等模型与一身的大型流域管理模型。由于非点源 污染是流域内影响水质的主要过程之一，因此流域非点源模型将成为这种大型模 型的重要组成部分。例如b a s i n s 模型，将污染负荷模型p l o a d ，以及h s p f ， s w a t 等模型集成一起。随着流域集成管理概念的广泛被接受和采用，包含了非 点源模型的大型流域管理模型将成为未来数年中流域模型开发的重点。 1 4 本论文研究方法及内容 本文选取增江流域麒麟咀站以上区域为研究对象，此研究也将作为下一步对 整个东江流域面源污染控制的基础研究。增江流域作为东江流域的支流，已被列 入广州市饮用水源保护区范围。根据2 0 0 1 年广东省水环境监测中心公布的第二 季度广东全省江河、水库水质状况结果显示，增江水质全部超标，主要超标项目 是溶解氧、氨氮和总磷等。本文运应用s m 叮模型研究增江流域2 0 0 0 年的非点 源污染状况，以期为该流域的非点源污染治理提供思路。主要研究任务： ( 1 ) 借助g i s 技术，分析和提取增江流域非点源污染模拟和评价所需要的 地形、河流、土地利用、土壤类型等数据，并收集水文、气象、水质等资料，建 立增江流域非点源污染空间和属性数据库。 ( 2 ) 利用a r c s w a t 模型，对增江流域非点源污染进行模拟和评价，并根 据实测数据进行模型的校准与验证。 ( 3 ) 在此基础上，模拟和分析增江流域的非点源污染负荷量及其时空分布， 提出流域非点源污染控制措施。 模型模拟计算的技术路线( 图1 3 ) ： 9 第1 章绪论 阶段1 ：基础数据搜集与处 理，建立模型所需的数据库 阶段2 ：模型参数率定与参数 敏感性分析 阶段3 ：结果分析及面源污染 控制的最佳管理措施 空间数据库：o e m 、土地利用类型、土壤类型等； 属性数据库：土壤物理属性和化学属性、气象数据( 日 降雨，温度等) 、水文水质数据、耕作管理措施等 通过调整模型参数来调整模型的计算结果，使之与实 测结果逼近，进而使该模型的计算更符合流域的实际 情况，计算结果更准确。在模型参数率定时关键是找 到关键性的参数，并对参数的敏感性作出分析 模型参数率定完成后，利用模型计算2 0 0 0 年的非点源 污染情况，对计算结果进行分析，得出非点源污染产 出的时空分布特征。通过模拟不同的情景，提出了增 江流域非点源污染的初步控制措施。 图1 - 3 模型模拟的技术路线图 论文研究目的主要是计算增江流域面源污染负荷，主要包括以下几部分内 容： ( 1 ) 以s w a t 模型为基础，构建了增江流域的非点源污染基础数据库，对 增江流域进行了予流域的划分以及水文单元的生成； ( 2 ) 对模型在增江流域的应用进行了参数的率定和结果验证，重点率定了 模型的水文参数，污染物相关的参数在此基础上也及进行了相应的调整； ( 3 ) 计算增江流域2 0 0 0 年枯水期、丰水期的污染负荷，以及不同水期非点 源污染负荷的产出比例： ( 4 ) 研究增江流域内非点源污染物的空间分布特性，计算了主要的土地利 用类型上的单位面积非点源污染负荷的产出情况； ( 5 ) 设计不同的情景进行分析，讨论不同的施肥量和不同的畜禽养殖规模 对非点源污染负荷的产出影响，最后提出了增江流域非点源污染控制的初步措 施。 1 0 2 0 0 7 届中山大学硕士论文 第2 章s w a t 非点源污染模型介绍及其原理 2 1 1s w a t 模型特点 s w a t ( s o i la n d w a t e r a s s e s s m e n t t o o l s ) 是美国农业部( u s d a ) 农业研究 局( a r s ) 开发的分布式流域尺度模型，用于模拟地表水和地下水的水质和水量， 长期预测土地管理措施对具体多种土壤、土地利用和管理条件的大面积复杂流域 的水文、泥沙和农业化学物质产生的影响【4 9 】。 s w a t 模型具有以下的特点 5 0 l ： 1 _ 具有物理机制。 s w a t 模型不使用回归方程来描述输入变量和输出变量的关系，而是需要流 域内的天气、土壤属性、地形植被和土地管理措施的特定信息，模拟水分运动、 泥沙输移、植被生长和营养物质循环等。