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典型平原河同地区污染负荷模型研究 典型平原河网地区污染负荷模型研究 摘要 水体污染加剧，水环境质量日益恶化，迫切要求建立一个能够反映区域总体 状况的污染负荷模型，这对流域水资源规划及调度具有重大意义。本文在总结前 人研究成果的基础上，概述了污染负荷模型的研究现状，其中重点概述了非点源 污染负荷模型。对不同区域、不同种类污染物的产生、迁移、转化等方面的机理 性特征开展调查实验研究，特别是对与降雨有关的农业非点源污染模块，在具有 典型特征的宜兴梅林小流域进行了长期大量的实验研究工作，得出了农业非点源 污染物的流失规律，并将其成果应用到污染负荷模型的计算中去。结合小流域实 验的研究成果，本文着重对污染负荷模型做了以下改进：1 实际调查太湖流域污 染源的去向及分配比例，使得污染负荷路径分配比例更加合理：2 - 考虑了污染负 荷的时间分配，特别是与降雨过程相对应的污染负荷量部分的计算更加准确；3 采用基于g i s 的流域数字化系统，佼得污染负荷的空间分配更加精确、科学。采 用建立的污染负荷模型计算了无锡地区各部分的污染负荷的产生量和入河量。 建立水量水质模型，考虑总磷、氨氮及c o d o 三种因子，其中对于总磷，考 虑吸附解吸过程。采用水量水质模型，用无锡地区的概化河网对建立的污染负荷 模型进行率定验证。计算结果表明该模型能较好地模拟出各类污染物在河网中的 分布状况，其研究成果能够为水资源管理与决策提供科学的依据，具有较大的实 际指导意义。 关键词：污染负荷模型非点源污染土地利用方式降雨径流 水动力水质模型 i i l 翌蔓查堂堡圭堂垡堡壅 s t u d yo f p o h u f i o n l o a dm o d e li nt h el l r p , ao f t y p i c a lp l a i nr i v e r n e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h ed e t e r i o r a t i o no f w a t e re n v i r o n m e n ti n c r e a s i n g l y ，i ti su r g e n tt of o u n da p o l l u t i o nl o a dm o d e lw h i c hc a ni m a g et h ew h o l e s t a t u si nad i s t r i c t i nt h i sp a p e r ， s o m er e c e n t s t u d yr e s u l t s o np o l l u t i o nl o a dm o d e la r es u m m a r i z e d ， e s p e c i a l l y n o n p o i n tp o l l u t i o n l o a dm o d e l t h e s t u d y i sd o n ef o rt h em e c h a n i s ms t u d yo n p r o d u c i n g 、m o v i n ga n dt r a n s f o r m i n go f d i f f e r e n tp o l l u t a n t si nd i f f e r e n ta r e a s g r e a t d e a l so f e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nm e i l i nw a t e r s h e do f y i x i n ，w h i c hd r e wt h e l o s sl a wo f a g r i c u l t u r a ln o n p o i n tp o l l u t a n t s a p p l y i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h i s p a p e rh a v em a d es o m ei m p r o v e do nt h ep o l l u t i o nl o a dm o d e l 1 t h em o d e li sm o r e r e a s o n a b l eb yi n v e s t i g a t i n gt h ed i r e c t i o n sa n dd i s t r i b u t i o np r o p o r t i o n so fp o l l u t i o n l o a d 2 t h et i m ed i s t r i b u t i o no f p o l l u t i o nl o a di sc o n s i d e r e d ，e s p e c i a lt h eo u t p u to f p o l l u t i o nl o a dc o r r e s p o n d i n gt h ec o