（环境科学专业论文）基于swat2000的图们江流域氮磷营养物非点源污染研究.pdf

a b s t r a c t w a t e r p o l l u t i o nc a nb ed i v i d e di n t op o i n ts 0 1 强c cp o l l u t i o na n dn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h ee f f e c t i v ep o i l ns o u r c ep o l l u t i o nc o n t r o l ，i n c r e a s i n gt h eh a r m r e v e a l e d n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n 谢maw i d er a n g eo ft e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o n ， s p a t i a lv a r i a t i o n s ，u n c e r t a i n t i e s ，a n d d i f f i c u l ta c c e s st o i n f o r m a t i o n ，t h ep r o c e s s o f c o m p o s i t i o na n dm i g r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xa n dc h a n g e a b l e ，a n dt h e yp r o d u c em o r e h a r m f u l ，r e s e a r c h ，c o n t r o la n dm a n a g e m e n ta r em o r ed i f f i c u l t ，h a sa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h en s eo ft h eu s d e p a r t m e n to fa g r i c u l t u r e s d a ) a g r i c u l t u r a lr e s e a r c hc e n t e r ( h g s ) r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a l m o d e ls w a ty a n b i a ns y s t e mc o m p o n e n t so ft h et u m e nr i v e rb a s i ns t a t e so fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ns t u d yo nt h es w a tm o d e lt u r e e nr i v e rb a s i ni nt h e a p p l i c a b i l i t yo f t h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ha n de v a l u a t i o n ，b u ta l s ot h ei n i t i a le s t a b l i s h m e n to f t h et u r e e nr i v e rb a s i nn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nd a t a b a s e i nt h i sp a p e r ，t oe x p l o r et h e n u t r i e n t sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na st h em a i ng o a lo fs i m u l a t i o n t os t u d yt h er e l e v a n c eo ft h ec o n t e n ti n c l u d e ： l t h en s eo fs w a tm o d e lf o rt h et u r e e nr i v e rb a s i nn u t r i e n tn i t r o g e na n d p h o s p h o i u sn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ns i m u l a t i o ns t u d yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，a n d o t h e rn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t si nt h et u r e e nr i v e rb a s i