（环境工程专业论文）太湖流域典型圩区农业非点源污染产污规律及模型研究.pdf

摘要 农业非点源污染是水系或水体水质恶化的最主要原因，同时也是土地生产力退 化的直接动因，农业非点源污染又往往与流域水文过程具有不可分割的关系。太湖 流域现有圩区总面积约1 4 5 4 1 平方公里，占流域平原陆域面积的5 1 。这些圩区有 效保护了人民的生命财产安全，促进了经济发展和社会稳定，但由于土壤中肥料、 农药、盐分的淋溶而不断积聚，引起圩区水质变化，给区域生态环境带来影响，对 流域水环境构成严重威胁。同时由于圩区与外界水流交换的特殊性，其营养盐产生、 迁移及转化规律亦具有其独特性和复杂性，因此研究太湖流域典型圩区非点源污染 产污特征具有十分重要的意义。 本文在太湖流域平原河网地区选择典型圩区以及试验小区，开展野外原位试 验。通过野外观测和室内分析相结合的方法，研究圩区及不同土地利用下各形态营 养盐在自然降雨径流驱动下的迁移特征，建立了稻季营养盐的迁移通量与径流通 量、施肥量及降雨距旌肥间隔天数等因素的定量化关系，重点分析了不同土地利用 下营养盐迁移的频率分布特征和空间分布特征，以及导致营养盐迁移时空分布存在 显著差异的主要原因，对比了不同土地利用下各形态营养盐的迁移通量。 研究中采用美国农业部农业研究局( a r s ) 开发的s w a t 模型进行非点源污染 模拟计算，s w a t 模型是一个连续时间的分布式模型。本次研究尝试将s w a t 模型 运用在中国太湖平原河网地区典型圩区，预测流域内复杂变化的下垫面条件、土地 利用方式及不同管理措旄对流域产汇流及非点源污染物质的产输出的影响。利用0 6 年5 月1 8 日至0 6 年1 0 月3 1 日圩区的实测资料进行模型的率定，结果表明s w a t 模型可以应用于太湖流域典型圩区的非点源污染模拟。 关键词：农业非点源污染s w a t 模型太湖流域圩区参数率定 a b s t r a c t a st h em a i nr e a s o nf o rt h ew o r s ew a t e rq u a l i t y , a g r i c u l t u r a ln o n p o i n tp o l l u t i o n ， w h i c ha l s oc a u s e ss o i lp r o d u c t i v i t yt od e g e n e r a t ed i r e c t l y , i st i g h t l yr e l a t e dv e i t ht h e h y d r o l o g i c a lp r o c e s s t a i h ub a s i nh a sa b o u t1 4 ，5 4 1k m 2p o l d e r s ，w h i c ht a k eu p5 1 o f t h el a n da r e ai ni t sl a n dp l a i n t h e s ep o l d e r sp l a yap o l ei np r o t e c t i n gt h es a f e t yo f p e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t i e sa n dp r o m o t i n gt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a l s t a b i l i z a t i o n h o w e v e r , d u et ot h ea c c u m u l a t i o no ff e r t i l i z e ra n dp e s t i c i d ei ns o i la n dt h e e l u v i a t i o n so fs a l i n i t y , w a t e rq u a l i t yo ft h e s ep o l d e r sc h a n g e dt ob ew o r s e ，t h e e n t i r o n m e n tw a si n f i u e n c e d ，a n dw a t e re n v i r o n m e n th e r ew a st h r e a t e n e ds e v e r e l y f o ri t s u n i q u eh y d r o l o g y , t h er u l eo ft h en o n - p o i n tp o l l u t i o no fp o l d e ri sp a r t i c u l a ra n di sv e r y i m p o r t a n tt ob es t u d i e d a t y p i c a la g r i c u l t u r a lw a t e r s h e da n dr u n o f fp l o t si np o l d e ra r e a sa r o u n dt a i h ul a k e w e r es