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a n n a g n p s 模型在巢湖马槽河流域的应用研究 摘要 摘要：本文采用最新的a n n a g n p s 模型，以巢湖马槽河流域为例，对该流 域的农业非点源污染进行了模拟，模拟结果显示； ( 1 ) 非点源污染负荷与降雨量( 降雨强度) 总体上呈正相关，污染负荷随 降雨量的增大而增大。 ( 2 ) 流域年均总氮、总磷、总有机碳、总泥沙负荷分别为8 9 5 7 2 3 k g y r 、 1 4 5 5 0 7 k g y r 、2 2 1 4 9 5 8 k g y r 、 1 3 1 3 9 4 吨y r ；其排放系数( 单位面积年排放 量) 分别为1 5 7 2 1 k g h a y r 、2 5 5 4 k g h a y r 、3 8 8 k g h a y r 、2 3 0 6 吨h a ”。 ( 3 ) 污染负荷的时闷分布不均，不同土地和用类型污染负荷差别较大，污 染负荷从小到大的顺序是：林地 草地 村庄 农田。污染负荷的时间分布总体 上有两个排放高峰，一年出现在6 - 8 月，另个是1 0 一1 1 月。 ( 4 ) 氮、磷污染负荷与化肥施用量呈线性相关，减少化肥施用量，合理施 肥可以明显的减少氮、磷污染负荷：采取合理的田间管理措施( 如免耕法) 可 以显著地减少农田非点源污染负荷，特别是泥沙负荷。 关键词：非点源污染，非点源污染模型，a n n a g n p s ，巢湖流域 s t u d yo fa p p l i c a t i o no fa n n a g n p sm o d e l i nm a c h a o h e w a t e r s h e di nc h a o h u a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h el a t e s ta n n a g n p sm o d e li s u s e d ，t a k i n gm a c h a o h e w a t e r s h e di nc h a o h ua sa ne x a m p l e ，a n dt h ea g r i c u l t u r a ln p si s s i m u l a t e d ，t h e m a i nr e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i ng e n e r a l ，t h en p sl o a di sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h er a i n f a l lp r e c i p i t a t i o n ， m o r er a i n f a 儿m o r en p sl o a d s ( 2 ) t h ea v e r a g ea n n u a ll o a do ft n ，t p , t o c ( t o t a lo r g a n i cc a r b o n ) a n dt o t a l s e d i m e n ti s 8 9 5 7 2 3 k g y r ，1 4 5 5 0 7 k g y r ，2 2 1 4 9 5 8 k g y r a n d 1 3 1 3 9 4 t o n y r ；t h e d i s c h a r g ec o e f f i c i e n t ( 1 0 a d sp e ru n i ta r e a ) i s1 5 ，7 2 i k g h a y ro f t n 2 5 5 4 k g h a y ro f t p 3 8 g k g h a y ro ft o c a n d2 3 0 6 t o n h a y ro ft o t a ls e d i m e n t s ( 3 ) t h en p sl o a d sv a r ys t r o n g l yw i t ht i m ea n dl a n du s e ，t h eo r d e ro ft h el o a d s b yl a n du s ei sf o r e s t p a s t u r e 。一。+ 上町一。) 。 3 6 0 0 矿“ ，盯。0 ( 上三。一。hl s c i _ , n 。) ( 2 8 ) 式中：l 。x _ 一最大漫流坡长，m l 。，一漫流坡长，m l 一分室流道总长，m n o v 一曼宁系数，无量纲 p 2 一两年降雨量，m m s 。一漫流流经坡度，m m l 。f 一浅层流坡长， m l s e fm a x 一最大浅层流坡长，m v s c f 一浅层流流速，m s v c f 一集中流流速，m s l c f 一集中流坡长，m 2 3 2 3 蒸发 模型用p e n m a n 方程计算潜在蒸发量，其方程如下 e t p = 击 石a 了) ( r g ) + ( 南) 矿( e s aj - e ) 】 ( 2 - 9 ) 式中：e t 。