ni nt h et e m p o r a la n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o n 2t os t u d yt h es w a tm o d e lw a sa p p l i e dt ot h et u r e e nr i v e rb a s i ns i m u l a t i o no f n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na p p l i c a b i l i t y s w a tm o d e lh a sp o w e r f u lf e a t u r e s s u c ha s h i 曲一p e r f o r m a n c ec o m p u t i n g ，a n ds i m u l a t i o nb a s e do nt h ep h y s i c a lp r o c e s sc a l c u l u sf o r n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t st oe x p l o r et h em i g r a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fg r e a th e l p o ft h e s w a tm o d e lt h r o u g ht h ea d j u s t m e n to fs e n s i t i v ep a r a m e t e r s ，p a r t i c u l a r l yt h ee n h a n c e m e n to f t h et u r e e nr i v e rb a s i ns i m u l a t i o no f n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na c c u r a c y 3t h et u m e nr i v e rb a s i nt o i d e n t i f yn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sn u t r i e n t sa n dp o l l u t i o nc o n t r i b u t et ot h ek e ya r e a sf o rf u r t h e rs t u d yb a s e do n p r o v i d i n gr e l e v a n t i nt h i sp a p e r , t h et u r e e nr i v e rb a s i nd u r i n gt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ns t u d i e s ，w a t e r s y s t e mi na c c o r d a n c ew i t ht h er e l e v a n th y d r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u m e nr i v e rb a s i n w i l lb ed i v i d e di n t of i v er e g i o n a ls t u d yo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n t so nt h er e l e v a n c e o fs i m u l a t i o n ，b yt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1t h ea p p l i c a t i o no fs w a tm o d e lt o t h et u m e nr i v e rb a s i no fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u st os t u d yn o n p o 血s o u r c ep o l l u t i o ni sf e a s i b l e s w a tm o d e lo nt h et u m e nr i v e r b a s i ni nt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ns t u d yt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h es t u d y ，c o n f i r m e dt h a tt h e m o d e lc a nb ea p p l i e dt ot h et u r e e nr i v e r b a s i ns i m u l a t i o no fn o