（环境工程专业论文）渭河流域非点源氮污染分布式模拟研究.pdf

摘要 渭河流域非点源氮污染分布式模拟研究 学科名称：环境工程 研究生：刘健 导师姓名：李怀恩教授 李家科讲师 摘要 签名：主丝 签名：乏坦绝 签名：查丑i 塑。 1 产- 尹开 签名：脚 非点源污染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。本论文的主要工作是选取渭河华县断面以上流域进行了非点源污染模拟 计算，分析了渭河流域非点源氮污染产出特点。 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，可以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施对流域产汇流、产输沙及非点源污染物质的产输出的长期影 响。模型模拟需要收集和整理图形、气象、土壤属性及管理措施等大量数据。 首先利用g i s 软件将各种图形文件转换到同一投影坐标系，将气象和其它数据转换 成s w a t 模型相匹配的格式。再通过s w a t 自动地形分析软件包( t o p a z ) 由流域d e m 生成河网、划分子流域，并计算子流域和河道的地形参数，通过叠加土地利用图和土壤类 型图得到s w a t 最小计算单元水文响应单元( h r u ) ，对土壤类型和土地利用进行了分类， 为流域各土壤类型建立了土壤物理性质数据库。然后利用实测数据对模型进行了参数率 定，并对关键性参数进行了敏感性分析。考虑到研究区域面积达到1 1 万k m 2 ，率定后的 模型具有一定的精确度，可用于该研究区域非点源氮污染负荷的模拟计算。 利用了1 9 8 7 - - - 1 9 9 0 年华县水文站实测的径流、泥沙数据和污染物数据对模型进行调 参，用相对误差和n a s h s u t c l i f f e 模拟系数判断模型参数率定和验证结果的合理性，结果 证明s w a t 模型对渭河流域非点源氮污染模拟具有很好的适用性。 利用率定好的模型对不同典型年进行了模拟计算，结果分析表明，不同典型年流量、 泥沙量和非点源氮污染负荷量差别显著。随降雨径流特别是暴雨径流过程产生的非点源氮 污染负荷在丰水年较大，而枯水年相对较小；年内计算也表明非点源氮污染负荷主要集中 在汛期。通过空间产出分析指出了非点源氮污染产生的关键性区域和关键性河段。 最后，根据模型计算结果，结合国内外经验提出渭河流域非点源氮污染防治措施。 西安理工大学硕士学位论文 2 关键词：非点源污染；氮；s w a t 模型；渭河流域； 参数率定；模型验证； 本研究得到陕西省教育厅省级重点实验室重点科研计划项目( 0 5 j s 3 5 ) 的资助 a b s t r a c t t i t l e ：一d i s t r i b u t e ds i m u l a t i o no nn i t r o g e nn o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nl nt h ew e i h ew a t e r s h e d m a j o r ： e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g n a m e ：j i a nl i u s u p e r v i s o r ：p r o f h u a i - e nl i l e c t u r e rj i ak el i a b s t r a c t s i g n a t u r e = s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sd e f i n e dt ob et h er u n o f ft r a n s p o r to fd i s s o l v e do rs o l i d c o n s t i t u e n t sf r o md i f f u s es o u r c e so nt h el a n dt os t r e a m s i no r d e rt oa n a l y s et h en i t r o g e n n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh i l l ya r e ao fw e i h er i v e rb a s i n ，w e i h ew a t e r s h e d a b o v eh u a - x i a ns e c t i o ni ss e l e c t e da sar e p r e s e n t a t i v eh i l l yw a t e r s h e df o rt h es t u d y 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 a n di tc a 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 tp r a c t i c e so 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 si nl a r g ec o m p l e xw a t e r s h e d sw i t hv a r y i n gs o i l s 1 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 m a p s ，w e a t h e r , p r o p e r t i e s o fs o i l sa n dl a n dm a n a g e m e n td a t aw e r ec o l l e c t e df o rm o d e l a p p l y i n g a tf i r s t ，t h em a pd a t am u s tb ep r o j e c t e dt ot