u r s eo fr a i n 3 a d o p t i n gt h en u m e r i c a ls y s t e mo f t h ew a t e r s h e db a s e do ng i s ，w h i c hm a d et h es p a c ed i s t r i b u t i o no f p o l l u t a n t sm o r e a c c u r a t ea n dr e a s o n a b l e f i n a l l y ，a b o v e - m e n t i o n e dp o l l u t i o nl o a dm o d e li su s e di n w u x id i s t r i c t s e t t i n gu pt h ew a t e rq u a n t i t y a n dw a t e rq u a l i t ym o d e l sa b o u tt p 、n h 4a n d c o d c r f o rt p ，w ec o n s i d e rt h ea d s o r p t i o na n da n a l y s i sp r o c e s s t h ep o l l u t i o nl o a d m o d e li st e s t e da c c o r d i n gt ot h et h ew a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i r ym o d e l s t h e r e s u l t si n d i c a t e st h a tt h i sm o d e lc a ns i m u l a t et h ed i s t r i b u t i n gs t a t u so f p o l l u t a n t si nt h e r i v e rn e t w o r kw e l l i ti sc o n c l u d e dt h a tt h em o d e la n dm e t h o d sc a np r o v i d es c i e n t i f i c b a s i sf o rt h ew a t e rr e s o u r c e sa d m i n i s t r a t i o na n dd e c i s i o n sw h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e k e yw o r d ：p o l l u t i o n l o a dm o d e l ： n o n p o i n tp o l l u t i o n l a n d u s e t y p e s ； p r e c i p i t a t i o n - r u n o f f ：w a t e rq u a n t i t ya n dq u a l i t y m o d e l 学位论文独创性声明： 本人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 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年月日 典型平原河网地区污染负荷模型研究 1 绪论 1 1 选题依据及研究的意义 水是人类生存和发展不可缺少的物质。我国是个多河流的国家，在近几十年 来，随着人口的急剧增长，工业化、城市化进程的加快和管理的不力，水环境质 量日益恶化，生态系统遭到了严重的破坏。全国的主要湖泊富营养化情况严重， 尤其以巢湖、滇池、太湖污染最为严重。 我国三大淡水湖之一的太湖，目前富营养化面积占7 5 ，导致了近几年来大 面积的蓝藻的爆发。1 9 9 9 年度太湖流域监测资料表明，在所监测的1 0 1 个断面 中，属v 类和劣v 类水质的断面比例达6 5 4 ，达到i i 类水质要求的断面比 例仅为3 4 6 ，流域内主要污染指标为总磷、总氪和高锰酸盐指数，环湖主要河 流和环湖交界水体水质较差，氮、磷污染严重l i 】。太湖面临的主要环境问题是湖 体的富营养化，发生水体富营养化的主要原因是农业非点源污染。 由此可见，我国的水污染问题已经相当严重，这不仅危害人类健康，也将严 重制约着社会的经济发展，水环境的污染是点源和非点源共同作用的结果。由于 实现了对点源污染的有效治理，非点源污染的重要性逐渐表现出来，它是水环境 1 3 益恶化的重要原因。因此建立能够全面反映整体污染现状的污染负荷模型已经 成为当务之急，特别是在点源达到有效控制之后，加强非点源污染的模型研究已 经刻不容缓。 非点源污染可以造成地表水水质的严重恶化。非点源污染而带来的大量泥 沙、营养物、有毒有害物质进入江河、湖泊，引起水体悬浮物浓度升高、溶解氧 减少、水体富营养化等。据美国、日本等国家的报道，即使是点源污染全部实现 零排放，江河的水质达标率仅为6 5 ，湖泊的水质达标率为4 2 ，海域的水质 达标率为7 8 ，湖泊、水库、河口的水体富营养化主要是来源于非点源污染【2 】。 丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染所引起1 3 】。荷兰农业 非点源所提供的总氮、总磷分别占水环境污染物总量的6 0 和4 0 5 0 1 4 1 。 据我国许多湖泊水体的调查，输入湖泊的污染物约有一半以上来自非点源污染， 它们通过降雨径流等途径进入水体1 5 1 ，北京密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖、 云南洱海等水域，非点源污染比例超过点源污染1 6 】，非点源污染已经成为威胁地 表水的主要污染源。例如，北京密云水库年污染负荷总量中，c o d 的6 4 ，b o d 5 河海大学硕士学位论文 的6 1 ，n h ，- n 的8 5 ，t n 的6 6 和t p 的8 6 都来自于非点源污染1 7 ；每年 加入云南洱海的t n 和t p 中，非点源污染部分分别占了9 7 1 和9 2 ，5 t 8 , 9 t 。 据研究美国的非点源污染量占污染总量的2 3 ，其中农业的贡献率为7 5 左 右，因此农业非点源污染就成为非点源污染的研究重点。马立珊【1 1 】等对平原 水网地区的大面积试验表明农业面源污染负荷形成的主要途径为农田排水、地表 径流和渗漏损失，而农业施肥结构不合理是农业非点源污染产生的主要原因。各 种作物对肥料的平均利用率一般氮为4 0 - - 5 0 ，磷为1 0 一2 0 ，其余大部分通 过各种途径损失于水环境、大气或残留于土壤中，而农田氮磷的径流损失和淋溶 损失最终将进入水体导致水体污染 1 2 j b 。沿太湖地区农业集约化程度高，湖区农 田水直接进入太湖，以浙江省为例，全省平均施氮肥1 1 2 5 k e 扣m 2 以上，嘉兴高 达1 8 0 0 k g h m 2 ，而19 9 4 年江苏省环境科学学会建议的苏南太湖地区单季晚稻施 氮量不超过1 9 5 k g h m 2f 1 4 】。有估计认为1 9 9 7 年太湖t n 负荷2 4 来源于农业， 居主要来源的首位【l5 1 。所以，流域农业生产中的总磷、总氮、氨氮就成为非点源 污染的研究重点。 为了解决水环境污染所带来的问题，针对非点源污染尤其是农业非点源污染 而构建污染负荷模型，就成为当务之急，这样才能给我们的水环境的污染控制及 管理提供决策依据。详细了解非点源污染，搞清各种污染源的发生、迁移、转化 的过程，建立河网地区污染源的量与水体水质之间的定量关系，这将对切实改善 和保护太湖水质具有极其重要的意义。 在流域水资源和水环境管理、规划和决策过程中，需要建立平原河网计算模 型库对流域水资源管理和调度提供决策支持。计算模型库至少应包括产汇流模 型、污染负荷模型、河网水量模型、河网水质模型和水资源规划和调度模型。模 型库中的污染负荷模型用于描述与估算污染负荷发生量和处理量，计算结果作为 水量、水质模拟时的边界条件和源项。因此建立一个能够全面反映整个区域的污 染负荷模型，尤其是针对于非点源污染的污染负荷模型的构建对于水资源的管理 和规划，水质的改善都具有重要意义。 1 2 污染负荷模型研究进展 污染负荷是指通过各种途径( 点源和非点源) 进入地表水体的污染物质的数 量，即地表水体接纳的污染物负荷量。在进行河网水量、水质计算过程中，需要 典型平原河网地区污染负荷模型研究 通过统计得到进入河网的污染负荷产生量，由于污染源种类和数量繁多，传统的 统计方法需要耗费大量的时间进行污染负荷时空分配的计算；另外，相对于水量 模型的计算结果而言，水质模型的计算值普遍与实测值有较大偏差，原因之一就 是对污染负荷的时空变化没有做准确估算，引起水质偏微分方程中源项误差的产 生。因此，有必要建立污染负荷模型对污染负荷总量进行估算。 1 2 1 非点源污染的基本特征 水体非点源污染( n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) ，或称面源污染( d i f f u s e d p o l l u t i o n ) 是指溶解性或固体污染物从非特定地点，在非特定时间的降水和径流 冲刷作用下汇入受纳水体( 包括河流、湖泊、水库和海湾等) 而引起的水体污染， 其主要来源包括水土流失、农业化学品过量施用、城市径流、畜禽养殖等 1 6 - 1 8 1 ， 这是通常意义上水环境非点源污染的定义。 与点源污染比较，非点源污染有许多显著不同的特点，非点源污染的主要特 点如下： ( 1 ) 发生具有随机性。从非点源污染的起因和形成过程分析，非点源污染 和区域的降水过程密切相关，受到水文循环过程( 主要为降雨及降雨形成径流的 过程) 的影响和支配；此外非点源污染的形成与许多其他因素，如土壤结构、农 作物类型、气候、地质地貌等密切相关。由于降雨径流具有随机性及其它影响因 子的不确定性，所以由此产生的非点源污染必然具有随机性。 ( 2 ) 间歇性和广泛性。污染物的来源和排放点不固定，造成了非点源污染 的发生具有间歇性；随着经济的不断发展和农业化学品的大量使用，使得进入水 体的非点源污染物广泛存在。 ( 3 ) 污染负荷的时间变化( 年降雨、次降雨径流过程) 和空间( 不同地点) 变化幅度大。 ( 4 ) 模糊性。