（自然地理学专业论文）基于swat模型的非点源污染模拟研究——以密云水库北部流域为例.pdf

摘要 为了对非点源污染进行有效的治理与控制，必须研究污染物的流失过程和规律。通过 将非点源污染模型与地理信息系统( g i s ) 、数字高程模型( d e m ) 相结合，在时间和空间 上对流域非点源污染物的流失过程进行系统模拟，分析其时空变化规律，可以为非点源污 染的控制和定量化管理提供有效的依据。 本文在全面阐述国内外非点源污染模型发展的基础上，利用s w a t ( s o i la n dw a t e r a s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模型，在g i s 技术和流域数字高程模型的支持下，以北京密云水库北部 区域为研究区域，进行流域非点源污染模拟研究工作，主要内容如下： ( 1 ) 基于g i s 和v i s u a lf o x p r 0 6 o ，建立了一套适用于s w a t 模型的研究区非点源污 染基础信息库，根据流域空间离散化和参数化过程，解决了模型运行单元( 水文响应单元) 的自动赋值问题，并通过分析单元间的空间关系，实现了模拟结果的逐级空间集成。 ( 2 ) 应用不同精度d e m 提取的流域地表坡度损失的对模型的模拟产生重要影响，坡 度提取误差是低精度d e m 参与模型非点源污染流域模拟的重要障碍。以斗亡牛河流域为例， 通过对不同精度d e m 系列与基准d e m 建立的坡度拟合回归方程系进行坡度损失控制，有效 地解决了d e m 精度对模型模拟影响。 ( 3 ) 运用s w a t 模型将研究区刻划为7 5 个子流域和1 1 4 个水文响应单元，采用 2 0 0 0 2 0 0 2 的相应数据，对研究区的非点源污染负荷时空变化进行模拟分析：在空间尺度 上，研究区的非点源污染贡献主要集中在白河流域，有机氮、有机磷负荷呈“西高一中低 一东高”的空间分布；在时间尺度上，污染贡献主要集中在雨季时期( 6 9 月) ，其中有 机氮、有机磷负荷随季节呈不规则的“w ”形态变化。研究区的非点源污染流失负荷( 土 壤流失、有机氮、有机磷) 与土地利用有密切的关系，在五种不同土地利用方式下，林地 和果园的非点源污染负荷贡献最小，耕地和农村居民点的负荷贡献最大。 关键词：非点源污染；s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ( s w 盯) ：g e o 乒a p h yi n f o 肌a t i o n - s y s t e r n ( g i s ) ；d e 西t a le 1 e v a t i o nm o d e l ( d e m ) ；密云水库 s w a t b a s e ds i m u l a t i o no nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni n t h en o r t hw a t e r s h e do fm i v u nr e s e r v o i r a b s t r a c t i no r d c rt om a l l a g ea 1 1 dc o m r o le 腩c t i v e l yn o n p o i n ts o w c ep o l l u t i o n ( n p s ) i nw a t c r s h e d ， i ti sn e c e s s 龇yt os i m u l a t et h en p sp r o c e s sa tt e l l l p o m la i l ds p a t i a ls c a i eb yt i l ec o m b i n a t i o no f n p sm o d e 卜一s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n t t b o l ( s w a t ) w i 恤g c 0 蓼a p h yi n f o 册a t i o n s y s t e m ( g i s ) a n dd e 西t a le l e v a t i o nm o d d ( d e m ) ，a n da n a l y z em ev 撕a n i o nt op m v i d em e v a l i di n s 扛u c t i o nf o rc o n t r o la 1 1 dm a i l a g cn p s t h i sp 印c rr e v i e w st h ed e v d o p m e n to f n p sm o d e l a sac a s es t u d y m es w a tm o d dw a s a p p l i e dt os i 舢1 a t et 1 1 en p sl o a d i n go f n o n t lw a t c r s h e do f m i y 吼r e s e n ，o ir ，t b em a i nc o n t e l l t s a n