n - p o i n ts o u l c cp o l l u t i o n ，t h e s i m u l a t i o na c c u r a c ya n dt h ea c c e p t a b l el i m i t 21 1 1 ei n i t i a le s t a b l i s h m e n to ft h et u r e e nr i v e rb a s i nn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n r e l a t e d d a t a b a s e s ，t h r o u g ht h eu s eo fm e t e o r o l o g i c a la n dh y d r o l o g i c a ld a t aa n dr e l a t e dn o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nd a t at oe s t a b l i s ht h et u r e e nr i v e rb a s i nd a t a b a s eo fn o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n ，i no r d e rt oc o n t i n u et od e v e l o pa f t e rt h ec r e a t i o no f ac e r t a i nc o n d i t i o n s 3 i nt h et u r e e nr i v e rb a s i nn u t r i e n tn i 仃o g e na n dp h o s p h o r u sn o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o na r em a i n l yl o c a t e di nt h ek e ya r e a s h a i l a n h er i v e r ，g a y a h er i v e ra n db u e r h a t o n g h e r i v e rn e a rt h ei n t e r s e c t i o nr e g i o n , t h a tt h i si sd u et oh u m a ne c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t o ft h ee x p o s e dl a n d ，l a c ko fw a t e ra n ds o i la n dm e a s u r e so fv e g e t a t i o n ，r e s u l t i n gi ns e r i o u s s o i le r o s i o n ，t h ef o r m a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n tn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n c r i t i c a la r e a s k e yw o r d s ：n o n p o ms o u r c ep o l l u t i o n ；s w a tm o d e l ；t u r e e nr i v e rb a s i n ； w a t e re n v i r o n m e n t m 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。据我所知，除了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。对本人的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 日期2 皿咩 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师名：兰耋 日 期：础：绷 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 非点源污染概述 1 1 1 非点源污染概念 随着人类社会经济的发展，经济活动不断加剧，对地球环境资源的利用持续增加， 导致许多环境问题的产生，其中，水资源危机已逐步成为全球性的问题。造成水资源危 机的一个重要原因是水环境污染。水环境污染通常分为点源污染和非点源污染。点源污 染是指通过排放口或管道排放的污染，包括工业废水、城市生活污水、污水处理厂出水 及其他固定排放源。非点源污染是相对点源污染而言的，指溶解的和固体的污染物从非 特定的地点，在降水( 或融雪) 冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体( 包括河流、 湖泊、水库和海湾等) 并引起水体的富营养化或其它形式的污染( n o v o t n y 和0 l e n a ，1 9 9 3 ) 【1 1 。