e l e c t e da n de x p e r i m e n ti ns i t uw a sc o n d u c t e d t h et r a n s p o r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u sf o r m sn u t r i e n t sd r i v e d b y n a t u r a lr m n f a l l r u n o f fw e r es t u d i e d b yf i e l d o b s e r v a t i o n sa n dl a b o r a t o r yt e s t i n g s r e g r e s s i o nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt r a n s p o r a t i o n f l u x e sw i t hr u n o f ff l u x e sa n df e r t i l i z a t i o nw e r es e tu p t e m p o r a lv a r i a t i o no fa g r i c u l t u r a l n u t r i e n t sc o n c e n t r a t i o nu n d e rr a i n f a l lc o n d i t i o nw a sa n a l y z e da l s o f u r t h e r m o r e ，d i f f e r e n t l a n du s e si nt h ew a t e r s h e dw e r ei n v e s t i g a t e do n 盘e q u e n c ya n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fn u t r i e n t sl o s s e si ns u r f a c er u n o f f t h em a i nr e a s o n sa b o u ts i g n i f i c a n t d i f f e r e n c eo fs p a t i nd i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e da n dt r a n s p o r t a t i o nf l u x e so fn u t r i e n t s w e r ec o m p a r e db e t w e e nd i f f e r e n tl a n du s e s ， s w a tm o d e ld e v e l o p e db yu s d aa g r i c u l t u r a lr e s e a r c hs e r v i c e ( a r s ) i su s e dt o e s t i m a t et h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n i ti sac o n t i n u o u sa n dd i s t r i b u t e dm o d e l i ti sa r t a t t e m p tt ou s ei ti nt h ep o l d e ra r o u n dt a i h u b a s i n p r e d i c tt h ei m p a c to fl a n dm a n a g e m e n t p r a c t i c e s o nw a t e r , s e d i m e n ta n da g r i c u l t u r a lc h e m i c a l y i e l d s i n l a r g ec o m p l e x w a t e r s h e d sw i t hv a r y i n gs o i l s ，l a n du s ea n dm a n a g e m e n tc o n d i t i o n s d a l i yd a t as e r i e so f m a y18 t ht oo c t31 t ho f2 0 0 6w e r eu s e dt oc a l i b r a t e d c o r r e l a t i v ep a r a m e t e r s t h e p r e c i s i o no f t h es w a tm o d e li sf a i r l yg o o d k e yw o r d s ：a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o l l r c ep o l l u t i o n ；s w a tm o d e l ；t a i h ul a k eb a s i n ； p o l d e ra r e a s ；p a r a m e t e rc a l i b r a t i o n 本研究得到国家自然科学基金重点资助 项目“太湖流域富营养化控制机理研究” ( 5 0 2 3 9 0 3 0 ) 的资助。 