dr e s e a r c hr e s u l t sa i 弓a sf b l l o w s ： ( 1 ) t h ew a t e r s h e dn p sb a s i cd a t a b a s ef o rs 、气tm o d e li nt h es t u d va r c ah a sb e e n e s t a b l i s h e du s i n gt h eg i sa n d s u a lf o x p m 6 ot e c l l l l 0 1 0 9 ya c c o r d i l l gt ot h ew a t c r s h e ds p a c i a l p a r 蛐e t e r i z a t i o na 1 1 dd i s c 州z a t i o n ，t h ea u t o - e v a l u a t i o no fm o d e lm nu n i t s ( h y d r o l o 垂c r e s p o n s eu n i t s ，h r u s ) w e r es o l v e d ；b y l eg r a d i n gs p a t i a lr e l a t i o n s h i pa n a l y s i s ，m eh r u s w e r er o u t e du p w a r d sa n d 山es p a t i a l i t e 掣_ a t i o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e 擘a d l l a l l y r e a l i z e d ( 2 ) t h em o d e ls i m l l l a t i o n sa r ea f r c c t e d 笋e a t l yb yp a r a m e t e r s1 0 s sd e r i v e df b md e m sw i t h d i 行h e mr e s o l u t i o n s ，e s p e d a l l yi nt l l es l o p e a sa ne x 姗p l eo fm a n g n i u h er i v e rw a t e r s h e di n m i ”nr e s e r v o i r ，e 丌o rc o m r o lo nt 1 1 ev a h j eo fs l o p ed 嘶v i n g 舶md i 行e r e n tp r e c i s i o nd e mi s m a d 肌s i n gt h e 刚ee s t i m a t i o nr e g r c s s i o nm e t h o dt ob u i l dm ee q u a t i 0 1 1 so f s l o p el o s s e s 7 ( 3 ) b a s e do nd e m ，s t u d ya r e aw a sd e p i c t e da s7 5s u b - b a s i n sa i l d1 1 4h r u s t h e s i m u l a t j o no fn p sn l n o f ro ft 1 1 ew a t e r s h e di sc a r r i e dw i t hc o r r e s p o n d i n gd a t ao ft h r c ey e a r s ( 2 0 0 2 0 0 2 ) b ys w a ta l s om er e s u l t sa r ca i l a l y z e d 舶ms p a c ea i l dt i m e ( a n n u a l l ya 1 1 d m o n t h l y ? ) r c s p e c t i v e l yo nt 1 1 et i m es c a l e s ，t h ew a t e r s h e do fb a i h er i v c ri c o n 埘b u l e dm o r e n p s1 0 砌n g d i s 埘b u t i o no fo r g 姐i c na 1 1 do r g a i l i c - pl o a ds h o w s ap a t t e m o f 嘞i 曲i n w c s t 一1 0 wi n m i d d l ea n d h i 曲i ne a s t ”；o n t h e 即a c ed i m e n s i o n s ，n p s1 0 a d i n gi s c o n t m i u t e dm o s t l yd u r i n gt h er a i n ys e a s o n ( j 1 1 f l + s 印t ) d i s 埘b u t i o no fo r g a n i c - na 1 1 d o r g a l l i c 。