模型明确的物理基础使得其可以应用于 缺乏观测资料流域的水文预测( p u b ，p r e d i c t i o no f u n g a u g e , db a s i n ) ，而且可以 方便地评价不同的输入数据( 包括下垫面、管理措施以及气候气象条件等) 对于 水量、泥沙和水质变化的影响。 2 。分布式的模型。 模型通过地形分析将流域划分为子流域，再根据土地利用类型和土壤类型进 一步将子流域划分为不同的水文响应单元h r u s ( h y d r o l o g i c a lr e s p o n s eu n i t ) ， 通过对水文响应单元计算，再将水文响应单元计算结果叠加得到子流域上的产 流、产沙和化学物质的产出结果，最后通过河网的方式将子流域串联起来，通过 河道演算得到流域出口处的相关结果。 3 计算效率高。 由于模型采用水文响应单元为计算单元，即使对于非常大的流域，或者一系 列管理方案的组合，模型计算也不需要额外的时间和投入。 4 连续时间模型，能够进行长期的模拟。 目前所要解决的是有关污染物逐渐积累和对下游水体影响的问题，为了研究 这类问题，有时模型需要输出几十年的结果文件。 s w a t 模型具有较强的物理机制，能够利用遥感和地理信息系统提供的空间 信息模拟多种的水文物理化学过程，如径流、泥沙、营养物质( n ，p ) 以及杀虫剂 的输移。自开发以来在北美及世界各地如欧洲、澳洲有了许多的应用实例，被广 第2 章s w a t 非点源污染模型介绍 泛应用于面源污染、水土流失、土地利用和农业管理等领域，并在应用中得到了 不断的发展。该模型得到广泛使用的一个重要原因是它的源代码是可以公开的， 而且每作修改后就会公布新的源代码。最新的程序、源代码及程序文档可以在 s w a t 主页上下载，世界各地的使用者可以通过网上论坛( s s ls m 玎) 讨论及 解答模型在使用中出现的问题。开发人员和世界各地的用户目前使用 s w a t - u s e rg o o g l eg r o u p s 讨论s w a t 的操作和使用以及新版本的s w a t 出现 的问题。美国环保局己将s w a t 模型作为其t o t a lm a x i m u md a i l yl o a d ( t m r l ) 项目的首选模型，并已经集成到其开发的使用的流域水质评价软包 b a s i n s ( b e t t e ra s s s m c n ts c i e n c ei n t e g r a t i n gp o i n ta n dn o n - p o i n ts o u r c e s ) 系统 中。 2 1 2s w a t 模型开发与发展 s w a t 模型综合了美国农业部a r s 开发的前几个模型特点，它最直接的前 身是s w r r b 模型( s i m u l a t o r f o r w a t e r r e s o u r c e i n r u r a l b a s i n s ) ( w i l l i a m s 等，1 9 8 5 ； a r n o l d 等，1 9 9 0 ) 。另外，还有一些对于s w a t 的发展有重要贡献的模型是： c r e a m s 模型( c h e m i c a l s ，r u n o i f , a n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n t s y s t e m s ) ( k n i s d ，1 9 8 0 ) ，g l e a m s 模型( o r o u n d w a t e rl o a d i n g e f f e c t so n a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t c r n s ) ( l e o n a r d 等，1 9 8