学位论文独刨性声明： 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i 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，： 鱼聋垦兰 。7 年够月日 学位论文使用授权说明 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) ： 雏兰椤年配月声日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 太湖流域是我国经济比较发达的地区之一，但同时也是我国水体污染较为严重 的地区之一。2 0 0 4 年太湖流域水资源公报的数据显示，流域河流水质状况整体差于 2 0 0 3 年，汛期水质略好于非汛期。全年期9 3 5 的评价河长水质劣于i 类，流域整 体水质状况不容乐观。1 9 9 8 年太湖零点行动后，控制了相当部分的点源污染，但太 湖水质并没有明显改善。点源治理效果的持续性固然存在一定的问题，但对于非点 源没有采取有效的控制措施是重要原因之一。 非点源污染o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n ) ，自上个世纪7 0 年代被提出和证实以 来对水体污染所占比重随着对点源污染的大力治理呈上升趋势，而农业非点源污染 是非点源污染的最主要组成部分，重视农业非点源污染是国际大趋势。在美国，自 从上世纪6 0 年代以来，虽然点源污染逐步得到了控制，但是水体的质量并未因此 而有所改善，人们逐渐意识到农业非点源污染在水体富营养化中所起的作用【1j 。经 统计，非点源污染约占总污染量的2 3 ，其中农业非点源污染占非点源污染总量的 6 8 8 3 ，农业已经成为全美河流污染的第一污染源 2 】。农业非点源污染问题日 益突出，开展相关研究寻求解决非点源污染治理的方法尤为必要。 太湖流域现有圩区总面积约1 4 5 4 1 k m 2 ( 其中耕地面积8 9 3 4k m 2 ) ，占流域平原 陆域面积的5 1 嘲。这些圩区有效保护人民的生命财产安全，促进了经济发展和社 会稳定。但由于土壤中肥料、农药、盐分的淋溶而不断积聚，引起圩区水质变化， 给区域生态环境带来影响，对流域水环境构成严重威胁，因此对于圩区非点源污染 特征的研究就显得十分重要。鉴于圩区与外界水流交换的特殊性，其营养盐产生、 迁移及转化规律具有其独特性和复杂性，国内外目前相关研究较少。一方面，由于 圩区处于平原河网地区，河道纵横交错，地势低平，加上径流和潮汐双重作用以及 人为活动的强烈于预，导致水流流向不定，水文和水动力特征十分复杂，造成这类 地区非点源污染物的迁移规律比较特殊。然而目前的农业非点源污染模型大多建立 在地形有一定起伏的丘陵地区，以自然出流的流域作为研究对象，缺少专门针对类 似圩区这种控制出流的小区的非点源污染模式。另一方面，由于圩区稻田面积占耕 地面积的比例较高，是主要的土地利用方式。其水分和营养盐的运移和转化特征不 同于旱地，与水肥等农事管理活动密切相关。然而目前农业非点源污染模型大多以 旱地作为研究对象，缺少专门针对以稻田为主的圩区的非点源污染负荷计算模式。 因此，需要结合圩区水流运动和污染物迁移的特点，采用野外试验、室内分析 和模型研究等多种手段，对各类非点源污染的产生、迁移和转化规律进行系统研究， 分析各种污染源在时间和空间上的分配特征，提出适合平原河网区典型圩区特点的 非点源污染负荷计算理论和方法。 本文在分析总结国内外相关文献的基础上，选择太湖流域平原河网区典型 圩区荻泽联圩作为研究区域，收集并整理该圩区的基础资料，分析圩区非点源污染 现状及存在的问题，在稻季开展圩区非点源污染产生以及迁移转化规律的野外原位 试验，比较分析不同土地利用类型下圩区氮素、磷素营养盐产生及迁移特征，建立 圩区稻季降雨径流各营养盐迁移通量及径流通量、施肥量以及降雨距施肥日期间隔 天数三因素的响应关系，为流域水资源的合理配置和规划等战略决策提供了有力地 技术支撑。 1 2 农业非点源污染机理研究综述 农业非点源污染是指在农业生产活动中，农田中的泥沙、营养盐、农药及其它 污染物，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏， 进入水体而形成的非点源污染。这些污染物主要来源于农田施肥、农药、畜禽及水 产养殖和农村居民。农业生产与农村生活污水是太湖地区水体富营养化的主要因子。 太湖流域农业的特点是集约化程度高，化肥与农药的大量使用一方面促进了农 业增产，另一方面也对生态环境带来了严重的负面影响。过量的氮肥施用，氮、磷、 钾比例失调，加之不合理的使用方法，使得氮肥利用率只有3 0 3 5 ，没有被利用 的氮素进入大气和水环境中，造成非点源污染。不同土壤条件、土地利用类型、耕 作制度和管理水平下的模拟和野外原位实验结果都表明径流中各种形态营养盐含量 与土壤旆肥量呈显著相关关系【4 。