pl o a ds h o w st h et e m p o r a ls h a p eo f “w ”c o m p 撕s o nw n h 五v ed j 矗苛e 1 1 tl a l 】d u s e m a l l n e r si nw a t e r s h e d ，t h ei m p a c to f l a n d - u s e “a n g e so ns e d i m e n ta r ee v a l u a t e d f o ro r g a n i c n a i l do r g a n i c - p t h ew o o d l a n da n do r c h a r d sc o n 劬u t el e a s tn p s1 0 a d i n gw h e r e a st h en p s l o a d i n g 行o mf a i m l a n da i l dv i l l a g er e s i d e n t i a la r c a si sb i g g e s t k e y w o r d s ：n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ( n p s ) ；s o i la n dw a t e ra s s e s s m e l l tt 0 0 1 ( s w ； g e o 铲a p h yi n f o m a t i o ns y s t 锄( g i s ) ；d e 西t a le l c v a t i o nm o d e l ( d e m ) ；m i y u n r e s e o i r 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：耋 勃犟， 1日期：2 0 0 6 年0 5 月2 4 日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 6 年0 5 月2 4 日 接于s ，a 1 1 模型的非点源污染模拟研究秦福米 碳卜论文 1 非点源污染模型概述 第一章绪论 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 ) ，或称扩散污染( d i f f u s e dp 0 1 l u t i o n ) ， 是指溶解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起的水体污 染，其主要来源包括水土流失、农业化学品过量旌用、城市径流、畜禽养殖和农业与农村 废弃物等。其污染排放的突出特点是：不确定性强、时空差异大、影响因素及作用过程复 杂、污染监测困难等等。 国外对非点源污染的研究始于2 0 世纪6 0 年代，近年来逐渐受到了有关国家及研究者 广泛关注【1 q 】，其中非点源污染模型的研究是其中的主要领域之一。为了对非点源污染进 行有效的治理与控制，必须研究污染物的流失规律，最有效、直接的方法就是利用数学手 段建立非点源污染模型，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，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 模型概念 非点源污染模型是以水文循环为基础，通过研究水和泥沙在空气、土壤等介质中淋溶、 输移和转化的过程，从而进一步研究氮、磷营养物、农药、化肥和泥沙的迁移转化流失现 象，评价它们对地表水和地下水质的影响，同时还要考虑到农药、化肥和泥沙在不同介质 中的物理、化学和生物效应。 1 2 模型的基本结构 从非点源污染的特点来看，它的产生一方面取决于地表污染物质的数量和赋存特征， 另一方面受到降雨径流过程的影响，与自然界的水文循环过程密切相关。因此传统的水文 模型便构成了非点源污染模型结构的基础，由于非点源污染的过程十分复杂，在建立模型 时将过程划分成为几个相互关联的部分，分别进行模型化，再根据其间的联系综合起来形 基于s w 盯模型的非点源污染模拟研究秦福柬 砸i ：论文 成一个完整的模型。降雨径流过程( 水文过程) 、侵蚀过程和污染物的迁移转化过程以及污 染物对水质的作用过程是决定非点源污染特征的四个主要过程，因此非点源污染模型的基 本结构主要包括降雨径流模型、侵蚀和泥沙输移模型、污染物迁移转化模型和水质模型四 个子模型，其结构呈金字塔型，如下图： 受纳水体水质模型 污染物迁移转化模型 侵蚀和泥沙输移模型 降雨径流模型 图1 1 非点源污染模型基本结构图 但由于应用的目的不同，实际中非点源模型的结构往往更为复杂，可能涉及气候模拟、 作物生长模拟和管理控制费用估算等方面的子模型吼 1 3 模型的分类 按照模型参数定义的不同，我们将非点源污染模型分成以下两大类： 1 、集总式参数模型将整个流域或者其中一部分看成一个单元，然后将单元面积上 的各种特征集总在一起，采用经验公式将参数的最终表达方式和数量加以简化，从而将单 元作为均匀系统处理，此类模型不考虑模型的时空变异性，整个流域的参数值的系数与面 积权重有关。模型在经过率定和验证后能够得出长期、反映不同水文和气象条件的输出结 果。