h es a i n ec o o r d i n a t es y s t e mb yg i ss o f t w a r e w e a t h e ra n do t h e rd a t aa l s on e e db et r a n s f o r m e dt om e e tt h en e e do ft h em o d e l t h e n ，d e m d a t ao ft h ew a t e r s h e dw e r eu s e dt od e f i n et h es t r e a mn e t w o r ka n dd i s c r e t i z et h es u b b a s i n sb y t h es w a t p r e t r e a t m e n tt o o lt o p a z ( t o p o g r a p h i cp a r a m e t e r i z a t i o n ) t o p o g r a p h i cp a r a m e t e r s o ft h es t r e a mn e t w o r ka n ds u b b a s i n sw e r ea l s od e r i v e df r o mt h ed e m t h eh y d r o l o g i cr e s p o n s e u n i t s ( h r u s ) t h es m a l l e s tc o m p u t i n gu n i to fs w a tm o d e l w e r ed e f m e db yo v e r l a y i n gt h el a n d u s em a pa n ds o i lm a p t h es o i la n dl a n du s ed a t aa r e c l a s s i f i e df o rt h em o d e l a n dt h es o i l p h y s i c a lp r o p e r t i e sd a t a b a s ef i l ei sc r e a t e d s w a tm o d e li sc a l i b r a t e dw i t ho b s e r v e dd a t af o r t h es t u d ya r e aa n dt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s s e n s i t i v i t yi sa n a l y z e d m o n t h l yf l o w ，s e d i m e n ta n dn u t r i e n tm a t t e r sd a t as e r i e so f19 8 7 - - 19 9 0w e r eu s e dt o p a r a m e t e rc a l i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o e f f i c i e n tf o rj u d g i n gt h ea d a p t a b i l i t yo ft h em o d e l ， 3 西安理工大学硕士学位论文 s u c h 弱n a s h s u t c l i f f ec o e f f i c i e n ta n dr e l a t i v ee r r o r , t h ep r e c i s i o no ft h es w a tm o d e li sf a i r l y g o o d t h ec a l i b r a t e dm o d e li su s e dt oc a l c u l a t et h el o a d i n g so fn i t r o g e nn o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t a n t sf o raw e ty e a r , an o r m a ly e a ra n dad r yy e a rr e s p e c t i v e l y t h ed i f f e r e n c eo fd i f f e r e n t t y p i c a lh y d r o l o g i cy e a r s r e s u l ti sd r a m a t i c t h el o a d i n go fn i t r o g e nn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni n t h ew e t y e a ri sr e l a t i v e l yl a r g e ra n di nt h ed r yy e a rs m a l l e rs i n c et h en i t r o g e nn o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t a n t sa r em a i n l yt r a n s p o r t e di nt h er u n o f fa n d t h em o s tl o a d i n gi nay e a ri sp r o d u c e di nt h e f l o o ds e a s o n b e c a u s es w a ti sad i s t r i b u t e dm o d e l ，i ti sp o s s i b l et ov i e wm o d e lo u t p u ta si t v a r i e sa c r o s st h eb a s i na n dt h ec r i t i c a la r e a sa n dr e a c h e sa r ef o u