美国的清洁水法修正案将非点源污染定义为“污染物以广域的、分散的、微量的形式 进入地表及地下水体”【2 】。与点源污染相比，非点源污染具有时空范围广泛、空间差异大、 不确定性强、信息获取难度大、组成成分和迁移过程复杂多变等特点，并且其所产生的 危害较大，研究、控制与管理都比较困难。 非点源污染的形成与人类关系极为密切，城市地表径流、农业生产中过量施用的农 药化肥、地表植被大量破坏所导致的水土流失、未能集中处理进入环境的人畜排泄物等 有机物及其他有毒有害物质等都能造成非点源污染。在雨水冲刷和地表径流的作用下， 这些污染物进入受纳水体，造成悬浮物浓度增高、有毒有害物质含量增加，并进一步造 成水体酸化、河流湖泊富营养化、溶解氧减少、水质下降等后果，并可能阻塞河道跟沟 渠，给人类生产生活造成不良影响。据相关数据显示，2 0 世纪8 0 年代，美国水体污染 中非点源污染所占比例为：总氮中占5 8 ，总磷中占8 7 ，b o d 中占5 7 ，总悬浮固 体中占9 8 t 3 1 。美国有6 0 的水环境污染起源于非点源污染，农业因此损失每年高达3 0 亿美元，间接经济损失达2 0 亿至6 0 亿美元【4 】。此外，非点源污染物中的毒性污染物还 可能通过食物链和食物网对水生生物和人类健康产生某些影响或是危害。 1 1 2 国内外研究进展 国外非点源污染研究与国内比较而言，很早已经开始进行。美、英、日等发达国家 最早开展这方面的研究。2 0 世纪6 0 年代，由于人们对点源污染的重视以及相关研究的 不断发展，点源污染已经得到较好的控制和治理，非点源污染问题开始显现出来。2 0 世纪7 0 年代后，非点源污染在全世界逐渐受到重视。尤其是1 9 7 2 年美国水污染控制 法修正案的制定极大地促进了非点源污染研究的开展。这一时期的研究呈现出系统化 特点，许多数学模型相继问世。2 0 世纪8 0 年代以来，非点源污染研究发展更加迅速， 研究范围及类型不断扩展，其中农业非点源污染的研究得到迅速发展。 1 东北师范大学硕士学位论文 我国在非点源污染研究方面起步较晚。2 0 世纪8 0 年代，我国开始对北京、苏州、 南京等城市进行城市径流污染研究，随后研究范围逐渐扩大，如四川沱江、云南滇池、 北京密云水库等地区都进行过非点源污染研究。研究内容由城市非点源污染扩大到农业 及其他方面。研究方法主要是利用水文模型来模拟和估算相关非点源污染物负荷，同时 对模型进行相关改进，使之更适合我国流域特点。 1 2s w a t 模型概述 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 ) 模型3 】是近年来在水文及非点源污染研究中 获得广泛应用的一个长时段分布式流域水文模型。它由美国农业部( u s d a ) 农业研究 中心( a r s ) 研究开发，并在随后的应用中获得了快速的发展。s w a t 模型基于流域尺 度，具有很强的物理基础，能够长期预测在具有多种土壤类型、土地利用方式和管理条 件的大面积复杂流域中，土地管理措施对水、沉积物、农药杀虫剂以及营养物的分布和 迁移输送的影响。另外，该模型能够利用g i s 和r s 所提供的各类空间数据进行模拟计 算，具有计算效率高，功能强大的优点。 1 2 1s w a t 模型的开发历史 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 ) 模型的开发历时近3 0 年。上个世纪7 0 年 代中期，美国农业部农业研究中一凸, ( u s d a - a r s ) 开发了一个以物理过程为基础的集总式 田间尺度非点源污染模型c r e a m s 4 ( c h e m i c a l s ，r u n o f fa n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n ts y s t e m s ) ，用来模拟不同土地利用措施对田间水分、泥沙、土壤养分及化 学物质流失的影响。后来在c r e a m s 模型的基础上进行改进，建立了g l e a m s 模型i s ( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t so f a 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 ) 。该模型综合考虑了 气候、土壤和管理措施等因素的相互作用，主要模拟不同土地利用方式下植物根基区水、 沉积物、农药和氮磷等化学元素的迁移和转化。8 0 年代中期，a r s 的研究人员对 c r e a m s 模型水文模块进行改进，并和e p i c 模型的作物生长模块相结合，开发出以d 为时间步长的s w r r b 模型【6 】( s i m u l a t i o nf o rw a t e rr e s o u r c e si nr u r a lb a s i n s ) 。