7 】，可见，化肥施用量的增加将导致农业非点源污染 将随呈不断上升态势。因此，有关农业非点源污染物产生、转化和迁移的机理研究 已成为国内外学者关注的焦点。 1 2 1 农业氮素迁移转化机理 农业氮素的损失或流失是农业氮素面源的主要贡献者，已报道的农业氮素面源 研究较多地针对氮肥的一种或几种周转产物而进行，如田间土壤或排水途径下的硝 氮( n 0 3 - n ) 淋溶流失8 、氨氮d h 4 + n ) 挥发损失l o , 1 1 1 、氮氧化物等温室气体的释 放【1 2 1 ，或旱作土壤地表径流的多种形态氮素的流失 1 3 - 1 7 1 等f 1 8 1 。 朱兆良 1 9 】等通过研究n h 4 h c 0 3 施入土壤后，不同时间和距离n 凰+ 浓度变化， 发现其离子呈球形扩散。由于土壤颗粒和胶体般带负电荷，对n h 4 + 具有很强的吸 附作用，i - 1 4 + - n 主要以扩散的方式发生迁移。所以大部分可交换态铵存在于土壤中， 被淋溶的量很少。而n 0 3 一n 主要以质流方式迁移，由于土壤胶体所带负电荷对 n 0 3 - n 的吸附作用甚微，故n 0 3 n 易遭受雨水或灌溉水淋洗而进入地下水或通过 径流汇入地表水。 当降水强度小于土壤入渗率时，表土氮素特别是硝态氮在土壤深层沉积。当土 壤侵蚀发生时，表土硝态氮下渗并未停止，且随着饱和水流在土壤剖面往下迁移。 当降水消失后，入渗的硝态氮则在土壤剖面进行扩散和质流，其中一部分随着根系 延伸被作物根系吸收利用，另一部分则淋溶到作物不能利用的深度，污染地下水源 【2 0 1 。氮的淋溶损失是指土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以下，从而不能被作 物根系吸收所造成的氮素损失，它是一种渐进过程【2 ”。土壤氮素淋溶损失受多种因 素影响，主要有进入土壤的水量和水流强度、土壤特性、轮作制度、施肥制度、氮 肥种类、氮肥施用量和施用方法等。 王丽英等瞄】通过研究小麦返青和孕穗2 个生育时期的土壤硝态氮含量和分布， 分析了氮肥施用和灌溉对土壤硝态氮淋溶的影响。张庆利 2 3 】等通过土柱模拟氮素养 分的淋洗试验，探讨包膜控释氮肥和常用氮肥的氮素淋失特点及其对土壤和地下水 质量的影响。研究结果表明，不同氮肥施入土壤后氮素的淋失率有着显著的差异， 其中硝酸钾中氮素淋失率最高，其次为尿素，硫酸铵和碳铵的氮素淋失量明显较小。 郭建华等阱1 利用标记1 5 n 尿素研究不同施肥量和淋溶对小麦生长的影响，结果表明 水分淋溶对小麦生长的影响不明显，地上部生物产量与肥料利用率成正相关，小麦 根系越发达，收集到的淋溶液越少，损失的肥料n 越少。旌用相同量的氮肥，淋溶 处理的氮肥利用率略低于正常浇水的处理。 研究发现 1 9 , 2 5 ：有机氮肥如尿素施入农田，特别是淹水的水稻田，在厌氧或好 氧的条件下均能首先转化为氨氮，氨氮有可能经硝化细菌生成硝氮，硝氮进而也有 可能经反硝化细菌作用生成氮氧化物、氮气。因此，尿素施入水稻田后的较长时期内， 田间不同形态及途径下的氮素损失或流失的重要来源为氨氮【1 8 1 。无论是在酸性还是 碱性土壤中，尿素施入稻田后都存在氨挥发损失 2 6 - 3 1 】，其损失量占施n 量的比例为 0 4 1 4 0 【3 2 1 。影响氨挥发损失的主要因素有：当地气候条件( 如光照、温度、湿 度、风速、降雨量) 、施肥时期以及田面水的n h a + - n 浓度等因素的影响大气氮湿 沉降与施肥量和降雨量有关。另外，可以通过混施尿素一氯化钾【3 、尿素磷酸钙 以降低土壤微域的p h 值、加入脲酶抑制剂和藻类抑制剂以及适当的施肥管理 措施( 如早地土壤混施尿素或灌水前混施尿素或深施大颗粒尿素等) 降低氨挥发损 失。邓美华 3 6 等采用密闭室法研究苏南地区稻麦轮作体系中，不同施氮量和施氮方 式对水稻和小麦生育期氨挥发的影响。优化施肥能明显降低稻一麦轮作系统中的氨 挥发损失，优化和习惯的氨挥发损失量占n 肥施用量的百分比分别为7 0 5 1 3 7 和9 8 1 o 3 8 。 通常认为农田地表径流引起的氮磷流失是地表水水体富营养化的主要原因。降 雨造成的地表径流带走了农田中颗粒态和水溶态的养分，不仅降低了土壤肥力和化 肥的利用效率，而且会成为水体富营养化的非点源污染源，引起水质恶化问题。因 此，研究降雨径流中氮磷养分流失规律，对协调农业生产与水环境保护问题具有重 要意义，有关农田生态系统中氮磷等养分随地表径流向水体的迁移输送已引起了广 泛的重视。目前，对于农田氮磷径流损失的研究手段主要有两种：一种是通过较长 事件的实际观测和定量分析，建立地表径流与含氮磷量的相关关系，另一种是利用 野外或室内人工降雨试验获得有关参数以开展定量研究。后一种研究手段由于条件 能够控制而更加利于定量化的研究i 3 “。 影响氮径流损失的因素主要包括流失形态( 包括径流携带、侵蚀泥沙) 、降雨、 肥料种类、植被覆盖度、不同的土地利用方式以及耕作制度等98 1 。降雨和径流是土 壤氮素流失的主要动力。