n di nt h es t u d ya r e a e a c hl a n d c o v e rr e p r e s e n t e di nt h em o d e ly i e l d sd i f f e r e n tr e s u l t s a tt h ee n d ，t h em e a s u r e m e n t sf o rp r e v e n t i n gn i t r o g e nn o n p o i n tp o l l u t i o na r ep r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h em o d e lr e s u l t sa n dt h ee x p e r i e n c e so fo t h e ra r e a s 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 i t r o g e n ；s w a tm o d e l ；w e i h ew a t e r s h e d ； p a r a m e t e rc a l i b r a t i o n ；m o d e lv a l i d a t i o n 4 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 、 叫，、1 论文作者签名：a ：型? 垡。铆对年弓月2 1 3 学位论文使用授权声明 本人占么谄建二= 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) ：追翩躲支! 生绣年孑月习日 l 概述 1 概述 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 非点源概述 水体的污染源可以划分为：点源、面源( 也称为非点源) 和内源。点源主要来自于工 业和生活污水的集中排放，非点源污染的来源比较广泛，其中以来自农田的面源污染最为 突出，内源主要指水系沉积物的释放，即底泥释放出的污染物质。非点源( n o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n ) 污染，简称n s p 污染，又称之为面源污染，是指污染物在不确定的时间内、 排放不确定数量的污染物汇入受纳水体而引起的环境污染1 1 。非点源与点源污染相比， 起源于分散、多样的地区，地理边界和发生位置难以识别及确定，随机性强、成因复杂、 潜伏周期长，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。其 特点主要有以下几点： 1 、随机性 非点源与降雨量和降雨强度有直接密切的关系，无论是城市地表径流、矿区地表径流， 还是土壤侵蚀，其非点源产生的规模和强度均与降水过程密切相关。此外，非点源污染的 形成还与土地利用类型、土壤结构、农作物类型、气候、地质地貌等密切相关。降水的随 机性和其它影响因子的不确定性，决定了非点源污染的形成具有较大的随机性。 2 、广泛性 非点源是一种面污染源，其发生的地点在陆地区域，在地球表层广泛分布着自然环境 可接受的化学物质和人工生产的无法接受的化学物质。随着径流进入水体，产生的生态环 境影响更将深远且广泛。 3 、滞后性 农田中农药和化肥施用造成的污染，一般在雨期才对水环境产生影响，若施用化肥即 遇到降雨，造成的非点源污染将会十分严重。农药和化肥在农田存在的时间长短决定非点 源污染形成的滞后性的长短。通常一次农药或化肥的施用所造成的非点源污染将是长期 的。 4 、模糊性 影响非点源污染的因子复杂多样。农业非点源污染与农药和化肥的施用量、农作物生 长季节、农作物类型、使用方式、土壤性质和降水条件有关；城市非点源与绿化程度、清 扫面积、次数、效率、降水强度有关。不同因子之间又相互影响，因而使得非点源污染的 形成机理具有较大的模糊性。 5 、潜伏性 农药、化肥施用后，在无降水或灌溉时，形成的非点源污染十分微弱，城市地表在无 降水条件下，散落在城市空间的许多固体污染物、垃圾对水体的危害十分有限，但在降水 西安理工大学硕士学位论文 时，随着径流进入水体将会形成严重的非点源污染。城市中的垃圾或其它附着于建筑物表 面的污染物均是潜在的非点源污染源。 6 、公众意识薄弱 至今，公众对由农田施用化肥和农药等引发的污染以及农业生产过程中产生的污染缺 乏足够的认识，对隐蔽性强、分散的村落污水垃圾以及畜禽粪便等有机废弃物给水环境带 来的危害也缺乏重视 7 、研究和控制难度大 由于非点源污染来源的复杂性、机理的模糊性和形成的潜伏性，在研究和控制非点源 污染方面具有较大的难度。 以上几点，决定了非点源污染负荷在不同地区、不同时期具有不同的特性，因此 对非点源污染的研究应当从机理出发，尽量查清其产生根源和迁移途径，从根本上把握污 染物的迁移转化规律。对非点源污染进行机理性研究的一个有效工具就是建立非点源污染 模拟模型，应用水文、地理、生物、数学等理论，分析模拟非点源污染物的形成、迁移、 转化和积累等过程。 非点源污染模拟模型是通过对整个流域系统及其内部发生的复杂过程进行定量描 述，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途径，预报污染负荷 产生量及其对环境的影响，并评估不同的土地利用方式及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 。 1 1 2 渭河流域概况 渭河发源于甘肃省渭源县的鸟鼠山，流经陇东高原、天水盆地、关中平原( 宝鸡、咸 阳、西安、铜川、渭南等重要的城市和杨陵区) ，至潼关港口入黄河，共经甘肃、宁夏、 陕西三省( 区) 8 6 个县( 市、区) ，干流全长8 1 8 k i n ，流域面积1 3 4 8 万k m 2 ，其中陕西 境内河长5 0 2 k i n ，西起宝鸡，东到潼关，南依秦岭，北至黄龙山，流域面积7 2 5 万k m 2 ， 分别占渭河全长和总流域面积的6 1 3 7 和5 3 7 9 。 