影响非点源污染的因子复杂多样，由于缺乏明确固定的污染 源，因此在判断污染物的具体来源时存在一定的难度。以农业非点源污染为例， 农药施用量、农作物类型、耕作方式、土壤性质和降水条件不同时，所导致的农 药和养分的流失将会有巨大的差异，因而使得非点源污染的形成机理具有较大的 模糊性。 ( 5 ) 非点源污染的监测、控制和处理难度大而复杂，这都是由以上各特点 3 河海大学硕士学位论文 共同决定的1 9 , 2 o l 。 非点源污染所具有的这些特性，就决定了非点源污染模型的模拟研究具有较 大的难度。我国非点源污染已经纳入污染总量控制之中，但是非点源污染具有广 泛性、随机性等特点，以致我国还没有比较连续的非点源水质水量同步监测资料， 其研究还处于起步阶段。 1 2 2 非点源污染负荷模型发展历史 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。 人类开始全面认识和研究非点源污染的历史并不长，从7 0 年代初到现在的 近3 0 年间，非点源污染模型发展大致经历了三个阶段。 第一阶段为8 0 年代之前，是研究的探索期。经验模型( 黑箱模型) 就是这 个时期的产物，它是以实验数据为基础而建立的，即把输入的数据通过一定的数 学分析转变为输出结果，而对于物理过程无法模拟，所以也称为黑箱模型。这个 时期的研究多限于现象的因果分析，此时的非点源研究始于土地利用对于河流水 质产生影响的认识，其方法往往依据因果分析和统计分析的方法建立统计模型， 并以此建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的相关关系。这类统计模型对 数据的要求比较低，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。这一阶段 在污染源调查、非点源特性分析、非点源污染对水质的影响分析等方面取得了大 量的成果，为非点源模型的研究打下了基础，例如，s w m m ，s t o r m ，c r e a m s ， h s p f ，a r m ，l a n d r u n 等模型相继问世，美国环保局著名的最佳管理措旋 b m p s ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e ) 也于1 9 7 6 年发布1 2 1 捌。 第二阶段，从8 0 年代初至9 0 年代初。随着对非点源污染物理化学过程研究 的深入和对非点源过程的广泛监测，机理模型逐渐成为非点源模型开发的主要方 向。机制性负荷模型能更好地模拟流域径流过程中非点源污染负荷的产生、集聚、 4 典型平原河网地区污染负荷模型研究 迁移、转化、内源影响、地下水与地表水相互作用等，而且物理特性和过程随空 间变化的特征可与控制方程结合，提高了模型的精度2 引。此时的模型研究还集中 在把已有的模型用于非点源污染管理，开发含有经济评价和优化内容的非点源管 理模型，提出的有代表性的模型为a n s w e r s ，a g n p s l 2 4 1 等。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w e p p 模型；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 2 5 】： 同时，最佳管理措施b m p s 发展更加成熟，美国环保局、农业部水土保持局和各 州政府都建立起了相应的实施细则和办法，模型分析技术被大量应用于评价 b m p s 的效果。 第三阶段，从9 0 年代初至今。随着计算机技术的飞速发展和3 s 技术在流域 研究中的广泛应用，一些功能强大的超大型流域模型被开发出来。这些模型已经 不再是单纯的数学运算程序，而是集空间信息处理、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，非点源模型方面主要是对现有模型的进 一步完善，借鉴新的工具如地理信息系统( g i s ) 对传统模型进行改造。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。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 2 3 国内外非点源污染负荷模型研究概况 1 2 3 1 国外非点源污染模型简介及评价 完整的非点源污染模型一般由四个子模型构成：降雨径流模型、土壤侵蚀和 泥沙输移模型、污染物迁移转化模型、受纳水体水质模型。国外非点源模型大多 与土壤侵蚀模型结合在一起，并且以流域模型出现，有集总参数模型，也有分散 参数模型，很多模型可咀在g i s 平台下操作或与g i s 结合。下面就是一些国外 著名的非点源污染模型的评价： a r m ( a g r i c u l t u r a l r u n o f f m a n a g e m e n t ) 模型是由h r o c o m p 公司的 a s d o n g i a n 和n h c r a w f o r d 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d o n g i a n 等人的进一步工作( 模型算法改进、扩大检验范围 等) ，使得模型更加完善。