但由于此类模型采用的公式大多为经验公式，受外界环境因素的影响很大，模拟结果 并不十分准确。例如c r e a m s 就属于这类模型。 2 、分布式参数模型将流域分成性质( 土壤、不透水性、植被、地形特征) 相同的 独立单元，每个面积单元分开进行模拟后，将各小单元的输出结果逐个相加，最后得到整 个流域的污染物输出量。分散式参数模型从每一个小单元中可阻得到多个输出结果，但是 模型需要的参数非常多，需要对每一个单元的系统参数进行详尽的描述，相邻单元各因子 又相互作用，因此在同一流域中应用分教式参数模型的计算量要比集总式参数模型大得 多。该模型能提供每一单元得变量信息，能够识别出流域的关键地区，而集总参数模型则 不具备该功能。现在大多大型复杂的非点源污染模型如a g n p s 、s w 奸和b a s i n s 都是 利用这一思路进行流域模拟的。 ，。，。t 藉一基础性 摧十s w a t 模型的非点源污染模拟研，秦福米 颅“卜论义 表1 1 常见的几种国外非点源污染模型对比 模型名称开发时问参数形式时问尺度模型结构 a g n p s1 9 8 7 分散参数开始为单次暴 雨模拟，后发 摧为长期连续 模拟 s c s 水文模型；通用士壤流失方程：氨、磷和 c o d 负荷。刁二考虑污染物平衡 s w a t1 9 9 6分散参数妊期连续模拟 1 3 模型与地理信息系统的整合 s c s 水文模型，入渗，蒸发，融誊；改进通用土 壤流失方程；氮磷负荷，复杂污染物r 衡 地理信息系统( 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 ，g i s ) 是用来对地理数据进行采集、 存储、管理和显示的计算机系统，将具有空问特性的各种环境要素抽象成点线面的空间实 体和属性数据。长期以来，研究者认为土壤、土地利用、地形和气象气候等流域景观特征 的时空变化影响着流域非点源污染的发生，非点源污染模型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，而生成、组织、管理和分析显 示空间数据正是g i s 的优势所在。两者在研究对象及功能上的相似性与互补性，使爷它们 相结台的应用研究成为近年来环境模型研究中新的生长点。g i s 与非点源污染模型结合的 作用主要表现在： ( 1 ) g i s 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，并与非空问信 表1 1 参考胡霉涛非点源污染模型文，详见参考文献【4 。 3 幕于s n ，a t 模型的非点源污染模拟甜f 究秦祸来顾f 。论文 息相结合，使非点源污染模型可以直接利用g i s 中的数据； ( 2 ) g i s 可以将模型的数字分析的结果表达可缩放为空间图形，以标明污染物的分 布及其动态扩散状况，其强大的制图功能可以根据需要生成各种图件； ( 3 ) g i s 能将大量的水文和污染物等属性数据按照一定的数据格式进行归纳分类存 储和标准化转换，从而实现数据共享，为其他地区的非点源研究工作提供资料； ( 4 ) g i s 空间分析功能能有效地识别污染物流失的关键区域，为各级决策部门提供 依据，对污染源区和污染严重地区实行重点控制； ( 5 ) g i s 中强大的数据检索和更新能力，使得模型仅需修改部分参数即可达到模拟 目的，可大为提高模型的运行效率； ( 6 ) g i s 支持多种模拟结果的输出显示( 统计报表、专题图、报告等) ，既丰富了非 点源污染模型的研究，又增强了资源管理者执行深入分析和作出正确决策的能力。 2 非点源污染模型研究进展 2 1 国外研究进展 一2 0 世纪7 0 年代前，主要以非点源污染统计模型的研究应用为主，模型功能结构 单一。无法对非点源污染全过程进行模拟和估算。 这一时期的非点源污染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 流量之间的统计关系 】。主要的模型有h o r t o n 入渗方程、s c s 径流曲线数法等，这类统 计模型对数据的需求比较低，能够简便地计算出流域出口处的非点源污染相关因子的负 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，功能和结构较为单一，使得这类模型的进一步应用受到 了较大的限制。 一在2 0 世纪7 0 年代后期至9 0 年代，非点源污染机理模型研究兴起，一大批机理 复杂、适用性强的模型出现，并形成与计算机和3 s 技术综合发展的趋势。 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，国外的非点源污染模型已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、由集中式模型向分布式模型 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 4 毕于s w a t 模型的非点源污染模拟研字秦福米 硕士论文 应用价值。其中著名的有模拟城市暴雨径流污染的s l v m m 、s t o r m ，模拟农业污染的a r m ， 以及流域模型a n s w e r s 和h s p 等。