2 0 世纪 9 0 年代初，a r s 在s w r r b 模型中加入估计径流洪峰流速的s c s 径流曲线以及产沙公 式m u s l e ，并针对s w r r b 模型最多只能把流域划分成1 0 个子流域的局限，将s w r r b 模型与河道演算模型r o t o ( r o u t i n go u t p u tt oo u t l e t ) 相融合，最终开发出了s w a t 模 型。 s w a t 模型自开发以来，不断得到了发展和完善。该模型先后推出了s w a t 9 4 2 、 s w a t 9 6 2 、s w a t 9 8 1 、s w a t 9 9 2 、s w r a t 2 0 0 0 和s w r a t 2 0 0 3 等版本，并先后和g r a s s 、 a r c v i e w 以及b a s i n s 等界面进行集成。人们在具体应用中，根据研究目的和研究区域 的不同，对s w a t 模型进行了各种改进，并和特定的软件模型相结合，形成了诸如 e s w a t 7 、s w i m t s j 、s w a t m o d 9 、s w a t - g 1 0 1 、s w a t - c 1 1 1 和is w a t 1 2 】等各类改进 模型。 2 东北师范大学硕士学位论文 s w a t 模型包括7 0 1 个方程和1 0 1 3 个中间变量，能够模拟流域内水、泥沙、营养 物以及其它有关化学物质的水文循环物理过程。模型的模拟过程可分成两大部分：子流 域模块( 产流和坡面汇流) 和汇流演算模块( 河道汇流) 。子流域模块负责对输入各个 子流域主河道内的水、泥沙、营养物及化学物质进行计算；汇流演算模块则确定了水、 泥沙、营养物等物质从各河道向流域出口的运动迁移并对其负荷进行演算汇总引。 1 2 2 子流域模块 s w a t 模型可以模拟流域内多种水文循环物理过程。由于流域下垫面和气候的空间 差异性，为了便于模拟，s w a t 模型按照不同的土地利用方式和土壤类型将流域细分为 若干个子流域。之后，在各个子流域内进一步划分出水文响应单元h r u s ( h y d r o l o g i c r e s p o n s eu n i t s ) 。模型在各个h r u 上独立运行，并将结果在子流域的出口进行汇合。 为方便参数的输入，模型在该模块包括有水文、气象、泥沙、土壤温度、植物生长、营 养物、农必杀虫剂和农业管理等8 个组件。 ( 1 ) 水文组件s w a t 模型的水文组件可以模拟计算各个h r u 上地表径流、下渗、 蒸散发等水文过程。地表径流的计算采用s c s 径流曲线数( s c sr u n o f f c u r v en u m b e r ) 法或g r e e n & a m p t 方法，用修正的r a t i o n sf o r m u l a 方法和s c st r - 5 5 方法模拟径流峰 值【1 4 】。降雨强度为降雨量的函数，采用随机方法预测坡面流和河道流的汇流时间，通过 曼宁公式( m a n n i n g sf o r m l a ) 来计算。 此外s w a t 还考虑到冻土上地表径流量的计算；s w a t 模型采用土壤蓄水演算技 术( s t o r a g er o u t i n gt e c h n o l o g y ) 来计算植物根部带每层土壤之间的水的流动( 下渗) ，这 一过程由上下两层土壤含水率和田间持水量的比例来调节土壤温度对水的下渗也产生 一定影响，如果某一土壤层的土壤温度为零度或零度以下，则该土壤层不存在水的流动； 潜在蒸散发计算有h a r g r e a v e s 1 5 1 、p r i e s t l e y - t a y l o r t l 6 1 、p e n m a n m o n t e i t h 1 7 】等三种方法， 其中p e n m a n - m o n t e i t h 方法需要日太阳辐射、日气温、日风速以及日相对湿度作为输入 数据如果没有这些数据，可以选择其他两种方法。 ( 2 ) 气象组件气象组件可向模型输入降雨量、气温、太阳辐射、相对湿度和风 速等气象因素变量，这些变量可以直接输入实测数据，而如果除降雨量以外的数据缺失， 也可以通过模型中的天气发生器来自动生成。一套气候变量数据仅能模拟整个流域，如 有多套气候变量数据，则能对每个子流域进行模拟。 ( 3 ) 泥沙组件s w a t 模型在泥沙组件中通过修正的土壤流失方程m u s l e ( m o d i f i e du n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) 来计算泥沙负荷量，以确定土壤侵蚀状况。根 据不同泥沙颗粒的沉积速度来模拟泥沙的沉积过程，水文模块能提供径流量和峰值径流 系数，植被管理因子( c ) 与地表生物数量、植物残留量以及农业管理措施有关。 ( 4 ) 土壤温度组件s w a t 模型以土壤密度、土层厚度和土壤含水量等参数作为 输入数据，以地表温度、日平均温度和土壤温度衰减深度来共同表征土壤温度。在每个 土层中间部分，利用水文气象和生物腐殖质数据( 监测点的日最高气温、日最低气温、 积雪、植被、地表残留物以及过去4 天的地表温度) 来计算日均土壤温度，并需要土壤 3 东北师范大学硕士学位论文 容重和土壤水分等参数作为输入数据。 ( 5 ) 作物生长组件s w a t 模型利用温度作为控制条件，将研究区域作物分为一 年生和多年生植物，对根系区水和营养物的移动、蒸腾量和作物产量进行计算。作物能 量的累积量是太阳辐射和植被叶面指数的函数，利用累积的能量就可以估算出作物的生 长量。 ( 6 ) 营养物组件对于子流域的营养物，s w a t 模型采用其所整合的e p i c 模型进 行模拟计算，对其中n 、p 两种营养元素进行独立模拟。氮被分为矿物氮和有机氮两大 类，包含在径流、侧流和入渗中的硝酸盐通过水量和平均聚集度来计算，降雨事件中的 有机氮的流失则采用m c e l r o y 等人开发经由w i l l i a m s 和h a n n 1 8 】修改的模型来模拟；磷 被分为溶解态和沉淀态两类，用l e o n a r d 和w a n c h o p 的研究方法进行模拟。对磷素的流 失计算考虑了表层土壤聚集、径流量和状态划分因子等因素的影响，同时考虑了作物生 长的吸收。 ( 7 ) 农药杀虫剂组件 由于嵌入了g l e a m s 模型，s w a t 模型可以模拟地表径流、渗漏、土壤挥发、泥 沙携带等过程中农药杀虫剂的迁移损耗状况。对于不同类型的农药杀虫剂s w a t 模型 设置有多种参数，农药杀虫剂在植物表面和土壤中的降解随半衰期以致输函数形势变 化模拟，在径流和泥沙中的传输则通过每一次降雨事件单独进算，在入渗发生时考虑土 壤过滤的影响【1 9 】。 ( 8 ) 农业管理组件 s w a t 模型可以模拟多年生作物的轮作以及每年三季作物的种植情况，模拟多种农 业管理措施的影响要求输入灌溉、施肥和使用农药杀虫剂的数据( 日期、数量、方式) 1 2 3 汇流演算模块 s w a t 模型的汇流演算模块包括河道汇流演算和蓄水体汇流演算两部分。主要负责 流域内水、泥沙、营养物和杀虫剂等在河网中运动迁移的计算。 河道汇流演算主要考虑水、泥沙、营养物( n 、p ) 、农药杀虫剂在河网中的输移过 程，采用变动存储系数模型或m u s k i n g u m 方法，流率和平均流速通过曼宁公式计算， 河道的出流也根据传输损失、蒸发量、河道直度和回流等因素进行调整。河道内泥沙降 解过程通过w i l l i a m s 修正的b a g n o l d 水流动力方程计算。 蓄水池( 水塘水库) 汇流演算中的水量平衡包括入流、出流、降雨、蒸发、回流和 水池底部渗流。提供三种估算出流量的方法：采用实测值，其他的水平衡过程采用不 同的模型来模拟；对于小的无观测值的蓄水池，出流按某一特定的释放率计算；对 于有专人管理的大水库，水库的入流和出流等输入数据都应采用相应的日观测值来模 拟，流入的泥沙量通过r u s l e 方程计算，流出的泥沙量按照流出的水量和流出水中的 泥沙聚集度来计算i z o j 。 4 东北师范大学硕士学位论文 1 2 4 模型基础数据库 模型需要的输入数据主要有：( 1 ) 流域的数字高程模型( d e m ) ：用来划分子流域和 寻找出流路径；( 2 ) 土地利用数据：主要用来计算植被生长、耗水和地表产汇流；( 3 ) 土 壤数据：用来计算壤中流和浅层地下水量；( 4 ) 气象数据：包括日降雨资料、日最高最低 气温、风速、日辐射量、相对湿度、气温站位置高程、雨量站位置高程等，用来计算流 量和蒸散发量；( 5 ) 农业管理措施和水库和湖泊位置，出流点等。所需数据的来源和说明 见表1 。 s w a t 模型自带5 个数据库存储必须的数据：作物生长、城镇土地利用、耕作、施 肥和杀虫剂数据库，a v s w a t 界面允许用户修改此5 个数据库以及2 个附加的用户土壤 库和用户气象站数据库1 2 1 1 。 表1 - 1模型主要输入数据 数据名称数据类型所需参数获得渠道说明 地形数据d e mg r i d 或d h p f i l e 格式 土地利用植被图g r i d 或s h l ，f i l e 格式 土壤数据土壤图g r i d 或s h p f i l e 格式 气象数据气象资料表d b f 或t x t 格式 地形高程、坡度、 坡向、河流等 植被种类、空间分 布、叶面积指数、冠层 高度、植被根系等 各层土壤含水率、空隙率、 饱和水力传导。各组成颗 粒含量、径流曲线等 日降雨量、日最高最低 气温、相对湿度、日辐 射量、风速等。 数字高程模型前3 层数据坐 e m )标系必须统一， 高清晰遥感图并且用等面积 像解释投影：土壤分 类采用美国的 野外采样测量、分类系统；气 或者有关单位象资料还需 提供数据度要气象和水文 各气象站点。国站点高程及位 家气象局置的文件 1 3 国内外应用s w a t 模型研究非点源污染进展 s w a t 模型自推出以来，随着自身不断改进和完善，已在美国、加拿大、欧洲、亚 洲和非洲等地区得到了极大的应用，并获得了不断的发展，研究内容涉及流域水量平衡、 非点源污染、流域水文管理以及模型的改进和相关研究等诸多方面。 1 3 1 国外s w a t 模型应用于非点源污染研究 国外学者利用s w a t 模型在非点源污染方面进行了大量深入研究。