a r m 模型可模拟进入河道的径流、泥沙、农药和营养 河海大学硕士学位论文 物，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，这几个部分构成了a r m 模型的主体框架。另外，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，能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。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，而不足主要体现在它只适用于河道输移和转化 作用可以忽略的小流域f 上限近似为2 5 k m 2 ) ，对地下水的输移未加考虑1 2 6 1 。 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 r o m a 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 ) 是最早的集总型非点源污染模型，主要用于研究土地管理对水、泥沙、 营养物和杀虫剂的影响，这是由美国农业部于1 9 8 0 年提出的一个连续模拟模型， 它较为成功的模拟了化肥和农药在土壤中的迁移。在实际应用方面，c o o p e r 和 b o u c h e r 应用它模拟营养元素在土壤中的迁移规律和变化范围，w i l l i a m s 和n i c k s 运用它和水蚀预测模型( w e p p ) 评价植被过滤带对土壤侵蚀和营养元素迁移和截 留的作用，都取得了较好的效果。c r e a m s 模型包括了水文、侵蚀和化学品三个 部分。首先。在水文部分所需的输入数据有径流量( 由s c s 法确定) ，以及土壤的 渗透率( 由土壤水分分布和土壤性质确定) ：其次，侵蚀和泥沙流失部分使用的是 运输能力和u s l e 方程；最后在化学品部分着重将氮、磷和杀虫荆损失分为溶解 态和沉积态，沉积态中还考虑了富集因子。c r e a m s 模型最大的优点是使用模 型不需要现场数据校正，而是按现有的参数和一些估测值就可以运作，而且模型 的运行费用低。因此，可以说c r e a m s 模型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。 g l e a m s ( g r o u n d w a t e rl o a de f f e c t so na g r i c d t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 模 型由c r e a m s 模型进化发展而来，主要用于模拟地下水中的杀虫剂负荷。模型 也采用曲线数法预测径流和侵蚀，营养物负荷部分是一个考虑了氮和磷循环的复 杂的子模型。氮组分包括：矿化、固定不动、反硝化、氨的挥发、豆类的固氮作 用、植物吸收以及径流、泥沙和根系区下渗的氮的损失量。磷组分包括：矿化、 固定不动、植物吸收以及径流、泥沙和渗漏的磷的损失量。m o r a r i 等在g l e a m s 模型中增加了估计关于土壤、缝隙流、缝隙流中溶质运动的缝隙动力学程序，描 述了在有裂缝的粘土壤中水和溶质的运动；k u m a r 和k a n w a r 用g l e a m s 模型 将一种杀虫剂合并到d r a i n a g e 模型中，然后很好地预测了正常降水年份里亚 6 典型平原河网地区污染负荷模型研究 表面排水沟中莠去津的浓度1 2 7 1 。s h i r m oh a m m a d i1 2 8 1 使用g l e a m s 模型合理地估 计了瑞典西南部地区粘土层中亚表面排水管中硝酸盐氮和溶解态磷的损失量，并 发展了一个独立的且用于估计颗粒态磷的子模型p a r t l e 。s t o n e 2 9 1 使用 g l e a m s 模型模拟了卡罗莱纳州北部一集水区中养猪废水喷洒区和农作物生长 区地下水中硝酸赫氮的含量，证明g l e a m s 模型可以用来预测农业管理体系地 下水中硝酸盐氮的负荷。 e p i c ( e r o s i o np r o d u c t i v i t yi m p a c tc a l c u l a t o r ) 模型也是由c r e a m s 模型进化 发展而来，用来计算侵蚀对农作物产量的影响。e p i c 模型分为九部分：水文、 天气、侵蚀、营养物、植物生长、土壤温度、耕种、经济和耕种环境控制，营养 物中介绍了氮的输移，硝酸盐氮随地表径流或下渗后随横向亚表面水流迁移，迁 移量等于水流体积与n 0 3 - n 浓度的乘积，而有机氮则随泥沙一起迁移，迁移量 用改进的负荷方程计算。t h a r a c a d 等用e p i c 模型分析了可供选择的农业管理 措施，模拟了棉花、小麦等农作物在灌溉和干燥条件下的农肥反应曲线，用农肥 反应方程建立了每种农作物的最佳施肥量，并在最佳施肥量下模拟了每一种庄稼 的性能，最后确定如何选种庄稼。 