一潜在蒸发量( m m ) h ，一潜在蒸发热( m j k g ) 一饱和蒸汽压一温度曲线斜率( k p a o c ) y 一湿度计常数( k p a o c ) r 净辐射( m j m 2 1 g 一土壤热能量( m j m 2 、 w 一风速函数 e s a t 一饱和蒸汽压( k p a ) e 一实际蒸汽压( k p a ) 其中h 。是同平均温度t 的函数： 凰= 2 5 0 1 0 0 0 2 2 t 饱和蒸汽压e 。与空气绝对温度t k 存在如下函数关系： e s a t ：o 1 e x p ( 5 4 8 7 9 5 0 2 9 1 n t k 一6 7 = 9 _ 0 一5 ) 实际蒸汽压e = r h e 。t ，其中r h 为相对湿度。 斜率空气绝对温度t k 有如下关系： ：( 半) ( 掣一5 0 29 ) g 可以通过下式计算： g ：o 12 t 。一( 生望兰卫) j 其中t o 、t 小t _ 2 、t 3 分别为当天气温和相应的前几天气温。 w = 6 4 3 + 3 4 0 7 9 u其中：u 为风速( m s ) 2 4 2 3 3 土壤侵蚀 a n n a g n p s 模型采用修正的通用土壤流失方程r u s l e 来估算土壤侵蚀量， 该方程是模型的核心。r u s l e 方程可以表示为： a = r 十k l s c p( 2 1 0 ) 式中：a 一年侵蚀量 r 一降雨侵蚀因子 k 一土壤可蚀性因子 l 一坡长因子 s 坡度因子 c 一作物管理因子 p 一侵蚀控制措施因子( 耕作管理因子) r 因子是降雨动能e 与3 0 分钟最大降雨强度的乘积，反映雨滴对土壤的影 响及单场次降雨事件引起的径流量及速率。k 因子与土壤的渗透性密切相关， 由土壤本身的类型、结构、颗粒组成、有机质含量等因素决定。 坡长l 是指地表漫流开始的地点到污染物沉积的地点或者是到集中流发生 的地点的水平距离，随着坡长的增加，侵蚀量增大；坡度s 越大，侵蚀量也越 大。通常，将这两个合并在一起，写作l s ，其计算方法很多，最简单的计算方 法如下【6 5 】： 幻= ( 赤) 04 ( 嵩00 8 卫9 6 ) 1 3 ( 2 - 1 1 ) 、2 2 13、 7 l z j 其中，a ：集水构面积，d ：坡度 作物覆盖及管理因子c 是反映下垫面植被状况对土壤侵蚀的保护程度，以 及地表耕作管理方式对土壤流失的影响：侵蚀控制措施因子p 体现了耕作及一 系列田间水利配套工程设施对水土流失的影响。 2 3 4 化学物质的迁移与转化 采用c r e a m s ( c h e m i c a l ，r u n o f fa n de r o s i o nf r o ma g r ic u l r u r a l m a n a g e m e n t ) 模型和饲育场评价模型对模型的化学物质迁移部分的n 、p 、c o d 的迁移进行计算。化学物质的迁移传输通过化学传输模块，分为可溶性部分和 泥沙结合态进行计算。泥沙结合态的营养物吸附量采用单元的总泥沙量计算： n “f “- d = ( n 玎) q ( x ) e n ( 2 - 1 2 ) 式中：n u t 。d 一沉积物输运的n 或p 的浓度；n u t 广土壤中n 或p 的含量； e r 一富集比。 可溶性营养物质的估算考虑了降雨、施肥和淋溶对营养物质的影响。径流 中可溶性营养物质由下式估算： n u t 。i = c t n u t - 0( 2 1 3 ) 式中：n u t 。l 一径流中可溶性n 或p 的浓度；c m n 一降雨过程中土壤表层 n 或p 的平均浓度；n u t 。一n 或p 进入径流的提取系数；q 一径流量。 c o d 被认为是可溶的，根据径流量和径流中c o d 平均浓度估算。通过调 查获得的c o d 背景值可作为预测每个单元c o d 浓度的基础，并认为迁移演算 和累计过程中没有损失【”j 。 模型采用g l e a m s 计算各种杀虫剂的质量平衡，对每一种杀虫剂按独立 的方程分别计算。主要考虑了作物洗脱、土壤中的垂直迁移入降解过程，结果 可以按溶解态和吸附态逐日输出。 2 4a g n p s 模型的参数系统 a n n a g n p s 模型共有3 1 类约5 0 0 多个参数( 其中3 3 个尚未使用) ，所有 的参数统一由i n p u te d i t o r 组织管理，保存在a n n a g n p s 输入文件中。对于不 同的流域，并不是所有的参数都是必须的；部分参数模型提供了参考值或者默 认值。a n n a g n p s 模型参数的结构如图2 - 6 所示。 2 ，5 a n n a g n p s 模型的运行过程 a n n a g n p s 3 5 1 版实现与a r c v i e w 集成，所有的数据准备、运行及结果处 理都可以在a r c v i e w 窗口内完成，极大的提高了工作的效率，下面简要的介绍 一下模型的运行过程。