美国农业部农业研究所开发的c r e a m s 【7 模型奠定了非 点源模型发展的“旱程碑”，它首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了 系统的综合。c r e a m s 推出后，立即引起了广泛的关注，并在其基础上发展出了一系列结 构特征类似的模型，如农田小区模型e p i c 【8 】，用于模拟农业活动对地下水影响的g l e a m s 【9 】， 用于模拟大型流域非点源污染负荷的s w r r b f l0 1 。此外，a b b o t t 等洲开发了欧洲水文系统 模型s h e ，y o u n g 等开发了中小流域非点源模型a g n p s ，w i l s o n 等和a s c o u 曲i i 等 1 4 】 分别开发了流域侵蚀和泥沙模型s e d i m o t i i 和w e p p ，a r n 。l d 等【1 5 】开发了用于大型流域 水文和泥沙演算的r o t o ，后来s w r r b 与r o t o 集成形成了新一代的大型流域非点源污染模 型s w a t 【l “。这些尺度和功能各异的模型极大地丰富机理型非点源模型的内含。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，g i s 开始与分布式模型和污染物 负荷模型相结合，对氮磷、农药化肥的不同形态的迁移过程进行模拟和负荷估算，为实 现最佳管理提供评价依据。 本世纪以来，模型与g i s 、遥感等工具的结合日益紧密，非点源污染模型功能和 运行效率更高，模型在非点源污染研究中应用更加广泛。 一些先进成熟的非点源污染模型如a g n p s 、s w a t 、w e p p 都与流行的g i s 软件如 a r c v i e w g i s 、g r a s s 、i d r i s i 等进行了不同程度的集成，随之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 【1 7 】和美国农业部农业研究所开发的a g n p s 2 0 0 l 、s w a t 2 0 0 0 等。这 些模型软件大多可以在其网站免费获取，并能得到相关应用指导和版本维护升级服务。 在模型的应用方面，以s w a t 模型为例，迄今为止，s w a t 模型的有效性已经得到了国外 许多研究项目和研究者的证明，模型已经广泛地应用到美国国家项目h u m u s ( h y d r o l o g i c a l u n i tm o d e n n go fu n i t e ds t a t e s ) 、大的区域性项目( 如：n o 从、sc o a s t a la s s e s s m e n t f r a m e w o r k ) 和许多不同尺度的研究项目中，研究内容涉及流域的水平衡、河流流量预测 和非点源污染控制评价等诸多方面。美国环保局将s w a t 模型作为其t o t a lm a x i m u md a 儿y l o a d ( t m d l ) 项目的首选模型，并已将其集成到其开发的b a s i n s 模型系统中。该项目实旌 的目的在于通过同时控制点源和非点源污染来实现水环境质量标准，以法令形式要求各州 识别每一重点水域的非点源负荷并确定其削减量，使非点源污染成为水污染负荷总量控制 的重要组成部分。s w a t 模型的作用就是协助该项目进行非点源污染负荷的估算、重点源区 桀十s v ，a t 模型的非点源污染模拟研究秦福米 硕卜论文 的识别和控制等。 f i t z h u g ht w 和m a c k a vd s 2 0 0 0 年在w i s c o n s i 砂h d a n e 县p h e a s a n tb r a n c h 流域，应 用s w a t 模型研究了子流域数目变化对模型模拟精度的影响。在2 0 0 1 年，他们又在同一研究 区对流域特征( 传输限制、源区限制) 与s w a t 模型的产沙模拟行为的关系进行了研究，验 证了s w a t 模型的流域适用性。a r n 0 1 dj g 【1 9 】等人利用s w a t 模型和数字滤波技术分别模拟了 l i s s i s s i p p ir i v e rb a s i n 上游的地下水补给和基流，比较了两种方法的模拟精度，对该 模型在水土流失估算方面提供了水文计算经验。t r i p a t h im p ，p a n d ar k ，r a 曲u w a n s h i n s 2 1 】的研究则主要集中在径流量和产沙量模拟方面，对s w a t 模型的预测精度进行了校 准和验证，并在小流域非点源污染模拟中得到成功应用，其后使用s w a t 模型对流域非点源 污染关键区域的不问管理措施组合的有效性进彳亍综合评价，得到了满意的结果。 2 2 国内研究进展 我国的非点源污染研究起步较晚。在2 0 世纪8 0 年代，开始对非点源和区域径流污染的 宏观特征与污染负荷定量计算模型的进行初步研究。