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 t r e s p o n s e s i m u l a t i o n ) 模型 3 1 l 包括水文模型、泥沙分散一输送模型和几个描述坡面、亚表面、 渠中的水流路径的组件，采用概念模型模拟水文，用泥沙连续性方程模拟侵蚀， 用方形网格划分研究区域，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，对控制非点源污染进行规划。c o n n o l l y 等用下渗模型取代了 径流预测中的概念模型，精确地预测了奎恩斯兰德9 6 h m 2 的草原集水区在不同的 土壤和覆盖条件下的径流。r e w e r t s 等p 习将地理信息系统( g i s ) 应用到a n s w e r s 模型中，首先项目管理器从用户那儿收集信息，然后利用g i s 提取数据，产生一 个输入文件，并将a n s w e r s 模型的输出读入新的g i s 层，项目管理器的应用 使输入数据赋值时间减少了7 1 0 倍。 a g n p s ( a 鲥c u l t u m l n o n p o i n t - s o u r c e ) 模型1 3 3 1 把流域划分为大小相同的正方 形网格单元，并认为各单元对流域出口污染负荷的贡献是独立的，对每个单元分 别计算其降雨径流、侵蚀和污染物流失量，根据单元的平均坡度和坡向对径流和 泥沙进行迁移演算至流域出口，累计总水土流失量及其携带的污染物质。它可对 7 河海大学硕士学位论文 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的由计算机完成。m o s t a g h i m i 等用a g n p s 模型很好 地模拟了1 1 5 3 h m 2 集水区的营养物量和产沙量：k a o 等1 将a g n p s 模型与w a s p 模型结合成一动态空间模型，估计了一远离溪水的水库中磷的负荷，为进行水质 规划提供了便利。h e 等【3 卸利用g i s 较强的数据处理功能，将g r a s s 和a g n p s 结合在一起，研究了密歇根州一个农业流域土壤侵蚀及营养元素( n 、p ) 的流失情 况，提出了农业最佳管理措施。l e o n 3 6 j 报道了一个可提供预处理和后处理工具、 模型控制和参数灵敏度分析的决策支持体系，给出了a g n p s 模型与决策支持体 系相连接的界面结构，并对模型做了描述：包括输入要求、工具的发展、提取必 要的数据步骤等。 s w a t ( s o i lw a t e r a s s e s s m e n t t 0 0 1 ) n k 文模型p q 包括：地表径流、横向流、地 下水流、蒸发、渠中水流路径等在内的水文平衡及相互作用，主要考虑了土地管 理和水质负荷，既可应用于土地利用以农业为主的集水区的模拟，也可帮助水资 源管理者评价水质、营养物和杀虫剂等非点源污染，进行规划和决策。b i n g n e r 等评价了集水区的尺度对s w a t 预测细沙产量的影响。s r i n i v a s a n p s j 将s w a t 和 g r a s s ( g i s 工具) 连接在一起，成功的模拟了德克萨斯的一流域的水文、土壤侵 蚀和泥沙输送，模型输入信息从g r a s s 中提取，减少了数据筛选和操作时间。 综合国外各非点源污染负荷模型，虽然其机理性、概念性很强，但是其参数 众多，很难同时求得，使得这些模型在实际应用上有一定的局限性。 1 2 3 ，2 国内非点源污染模型研究概况及评价 我国的非点源污染研究从8 0 年代的北京城市径流污染研究开始，关于非点 源污染的研究大都是借鉴国外非点源污染模型的研究成果，并结合自己的研究项 目，建立了一些区域性的经验模型，也取得了一些初步进展。由于受到水质监测 水平和资料缺乏的限制，研究成果还比较零散。 1 9 8 0 1 9 9 0 年我国的非点源污染研究仅是农业非点源的宏观特征的初步研 究。如计算汇水区农业非点源污染输出量的经验统计模型，从径流量与污染负荷 相关角度进行研究的城市径流污染负荷模型等。温灼如等根据苏州的实际情况， 建立了苏州暴雨径流污染的集总参数模型，采用水量单位线和污染负荷单位线来 计算流量和污染负荷；刘曼蓉等用相同的方法建立了南京城北地区的暴雨径流污 典型平原 可隔地区污染负荷摸型研究 染模型，并研究了输入径流模数与输出污染径流模数的相关关系，建立了相关统 计模型；朱营等通过研究农田暴雨径流污染特征及污染物输出规律，提出了区域 径流统计模型；李定强、王继增等1 3 9 】分析了杨子坑小流域主要非点源污染物氮、 磷随降雨径流过程的动态变化规律，建立了降雨量一径流量、径流量一污染物负 荷输出量之间的数学统计模型，并用该模型对流域的非点源污染负荷总量进行了 计算，得出了流域非点源污染物流失规律。 9 0 年代以来，将农业非点源污染负荷模型与3 s 技术结合、与水质模型对接 用于流域水质管理成为农业非点源研究的新生长点。由于在理论上缺乏突破性成 果，大多还是结合自己的流域特征引用国外的现有模型。非点源污染的宏观特征 研究、黑箱经验统计模型在农业非点源污染研究中仍然具有重要地位。