（环境工程专业论文）流域非点源分布式模型的应用及其不确定性研究.pdf

摘要 非点源污染问题日益受到重视，基于“3 s ”技术的非点源分布式模型的不 确定性研究、以及非点源管理措施的决策分析，成为目前的主要热点问题之一。 本研究利用g i s 软件a r c v i e w 和非点源分布式模型a n n a g n p s 集成，以宁波市 水源保护区的章溪河流域为案例，进行了非点源污染负荷的定量估算、模型参 数的不确定性分析、管理措施的决策分析。主要研究成果如下： 通过对研究区的现状调查和资料收集，结合航片目视判读，利用g i s 软件 a r c g i s 9 0 和m a p i n f o 等，建立了统一坐标体系下的研究区土地利用、地形、土 壤等空间数据库；利用研究区数字高程模型( d e m ) ，通过a n n a g n p s 模型的 t o p a z 模块确定了研究区域的子流域及流网分布图；结合现场资料、相关文献 资料的收集，并利用g i s 技术提取相关地理参数，通过a n n a g n p s 软件的输入 编辑器，建立了各子流域的非点源污染属性数据库。 章溪河流域非点源污染负荷的模拟结果表明，当年均降雨量在5 9 6 5x1 0 6 m 3 时，年径流量为2 9 4 6 x1 0 6 m 3 - y f l ，泥沙负荷为3 3 5 1 4 4 t - y r ，总氮、总磷、总有 机碳负荷分别为6 3 7 3 、2 1 8 4 、1 2 0 5 2 t - y r 1 。流域非点源污染负荷主要集中在汛 期，超过全年的5 5 n ；枯水期的4 月份，其污染负荷低于全年的4 。不同予 流域的泥沙负荷和吸附态氮空间分异较大，溶解态磷的空间分异最小；不同土 地利用类型中林地和果园相比农田非点源负荷的产出较小；不同的土壤中水稻 土相对黄壤和红壤而言，污染负荷产出较大；不同地形中坡度越大，非点源污 染负荷越大。 采用莫里斯法对a n r t a g n p s 的6 个主要参数进行敏感性分析，结果表明土 壤饱和导水率、水土保持因子和径流曲线c n 值对模型输出结果影响较大。水土 保持因子对泥沙、总磷和总有机碳负荷的计算结果影响最大，均呈显著负效应； 径流曲线c n 值对总氮负荷计算结果影响最大，呈显著正效应。 结合流域非点源负荷模拟及敏感性分析成果，本研究制定了5 种非点源管 理措施，分别为退耕还林4 0 、施肥量减少4 0 、退耕还林2 0 结合施肥量减 少2 0 、农田厩坡耕作改造以及构建草地过滤带，评价结果表明改变当地农田 耕作方式，变顺坡耕作为等高耕作，在控制流域的非点源污染方面最有效，其 摘要 次为退耕还林，减少施肥量和构建草地过滤带的控污效果相对较一般。 关键词；非点源分布式模型，不确定性分析，章溪河流域 n a b s t r a ( 了r a b s t r a c t w i t hi n c r e a s i n ga t t e n 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 ( n p s ) , u n c e r t a i n t y a n a l y s i so fn f sm o d e lb a s e do n 3 s t e c h n o l o g y , a n dd e c i s i o na n a l y s i so fn p s m a n a g e m e n tm e a s u r e sh a v eb e e nar e s e a r c hf o c u s i nt h i sp a p e r , a r c v i e wa n dn p s m o d e la n n a g n p sw e r eu s e dt oq u a n t i t a t i v ec a c u l a t i o no f n p s 。u n c e r t a i n t ya n a l y s i s o f m o d e li n p u tp a r a m e t e r sa n dd e c i s i o na n a l y s i so f n p sm a n a g e m e n tm e a s u r e si nt h e c a s eo fz h a n g x ic a t c h m e n tl o c a t e di nw a t e rr e s o u r c p r o t e c t i o nz o n e si nn i n g b oi n c h i n a t h em a i ns t u d yr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： i nt h ep r e m i s eo ff i e l ds u r v e y , d a mc o l l e c t i o na n dv i s u a li n t e r p r e t a t i o no fa e r i a l p h o t