王小治等3 9 】干0 用大型原状土柱发现包膜尿素在基施情况下 田面水总氮浓度始终接近对照水平，通过径流损失的可能性很小，尿素处理施肥后 2 天内田面水氮浓度达最高值，然后急剧下降，施肥与径流产生时间的间隔是决定 径流氮排放大小的关键因素，施肥后5 天的降雨不易造成大的径流排放，氮径流损 失与尿素施用量呈正相关。 4 1 2 2 农业磷素迁移转化机理 长期大量的施用磷肥，会明显提高土壤耕层有效磷的积累，增加农田土壤磷素 流失的风险和数量，对河流、湖泊水体富营养化将构成威胁。据w a d d e l l 和 b o w - e r 4 1 1 估计，施用的磷肥约5 扩散到大气中，土壤吸附固定5 5 7 5 ，植物 吸收7 1 5 ，被径流带入地表水5 1 0 ，沥滤到根区以下的土壤或地下水 q u a l 2 e 模型 q u a l 2 e 模型可以模拟分汊河流中的几种水体质量指标，它利用的是有限差分 格式e v f i e s 和h r o m a d k a1 9 9 3 ) 。计算时河道被划分为一系列的子段，每一子段都 具备有水量平衡、热平衡、污染物平衡。q u a l 2 e 是最初由德克萨斯水开发委员会 开发的一系列水质模型中最新的模型，现在由美国环保局的开放环境评价模型中心 ( c e a m ) 支持后续开发。 a g n p s 模型 a g n p s 是由美国农业研究局( a r s ) 和明尼苏达污染控制局( n r c s ) 于2 0 世纪 8 0 年代共同研制开发的农业非点源计算机模拟模型【5 3 1 ，是一种基于场次的分散流 域模型，主要用于估算流域的侵蚀速率、土壤流失量，以及从流域流失的营养量， 包括氮、磷、有机碳等。模型参数定义在栅格上，由水文、侵蚀和化学传输三大模 块构成，广泛用于农业非点源模拟的计算机模型，用于评价不同农业管理措施对非 点源污染输出的影响，选择最为有效的方案，达到控制农业非点源的目的。水文模 块采用s c s 曲线法，用以预测次暴雨径流量；侵蚀模块以u s l e 方程为基础模拟土 壤侵蚀和沉积。 由于a g n p s 属于单一事件模拟模型，在应用中有许多局限，到a g n p 5 0 版 本后就停止了开发。至9 0 年代初，a r s 和n r c s 转向为开发连续模拟模型 a n n a g n p s 5 4 , 5 5 。a n n a g n p s 模型改变了a g n p s 模型均等划分分室的方法，按流 域水文特征( 集水区) 将流域划分为一定的分室，并以日为单位连续模拟一个时段内 各分室每天及累计的径流、泥沙、养分、农药等的输出量，用于评价流域内非点源 污染的长期作用效果。模型另一处改进是采用修正的通用土壤流失方程( r u s l e ) 预 测各分室的土壤侵蚀。 b a s i n s 美国国家环保局主持开发的多目标环境分析系统b a s i n s0 3 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 i n t & n o n p o i n ts o u r c e s ) 5 6 】将地理信。g n 统( g i s ) 、流域数据、环 8 境评价和模型工具集成在一个体系架构当中。最新版本b a s i n s3 1 由w i n h s p f 、 g e n s c n 、w d m u t i l 、s w a t 、p l o a d 和a g w a 等构成。其中w i n h s p f 是h s p f 模型的w i n d o w s 界面程序版本；g e n s c n 是模型的后处理和方案分析工具，用于h s p f 和s w a t 模型的输出；w d m u t i l 用于管理和创建包含h s p f 所需的气象资料和其它 时间过程数据的流域数据管理文件；p l o a d 是估算流域非点源污染的g i s 和电子 制表工具；s w a t 是土壤和水评价工具分析模型；a g w a 是流域径流和侵蚀模型。 其中s w a t 模型是一种长时段流域分布式连续性的物理模型，属于第二类分布 式水文模型，主要用于预测大型流域管理措施对水质、泥沙和化学物质的作用。在 每一个子流域上应用传统概念性模型推求净雨，再进行汇流演算，最后求得出口断 面流量。 1 _ 3 3 非点源污染模型与g i s 技术 基于物理的分布式模型力图通过描述实际的物理过程来模拟发生在流域上的水 文过程及污染物的迁移变化5 7 1 。传统的分布式模型的需要大量的输入数据来描述整 个流域各方面的特性，计算起来是很不方便的。非点源污染在应用中的主要限制体 现在难以获得大量的输入参数，并且也缺乏管理这些数据的能力，而这正是g i s 的 优势所在。两者在研究对象及功能上的相似性和互补性，使得g i s 和流域分析模型 越来越紧密的联系到一起来处理数据，使得模型对流域水文过程和水环境的模拟也 更加真实和实用。 利用g i s 来处理流域数据时有几种不同的数据模型 5 8 】。一个是栅格数据，它 是利用许多大小相等以行和列组织的方格来代表整个的流域；一个是t i n ，利用相 连的不规则三角网来代表流域的分布属性。栅格数据适于使用有限差分方法，而t i n 数据适用于径流计算中的有限元方法。