如刘枫【2 2 】等在天津于桥水库进行了流 域非点源污染的量化识别研究；吴祖林瞄】从径流量于污染负荷相关的角度对城市径流污染 负荷模拟模型进行了有益探讨。 我国非点源污染负荷定量估算方法主要有两种【2 4 l ：一种是采用相关分析法，通过对非 点源污染物输出的三个重要环节一降雨径流、水土流失、污染物迁移的模拟，估算污染物 的输出量。夏青等基于此提出一个包含降雨径流、汇流出流、出流水量与水质相关三个子 模型的流域非点源污染负荷模型，并在四川沱江流域进行了非点源污染模拟，得到了较好 的模拟效果。施有光2 5 1 利用分雨强计算城区径流污染负荷也为城市径流污染负荷定量化研 究提供了新思路；另种方法是立足于受纳水体水质分析，计算汇水区域污染物输出量的 经验统计模型，这种方法已得到了广泛应用且发展很快【2 6 1 。陈西平2 7 1 提出了包括降雨产流 和径流水质相关子模型，用于计算农田径流污染负荷的三峡库区模型，根据蓄水容量曲线 确定产流子模型，根据次降雨径流确定污染物输出总量，计算了三峡库区b o d ；、c o d 、t n 、 t p 等污染物的输出量。 由于我国非点源污染模型化尚属应用研究，9 0 年代以来，我国研究者开始引进国外成 熟的非点源污染模型用于流域的非点源污染模拟及控制工作，但大多根据其需要稍加修 正，对模型改进不大。由于缺少长系列的水文水质监测数据等资料，在很大程度上也影响 了我国非点源污染模型研究工作的深入。此外我国学者也积极探索本国的非点源模型化工 6 捧于s w a l 、模型的非点源污染模拟酬，c 秦福米 硕一卜论义 作，李怀恩1 2 8 1 针对国外现有模型的不足，从我国实际出发，建立了一个完整的流域非点源 污染模拟系统，提出了流域汇流与非点源污染物迁移逆高斯分布瞬时单位线及流域产污过 程模型，该模型既考虑了水动力学与污染物迁移机理，又方便求解和应用，在一定程度上 解决了模型机理与实用性之间的矛盾。 在地理信息技术兴起的今天，我国将g i s 应用于非点源污染模型的研究正在兴起，沈晓 东f 2 勉等在自行研制的g i s 软件的支持下，提出了一种动态分布式降雨径流模型，实现了基 于栅格的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟，能够获得流域上任意模拟时刻任意栅格的径 流量。但在实际工作中多数采用国外应用较为成熟的非点源污染模型及应用软件。游松财 f 3 0 】等在g i s 的支持下，应用u s l e 估算了江西省泰和县灌溪乡的土壤侵蚀量。董亮f 3 1 】首次将 a g n p s 模型与b 1 a c k l a j l dg r a s sg i s 相结合，建立了西湖流域的基础数据库和非点源专业 数据库，对杭州西湖流域的“西湖西进”规划对流域非点源氮磷负荷作了模拟和预测。曹 文志、洪华生等f 3 2 】在福建九龙江上游流域对a g n p s 模型在我国东南亚热带地区的农业非点 源污染负荷估算及评价应用进行了检验，探讨了g i s 与农业非点源污染模型有机结合以有 效提高模型输入参数的可得行，研究结果表明模型的模拟结果精度可以接受。李硕在遥 感和g i s 的支持下，对s w 玎模型的空间离散化和空间参数化进行了深入研究，并成功地将 其应用到江西潋水河流域的径流和泥沙的模拟中。其后张运生【3 4 】又在此基础上对该流域进 行了s w 盯模型的化学径流( 营养物流失和农药化肥流失等) 模拟研究。张雪松在河南 卢氏流域( 4 6 2 3 k m 2 ) 应用s w a t 模型进行中尺度流域的产流产沙模拟试验，也得出模型在 长期连续径流和泥沙负荷模拟中具有较好的适用性的结论。 3 。研究背景与选题思路 3 1 研究背景 密云水库是北京市最重要的水库之一，随着经济的发展，北京市用水日趋紧张，人均 水资源不足3 0 0 立方米，为全国人均占有量的l 8 ，世界人均占有量的1 3 2 。北京已成为 世界严重缺水的大城市之一，作为北京市唯一的地表饮用水源地，密云水库日供水量占首 都用水总量的三分之二。对缓解北京市水危机，保证2 0 0 8 年奥运会顺利举办有着举足轻 重的地位。因此保护好密云水库的水质，是直接关系到首都人民生活和健康的重大问题。 由于水库所在流域多山，夏季降水高度集中，水土流失面积大，加之近年来人口压力 增加。经济与环境保护的不协调发展，目前水库水质处于中等营养程度，并有向富营养化 蕈十s v ，a t 模型的非点源污染模拟研究秦福束硕f 论文 发展的趋势。多项研究表明3 6 q w ，流域内的非点源污染已成为影响密云水库水质的主要 原因，水库的氮磷等营养物质主要是由降雨形成的径流对带有大量氮磷的地表土壤进行侵 蚀、冲刷，通过河流而进入水库造成水质污染。在密云水库污染物年总负荷量中，7 3 c o d 、 7 1 b o d 5 、9 4 n h 3 - n 、7 5 t - n 的7 5 及9 4 t p 来自非点源污染【3 8 。因此，对流域非 点源污染的控制，是预防密云水库富营养化的重要措施。 运用非点源污染模型来模拟密云水库北部区域的非点源污染的发生、发展的时空分布 规律，实现对研究流域的非点源污染负荷的定量评价和预测，以期为非点源污染模型在密 云水库全流域的推广应用做先行性研究，为密云水库的非点源污染控制工作提供必要的技 术支持，有助于减少污染物入库量，恢复流域的自然生态，从根本上改善密云水库水质， 还北京人民一岔“清水”。 