李怀恩、 沈晋等建立了用逆高斯分布瞬时单位线法计算流域汇流的非点源污染物迁移机 理模型，较好地模拟了于桥水库及宝象河流域的洪水、泥沙和多种污染物的产生 和迁移【4 “。李怀恩等提出的机理性流域暴雨径流响应模型占有重要地位，它要求 参数少、应用范围广，适合我国目前资料短缺的非点源污染研究现状，但该集总 式模型不易解释非点源污染在流域内的空间分布，其推广性还有待检验【舢, 4 2 1 。 朱学愚等【4 3 1 用灰色系统理论方法和对流一弥散方程的特征有限元法模拟了 地下水中污染物随时间的分布，用趋势面分析和k r i g i n g 方法模拟了地下水中污 染物的空间分布，并进行了污染预测。从近年来的研究可以看出：关于非点源污 染对地下水的污染方面的研究很少，忽略了壤中流对地表水质的影响。 1 2 4 污染负荷模型总结及未来发展趋势 1 2 4 1 现有国内外污染负荷模型研究的不足 有学者进行过污染负荷模型的研究，建立起了太湖流域污染负荷模型，并将 模型成功运用到太湖流域河网水量、水质计算当中，但是在水质预测过程中也暴 露出一些问题。基于上述原因，有必要对原有的污染负荷模型进行改进，以期获 得更加准确的污染负荷时空分配过程，进一步提高水质模型的模拟精度。在非点 源模型研究方面，我国的非点源模型研究在近年来虽然得到较快发展，但由于受 重视程度和资金投入的不足，使得非点源污染研究现状明显跟不上与污染程度加 剧的趋势。所以说污染负荷模型还存在着诸多不足，需要在今后的研究中继续加 强，例如： 9 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) 污染负荷模型在进行水质模型的验证时，水质计算结果总体上反映了 河网水质状况，但计算值随时间的变化规律与实测值反映的变化趋势仍有较大偏 差。仔细分析后发现，暴雨初期水质较差的特点无法在模型中体现，这显然与模 型中污染负荷的时间和空问分配不合理有直接关系。模型中，点源和非点源污染 负荷的时间分配采用的是全年平均的做法，即将最终计算得到的污染负荷量按全 年天数平均，得到每天分区内的污染负荷发生量，也就是说每天进入河网的污染 负荷量相等，这种处理方法没有考虑污染负荷的产生与降雨的关系，负荷量随时 间的产出过程与实际情况显然是不符的。在非点源的空间分配上，模型中采用沿 河道长度平均分配的作法，这样处理没有考虑到污染物空间分布与河道的相对位 置关系以及河道的过水能力等因素，也是需要改进的地方。 ( 2 ) 有明确水文基础和污染物迁移转化机理的非点源污染模型中，研究性 的模型多，应用性的模型少。而机理型的模型要求的资料条件高，率定困难：经 验型模型具有的地域性特点，难以在大范围推广应用。即使是考虑污染物迁移转 化的机理模型，如a r m ( 农业径流管理模型) 等，在实际应用上参数太多，过 于复杂，率定困难，应用效果不太理想【甜1 。我国的非点源污染模型也多为经验型 模型。 ( 3 ) 多数模型只能适应于很小的流域面积，对实测资料( 降雨、径流、泥 沙和水质同步监测数据等) 的依赖程度高，很难应用于无资料或资料条件较差的 流域，对中大型流域模拟能力较差，不便于推广应用。非点源污染的研究调查工 作只是在个别城市或个别流域内展开，还缺乏全国性的系统普查分析，这就给建 立适用性较强的模型造成了很大困难。 ( 4 ) 长期以来人们研究的重点都放在农田径流和地表径流而带来的地表非 点源污染上，对大气干沉降这块非点源污染的研究重视不够，事实上干沉降所 带来的非点源污染负荷量也是很大的。 ( 5 ) 非点源污染的种类很多，目前的非点源污染迁移转化研究大都是针对 c o d 、n 、p 等常规指标，而对有毒污染物质的研究涉及较少。 1 2 4 2 非点源污染模型发展趋势 非点源污染模型发展至今取得了很大进步，然而在实际应用上还没有形成具 有广泛的实用性和通用性的模型，而且存在着参数多、精度不高、率定困难、对 1 0 典型平原河网地区污染负荷模型研究 资料缺乏地区的模拟计算不力等问题。总的来说，非点源污染研究在今后的发 展趋势有如下特点： ( 1 ) 非点源污染模型的预测能力普遍偏低，考虑污染物迁移转化的非点源 污染模型的模拟效果也不是很理想，为给建模、控制提供更加坚实的理论基础， 具有明确水文和污染物迁移转化机理的模型将有相当广阔的发展空间，开发能够 解决微观尺度机理和宏观尺度相统一的大中型流域模拟预测模型将成为必然。 ( 2 ) 集成化非点源污染模型将逐渐成为未来非点源污染模型开发的主流。 在各类非点源污染模型推广应用存在困难的隋况f ，研究不同气候水文条件下的 非点源污染模型，而后统一集成开发为由专家系统控制、g i s 支撑的非点源污染 模型软件将成为未来非点源污染模型和计算机软件开发的主流，它具有人机对 话、专家分析和g i s 快速选择参数等优点。 ( 3 ) 3 s 技术与非点源模型的结合将成为非点源模型研究领域中的热门课 题。由于非点源污染过程与流域地形、土壤、植被、土地利用等下垫面情况密切 相关，因此能否获得准确大量的地面信息是影响非点源模型应用效率和可靠性的 致关重要的因素。计算机技术和3 s ( 地理信息系统g i s 、遥感技术r s 和全球定 位系统g p s ) 技术的发展为非点源污染研究提供了全新的手段。