o s ，s p a t i a ld a t a b a s ew a se s t a b u s h e du n d e rau n i f o r ms y s t e mb ya r c g i s 9 0a n d m a p i n f oc t o ，i n c l u d i n gs p a c el a y e r so f l a n du s e , t o p o g r a p h ya n ds o i l s u b - b a s i n sa n d f l o w n e tw e ”m a d eb a s e do i ld i 【西t a le l e v a t i o nm o d e l ( d e m ) o fz h a n g x ic a t c h m e n t b yg i sa n dt o p a z m o d e lo fa n n a g n p s i nc o m b i n a t i o nw i t ho n s i t ei n f o r m a t i o n , r e l e v a n tl i t e r a t u r e s , a n dg e o g r a p h i c a lp a r a m e t e r se x t r a c t e db yg i s ，p o l l u t i o na t t r i b u t e d a t a b a s eo fs u b b a s i n si nz h a n g x ic a t c h m e n tw a sa l s oe s t a b l i s h e dw i t hg i sa n d a u n a g n p si n p u te d i t o rm o d u l e t h ea v e r a g ea n n u a ll o a d so 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 tw e r er e s p e c t i v e l y6 3 7 3 t - y r 1 ，2 1 8 4 t - y r 1 ，1 2 0 5 2 t - y r 1a n d3 3 5 1 4 4 t y r 1 ，a n d a n n u a lr u n o f fw a s2 9 4 6x1 0 6 m 3 y r w i t ha v e r a g ea n n u a lr a i n f a l ll e v e lo f5 9 6 5 1 0 6 m 3 y r 1a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s o u t p u to fp o l l u t i o nl o a d sw h i c hw a so v e r 5 5 o fa n n u a lp o h u t i o nl o a d sm a i n l yh a p p e n e di nf l o o ds e a s o nw h i l et h o s ei na p r i l o ft h ed r ys e a s o nw a sl e s st h a n4 o fa n n u a lp o l l u t i o nl o a d s s p a t i a ld i f f e r e n t i a t i o n s o fa b s o r b e dn i 仃o g e na n ds e d i m e n tl o a dw e r el a r g e s ti nd i f f e r e n ts u b b a s i n , w h i l e g e o g r a p h i c a ld i f f e r e n c eo fd i s s o l v e dp h o s p h o r u sw a sm i n i m a l ；o r c h a r da n dw o o d p r o d u c e dl e s sn p sp o l l u t i o nt h a nf a r m l a n d s ；m o r el o a d sw e r ei n v o l v e di ny e l l o wa n d r e ds o i l si nc o m p a r i s o nw i t hp a d d ys o i l s ；n o n - p o i n ts o u l c ep o l l u t i o nl o a d si n c r e a s e d 谢mi n c r e a s i n gs l o p eo f t h es u b - b a s i n s e n s i t i v i t ya n a l y s i sw a f tc o n d u c t e do ns i xm a i np a r a m e t e r so fa n n