在a r c v i e w 中打开a g n p s a p r ( a n n a g n p s 与a r c v i e w 的 接口程序，需要安装空间分析模块s p a t i a l a n a l y s t ) ，程序运行后，窗口如图2 7 所示。 主要有以下几个过程： ( 1 ) d e m 预处理，由下拉菜单d e mu t i l i t i e s 完成，主要功能是确定流域 边界及流域出水口。 ( 2 ) a n n a g n p s 数据准备，由a g n p sd a t ap r e p 下拉菜单完成，包括十 个步骤，主要功能是对d e m 进行进一步处理，生成t o p a g n p s 的输入文件， 然后执行t o p a g n p s 的各模块，执行a g f l o w ，生成a n nc e l l c s v 和 a n n r e a c h c s v 导入i n p u t e d i t o r ，然后插入土壤、土地利用、气象等数据，完成 输入数据准备。 ( 3 ) a n n a g n p s 的执行，由下拉菜单a g n p sp lm o d e l 完成，主要功能 是执行a n n a g n p s ，生成各种表格。 ( 4 ) a n n a g n p s 的结果处理，由a g n p so u t p u t 下拉菜单完成，功能是对 结果的分析与显示。 图2 - 6 a n n a g n p s 模型的参数系统结构图 2 7 图2 7a n n a g n p s 的a r c v i e w 界面 2 8 第三章a n n a g n p s 模型在巢湖马槽河流域的应用 3 1 研究区域概况 3 1 1 区域概况 马槽河位于庐江县西北部，毗邻舒城县，起源汤池镇马槽，流经汤池、戴 庄、宋庄、楼岗、何家老庄于广寒桥汇入杭埠河。马槽河本是白石天河的源头 之一，1 9 8 4 年庐江县人民政府实施“引马入杭”工程，引马槽河水进入杭埠河。 研究区域的位置如图3 1 所示，包括汤池镇与郭河镇的各一部分，流域面积 5 6 9 7 6 公顷，流域人口约6 5 万。研究区域海拔1 1 5 6 米，地势南高北低。 3 1 2 气候概况 图3 1 研究区域地理位置示意图 研究区域属北亚热带季风气候区，气候温和湿润，四季分明，雨量充沛， 光照充足，无霜期较长，光、热资源比较丰富。农作物复种指数为2 1 i ，光 能利用率不高，降雨时空分布不均，季节性差异较大。 ( 1 ) 日照：多年平均日照时间为1 6 7 5 6 小时，日平均6 2 小时，同照率 为3 8 ，最多年份达2 7 4 0 _ 8 小时，最少年份为15 7 2 7 小时。八月目照时间最 多，为2 5 5 4 小时。太阳辐射总量年平均为1 2 2 6 千卡c m 2 ，最多为7 月份的 1 4 6 千卡c m 2 ，最少为1 2 月份的6 2 千卡e r a 2 。 ( 2 ) 气温：多年平均气温为1 6 3 ，最冷一月平均气温2 6 。c ，最热七月 平均气温2 8 3 。极端最高气温多年平均为3 6 2 。c ，极端最低气温多年平均为 一6 4 ，平均气温差别不大。 ( 3 ) 无霜期：多年平均为2 6 1 天，最长为2 7 1 天，最短为1 9 4 天。初霜 期多为1 1 月1 2 日左右，终霜期多为3 月1 6 日左右。 ( 4 ) 降水：区域多年平均降水量为1 2 15 r a m ，降水年内分布不均，梅雨、 伏旱现象较明显。季节变化：夏季温湿多雨，冬季干旱少雨。7 月降水最多， 1 2 月降水最少。年际变化：多雨的1 9 9 1 年为18 6 5 9 m m ，少雨的1 9 7 8 年只有 6 3 1 3 m m 。年降水相对变率为2 0 ，降水的不稳定性异常明显。月降水量最大 可达9 7 1 ，9 m m ，日降水量最大为1 7 6 9 m m 。多年平均蒸发量为1 3 0 9 m m 。2 月 蒸发量最少，为2 6 0 m m ；6 月最大，为5 6 0 m m 。干旱指数为1 4 l 。区域各月 的降雨量分布如图3 2 所示。 3 1 3 土壤概况 123456789l o1 l1 2 时间月 图3 - 2 流域年降雨量分布图 流域土壤共有6 个土类( 水稻土类、潮土、黄棕壤类、紫色土、石灰土类、 沼泽土) ，1 4 个亚类，4 5 个土属，7 4 个土种。水稻土广泛分布于研究区域，占 耕地总面积的8 6 7 ；黄棕壤类占耕地面积的1 3 2 ，集中分布在丘陵区的岗 地和低山区的山地( 旱地土壤) 。根据土壤普查、定点监测分析，全区土壤容重 一般在1 1 1 5 克c m 3 ，通气孔隙度多在5 0 左右，耕地平均有机质含量1 8 2 ， 全氮含量平均0 1 0 8 ，速效磷含量平均4 4 p p m ，速效钾含量平均6 4 4 p p m ，p h 值5 3 。 3 1 4 作物概况 流域粮食作物以水稻、麦为主， 菜、棉花、茶叶、花生、芝麻为主； 辅以豆、薯、玉米等杂粮；经济作物以油 各类蔬菜品种较多。 