g i s 的空间信息 管理的综合分析能力、r s 的空间动态监测能力及g p s 的高精度定位能力为此奠 定了良好的的技术基础。 ( 4 ) 非点源模型与大型流域管理模型相结合将成为开发的重点。由于非点 源污染是流域内影响水质的主要原因之一，因此流域非点源模型将成为大型流域 管理模型的重要组成部分。可以预见，随着流域集成管理概念的广泛接受和采用， 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。 美国国家环保局主持开发的b a s i n s 模型和h s p f 模型就代表着这类模型的出现 【4 5 】。 ( 5 ) 非点源污染涉及环境化学、水文学、地质学、管理学等多门学科，是 一种边缘学科。哪一门学科的新突破都能为非点源污染研究提供新的研究思路和 方法。所以从别的学科寻找研究方法也是今后的发展方向。 河海大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作内容和技术路线( 创新点) 1 3 1 研究的主要内容 1 典型小流域非点源污染物流失规律研究分析 ( 1 ) 典型地块内土壤氮素的流失特征； ( 2 ) 典型地块内土壤磷素流失特征； ( 3 ) 全流域污染物流失规律研究分析 2 污染负荷模型的建立 在总结d e l f t 水力研究所建立的污染负荷模型( w l m ) 的基础上，通过对无 锡地区各种污染源及其排放去向的调查和分析，对前人的研究成果做出以下改进 工作： 原有模型的路径分配比例是均等的，这与各个地区的实际情况不符。此次， 在无锡( 市区) 、宜兴大浦等典型地区调研得出了各种污染物合理的处理路径及 分配比例。 将非点源产污模型引入污染负荷模型，使得污染负荷的时间分配过程更趋 合理。在时间分配方面，原有模型是根据污染物流失率和农田化肥使用量推求进 入河网的污染负荷总量，并在时间上对其进行平均分配。此次，我们通过实验， 得到不同污染物随降雨径流的污染负荷的输出过程，结果显示各污染物随降雨强 度的变化存在明显峰值，不能按平均浓度计算，所以通过实验得到了单位面积径 流量( 净雨深) 与单位面积污染物输出量的相关关系，计算得出年污染负荷输出 量，按照日降雨量在年降雨量中的权重分配污染负荷量，得到每日进入河网的污 染负荷量。 综合考虑污染负荷发生地与河道间的距离以及河道过水能力等因素，使得 污染负荷的空间分配过程也更趋合理。在空间分配方面，提出两种分配方法。一 是在陆域宽度多边形内生成网格，根据网格内的下垫面分布将非点源污染负荷分 配到网格上，以网格到概化河道的距离和河道过水能力为权重因子，计算从网格 迁移到河道中的污染负荷量。二是按计算河道在陆域宽度多边形的总河道中的长 度权重进行分配。 3 模型的率定和验证 将该模型的输出结果作为河网水量、水质模型的边界条件和源项，可有效提 典型平原河弼地区污辩负荷模型研究 高模型的模拟精度，更准确的反映污染物的时空变化规律。为了使污染负荷模型 的准确性更高，需要对模型的参数进行初步率定，选定江苏省无锡地区的河网用 水量、水质模型进行试算，模拟的水质指标选定为c o d 、氨氮、t p ，经过反复 调试后使污染负荷模型的各项参数更加接近真实情况。 1 3 2 研究的技术路线 本文采用的技术路线为： 图1 1 技术路线图 1 3 河海大学硕士学位论文 2 非点源污染物流失影响因素的实验性研究 在非点源污染负荷中，农业非点源污染负荷是最主要的组成郝分。所谓农业 非点源污染负荷主要指在农业生产活动中农田土壤中的氮素、磷素、农药以及其 它有机或无机污染物质，在降水过程中通过农田地表径流和地下渗流，进入水体 的污染物质。其中，氮素和磷素是造成水体富营养化的最直接的原因。 影响n 、p 等非点源污染物流失的主要因素为：土地利用类型、降雨径流、 土壤质地和组成、土壤有机物和养分含量、地表蓄水量、渗透率、坡度、坡长、 地长等。在这些影响因素中，有许多因素在一定程度上都与土地利用类型有关， 与土地利用无关的因素主要是气象因素、地形因素、土壤因素、水土保持措施等。 所以下面将进行n 、p 等土壤非点源污染物流失的影响因素分析，确定其主导影 响因素，然后在一典型小流域上，通过室内和野外实验的方法研究其主导影响因 素对非点源污染物流失的影响。 2 1 n 、p 等土壤非点源污染物流失影响因素分析 大量的文献研究表明，土壤营养物的流失不但与水文循环早期阶段的降雨强 度、降雨历时等因素有关，而且与该地区的土地利用类型、土壤性质、土壤类型、 土壤有机质和土壤水分分布也有很大的关系。所以有必要从污染物流失途径过 程，对土地利用类型、降雨径流冲刷、土壤性质、土壤有机质等污染物流失影响 因素进行分析。 2 1 ，1 土壤磷紊和氮素的流失途径” 1 ) 土壤磷素流失途径 土壤中的磷可分为溶解态磷和颗粒态磷两类。由磷素的迁移转化过程可知， 由于土壤对磷的强固定作用，磷在土壤中的迁移主要集中在表土层f 4 t 47 1 ，只有当 过量施磷使得土壤达到饱和后，才会发生磷的垂向迁移4 引。土壤磷流失的主要途 径是农田排水和地表径流，当土壤砂性较强或土壤磷含量过高时，也会有很大一 部分溶解态随地下径流流失1 4 9 1 ，农田土壤磷流失的主