a g n p sb y i a b s t r a c t m o a l 皓o fm o r r i sm e t h o d r e s u l t ss h o w e dt h a t o u t p u t so fa n n a g n p sw e r e s i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db ys o i ls a t u r a t e dc o n d u c t i v i t y ( s h e ) ，r u s l ep f a c t o ra n d r u n o f fc r r v en u m b e r ( c n ) p - f a c t o rs h o w e dm o s tn e g a t i v ee f f e c to nt o t a ls e d i m e n t ， t p t o c ；w h i l ec nr e f l e c t e dm o s tp o s i t i v ee f f e c to nt n f i v em a n a g e m e n t 1 1 e a s b r e so f n p sw o r em a d eo nt h eb a s i so f t h ea b o v er e s u l t s t h em e a s u r e sw e r e 雒f o l l o w s ：r e t u r n i n g4 0 f a r m l a n dt of o r e s t ；4 0 r e d u c t i o ni n f e r t i l i z e ra p p l i c a t i o nr a t e ；r e t u r n i n g2 0 f a r m l a n dt of o r e s ti nc o m b i n a t i o nw i t h2 0 r e d u c t i o ni nf e r t i l i z e ra p p l i c a t i o nr a t e ；c o n t o u r i n gf a n n i n g ；b u i l d i n gg r a s sf i l t e rb e l t b yd e c i s i o na n a l y s i sw i t l lh e l po fa n n a g n p s i t ss h o w e dt h a tc o n v e r s i o no f l o n g i t u d i n a lf a r m i n gt oc o n t o r rf a n n i n ga n dr e t u r n i n g4 0 f a r m l a n dt of o r e s tm a d e g r e a te f f e c to nc o n t r o l l i n gn p s w h i l ec o n t o u rf a r m i n gw a sb e t t e rt h a nc o n t o u r i n g f a n n i n go nc o n t r o l l i n gn p s n p sc o u l db eo r a yr e d u c e di nas m a l le x t e n tb yr e d u c t i n g f e r t i l i z e ra p p l i c a t i o nr a t ea n d b u i l d i n gg r a s sf i l t e rb e l t k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e d n o n - p o i n t s o u r c e m o d e l ，z h a n g x ic a t c h m e n t ， u n c e r t a i n t ya n a l y s i s i v 个人简历 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果 个人简历： 桂新安，男，1 9 8 2 年8 月生。 2 0 0 4 年7 月毕业于安徽工业大学给水排水工程专业获学士学位。 2 0 0 4 年9 月入同济大学攻读环境工程专业硕士研究生。 已发表论文： 1 j 桂新安，杨海真高级氧化技术在垃圾渗滤液处理中的应用环境科学与管理2 0 0 7 ，3 2 ( 2 ) ：3 5 3 9 2 】桂新安，杨海真，王少平，马凯铬在土壤中吸附解吸的研究进展土壤通报( 已接受) 3 郑丽波，桂新安，王少平，俞立中，杨海真非点源污染模型的参数管理信息化和不确 定研究进展环境污染与防治( 已接受) 硕士期间参与的主要科研活动； 1 】参与宁波市博士基金项目“流域非点源分布式模型中不确定性的概率分析”( 编号： 2 0 0 5 a 6 1 0 0 3 1 ) ”。 