3 0 蚕| 珊 瑚 m 啪的。 目唰窿世 32 研究区域a n n a g n p s 模型输入数据准备 3 2 1 地形参数的准备 模型所需的地形参数可由t o p a g n p s 模块由d e m 提取，在a r c v i e w 环境 中，此功能主要由d e mu t i l i t i e s 下扣菜单和a g n p sd a t ap r e p 下拉菜单 s t e p l s t e p 6 完成，如图3 3 所示。本文所用的d e m ( 1 ：5 万) 购自安徽省测 绘局，经过上述处理过程，完成子流域的划分，共把研究区域分成6 3 个子流域 ( 分室、c e l l ) 如图3 4 所示，同时对d e m 进行了三维可视化，研究区域的三 维地形图如图3 ，5 所示，完成了流域湖网的提取。生成了流域河网图，如图3 - 6 所示，生成a r l l c e l l d a t ，a n nr e a c h d a t ，这两个文件可咀直接输入到 a n n a g n p s 模型中，完成地形参数的输入，以1 1 3 分室为例，其c e l l d a t a 如图 3 7 所示。 图3 3d e m 处理过程示意图 图3 - 3d e m 处理过程示意图 图3 - 4 子流域划分 图3 - 5 三维地形图 图3 - 6 流域河网图 图3 7 地形参数的输入界面 3 2 3 2 2 土壤参数的确定 a n n a g n p s 所需的土壤数据包括土壤的种类及其理化性质，如：土壤的机 械组成、质地，剖面深度及层次、有机质含量、氮及磷含量，p h 值、盐基饱和 度等。土壤的种类与分布数据来于庐江县环保局和实地调查，理化性质参数主 要来自安徽土壤和中国土壤数据库【67 、6 8 o 流域的主要土壤是水稻土和黄棕 壤类土，水稻土( 黄自土田、潮砂泥田、砂泥田、马肝田、紫砂田、) 广泛分布 于研究区域各处，占耕地总面积的8 6 ，7 ；黄棕壤类( 黄砾泥土、砾黄泥土) 占耕地面积的1 3 2 ，集中分布在丘陵区的岗地和低山区的山地( 旱地土壤) 。 表3 1 以黄白土田，表3 2 马肝田为例说明土壤参数的确定。 表3 1 黄白土田的理化性质参数 层次深度 p h 有机质全氯全磷速效磷盐基饱和 ( 厘米)( )( )( ) ( p p m )度( ) a0 - 1 66 1 1 6 5 0 0 9 50 0 2 657 9 6 0 a p1 6 - 2 9 7 3 0 5 50 0 4 10 0 1 737 7 8 2 w 2 9 5 0 7 40 2 30 0 2 7 0 0 2 0 2 c5 0 - 1 0 07 4o 3 20 0 3 40 0 2 95 层容重 机械组成( 颗粒含量：)质地 次( g c m 3 2 0 2 m m0 ，2 - 00 2 m0 0 2 - 0 0 0 2 r r , m o 0 0 2 m m m a 1 2 3 0 0 02 l - 3 55 2 7 32 5 9 2粉砂粘土 a p 1 5 8 0 0 02 6 4 4 4 9 9 0 2 3 6 6 粉砂粘壤土 w 1 5 0o 0 02 6 2 94 1 3 53 2 3 6 壤粘土 c 1 5 5 0 9 l1 8 ，9 64 3 9 83 6 4 2壤粘土 表3 2 马肝田的理化性质参数 层次深度 p h 有机质全氮 全磷 速效磷盐基饱和度( ) ( 厘米)( )( ) ( ) ( p p m ) a0 1 45 32 2 2o 1 1 50 0 3 368 4 5 6 a p 1 4 - 2 46 11 5 7 0 0 9 8 0 0 3 0 49 8 0 4 w2 4 - 6 46 9o 6 5o 0 5 l0 0 3 67 1 0 0 0 0 c6 4 1 1 0 7 61 7 10 1 2 1o 1 1 1 层容重机械组成( 颗粒含量：)质地 次 ( g c m 3 ) 2 0 2 m m 0 2 0 0 2 咖0 0 2 0 0 0 2 m 】( 0 。0 0 2 m m a1 4 40 42 5 2 4 8 2 2 6 2 粉砂粘土 a p 1 6 60 72 8 5 4 0 83 0 o壤粘土 w1 5 41 ，62 7 84 2 92 7 ，8 壤粘士 c1 6 l1 21 6 24 6 93 5 7 粉砂粘土 3 2 3 作物参数的确定 作物参数主要参考模型的参考手册a h 7 0 3 ，流域的主要粮食作物以水 稻、麦为主，辅以豆、薯、玉米等杂粮：经济作物以油菜、棉花、茶叶、花生、 芝麻为主；各类蔬菜品种较多。为了便于研究，本研究把流域的作物概化为三 种：水稻、小麦、和油菜。模型所需的作物参数主要包括单位产量、作物残留， 果实碳一氮比，表面降解系数及作物不同时期对氮磷的吸收率等。水稻、小麦 不同时期的氮、磷吸收如表所示，其它参数取模型默认值或参考模型提供的参 考资料确定。 表3 - 3水稻各时期的氮磷吸收率【。