美国环保署采用 s w a t 模型来调查农药的药效和迁移性，评价饮用水质量安全【2 2 2 4 】。纽约水资源研究所 利用s w a t 模型来评价纽约市c a n n o n s v i l l e 水库的水质问题，结果表明流域地表水6 8 的总磷来源于农业用地，仅占流域面积1 2 的玉米地是磷的主要污染源1 2 0 1 。s a n t h i 等【2 5 】 对美国德克萨斯洲的w e s tf o r k 流域在执行水质管理规划( w q m p s ) 前后两个情景进行 模拟，来评价执行该规划对非点源污染的长期影响。 g r i z z e t t i 等【2 6 】利用s w a t 模型研究了芬兰v a n t a a n i o k i 流域的n 、p 循环和转化。 b o u r a o u i 等【2 7 】应用s w a t 模型研究了北非突尼斯m e d j e r d a 流域不同管理措施对该流域 地表水产生的潜在影响，得出流域内氮磷负荷的增加主要是由于农业施肥率的增加。 5 东北师范大学硕士学位论文 2 0 0 3 年韩国国家环境研究所制定了t m d l 项目发展的指导方针。该项目利用g i s 和r s 数据结合s w a t 模型对以稻谷田为主的b a r a n 流域的径流和非点源污染进行了模拟【2 8 】。 t r i p a t h i 等【2 9 】对印度n a g w a n 流域的非点源污染关键区进行了识别。另外，在印度 w e s tb e n g a l 州，b e h e r a 和p a n d a 3 0 】应用s w a t 模型证实了模型用于次湿润的亚热带区 域农业非点源污染的适用性。模型模拟了整个雨季的日产流量、产沙量和营养物的浓度 变化情况，结果与统计值相近。s a l v e t t 等【3 l 】针对p or i v e r 流域特定的情况把模型与河流 水质紧密联系起来，结合了q u a l 2 e 算法模拟了营养物质在河流中的产生、运移和转 化。 1 3 2 国内s w a t 模型应用于非点源污染研究 s w a t 模型引入我国较晚，在应用和研究方面还处于起步阶段，基础比较薄弱。目 前国内对s w a t 模型的应用研究主要集中在产沙产流模拟、非点源污染研究、模型输入 参数的研究以及针对s w a t 模型在我国的具体应用而对其进行相关改进的研究。 我国学者在s w a t 模型的非点源污染研究方面的应用有：郝芳华等【3 2 】应用s w a t 模型对官厅水库的非点源污染进行了定性分析和定量计算，得出非点源污染负荷与降水 量成正比；万超和张思剧3 3 】利用s w a t 模型模拟潘家口水库的非点源污染，分析了上游 流域面源污染负荷的产出特性，并且研究了农作物不同施肥方式下对面源污染负荷变化 的影响：张运生等【蚓应用s w a t 模型分析出土地利用方式对有机氮、有机磷、硝态氮、 可溶性磷和矿化磷的迁移量的明显影响；苏保林等【3 5 】建立了基于s w a t 模型的密云水库 流域非点源污染模型系统，研究表明，该系统完全能应用于密云水库入库的非点源污染 负荷模拟和预测；赖格英等【3 6 】应用s w a t 模型研究太湖流域营养物来源，在营养盐入湖 总量中，大约8 6 的总氮和8 8 的总磷与人类活动密切相关。 张楠掣3 7 】应用s w a t 2 0 0 0 对天津市径流及水质进行模拟校核，验证了模型在该地区 的适用性；胡远安等【3 ”9 】利用s w a t 模型分别对江西省萍乡市芦溪小流域和赣江上游袁 水小流域的非点源污染进行了模拟，取得了较好的结果；张思聪和刘铭环 4 0 1 应用s w a t 模型对淮河上游的竹竿河流域的径流、泥沙及面源污染负荷的产输出过程进行模拟计 算，验证结果表明模型基本合理可行，可用于竹竿河流域面源污染的模拟计算。 1 4s w a t 模型在我国应用存在的问题与发展前景 1 4 1 模型在我国应用存在的问题 s w a t 模型近几年才开始引入我国并用于水文、非点源污染等方面的研究应用，相 对其他长期应用并不断改善s w a t 模型的国家和地区来说，我国的s w a t 模型应用方面 还存在着不少问题。如模型所需数据不完备，精确度不够，获取难度较大；模型所 采用的概念性或经验性公式在我国可能出现效果不好或模拟精度不高等问题；模型参 数收集包括驱动所需的站点气象参数、土壤属性数据以及土地利用实时变化等观测不全 或难以获取，也大大地限制了模型的使用；模型输入参数如气象数据、土地覆盖变化 6 东北师范大学硕士学位论文 及h r u 子流域划分对模型的水文模拟精度存在较大的影响，可见参数的校准和验证是 影响模型模拟精度的关键因子之一。 因此，在s w a t 模型的使用中，应对模型进行相应的改进，同时完善我国非点源污 染方面数据的监测和共享，提高数据精度，使s w a t 模型在我国的非点源污染研究中发 挥更大的作用。 1 4 2 s w a t 模型在我国的发展前景 ( 1 ) 模型参数简化和不确定性研究 水文模型参数的数量可以增加对水文物理过程的解释，但并不是参数越多模型就模 拟得越精确，而且参数获取也是水文模拟中最大的问题之一。因此，模型参数的率定、 校准和验证将是s w a t 模型的重要研究内容之一。 ( 2 ) s w a t 模型下非点源污染的研究 当前我国农业管理的集约化水平较低，由农业引起的非点源污染情况非常严重。因 此近些年来非点源污染研究已经成为我国环境界的重要研究热点。通过集成s w a t 模 型空间数据，使其输入效率、模拟输出显示和模型运行效率的集成大大提高，为非点源 污染研究、环境变化条件下水文响应研究和水资源管理等工作提供了强大的平台。 1 5 选题依据和研究方法 图们江位于我国吉林省延边朝鲜族自治州东南部，是我国与朝鲜、俄罗斯交界的河 流，有其重要的战略位置。由于人类活动的日益加剧，目前图们江流域的环境污染和生 态破坏问题已经比较严重，表现在图们江的水环境污染问题近年来图们江河流水质 已由上世纪6 0 年代的全流域类水体下降到大部分水域水质的v 类水体，究其原因， 其变化来自于流域陆源的点源和非点源污染。 通过对图们江流域环境污染研究和治理工作的文献调查，发现目前对该流域生态环 境问题的研究工作还停留在点源污染上，对其非点源污染问题没有实质上的进展。进行 非点源污染研究可以为该流域以致为延边州的水土保持工作提供相关依据。此外，由于 降水径流冲刷带走的氮磷等营养物质对粮食生产可产生一定的影响，进入河流湖渠的非 点源污染物可能引起延边州内以及图们江水质变差，水生生态环境失衡，对以此为饮用 水的人群产生不利影响。因此，对该流域非点源污染的研究，也是为区域生态环境安全 做出贡献的一部分工作。 由于图们江流域面积大，跨山地、丘陵和少量平原地区，地形和气候的变化复杂多 样，因此，用一般的方法进行该流域非点源污染的研究困难较大。s w a t 模型能够利用 g i s 和r s 所提供的各类空间数据进行污染物负荷量的模拟计算，兼顾多种土壤类型、 土地利用方式和管理条件，还可以预测土地管理措施对水、沉积物、农药杀虫剂以及营 养物的分布和迁移输送的影响。本论文依托“东北师大十一五科技创新平台培育 项目一长白山国际地缘生态安全研究与数据集成 ，应用s w a t 模型进行图们江流域的 7 东北师范大学硕士学位论文 非点源污染模拟和研究，探讨其模型的适用性以及该流域非点源污染的状况、关键发生 区，为进一步制定治理规划提供科学的依据。 1 5 1 研究内容和关键问题 ( 1 ) 本文的研究内容如下： s w a t 模型对图们江流域非点源污染的模拟； 研究s w a t 模型在图们江流域的模拟精度； 图们江流域非点源污染的氮磷营养物贡献和污染关键区。 ( 2 ) 拟解决的关键问题 图们江流域不同土地利用方式下的氮磷营养物分布及输移； 利用图们江流域的降水量数据，通过s w a t 模型的天气发生器生成图们江流域相 关气象参数； 通过模拟结果与实测数据相比较，分析s w a t 模型在图们江流域的模拟精度，并 对s w a t 模型在图们江流域的使用进行改进和校准。 1 5 2 研究方法技术路线 ( 1 ) 研究方法 利用所获取的图们江流域数字高程地图d e m ，通过s w a t 模型，将图们江流域划 分为若干个子流域。在各个子流域内，根据土壤类型和土地利用方式进一步划分水文响 应单元h r u s 。在每个水文响应单元上，根据不同土地利用方式下氮磷营养物的负荷量 从而推算出以非点源污染物形式进入各子流域内主河道的氮磷营养物负荷量。利用 s w a t 模型的汇流演算功能，计算出由各个子流域进入图们江流域主河道的氮磷营养物 的负荷量，并在流域的出口处获得模拟结果。通过模拟结果确定图们江流域非点源污染 的氮磷营养物关键区，分析s w a t 模型在模拟图们江流域氮磷营养物的非点源污染上的 模拟精度，并对s w a t 模型进行相应校准。 ( 2 ) 技术路线 8 东北师范大学硕士学位论文 9 东北师范大学硕士学位论文 第二章图们江流域概况 2 1 自然环境 2 1 。1 地理位置 图们江是一条国际河流，其地理位置为4 1 0 5 9 1 5 ” - - 4 4 0 1 。3 0 ，n 和1 3 l o l 8 1 2 8 0 1 7 e ， 从源头至流入日本海的整条河段，被分别作为中国与朝鲜、俄罗斯与朝鲜的界河。图们 江发源于长白山主峰一白头山的东麓，蜿蜒流向东北，途经和龙、龙井、图们、珲春 四市，至珲春市密江附近折向东南，于敬信乡防川土字界碑处出境，出境后为俄罗斯与 朝鲜的界河，经1 5 k m 注入日本海。图们江全长5 2 5 k m ，其中5 1 0 k m 为中朝晃河段，河 的北岸是中国吉林省的延边朝鲜族自治州，南岸则是朝鲜咸镜北道。其流域面积为 3 3 1 6 8 4 k m 2 ，我国境内的流域面积为2 2 8 6 1k m 2 ，占吉林省总面积的1 1 9 。图们江东与 俄罗斯沿海毗邻，南和朝鲜相望，西接我省安图县，北靠黑龙江省宁安、东宁县。最东 侧距日本海1 5 k m ，沿途接纳1 0 公里以上的支流1 8 0 条，3 0 公里以上的支流3 0 条，在 我国境内主要支流有红旗河、嗄呀河、布尔哈通河、海兰河、珲春河等河流【4 1 1 。 本论文研究对象为我国境内的图们江流域，研究区位于4 1 0 5 9 - 4 3 0 4 7 n ， 1 2 8 0 4 4 - 1 3 1 0 0 77 e 之间，总面积约为2 2 7 1