2 协助导师进行以下环境影响评价的课题研究及报告： a p c 清洁水行动计划报告、朱家角镇老镇区综合管网改造和古镇保护工程环境影 响报告书、青浦徐泾、华新供水管线工程环境影响报告书、上海自来水公司市南公司 青浦供水工程环境影响报告书。 3 漕河径和莘庄工业区污水收集系统建设与评估 4 参与上海市嘉定生态区建设规划( 2 0 0 5 2 0 2 0 ) 编制工作。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文 本授权书。 指导教师签名： 年月日 牛三护 弗扣稚哮 虢，曼年 张朋 储! 在 懈产墨= 舻 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 了纂懒日 第1 章前言 第1 章前言 水环境的污染源包括点源和非点源。随着点源污染基本上得到控制，非点 源污染问题日益受到关注【】。从世界范围来看，非点源污染已成为水环境的一 大污染源或首要污染源。在美国，6 0 的水环境污染起源于非点源污染。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。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。荷兰农业非点源污染提供的总 氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 5 0 ”。在我国，太湖和滇池等 重要湖泊，非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一2 0 0 0 年太湖流域的 统计数据表明，全流域c o d 总排放量的1 0 ，总氮的3 7 5 和总磷的1 5 0 5 来 自农业非点源污染1 4 1 。滇池外海的总氮和总磷负荷中，农业非点源分别占5 3 和 4 2 j 。水环境的非点源污染主要是指由于降雨径流的动力冲刷作用，污染物随 水土迁移，对水体形成的冲击性污染，其基本特征表现为污染发生的随机性、 机理过程的复杂性、排放途径及排放污染物的不确定性、污染负荷的时空差异 性而导致对其监测、模拟与控制的困难性e 6 , 7 。 非点源污染模拟是非点源污染研究中的重要内容。根据模型机理和参数性 质的不同，非点源模型可以分为集中参数模型和分布式参数模型。集中参数模 型将研究区域视为一个整体。由于基础数据和模拟技术的缺乏，早期的非点源 模拟以集中参数模型为主。但8 0 年代以来，随着遥感( r s , r e m o t es e n s i n g ) 与 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 技术在在该研究领域的延 伸，分布式参数模型的参数繁多、难以收集与管理的难题逐步得到解决，并逐 渐得n t 越来越多的应用1 9 , 1 0 , | 1 1 2 。非点源分布式参数模型主要是将流域空间分 割为一系列规整的正交子单元，将各网格单元的各参数因子视为同一均值，结 合水流路径的地理信息判别，估算各子单元的产流产污、截流截污、汇流汇污， 通过叠加至流域出口。因此流域空间分割成为分布式参数模型应用的首要问题， 而流域空间分割的内容包括：( 1 ) 网格单元的空间大小；( 2 ) 网格单元的属性赋 值。 目前，非点源分布式模型模拟中的空间分割具有较大的盲目性：( 1 ) 空间分 割密度的依据不充分【i ”。提高模拟精度的主要手段之一是提高空间分割密度。 第l 章前言 般来说，网格单元越小，模拟精度越高，但产生的数据量大，模型运行时间 长；网格单元越大，相应数据量越小，但空间分辨率低，易丢失许多重要信息， 且弱化了流域景观异质的非点源效应，尤其是水流路径的判别失真，导致污染 物的迁移路径偏离实际状态；而当网格单元扩张或收缩时，会导致网格单元属 性值的变化；此外针对某一具体的流域，时、空分辨率具有一定的相关性。实 际的应用中用户所采用的网格空间分辨率多利用模型的默认值【”l ；( 2 ) 缺乏对网 格单元属性值的不确定性分析。目前网格单元的属性赋值多采用平均值。实际 上由于地表景观的异质性及诸多复杂的不确定性因素影响，各参数具有空间分 布的不均匀性及其程度的差异，呈现出空间分布的随机性。这种随机性既与参 数内部空间结构的不确定性有关，也与人们的认知水平和信息的获取程度有关。 但这种空间变异性并非纯粹随机，由于各参数的空间相关性及其分布规律性， 各参数取值亦有空间分布上的统计平均规律性 1 5 , 1 6 】。因此，在网格单元属性赋值 中，既缺乏对参数空间的相关性和变异性的考虑，也缺乏对日趋复杂的模型结 构中参数不确定性的非线性传播的考虑，是影响非点源分布式模型模拟精度的 主要原因。 综上所述，影响非点源分布式模型模拟精度的主要因素是模型中众多参数 的不确定性。因而分析、评价模型中各种参数和影响因素的不确定性，及其给 模型结果带来的不确定性，将参数的敏感性在可能的情况下排序，从而找出在 开发和校准模型时最需要注意提高精度的参数，将能大大提高模型的实用性和 有效性，并且应作为目前非点源分布式模型工作的着重点。 