在水文模型中一般利用则是基于栅格的数据， 主要因为栅格数据系统已经使用了数十年来处理数字图象，有了成熟的处理方法 ( m a i d m e n t ，1 9 9 2 ) 。不同模型中，和g i s 的结合方式不一样。t i m 和j o l l “1 9 9 4 ) 指 出目前的g i s 和模型的结合有三种不同的层次：第一种层次，称为松散结合，g i s 和模型分别开发，独立运行；第二种层次，部分结合，在g i s 和模型之间建立了交 互的接口：第三种层次可以称为完全结合或是g i s 模型。 g i s 与非点源污染模型结合，能将不同比例尺及坐标系统的空间数据进行转换 和标准化，使得非点源污染模型可以直接利用其数据，同时能将模拟结果进行空间 9 显示，丰富了非点源污染模型【5 9 】。 1 3 4 非点源污染模型局限及发展趋势 我国对于农业非点源污染的影响并未引起起足够重视，参与研究的人员较少， 投入资金有限，机理模型研究成果较少，主要是引进和消化国外模型，应用多，开 发少。参考国外的模型也只是相对简单的模型，对国外己有的一些复杂的机理性模 型应用更少。简单估计类模型的污染物估计部分过于简化，仅通过水质与水量( 流 量) 相关途径来模拟污染负荷或浓度过程。各类非点源模型均对实测资料( 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较少流 域。现有模型主要在较小的流域面积范围内应用和验证，对中大型流域模拟能力弱。 即算是很小的流域，仍然存在资料无法准确获得的问题。 未来非点源污染模型的发展方向【6 0 主要在于：1 ) 模型的集成化程度不断提高； 2 ) 统计模型与机理模型并存；3 非点源污染模型的不确定性分析；4 ) 3 s 技术与模 型的集成：5 ) 平原水网地区的非点源污染模拟研究：6 ) 海洋、地下水非点源污染 模拟研究。 1 4 研究内容及技术路线 本文采用野外试验和室内分析相结合的方法，在太湖流域平原河网地区选择典 型圩区，对圩区及不同土地利用类型下营养盐迁移的频率分布特征以及时空分布特 征进行深入研究，旨在揭示平原河网地区的圩区区别于其它地区的营养盐随农田降 雨径流的迁移特征。在试验研究的基础上，建立了适合圩区的农业非点源污染污染 模型，对圩区各形态的营养盐的运移和转化规律进行数值模拟，为流域水资源的发 展规划和整体战略提供技术支撑。研究的技术路线见图1 4 1 ，主要研究内容包括以 下几个方面： ( 1 ) 在太湖流域平原河网地区选择典型圩区开展野外原位试验，选择4 种有代 表性的土地利用类型建立径流试验小区，开展自然降雨条件下不同土地利用方式对 土壤养分随地表径流迁移的影响，重点分析了营养盐迁移的频率分布特征和空间分 布特征，以及导致营养盐迁移时空分布存在显著差异的原因，对比了不同土地利用 的营养盐迁移通量。 ( 2 ) 在太湖流域选择典型圩区开展野外原位试验，通过在圩区出口处布置水文 水质同步监测点观测小流域各形态营养盐在自然降雨径流驱动下的迁移特征，建立 了太湖流域典型圩区稻季营养盐迁移通量与径流通量、施肥量和降雨与施肥时间的 时间间隔的定量化关系。得出如下规律：一次施肥后某次降雨径流产生的营养盐迁 移通量与时隔天数呈指数递减关系，与施肥量及径流通量呈正比关系。发现考虑施 肥影响因素的指数拟合结果比仅考虑径流通量的直线拟合与实测值更为吻合。计算 结果表明，非点源污染对局部时段和局部地区的水质影响程度较大。 ( 3 ) 实现了s w a t 模型在圩区中的应用，采用虚拟水库控制技术解决了s w a t 模型在圩区中的应用问题。 ，一一、 问题的提出 l 太湖流域典型圩区非点源污染产生、非点源污染负荷模型s w a t 、 迁移及转化试验研究 ，。 研究 厂、 不同土地 圩区地表 圩区地下 i 受纳水体水质模型 利用下营水流及营水流及营 污染物迁移转化模型 养盐流失 养盐输移养盐输移 侵蚀和泥沙输移模型 特征研究特征研究特征分析 l 降雨径流模型 i jiii s w a t 模型在太湖流域典型圩区中的应用 i 太湖流域典型圩区非点源污染产污规律 图1 4 - 1 论文技术路线框图 1 5 论文的创新点 本文的创新点主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过在太湖流域典型圩区荻泽联圩中选择4 种有代表性的土地利用类 型建立径流小区，采用野外田间试验和室内分析相结合的方法，得出不同土地利用 在自然降雨条件下农田营养盐的迁移特征。 ( 2 ) 在太湖流域平原河网地区选择典型农业小流域开展野外原位试验，研究农 田土壤中各形态营养盐在多场自然降雨一径流驱动下随径流的迁移特征，建立了太湖 流域典型圩区稻季营养盐迁移通量与径流通量、旖肥量和降雨与施肥时间的时间间 隔的定量化关系。得出如下规律：一次施肥后某次降雨径流产生的营养盐迁移通量 与时隔天数呈指数递减关系，与施肥量及径流通量呈正比关系。与仅考虑径流通量 的直线拟合关系对比，发现考虑施肥影响因素的指数拟合结果与实测值更为吻合。 ( 3 ) 实现了s w a t 模型在圩区中的应用，采用虚拟水库控制技术解决了s w a t 模型在控制出流的圩区中的应用弊端。 