9 】 、时间 分蘖期 拔节期 齐穗期 成熟期 吸收事、 i n i t i a l d e v e l o p m e n tm a t u r es e n e s c e n c e 氮吸收率( ) 3 9 3 5 1 1 o 1 5 磷吸收率( ) 1 93 61 72 8 表3 4油菜不同时期的氮磷吸收率7 0 时间分蘖期拔节期齐穗期成熟期 吸湫 i n i t i a ld e v e l o p m e n tm a t u r es e n e s c e n c e 氮吸收率( )3 55 01 50 0 磷吸收率( ) 5 04 01 00 0 3 2 4 化肥参数的确定 通过实地调查，主要作物与土地利用类型的化肥施用情况如表3 - 4 所示。 3 2 5 气象参数的确定 模型共需2 2 个气象参数，其中，最高温度、最低温度、露点温度、云层覆 盖率、风速是逐日数据。研究区域缺少多年逐日的气象参数，本文采用模型自 带的气象参数生成模块g e m 来产生模型所需的气象参数，然后用研究流域的 气象参数加以校正，最后生成模型的气象参数。 3 4 表3 5流域化肥施用情况 土地 施肥时间 化肥名称 用量土地利施肥时 用量 利用( k g h a ) 用间 化肥名称 ( k g h a ) 4 _ 一5 月 1 i - 6 86 0 0 育林地 2 - 5 月尿素 2 0 0 中稻6 月尿素 1 5 07 - 1 0 月尿素 3 0 0 7 - - - 8 月尿素 2 2 52 - 3 月1 5 - 1 5 - 1 56 0 0 9 一1 0 月 1 1 - 6 8 6 0 0 菜地 4 - 6 月尿素 3 0 0 油菜1 2 月尿素5 07 - 8 月1 5 1 5 一1 56 0 0 1 2 月 尿素 1 5 09 - 1 1 月 尿素 3 0 0 g 1 0 月1 5 - 1 5 一1 55 0 0 说明：1 1 6 8 ，1 5 1 5 1 5 分别表示n ，p 2 0 s 、 小麦 1 2 月尿素2 0 0k 2 0 的百分含量 3 2 6 其它参数的确定 流域内各种土地利用的径流曲线参数( c n ) 的取值主要参考模型自带的资 料t r 5 5 ，c n 的取值如下： 表3 - 6 不同土地利用类型的c n 值 土地利用类型 abcd 村镇7 4 8 49 09 3 旱地6 9 7 98 58 9 水田7 78 89 19 2 菜地 6 07 38 38 5 林地3 66 0 7 68 0 草地4 96 8 8 0 8 4 流域内没有大规模的饲养场，因此不考虑畜禽养殖污染：另外，没有考虑 点源污染负荷。其它未说明的参数取模型的默认值。 3 3 模拟结果分析 运行a n n a g n p s 模型，生成径流事件污染负荷文件a n n a g n p s e v n 和累 积污染负荷文件a n n a g n p s a c e ，以及可以导入a r c v i e w 的文件 a n n a g n p s a a d a t 。模拟结果的分析与处理可以在a r c v i e w 窗口中完成，导入 an n a g n p s a a d a t 后，生成各种d b a s e 数掘库文件，然后可以对这些数据库 文件进行各种分析与处理，其运行界面界面如图3 - 8 所示。 图3 - 8a n n a g n p s 模型的模拟结果分析 3 3 1 年降雨量的模拟 模拟了流域连续十年的年降雨量，模拟多年平均降雨量为了1 1 5 5 8 m m y r ， 1 9 5 1 2 0 0 3 年庐江的平均降雨量为1 2 1 5 m m y r ，模拟结果的相对误差为4 9 。 同时，用1 9 9 1 年到2 0 0 0 年流域实际降雨量对模型进行验证，结果如图3 - 9 所 示，除1 9 9 1 年流域发生了特大洪水，模拟误差较大以外，其余年份最大相对误 差不超过2 0 ，模拟结果基本可信。 2 0 0 0 15 0 0 蹬i 0 0 0 澄 5 0 0 0 1 9 911 9 9 2 1 9 9 31 9 9 4 1 9 9 51 9 9 6 时间年 i j 舔虿= 二磊甄丽 图3 - 9 降雨量模拟 3 3 2 径流事件污染负荷模拟 虽说a n n a g n p s 是连续型模型，其也可以对场次降雨径流事件进行模拟。 现在对其中一年的径流事件进行分析，在模拟期内共有十次径流事件，降雨量 与总泥沙量、总氮、总磷及总有机碳的关系分别如图3 1 0 、3 1 1 、3 1 2 、3 1 3 所示。从图中可以看出，污染负荷与降雨强度总体上呈正相关，如第8 次降雨 径流事件( 雨量l3 0 4 m m 、7 月3 日) 产生的污染负荷分别占模拟期内流域总 泥沙负荷的5 3 2 ，总氮2 9 1 ，总磷的4 0 2 ，总有机碳的5 3 5 ，由此可 见单场次高强度降雨产生的污染负荷相当高，是非点源污染的要来源。但是也 有例外情况，如第1 降雨径流事件( 雨量3 9 ，l m m 、3 月9 日) 、第7 降雨事件 ( 6 月8 日，雨量5 2 3 r a m ) 虽说降雨量不大，但是产生的总氮污染负荷却不小， 主要原因是降雨前，田间刚施完肥，紧接着的降雨造成氮的大量流失；第1 0 次径流事件( 雨量4 0 4 m m ，1 0 月1 1 日) ，由于播种小麦、油菜，土地刚耕作过， 施过底肥，所以虽说雨量不大，但是总氮、总磷负荷却相对较高。