目前，我国自行开发的非点源模型多为具有地域特征的经验模型，实际应 用中主要是借鉴国外的模型 1 7 , 1 8 , 1 9 0 0 2 1 0 2 1 。我国近年来经济发展迅速，农业集约 中农药和化肥施用量的增加、城市化进程的加速所引起的非点源污染闯题，既 给环境保护工作带来挑战，也带来了新的机遇，因此，分散参数、长时间序列连 续模拟的非点源模型在我国的非点源污染研究中具有广阔的应用前景。结合g i s 和r s 技术，通过非点源分布式模型的应用和不确定性分析研究，寻求其需要注 意提高精度的参数，对实际监测系统的布局和重点参数的采样都能有效地减少 成本费用，而且提高流域非点源的模拟精度是环境信息技术推广的关键，同时 可为非点源管理措施的构建提供理论依据。 2 第1 章前言 1 1国内外非点源研究现状 1 。1 1非点源污染概述 非点源污染( n o n - p o i n tp o l l u t i o n ) 是指在降雨径流的冲刷和淋溶作用下，大 气、地面和土壤中的溶解性或固体污染物质( 如大气悬浮物，城市垃圾，农田土 壤中的化肥、农药、重金属，以及其他有毒、有害物质等) ，进入江河、湖泊、 水库和海洋等水体而造成的水环境污染【2 3 洲。非点源污染的特点简单地说，就是 不确定时间、不确定途径、不确定量。与点源污染( 集中排放污水) 相比较，非点 源污染的主要特点有：对生态环境影响广泛：发生具有随机性；污染物来源和 排放点不固定，排放具有间歇性；污染负荷时空变化幅度大；监测、控制和处 理困难而复杂。非点源污染，由于涉及范围广、控制难度大，目前已成为影响 水体环境质量的重要污染源。 非点源污染包括大气环境的非点源、土壤环境的非点源和水环境的非点源 三类。水环境的非点源包括大气干湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污 染等诸多方面。降雨径流污染，即通常意义( 狭义) 的非点源污染，是与降水过程 伴随进行的地表径流污染。土壤侵蚀介于大气干湿沉降、降雨径流之间，既包 括风蚀，又包括水蚀，是二者的有机结合。按照地域特点，一般将非点源污染【2 习 分为城市和农村非点源污染两大类。 非点源污染的形成主要有以下几个过程组成：降雨径流过程、土壤侵蚀过 程、地表溶质溶出过程和土壤溶质渗漏过程1 2 6 1 ，如图1 1 所示，这四个过程相互 联系相互作用，成为农业非点源污染研究的核心内容。目前对农业非点源污染 的研究方法主要有野外实地监测【2 7 1 、人工模拟降雨 2 8 , 2 9 和非点源污染计算机模 拟【3 0 】等。非点源污染的控制与管理措施涉及到经济法律、国家政策等，其中最 具代表性的是美国7 0 年代中期提出的最佳管理措施( b m p s ) ，目的是控制来自农 业的水土流失和养分损失【”】，减少农业非点源污染的影响f 3 2 】。内容包括( 1 ) 选配 最适b m p s ；( 2 ) 估计b m p s 的效果；( 3 ) 低成本改变b m p s ；( 4 ) 对整个流域的水 土流失和养分损失进行评估；( 5 ) 确定全流域水土和养分流失最小的管理方案。 近年来，随着点源治理的改善，非点源污染的治理与控制愈来愈受人们的重视。 一些新的理论和概念被大量引入农业非点源污染的控制中，如流域管理【3 3 j ，源 3 第1 章前言 区识别【3 4 1 ，河流生态系统【3 5 1 ，景观格局【3 6 j 7 1 等，从而使得非点源污染的控制理 论得到迸一步充实。 图1 1 非点源污染发生过程 1 1 2 非点源污染模型研究现状 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。 1 1 1 1 非点源污染模型的发展 人类开始全面认识和研究非点源污染的历史并不长，2 0 世纪7 0 年代以前， 人们对非点源污染已逐渐有所认识并开始研究，但这个时期的研究多限于现象 的因果分析，定量化的研究则寥寥无几。 上世纪7 0 年代初期，是模型研究的探索期，美国加州的h y d r o c o m p 公司为 美国环保研制了农药输移和径流模型( p r t ) 。以及最初的城市暴雨水管理模型 ( s w m m ) 。 4 第1 章前言 7 0 年代中期至8 0 年代以来，是非点源模型大发展的时期，很多模型相继问 世。起初有h y d r o c o m p 公司的非点源污染系列模型p t r _ 王i s p a rm | 划p s ， 以及其他研究者开发的s t o r m ，a c t m o ，u t m ，l a n d r u m 和单位线性模型 等。后来较为成熟的代表模型有【3 s , 3 9 , 4 0 , 4 1 】：用于模拟地下水中的杀虫剂负荷预测 模型g u a m s 、用来计算侵蚀对农作物产量影响的模型e p i c 、农业管理系统中 的化学污染物径流负荷和流失模型c r e a m 、用于农业非点源管理和政策制定的 农业非点源污染模型a g n p s 及s w a t 、农田尺度的水侵蚀预测模型w e p p 、流 域非点源污染模拟模型a n s w e r s 、陆地表面亚表面和地下水的水文路线及污 染物输移模型h s p f 等，这些模型都得到了不同程度的应用。