第二章圩区内不同土地利用下营养盐迁移特征 平原河网圩区是农业活动比较频繁的地区，特别是湖岸周围的圩区，由于距离 太湖较近，在降雨条件下随径流流失的农田营养盐是太湖非点源污染物的重要来 源。因此选择位于太湖流域平原河网地区的荻泽联圩作为研究农田营养盐迁移特征 的典型试验具有很好的代表性。 大量研究表明6 2 ，6 孙，不同土地利用下的农田营养盐迁移特征存在显著差异， 这与土壤理化性质、植被覆盖度等因素密切相关。因此，研究不同土地利用方式对 土壤养分迁移特征的影响对于建立可持续的土地利用模式具有重要的指导意义，同 时也可为定量估算土壤养分迁移通量提供重要的理论依据。 目前定量研究不同土地利用下的农田营养盐迁移特征多采用以下两种方法。其 一是选择有代表性的小流域，通过分析河道水质的变化间接反映小流域农田营养盐 的迁移特征f 6 4 ，6 5 1 。其二是建立人工控制的径流小区直接研究营养盐的迁移特征和机 理，这种方法又可细分为两种类型。一是利用人工降雨装置模拟自然降雨条件，其 优点在于试验条件易于控制，便于研究不同地形特征和降雨条件对氮素迁移的影响。 二是在自然降雨条件下，进行长期的野外原位试验【6 6 】，由于其试验条件更接近于真 实环境，试验结果能更加准确地反映农田营养盐随地表径流迁移的时空变化特征。 目前，有关径流小区的试验研究多采用人工降雨法 6 1 ，6 7 1 ，采用长期野外原位试验进 行自然降雨条件下营养盐迁移特征的研究较少。 本章通过在无锡荻泽联圩选择有代表性的土地利用进行长期野外原位试验，揭 示了自然降雨条件下地表径流营养盐浓度的频率分布特征，对比分析了各种营养盐 形态随空间的迁移特征。 2 1 太湖流域圩区概况 2 1 1 太湖流域圩区发展及分布概况【6 8 】 太湖流域是长江最下游的以太湖为中心，以黄浦江为主要排水河道的一个支流 水系。流域界西抵天目山和茅山山脉，北滨长江口，东临东海，南濒杭州湾，总面 积3 6 8 9 4 ：9 k m 2 。流域地势西高东低，大致可以分为西部山丘区和东部平原区。流域 地貌分为山丘区和平原区，西部山丘区面积7 3 3 8k m 2 ，山区高程一般为2 0 0 5 0 0 m ， 丘陵高程一般1 2 3 2 m ，约占总面积的2 0 ；中部平原区1 9 3 5 0k m 2 ，高程般低于 5 m ，约占总面积的5 2 ；沿江滨海平原区7 0 1 5k m 2 ，高程一般5 - 1 2 m ，约占总面积 的1 9 ；太湖湖区3 1 9 2k m 2 ，占总面积的9 。流域各分区山丘区与平原区面积见 袁2 1 - 1 。 太湖流域现有圩区总面积1 4 5 4 1k m 2 ，占流域面积的3 9 4 。流域中部平原， 地势低洼，湖泊洼地遍布。这些洼地高程低于长江高潮位，受江水倒灌淹没；同时 洼地也是江水的积涝之处，一遇大水，洼地积水，雨后随潮位涨落排入长江和东海。 这种洼地分布在全流域高程不等，在湖西区高程约4 5 m ；在杭嘉湖区及阳澄淀泖 区约3 - 4 m ，在浦西青松地区为2 5 3 5 m 。 平原洼地即是圩区的前身。洼地的开发随着人口增加和经济发展而兴起。人们 先在水中围垦洼地，成陆以后，不断经营，先作为农田经营，以后圩区不断巩固， 人们也就居住在圩区。现在有许多城市和集镇也都在圩区内，如无锡市、嘉兴市， 太湖流域的圩区已成为经济最集中的地方。自传说中的赵国范蠡在苏州东北郊围田 以来，圩区发展已经过了近2 5 0 0 年的历史，其中主要是唐朝以后1 2 0 0 年形成的。 表2 1 2 给出了太湖流域各分区圩区分布及基本情况，太湖流域圩区分布图见 图2 1 。1 。 表2 1 1太湖流域分类面积表单位：l 2 1 4 图2 1 1太湖流域圩区分布图 目前，太湖流域内圩区布局已基本形成，但防洪标准偏低，需依据地面沉降、 社会经济发展和水情变化，同步实施圩区建设。圩区的农业非点源污染问题日益突 出，而国内外对于圩区非点源污染方面的研究较少。 2 1 2 太湖典型圩区一一荻泽联圩概况 2 1 2 1 地理位置 荻泽联圩，隶属无锡市锡山区鹅湖镇鹅湖村( 1 2 0 。3 2 7 1 4 ”e ，北纬3 1 。2 9 7 5 7 ”n ) ，距离无锡市区2 5 k m ，西南临太湖，东南处为漕湖，临近望虞河。地势平 坦、地面高程在2 1 3 6 m 之间，水网密布，河堤平坦，水面比降小，一般河道 都有小型闸坝控制，流速缓慢。圩区总面积7 0 4 3 h m 2 ，人口2 1 0 0 人，2 0 0 1 年建圩， 圩堤长度1 9 6 k m 。圩区地理位置及圩区轮廓卫片见图2 1 1 。 图2 1 1 获泽圩圩区地理位置及卫片图 2 1 2 2 自然环境及社会经济概况 该地区属亚热带季风海洋性气候，和湿润，四季分明，年平均气温1 5 5 c ，雨 量充沛，年平均降雨量为1 0 0 0 m m ，全年无霜期为2 3 0 天左右，年平均同照时数为 2 0 0 0 h 左右。 该圩区位于长江三角洲苏南太湖地区北麓，地势平坦宽广，海拔高度一般在2 5 米，土质肥沃，河湖港汉纵横分布，河道密如蛛网，地表物质组成以粒径较小的 淤积物和湖积物为主。 土壤类型为太湖平原黄土状物质的黄泥土，土层较厚，耕作层有机质含量高达 2 4 ，含氮o 1 5 0 2 0 ，钾、磷较丰，供肥和保肥性能好，质地适中，耕 性酥柔，土壤酸碱度为中性，土质松疏，粘粒含量2 0 3 0 。 