3 2 选题思路 本论文的研究思路主要是在运用自然地理学、非点源污染发生发展学和景观生态学等 原理的基础上，应用国外先进的非点源污染模型_ s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n t t 0 0 1 ) 模型，综合利用地理信息系统( g i s ) 、遥感( r s ) 、数字高程模型( d e m ) 等先进手段， 结合流域野外调查、布点采样和实验室分析等方法，从而保证了本项论文有较强的工作操 作性和思路创新性。 3 2 1 模型选择 选定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，主要基于下面几个原因考虑： s w a t 模型是基于过程的物理模型，经过开发者多年的研究改进，已成为是国际上先进 成熟的流域模型，其有效性已经通过多种方式、多个研究项目的验证；s w a t 模型是在 美国农业部农业研究中心开发的c r e a m s 、g l e a m s 、s w r r b 、e p i e 、r o t o 等模型的基础上开 发的，并经过一系列的改进，集成了这些模型的优点，无论是模型结构、适用性，还是模 拟内容，都相对完善，适合于选择的研究目标；s w a t 模型已经和g i s 软件进行了模块 化集成，使用方便、运行效率高，便于研究目标的技术实现。 3 2 2 技术支撑体系 本文所使用的g i s 软件为美国环境系统研究所( e n v i r o n m e n ts y s t e mr e s e a r c h i n s t i t u t e ，简称e s r i ) 公司的地理信息系统产品a r c v i e wg i s 3 3 和a r c g i s 8 2 。其中 a r c v i e wg i s 3 3 主要作为与s w a t 模型集成模块a v s w a t 的工作平台，用于模型数据的输 入、显示、修改和管理，以及模型运行结果的显示和输出；a r c g i s 8 2 为a r c i n f o 的升 r 桀于s w a = r 模型的非点源污染模拟研究秦祸米 碳卜论义 级版本，在研究中主要是用于模型所需图件的制备，包括地图数字化、配准赋值、坐标定 义及投影转换、图幅的剪裁等工作。模型所需属性的数据的输入和管理存储则是应用微软 发布的f o x p r 0 6 o 数据库软件来完成。 本文的研究主要是围绕基于s w a t 模型进行流域非点源污染模拟展刃：，模型模拟的技 术路线图如下。 图1 2s w 打模拟非点源污染技术路线图 3 2 3 研究重点 ( i ) 模型应用过程中考虑了较低精度d e m 的坡度值损失并进行了误差控制 本文采用数字高程模型( d e m ) 作为流域地表特征的数据源，流域地表特征数据提取的 准确性主要取决于d 叫的精度，其中精度对流域平均坡度的提取影响最大。有关d e i 的精 度损失研究在许多领域都有报道，在g i s 技术的支持下，对较低精度d e m 提取的坡度迸行 误差控制并应用于非点源污染模型的量化模拟，这不仅有益于模型最终误差的控制，而且 也为不同精度d e m 的流域地表特征提取的损失量化控制提供了一定的应用借鉴意义。 ( 2 ) 应用s w a t 模型对多出口流域进行菲点源污染模拟研究 综合参考国内s w a t 模型的应用研究，大多是在一个完整流域( 拥有一个流域出口) 上进行的单项研究( 或偏产流或偏产沙) 3 3 】，也有对较大流域进行s w a t 非点源污染模拟 研究【 “，但均是选择一个流域出口进行模型模拟。而本文所进行研究的区域则为非闭合 9 基于s w a l 模型的非点源污染模拟研究秦福米硕卜论文 多出口流域，整个研究区有两个流域入水口( 白河张家坟站和潮河下会站) ，涉及白河和 潮河的部分下游流域，另外还包括白马关河、安达木河、斗亡牛河、清水河和蛇鱼川河等流 域的全部；整个研究区的水系最终汇向密云水库，因此上述河流的入库口都要做为研究区 的出水口，这一方面加大了前期基础数据整理难度，另一方面也使得模拟研究结果分析量 倍增。这在国内尚没有此类研究先例，本项研究的实施也为s w a t 模型的广泛应用开辟了 新的途径。 1 0 皋于s w a l l 模型的非点源污染模拟研究秦镉米碳卜论文 第二章s w a t 模型应用原理、技术与方法+ 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 ) 模型是由美国农业部( u s d a ) 的农业研 究中心( a r s ) 研发的适用于较大流域尺度的分布式水文模型，它建立在s w r r b 模型的基 础上并结合了美国农业研究中心几个模型( c r e a m s 、g l e a m s 、e p i c 、r o t o 等) 的特征， 是一个基于物理过程、可以连续时间模拟的模型，它偏重于水文的模拟，运行步长以日为 单位，主要模拟不同土地利用和多种农业管理措施对流域的水、泥沙、化学物质的长期影 响，能预测l o o 年阻内的某个流域的总径流量、泥沙流失量和营养负荷。