由此，可见 单场降雨引起的非点源污染负荷主要与降雨量有关，降雨量越大，污染负荷越 高，但是与与田间耕作方式有关。 1 0 0 0 0 督8 0 0 0 咖7 6 0 0 0 冀4 0 0 0 熊2 0 0 0 0赢一 3 ，94 1 14 ，2 84 ，2 94 ，3 05 ，1 3 降雨事件 匣受圃e 三匦 图3 1 0 降雨量一总泥沙量关系图 1 5 0 1 0 0 逞 蚓 5 0 鐾 0 哪降雨量+ 总氨负荷j 图3 1 1 降雨量一总氨关系图 圈降雨量- 一总磷负荷i 图3 - 1 2 降雨量一总磷关系图 画亟圃e 三叠霸 图3 1 3 降雨量总有机碳量关系图 3 8 目删惺世 h挖加印如加0 0 船 蝗嚼踊 0“837863 j 件5 事0 雨一降 4四4鹊4493 目卿窿世 啪印们加。 0 船加垢加0 蛩挥暖举凄 l0 lm837863 j 件0 事 0 雨一降 4曲 4髂4493 目删窿世 啪瑚蚰如。 0 0 o o 0 o 0肋蚰砌矧加 普柱谨暑忙蹈 oh 837863 件 0 事0 雨一降 4凹4盼4493 3 3 3 年非点源污染负荷模拟结果分析 非点源污染年均负荷的模拟结果如表3 7 所示 表3 7 营养物质年负荷 单位面积年均负荷量 流域年均负荷量( k g y r ) ( k g h a y r ) 吸附态 1 2 1 5 5 8 2 1 3 4 氮 溶解态 7 7 4 1 0 51 3 5 8 8 总氮 8 9 5 7 2 ，3 1 5 7 2 1 吸附态 5 1 1 1 30 8 9 7 溶解态 9 4 3 9 41 6 5 7 磷 总磷 1 4 5 5 0 72 5 5 4 粘土 1 0 1 6 5 9 0 01 7 8 4 2 5 泥沙 粉砂2 5 7 3 4 0 04 5 i 6 7 砂土4 0 0 i 0 07 0 2 2 总泥沙 1 3 1 3 9 4 0 02 3 0 6 i 总有机碳 2 2 1 4 9 5 83 8 8 7 6 由于缺少流域的常年观察资料，难以对模型进行验证。孙莉宁 7 1 1 用w a r m f 模型对巢湖流域的非点源污染负荷进行了模拟，水旱轮作地的氮单位面积负荷 为1 7 5 4 k g h a y r ，与本文的模拟结果1 5 7 2 1 k g h a y r 较为接近，这也间接地对 模型进行了验证。从模拟结果可以看出，流域的氮、磷负荷以溶解态为主，分 别占负荷总量的8 6 4 和6 4 9 。 3 3 ，4 非点源污染负荷的空间分布 从模拟结果来看，非点源污染负荷在空间分布很不均匀，不同的土地利用 方式的污染负荷差别较大。林地污染负荷最小，年均单位面积氮污染负荷 o 8 4 4 k g h a y r ，其次是草地氮污染负荷为2 4 4 k g h a y r ，村庄、城镇用地的氮污 染负荷1 1 9 k g h a y r ，农田的污染负荷最大，达1 6 ，9 k g h a y r 。农田非点源污染 负荷所占的比重最大，是农业非点源污染的主要来源，村庄、城镇也是非点源 污染的重要来源之一。另外，模拟结果显示草地的氮、磷负荷以吸附态为主， 而村庄用地的氮、磷负荷则以溶解态为主。 流域的年均单位面积总氮、总磷、总有机碳及总泥沙量的的空间分布如图 3 1 4 、3 1 5 、3 1 6 、3 1 7 所示： 3 9 总氮空间分布图 图3 1 4总氮空间分布图 总磷窑阀分布圈 图3 - 1 5总磷空间分布图 总有机碳空间分布图 图3 - 1 6 总机碳空间分布图 泥沙空间分布图 图3 - 1 7总泥沙空间分布图 4 l 3 3 5 污染负荷的时间分布 从模拟期间中选取连续的一年，对非点源污染负荷的时间分布特征对进行 分析，共选取总氮、总磷、总有机碳及总泥沙量四个污染负荷指标，各指标随 时间的变化关系如图3 1 8 、3 - 1 9 所示，不同时间污染负荷所占百分比如图3 2 0 、 3 2 1 、3 2 2 、3 2 3 所示。从图中可以看出，总氮污染负荷随时问的变化较大， 负荷高峰出现在夏季( 6 - 8 月) ，其负荷总量占全年总量的5 0 以上，特别是7 月份总氮污染负荷占全年负荷的3 9 ，主要原因是这一时间降雨较多，再者是 因为稻田施肥较多，且都是直接放于地表，遇有降雨，造成大量的氮素流失。 总磷负荷的随时间的变化不如总氮那样剧烈，全年共有两个负荷高峰，一个高 峰期与氮同步发生与夏季，另一高峰期发生于l o 1 1 月，分析其原因，主要是 因为这个时期刚播种完小麦、油菜，犁地时施了底肥，此时若遇到大量降雨赞 成了磷的大量流失，才导致磷的负荷高峰没有出现在夏季，而是出现在秋季。 总有机碳与总泥沙随时间的变化关系大致相同，1 3 负荷较低，全年共有 两个负荷高峰，一个出现在4 - 6 月，另一个出现在1 0 1 1 月。