地下含水层为松散岩类孔隙含水岩组，潜水含水层为泻湖相亚粘土夹粉砂，地 耐力为8 1 0 t m 2 ，水质被地表水所淡化。 农业以种植水稻为主，小麦，油籽为副，并种植蔬菜瓜果，养殖水产渔业发达， 兽牧业以养家禽为主，各镇内植被和生物多样性属于良好。 该地区产业特色明显，是享誉全国的“彩印之乡”，拥有各类彩印包装企业2 0 0 多家，年生产能力超2 0 亿元，是锡山较早成规模的产业聚集带之一。全镇现有工业 企业4 9 3 家，其中年销售超亿元的企业6 家，年销售2 0 0 0 万元以上的企业2 7 家， 年销售1 0 0 0 2 0 0 0 万元企业2 8 家，涉及彩印、轻工、机械、电子、化工、服装等 1 0 多个工业门类。 2 1 2 _ 3 排涝及灌溉概况 圩区内水系发达，水网、池塘、沟渠密布，水面率达到了1 8 。圩区主要通过 两个排涝站排涝：郭家里排涝站以及吴埂上排涝站，与外界无其它直接的流通。其 中郭家里排涝站排涝流量为l m 3 s ，吴埂上排涝站排涝流量为o 5 3 4 m 3 s 。 圩区内设一灌溉站高田上灌溉站，其灌溉流量为o 1 5 m 3 s 。田间灌溉系统 采用暗管。圩区内灌排渠道分工明确，相互交错分布于田间，灌溉和排涝互不干扰， 相得益彰。圩区内灌溉站、排涝站位置见图2 1 2 。圩区内涵洞及田间灌排实景见图 2 】一3 。 图2 1 - 2 圩区内灌溉站及丰| 涝站位置图 图2 1 3 圩区内涵洞及田间灌捧实景图 2 2 不同土地利用下营养盐迁移试验研究 2 2 1 径流小区概况 在圩区中选择4 种有代表性的土地利用类型建立试验小区，分别为稻田、居民 区、菜地、香樟林地。圩区内小路均为水泥道路，试验不作考虑。试验小区四周均 有农沟包围，在农沟中采集径流样本，试验小区的面积通过实测得到。 试验小区保持原有耕作方式，记录全年施用化肥和有机肥的品种、数量以及时 间。各小区的面积以及施肥情况见表2 2 1 。试验小区在圩区中所处的位置及其平面 布置见图2 2 1 。四种试验小区的实景如图2 2 1 所示。 表2 2 1 试验小区基本信息 图2 2 - 1 四种径流小区实景图 2 2 2 试验方案设计及水样分析 采集4 块试验小区的土壤，分析各种土地类型土壤的理化性质。采用环刀切割 未搅动自然状态土样，测定土壤容重；用小土铲取各小区多点表层土样混匀置于塑 料袋中，土壤样本风干后过l m m 筛，经草酸钠分散后采用吸管法分析颗粒级配。 通过在4 块径流试验小区进行自然降雨条件下营养盐随地表径流迁移特征的研 究，记录降雨量，同时采集径流小区的径流样本，分析各种形态营养盐的含量，最 后，进行自然降雨条件下各种土地利用类型农田营养盐迁移特征的研究，分析各种 形态营养盐流失量与径流量、土地利用类型以及施肥量的关系。测量各小区每场降 雨径流的径流量，采集径流水样本，该样本的浓度即为次降雨径流平均浓度e m c 。 在2 0 0 6 年6 月到2 0 0 6 年9 月期间，共收集了5 场降雨的径流样本。 圩区一般选择在降雨的次日进行排涝，排涝时控制水位使恢复到降雨产流前蓄 水河道的水位。因此，可以认为圩区该次降雨事件次的同排涝量即为圩区该次降雨 产生的径流总量。 本研究中使用的采样器皿及样品保存容器均按照环境污染监测方法进行选 择。每次采样前均将采样器皿用自来水洗净，野外采样的器皿用现场水样洗涤多次， 实验过程中用于培养水样的采集及储放器皿用盐酸浸泡后用自来水洗涤干净，并用 蒸馏水及去离子水洗涤多次，晾干或低温烘干备用。采集的水样尽可能快的运送到 试验基地低温保存或立刻分析处理。 水样静置3 小时后抽取上层清液测定水相营养盐含量，测定项目包括径流水样 t n 、n h 3 - n 、n 0 3 - n 、n 0 2 - n 、t p 和p 0 4 一p ，其中n h 3 n 、n 0 3 - n 、n 0 2 - n 浓度相 加作为无机氮含量，有机氮浓度采用差减法得到；p 0 4 p 作为无机磷浓度，t p 与无 机磷相减得到有机磷浓度。水样经过硫酸钾和氢氧化钠配制的氧化剂消煮后测定 t n ；n 1 4 3 - n 、n 0 3 一- n 和n 0 2 - - n 的测定分别采用纳氏比色法、酚二磺酸法和n 一( 1 一 荼基) 乙二胺光度法；水样经过硫酸钾消煮后采用钼一锑一抗分光光度法测定t p ； p 0 4 p 直接采用钼一锑一抗分光光度法测定。上层清液经0 4 5um 的玻璃纤维滤膜过 滤后采用钼一锑一抗分光光度法测定可溶性t p 的浓度。各场降雨径流事件的发生时 间、降雨量及水质测定项目见表2 2 2 。 表2 2 - 2 径流小区各场降雨径流事件基本情况 2 2 3 多场降雨平均径流浓度s m c 由于不同场次降雨的强度随时间呈显著变化，而且流域内不同时期的施肥情况 各异，使得地表径流所引起的污染物浓度的随机变化不仅表现在一场降雨径流过程 中，而且也表现为不同场次降雨径流e m c 值的随机性变化。因此，对于多场降雨 径流事件，往往采用“多场降雨径流平均浓度”( s i t em e a nc o n c e n t r a t i o n ，s m c ) 代 表某一地点的长期径流平均浓