我国基本上在进入 8 0 年代以后才逐渐认识到非点源污染问题的重要性，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与污染负荷定量计算模型的初步研究。 9 0 年代以来，非点源污染管理模型和非点源污染风险评价成为这一时期应 用模型研究的最新突破点。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。其中比较著名的有美国国家环保局开发 的b a s i n s 4 2 和美国农业部农业研究所开发的a r l l 3 a g n p s e 4 3 j 等。国内李怀恩等 1 4 4 】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，适合我国且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，其推广性还有待进一步检验。 总的来说，非点源污染模型由简单的统计分析向机理模型、由平均负荷输 出或单场暴雨分析向连续的时间响应分析、由集总模型向分布式模型发展，模 型的研究开始以过程为依据、并与管理、控制措施相结合，强调普遍适用性和 实际应用价值。与3 s 技术的结合，使得模型的发展更加深入。 1 1 1 2 非点源污染模型比较 目前非点源模型数量繁多，表1 1 对目前应用较广的几个机理模型进行了总 结【4 5 1 ，主要有以下一些特点：( 1 ) 模型的空间和时间尺度逐步扩大；( 2 ) 统计模 型在非点源模型中仍然具有不可替代的地位。由于非点源模型的机理十分复杂， 使得对非点源污染过程精确的物理描述几乎不可能；( 3 ) 3 s 技术被普遍采用，并 成为非点源模型建立中不可或缺的重要工具。同时发现这些模型存在以下问题： 5 第1 章前言 ( 1 ) 干沉降对水体传输作用被忽视；污染物的迁移转化研究多为c o d 、t n 、t p 等；对毒性污染物由于技术上存在的难度，对其在空中、地表的迁移转化研究 较少；( 2 ) 实测的总径流量实际上包括地表径流和部分壤中流，而大部分模型所 计算出的径流量为直接的地表径流量，忽略了壤中流的影响。然而大量的研究 表明，在沙土壤区或地下水位较高时，亚表面水流对地表水质的影响是显著的： ( 3 ) 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，很难用于无资料或资料条件较差的流域；( 4 ) 计算产汇流时，考虑 的因素过于简单f 4 6 j ，忽略了时空变异性的影响，实际上引起非点源污染的因素 是复杂多样的、不确定的，这就必然会引起较大的误差，对模型的不确定分析 不够；( 5 ) 实用模型中，经验性模型多，考虑污染物迁移转化的机理模型少。 表1 1 常见非点源模型对比 1 。1 1 3g i s 技术在非点源污染模型中的应用进展 非点源污染模型所需的数据传统上只能依靠收集现有资料或野外实地考察 与监测获得。但随着模型模拟能力的提高，模型结构日趋复杂，所需数据量日 益庞大，传统的方法已很难适应研究需要。8 0 年代以来，随着遥感( r s 。r e m o t e s e n s i n g ) 、地理信息系统( g t s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 与地球定位系 统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 技术在在该研究领域的延伸，模型的参数问 题，特别是分布式模型的参数繁多、难以收集与管理的难题逐步得到解决。3 s 技术的应用为非点源污染研究提供了崭新的数据获取与分析方式。g i s 是以空间 数据库为基础，对空间相关数据进行采集、存储、管理、分析、模拟和显示的 6 第1 章前言 计算机系统。g i s 技术能将不同来源的空间信息进行转换和标准化，并将它们的 相互作用与关系显示出来，通过与遥感技术的结合，调查区域土地利用现状、 植被覆盖、水土流失的分布、面积及程度，并能够对历史数据进行动态分析。 同时，g i s 能使研究成果以图形的显示方式使分析结果更加直观，生动，更容易 为人们所接受，它能将与模型相关的基础数据、实时数据、模型计算结果综合 展示在电子地图上，直观有效地显示其定位、定性和定量特征，便于分析计算 过程和结果，有助于揭示纯数值结果难以发现的规律和内容。不仅如此，g i s 技 术在为非点源污染提供了强大的空间信息管理的同时，也提供了空间分析的技 术支持。空间分析功能是g i s 最主要的功能，也是解决各种实际问题的有力工 具，其功能包括空间查询统计、缓冲区分析、叠加分析、网络分析、动态追踪 分析、地形分析等，通过这些功能可以辅助与模型相关的各项要素分析和评价。 在2 0 世纪8 0 年代，国内外就将g i s 和遥感技术融入非点源污染的研究， 并应用于非点源污染负荷定量计算、管理和规划中的应用研究中【5 0 】。