分析其原因主要 为，4 - 6 月既是小麦、油菜的收割期，也是水稻的种植时问；1 0 1 1 月是水稻的 收割与小麦、油菜的种植时间，这个时期地表植被变化较大，地表残留大量的 作物秸杆，此时遇到降雨，必将引起大量的水土流失与有机污染负荷。总之， 农田非点污染负荷不仅与降雨量密切相关，也与施肥、地表状况及耕作条件密 切相关。 望： 鐾： o l23456789l o1 11 2 时间月 4 0 0 0 芝3 0 0 0 删 叁2 0 0 0 襄1 0 0 0 0 图3 1 8 总氮、总磷污染负荷随时间变化图 l234567891 01 11 2 时间月 4 0 * j 一一 s o 萎 ：曩骝 2 0 嚣一 1 0 悼 图3 1 9 总泥沙、总有机碳负荷随时间变化图 藕蝗一总叠董 冒蛐鼙鹄 图3 - 2 0 总氨负荷各月分布百分比 图2 - 2 1 总磷负荷各月分布百分比 图3 - 2 2 总有机碳负荷各月分布百分比 图- 2 3 总泥沙负荷各月分布百分比 4 3 3 4 不同施肥水平与耕作方式对农田非点源污染负荷的模拟 最佳管理措施b m p s ( b e s tm a n g e m e n tp r a c t i c e s ) 。是上个世纪7 0 年代，由 美国率先提出的，u s e p a 把其定义为【72 】：“任何能够减少或预防水资源污染的 方法、措施或者操作程序，包括工程的和非工程的”，目的是控制来自农业的水 土流失和养分损失，对不同的整个流域的非点源污染负荷进行评估，估算不同 耕作与管理措施的效果，进而确定最佳的管理方案。 a n n a g n p s 模拟可以用来对不同的旅肥水平与耕作方式进行评估，从而找 出最佳的管理措施，这也是非点源污染模型重要用途之一。 3 4 1 不同施肥水平与方式对农田非点源污染负荷的影响 本文对以下五种不同的施肥水平与方式进行模拟： ( a ) 不施用化肥 ( b ) 尿素6 0 0 k g h a ( c ) 尿素1 2 0 0 k g h a ( d ) 磷肥( p 含量6 ) 3 0 0 k g h a ( e ) 磷肥6 0 0 k g h a 按上面五种不同旌肥方案，修改模型输入文件，运行模型，模拟结果如 表3 7 和图3 2 4 、3 2 5 所示。从中可以看出，总氮、总磷污染负荷与化肥施用 量呈正相关，氮、磷污染负荷随化肥施用量的增加而急剧增加，其中吸附态氮、 磷的变化不大，而溶解态氮、磷负荷随施肥量的增加而增大，呈明显的正相关， 说明氮、磷负荷主要是溶解态进入水体的，地表径流是氮、磷污染负荷进入水 体的主要方式。 巢湖流域的化肥使用量逐年提高，全流域沿湖农田化肥使用量在6 1 0 s k g 左右【2 9 1 。但是农作对养分的吸收在一定条件下是有限的，据研究o ”，作物氮吸 收总量一般不超过4 0 0 k g h a ，而研究区域的氮肥旌用量远远超出这个水平，有 的高达1 0 0 0 k g h a 。化肥的过量施用，必将加大n 、p 流失的可能性，提高非点 源污染的可能性。模拟结果显示，磷肥用量从6 0 0 k g h a 减少到3 0 0 k g h a ，流域 总磷污染负荷减少3 1 1 4 k g ，可见，合理施肥、配方施肥、减少化肥的施用量是 控制流域水体富营养化的有效手段之一。 4 4 表3 7 不同施肥水平的氮磷负荷 氮 磷 施肥方案 吸附态溶解态总氮吸附态 溶解态总磷 a1 1 3 2 6 78 2 8 9 1 2 1 5 5 6 4 2 7 1 7 3 4 3 5 17 7 0 6 8 b1 1 9 t 7 95 9 4 8 3 67 1 4 0 1 5 c1 2 0 4 5 81 2 2 7 5 0 01 3 4 7 9 5 8 d4 4 6 8 15 9 8 0 91 0 6 4 9 e5 0 4 4 2 8 7 1 9 01 3 7 6 3 2 1 5 0 0 0 0 芝1 0 0 0 0 0 超 膏匾5 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 靼 鬟5 0 0 0 o abc 施肥方案 1 5 0 0 1 0 0 0 螽 詈 5 0 0 蚕 o 图3 - 2 4不同施肥水平下的氮负荷图 一一一“ 一“一一二乡二一： 一 ade 施肥方案 7 5 0 罢 5 0 0 翥 2 5 0 噩 o 替 图3 2 5不同施肥水平下磷负荷图 3 4 2 不同耕作方式对污染负荷的影响 a 一吸附态氮j j 一+ 溶解态氮l 一* 总氯 【二兰里里兰j 为了评估不同耕作方式对非点源污染负荷的影响，本文用a n n a g n p s 模拟 了以下两种耕作方式： ( a ) 传统耕作法 ( b ) 免耕法 模拟结果如图3 2 6 2 9 所示： 1 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 柱 簧4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 a 耕作方式 b 图3 2 6 不同同耕作方式下氮负荷比较 a b 耕作方式 图3 2 7 不同耕作方式下磷负荷比较 # 1 5 0 0 0 疆1 0 0 0 0 套5 0 0 0 0 a 耕作方式 f 瞄瓦雨磊蔼i l 溶解态氮 口总氮 圈泥沙负荷j 圈 b 图3 - 2 b 不同耕作方式下总泥沙负荷比较 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 柱1 5 0 0 0 0 毳1 0 0 0 0 0 蠢5 0 0 0 0 妊0 锄 菖； a b 耕作方式 图3 2 9 不同耕作方式下有机碳负荷比较 4 6 幢壁鲢哒j 型 磷磷一态态 一 一附解壁 吸溶总一 一日口一 0 0 o 0 o 0 0 d 0蒜淼船裟。 ；槔蘸 从模拟结果可以看出，采用免耕操作，可以有效的减少农田非点源污染负 荷，总氮、总磷，总有机碳及泥沙负荷都有明显的减少，总氮负荷减少了 2 7 6 6 8 9 k g ，占总氮负荷的3 0 8 ；总磷减少了4 0 6 5 1 k g ，占总量的2 7 9 ：有 机碳减少了1 2 1 1 5 3 k g ，占总碳量的5 4 7 ：特别是泥沙总量减少了9 7 0 7 6 吨， 占总量的7 3 8 。主要原因是由于采用免耕法后，避免了对地表结构的破坏了， 减少了土壤流失。 3 5 模型参数的灵敏度分析 从前面的分析可以看出，化肥施用参数，耕作方式等是非常敏感的参数， 为了验证其它参数的灵敏性，笔者对a n n a g n p s 模型的5 0 0 余个参数进行了反 复调试，初步发现对地表径流量、泥沙和氮磷营养盐输出较为敏感的模型参数。 影响地表径流量输出的最敏感的参数是c n 值。对于泥沙的输出，降雨动力因 子r 和l s 因子值最为敏感。表现在各小流域降雨强度越大，泥沙输出越多， 坡度较大的小流域，泥沙输出也较多。对于氮磷营养盐的输出，最为敏感的参 数主要有作物管理参数、化肥施用参数和土壤参数。化肥的施用量和土壤中氮 磷的含量与模型的氮磷营养物质输出呈正相关，表现在化肥施用量较高的小流 域氮磷输出高于化肥施用量较低的小流域。 4 7 4 1 主要结论 第四章结论与展望 本文以巢湖马槽河流域为研究区，采取最新的农业非点源污染负荷模型 a n n a g n p s ，模拟了研究流域的农业非点源污染负荷，是该模型在巢湖流域的 首次应用。在研究中充分利用了a r c v i e wg i s 的优势，极大的提高了工作效率。 主要结论如下： ( 1 ) 流域的年均降雨量模拟值为1 1 5 5 8 r a m y r ，实际值1 2 1 5 m m y r 较为接 近，相对误差为4 ，9 ，模拟结果可信。 ( 2 ) 单场降雨径流事件模拟结果显示：非点源污染负荷与降雨量( 降雨强 度) 总体上呈正相关，污染负荷随降雨量的增大而增大，但也与土地利用类型、 化肥施用等因素相关。 ( 3 ) 连续模拟结果显示：流域年均总氮、总磷、总有机碳负荷分别为 8 9 5 7 2 3 k g y r 、1 4 5 5 0 7 k g y r 、2 2 1 4 9 5 8 k g y r 、1 3 1 3 9 4l l q i y r ：其排放系数( 单 位面积年排放量) 分别为1 5 7 2 1 k g h a y r 、2 5 5 4 k g h a y r 、3 8 8 k g h a y r 、2 3 0 6 吨h a y r 。 ( 4 ) 污染负荷的时间分布不均，不同土地利用类型污染负荷差别较大，污 染负荷从小到大的顺序是：林地 草地 村庄 农田。在污染负荷的时间分布总 体上有两个排放高峰，一年出现在6 8 月，另一个是l o 1 1 月。 ( 5 ) 氮、磷污染负荷与化肥的施用量呈正相关，减少化肥的施用量，合理 施肥可以明显的减少氮、磷污染负荷；同时，模拟结果显示，采取合理的田间 管理措施( 如免耕法) 可以显著地减少农田非点源污染负荷，特别是泥沙负荷。 4 2 展望 本文虽说取得了一些成果，初步完成了模型在该流域的应用，但也有以下 不足，待以后完善。 ( 1 ) 研究区域没有历年的监测资料，这给模型的验证带来了一定的困难， 对流域进行长期的观测、完成模型的验证与参数的率定，这也是以后的工作重 点与方向。 ( 2 ) 由于缺少研究区域的长期连续的气象资料，本文采取了模型提供的 g e m 模块结合研究区域的历史气象资料生成气象输入参数，会给模拟结果带来 一定的误差，这也是以后需要改进的。 ( 3 ) 模型所需的参数众多，有的参数( 如作物、土壤) 等取的是模型的默 认值，其不一定适合研究区域，有待以后改进。 a n n a g n p s 模型涉及的学科众多，如土壤学、农学、水力学、化学等等， 同时又需要大量的基础数据支撑。在国外，模型所需的众多基础参数如地形、 土壤类型分布、气象等参数都可以从网上直接下载，这给模型的应用带来了很 大的方便。做好有关非点源污染的基础数据的长期监测，建立非点源污染基础 信息数据库，使基础数据有效共享，是以后非点源污染研究与控制工作的重点。 4 9 参考文献： 1 n o v o t n yva n do l e mh w a t e rq u a l i t y ：i d e n t i f i c a