被广泛用在非点 源污染的管理和控制过程中。 s w a t 模型于9 0 年代早期正式推出，之后连续推出了9 4 2 版、9 6 2 版、9 8 1 版、9 9 2 版， 并于2 0 0 1 年7 月发布了s w a t 2 0 0 0 版本。 值得说明的是，a r s 在1 9 9 8 年就发布了s w a t 与g i s 软件( 如g r a s s 、a r c v i e w ) 的集 成版本，以g i s 为基础界面，利用g i s 软件将流域划分成若干部分，可以直接从土壤、径 流、气候等数据库中读取数据，并提供与其它数据库的接口程序，大大提高了数据的输入、 管理和输出效率。现在模型与a r c v i e w 软件的集成模块a v s w a t 已经升级到2 0 0 0 版。 1 s w a t 模型的模拟原理 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 ) 模型是由7 0 1 个方程、1 0 1 3 个中间变量 组成的综合模型体系，因此模型可以模拟流域内部的多种水文循环物理过程：水的运动， 泥沙的输移，植物的生长以及营养物质的迁移转化等。模型的整个模拟过程可以分为两大 部分：子流域模块( 产流和坡面汇流部分) 和汇流演算模块( 河道和蓄水体汇流部分) 。 前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量，后者决定水、 沙等物质从河网向流域出口的输移运动及负荷的演算汇总过程。 1 1 子流域模块 模型首先要按不同的土地利用方式和土壤类型将流域划分成若干不同的子流域，比较 各小流域污染物流失的空间变化规律。水文响应单元( h y d r o l o g i cr e s p o n s eu n i t s ，h r u s ) 。本章内容整理自作者发表论文：基于g i s 的流域水文模型一s 、v a t ( s o “a n dw a t 盯a s s e s s e n tt 0 0 1 ) 模型的动态 研究首都师范大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 ) ：8 l 8 5 l l 璀十s w 戌t 模型的非点源污染模拟研究秦福粜 顾，卜论史 是子流域的最基本单位，它表征子流域内单一地面覆盖、单一土壤类型和管理方式的具有 水文意义的地块单元。每个子流域可以生成多个水文响应单元，模型在每个水文响应单元 上独立运行，运行结采在子流域出口进行汇总。为了方便模型参数的输入，子流域模块又 分成水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农药杀虫剂和农业管理等8 个 组件。 i 1 t 水文组件 s w a t 模型能模拟实际发生的水文循环过程( 图2 1 ) ，其水量平衡方程原理表达式为： 跚= 册( 一q 州一e ，一绋。) ， l = l 其中，鲫是最终的土壤含水量( m m ) ，跏是土壤初始含水量( m m ) ， 是时间( d ) ，比，是第 j 天的降水量( m ) ，是第j 天的地表径流( m m ) ，e 是第j 天的蒸发量( m m ) ，甩。是第j 天存 在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量( 衄) ，靠是第厌的地下水含量( m ) 。 根据其水量平衡方程，水文组件可以对地表径流、下渗、侧流、地下水流、蒸散发、 融雪径流、传输损失等水文过程进行描述和计算。 图2 1s w a t 模型水文循环过程 地表径流：s w a t 模型可由降雨量直接计算地表径流量，计算采用美国土壤保护所 ( u s s c s ) 开发的径流曲线数法( s c sr u n o f fc u r v en u m b e r ) ；径流峰值的模拟通过修正 的r a t i o n sf o r m u l a 方法和s c st r 一5 5 方法计算【3 9 1 。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问通过曼宁公式( f a n n l n g 、sf o r m u l a ) 来计算。此外 幽2 1 24 均参照s o i i 相d w a l 廿a s s w s s m 朝t 1 砷l u s c r m 帅u m 1 h 嬲a m b j a c k i a n d r 船r c h c e n t 1 如p l q t x ，1 9 9 7 1 2 摧于s w t 模型的非点源污染模拟研，秦福米 颧i 论且： s w a t 还考虑到冻土上地表径流量的计算。 下渗：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。如果土壤层的含水量超过了田问持水量，而且下层土 壤含水量没有达到饱和状态，就会存在水的下渗运动，流动速率由土壤层的饱和导水率来 控制；当下层土壤含水量超过了田问持水量，就会存在