9 0 年代， g i s 软件与w e e p 、a g n p s 、u s l e 等结合进一步用于非点源污染危险区域识别、 显示多种非点源污染输出结果、绘制水源保护区范围和设计地表水监测网等方 面。曾远【5 1 】等利用g i s 软件建立太湖典型圩区的基础信息数据库和数字专题图 件，并利用g i s 技术的空间数据分析和整理能力提取a g n p s 模型所需的各种空 间参数。l e o n t 5 2 】以g i s 软件r a i s o n 为基础，集成非点源模型a g n p s 构建决 策支持系统，进行面源污染的模拟。d a v i d 等【捌将a r c v i e w 与a g n p s 模型集成 在一个系统中，进行面源计算和水质估算。d a e n e 等【5 4 】利用a v e n u e 语言将 a r c v i e w 与水资源管理模型集成，进行水资源的最优配置模拟。李硕【5 5 】在遥感和 g i s 技术辅助下，实现分布式模拟的空间离散化和参数化过程，对流域水、沙和养 分迁移过程及数量进行模拟和验证。黄金良等【5 6 】采用g i s 技术和u s l e ， s c s c n ，污染物流失经验模型及a n n a g n p s 机理模型相结合对农业集约化程 度较高的南方中等尺度流域进行农业非点源污染控制区划。 随着决策支持系统( d s s ) 的发展，结合g i s 空间分析功能和d s s 决策功 能的空间决策支持系统( s d s s ) ，将在解决非点源污染中随机性和不确定性问题 以及制定管理决策系统时将发挥重要作用。 7 第1 章前言 1 1 3 非点源污染模型的不确定性研究现状 非点源污染模型的发展到现在已经较为完善，然而非点源污染受降雨径流 和流域下垫面特性等因素影响，而这些因素随流域内土地利用状况、地形地貌、 水文特征、气候，天气等的不同而具有空间异质性和时间上的不均匀性【5 7 】，因 此没有任何一种模型是通用的，即使是物理过程模型也具有区域性。在实际应 用中，现有的各种非点源污染模型没有哪一种是具有广泛适用性的，都不同程 度存在参数繁多、率定困难、精度达不到要求、对非点源污染过程的模拟不够 全面的问题。因此，加强非点源模型的敏感性或不确定性分析非常有必要。 国外对机理模型的研究较多，机理模型需要率定的参数极多，因此只有通 过对模型参数进行敏感性或不确定分析，识别出对模型结果影响最为敏感的参 数，对模型进行优化处理，才能使模型在实际运用中更为合理和科学。v i e u x 和 n e e d h a m t 圳对a g n p s 的输入参数进行敏感性分析，考察了网格尺寸对输出结果 的影响。他们提出了基于矢量的a r c i n f o 用于a g n p s 模型的数据输入和输 出显示，用这种耦合方式研究了不同格栅大小对模拟结果的影响。在研究区域 采用了5 种( 1 - h n l 2 ，2 - h r n 2 ，4 - h r a 2 ，8 - h m 2 ，1 2 - h m 2 ) ) 己寸大小，当网格尺寸最大 时，由于弯流的缩短使水流路径最短，丙通过输沙量对各参数的敏感性分析表 明，输沙量的计算结果很大程度上取决于水流路径，因此，网格尺寸很大程度 上会改变非点源控制措施的决策。j e h n g 等【5 9 l 运用m o n t ec a r l o 模拟方法对非点 源模型中水系特性和降雨随机性引起的不确定性进行了研究分析，给出了计算 结果相似性比较方法，还发现模型网格的划分对模拟结果的精度有很大的影响。 p a r s o n 等通过输入输出数据的概率分布分析，表明溶解态污染物的输出结果较颗 粒携带污染物的输出结果可靠。决策者使用a q 旧s 来确定b m p s 的效果时，应 充分考虑模拟结果可能带来的风险。m i s g a n a 等t e e 运用m o n t ec a r l o 模拟方法对 非点源模型s w a t 的不确定性进行了研究分析，通过广义似然不确定性评价法 分析了输入参数对流速和泥沙浓度参数的影响。f r a n c o s 6 l 】采用傅立叶振幅感性 检验法研究s w a t 输出结果的不确定性，即依据傅立叶变换将不确定的模型参 数变换到一个频率范围，这样就可以把一个多维的模型转换成一个一维的模型。 研究结果表明土壤特性相比作物和管理参数对结果的输出影响大，模型中几个 重要的内嵌参数( e s c m p c ，r e v a p c ，n e p r c 0 ) 对地表水循环、回流水量， 硝酸盐的径流影响很大。 毫 第1 章前言 我国目前尚处于运用国外成熟机理模型阶段，由于气候、土地利用、土壤 等相关模型参数的差异，要将国外模型引入我国，其前提是验证模型的适用性 以及对模型参数的敏感性分析，否则，模型变量参数的偏差累积会导致结果的 严重不可信。黄金良等旧】研究了a n n a g n p s 模型在九龙江流域的适用性，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，如天宝小流域，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 养盐输出基本成线性关系，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。郝芳华等【6 朝研究了由于降雨的空间分布不均匀性对模型 输出产流量和产沙量不确定性的影响；并针对非点源污染负荷计算的影响因 素，采用摩尔斯分类筛选法，分析它们对径流量、泥沙负荷、吸附态氮和溶解 态氮模拟计算的敏感性。结果表明，在湿润、半湿润地区对径流量、泥沙负荷、 吸附态氮和溶解态氮影响最大的3 个因子分别是土壤可利用水量、土壤蒸发补 偿量、s c s 曲线系数。 分布式非点源模型在我国的非点源污染研究中具有广阔的应用前景。由于 模拟中存在多种误差，模拟结果常常是不确定的，所以在今后模型的发展过程 中，不确定性或敏感性分析将是令人感兴趣的研究方向之一另外这茅巾模型的 应用需要庞大的基础数据的支持，而我国目前的环境监测，主要依靠以人工采 样为主的国家、省( 市、区) 、地( 市) 、县多级监测系统，其时间、空间频率 都不可能很高，所提供的有限数据难以让环境管理人员从宏观上把握大面积的 非点源污染问题。g i s 和r s 技术的应用，可以解决参数的选择问题，减少模型 中的不确定成分。因此，结合g i s 和r s ，通过非点源分布式模型的不确定性分 析，提高模型的适用性，对模型的运用和发展具有重要的意义。 9 第1 章前言 1 2 研究目的、内容和方法 1 2 1 研究目标 根据研究区域的实际情况，确定研究区的模型参数，模拟计算研究区的非 点源污染负荷，评价对流域网格单元尺度、属性赋值方式较为敏感的模型参数， 以便提高那些敏感参数的测量精度或频度，有选择性地考虑影响因素，从而有 效地改善模型模拟的精度和质量，为非点源污染管理措施的提出和评价提供依 据，并减少非点源污染预测预报的风险。 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 模型的选择，分析模型输入参数并建立参数数据库。选取樟溪河流域为 研究对象，分析研究区的自然条件，社会条件和生态环境，收集并调查模型输 入相关的数据和资料，结合g i s 技术建立模型的空间和属性数据库。 ( 2 ) 应用a n n a g n p s 模型模拟计算流域水分、泥沙的移动、化学物质的运 输、地表径流以及养分的输出，估算污染负荷。利用模型对流域内的非点源污 染进行时间和空间分布模拟，分别从连续降雨、土地利用和土壤，地形因子等 角度进行流域非点源污染分析。 ( 3 ) 选取主要的模型输入参数进行敏感性分析。利用模拟值与某一基值的相 对变化率，分析各参数变化对模型输出结果的影响并应用莫里斯法计算各参数 的敏感性指标因子，对敏感性参数进行排序。 ( 4 ) 利用模型计算结果提出非点源的管理措施。根据( 2 ) 和( 3 ) 中的研究成果构 建五种管理措施并评价它们对流域非点源的控污效果。 1 2 3研究方法和技术路线 在文献调研的基础上分析流域非点源分布式模型的结构，总结归纳各分模 型的解法，必要时需要自行开发解法；提取出各参数和影响因素；结合相关资 料收集、非点源遥感信息的提取，利用g i s 建立流域非点源信息空间数据库和 属性数据库：以变差函数为主要工具，进行模型计算结果的的空间变异性和空 l o 第l 章前言 问相关性分析，利用莫里斯法研究模型参数的不确定性，得出模型输出结果的 不确定性并构建和评价非点源管理措施。文章采用的技术路线如图1 2 。 图1 2 流域非点源分布式模型的应用及不确定性研究流程 第2 章模型的选择 2 1模型简介 第2 章模型的选择 a u n a g n p s ( a n n u a l i z e da 鲥c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c e ) 模型是由c r o n s h e y t h e u e r ( 1 9 9 8 ) f 删在美国农业研究局( a r s ) 、明尼苏达州污染控制局( p o l l u t i o n c o n t r o l a g e n c y ，m p c a ) 和自然资源保护局( n r c s ) 帮助下共同研制出的计算机模 拟模型。a n n a g n p s 模型的前身是a q o s ，是一个基于方格框架组成的流域分 布式事件模型，按照栅格采集模型参数，由水文、侵蚀、沉积和化学传输四大 模块组成，用以n 、p 元素等土壤养分流失预测，并对农业地区的水质问题以重 要性为顺序进行排列，同时对次暴雨径流和侵蚀产沙过程进行模拟。流域的尺 度大小从几h m 2 到大约2 0 0 0 0 h m 2 ，流域被0 4 1 u - n 2 到2 6 h m 2 的单元进行均等分室， 流域内径流、污染物、泥沙沿各分室汇集于出水口。a g ，s 模型主要是为政策 制定者和管理部门研制的，适用于农业水域非点源污染的影响评价，并对各种 农业面源污染控制措施进行评估、经济效益分析及风险分析。a n n a g n p s 模型 不仅可以提高单事件模型a g n p s 的模拟能力，而且可以