渭河流域属于干旱半干旱地区，年平均气温6 - 1 4 ，年平均降水量4 5 0 - - 7 0 0 m m ， 年蒸发量1 0 0 0 - - 2 0 0 0 m m ，无霜期1 2 0 - - 2 2 0 天。多年平均径流量1 0 2 x1 0 8 m 3 ( 1 9 3 4 、1 9 7 0 年系列) ，年内变化与降水相似。6 - - 1 0 月为汛期，多暴雨，降水强度大，其中7 、8 、9 月大汛期间的径流占全年的6 0 - - 7 0 。而实测最大洪峰流量7 6 6 0 m 3 s ( 1 9 5 4 年) ，调查 最大洪峰流量1 0 8 0 0 m 3 s ( 1 8 9 8 年) 。 渭河流域土地面积6 7 1 1 0 4 k m 2 ，占全省土地面积的3 2 6 2 。流域内土地利用类型主 要有耕地、园地、林地、草地、城乡居民点与工矿建设用地、交通用地、水域及未利用土 地等。流域内土壤类型多样，主要有娄土、黑垆土和黄绵土，局部地区分布有少量的水稻 土和盐碱土。 渭河干流1 3 个监测段面控制河长4 0 0 余公里，除对照断面外，均为v 类或超v 类水， 其中7 8 的断面超v 类标准；主要污染因子为高锰酸盐指数和氨氮。城市附近河流普遍 2 l 概述 污染，部分城镇河段已经变成排污沟，河水发黑发臭。按照地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) ( ) 类标准，1 0 年统计结果：高锰酸盐指数8 8 5 的断面年均值超标： 氨氨9 8 4 的断面年均值超标。 随着对渭河流域污染防治工作开展的不断深入，逐渐认识到在对点污染源进行治理的 同时，对非点源污染的治理也是十分必要的。为了更好地对非点源污染实行控制治理，就 必须对非点源污染的产输出特点及时空分布有全面的了解。本文在现有资料基础上，选择 了渭河华县水文站断面以上的流域作为研究区域。流域范围包括泾河水系和渭河水系，流 域面积约为l l3 万k m 2 ，见图1 1 。应用s w a t 模型对该区域的非点源污染进行模拟计算 分析，为渭河流域非点源污染控制规划和治理提供科学依据。 图1 - 1 褶河流域水系闰 f i 9 1 - l t h e w a t e rs y n e m m a po f t h e w e i h e w a t e r s h e d t 2 非点源污染研究综述 121 国外研究现状 国外发达国家在二十世纪7 0 年代初期开始全面认识和研究非点源污染问题，但是当 时仅是在非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方面的 初步研究，往往依据因果分析和统计分析的方法计算流域土地利用或径流量之间的统计关 系。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。 西安j 里- r _ 大学硕士学位论文 自7 0 年代中后期以来，随着对非点源污染物理化学过程研究的深入和对非点源污染 过程的广泛监测，机理模型逐渐成为模型开发的主要方向，其中著名的有模拟城市暴雨径 流污染的s w 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 ( u s d a ，1 9 8 0 ) 模型奠定了非点源模型发展的“里 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 ( w i l l i a m s 等，1 9 8 4 ) ，用于模拟农业活动对地下水影响的g l e a m s ( l e o n a r d 等，1 9 8 7 ) ，用于模拟大型流域非点源污染负荷的s w r r b ( w i l l i a m s 等，1 9 8 5 ) 和s w a t ( a r n o l d 等，1 9 9 8 ) 等。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。 9 0 年代后期，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 和美国农业部农业研究所开发的 【8 】 a g n p s 9 8 等 。 1 2 2 国内研究现状 我国基本上进入8 0 年代才逐渐认识到非点源污染问题的严重性，并在城市暴雨径流 污染和农业非点源污染方面开展了一些工作，如在北京市、苏州市、天津于桥水库流域、 云南滇池流域、四川沱江等处开展研究。8 0 年代在非点源污染研究方面我国开展的工作 不多，特别是在控制与管理方面开展得更少。这种状况对我国自然资源的保护与合理开发 利用，对环境污染的有效控制和促进国民经济发展是十分不利的。在8 0 年代，国内较为 典型的研究有王皓根据流域的地形特点及植被情况划分单元，运用水文学、水力学的原理 建立方程计算坡面漫流和污染物负荷，提出了非点源污染负荷的单元坡面模型法 ，夏 青等以整个流域为研究对象、降雨为输入、径流和污染负荷的传输为输出建立了计算流域 非点源污染负荷的数学模型等 。 随着人们对非点源污染的危害性认识的加强，以及研究方法和手段的不断提高，对非 点源污染的研究也越来越广泛和深入。我国对非点源污染的研究一般可以分为两类，一类 是直接引进国外的成熟模型，根据国内实际情况进行模型的率定调试，并应用到具体流域 中进行模拟验证。另一类是从非点源污染机理出发，根据理论分析及实验研究，建立描述 径流、侵蚀产沙及污染物迁移转化过程的模型。 近年来，很多研究者也开始从非点源污染物的迁移转化机理上开展研究，并且取得了 很好的成果。西安理工大学李怀恩等人提出的流域非点源污染系统模型，包括产汇流模型 及非点源污染物的产生与迁移模型。其中流域汇流采用了逆高斯分布瞬时单位线法， 其显著特点是微观机理与宏观求解的有机统一，既考虑了水动力学与污染物迁移转化机 理，又便于求解与应用，较好地解决了模型机理与实用性之间的矛盾。 4 1 概述 1 2 3 渭河流域的非点源研究进展 1 2 3 1 西安市黑河引水工程水源保护与非点源污染研究n 2 1 黑河引水工程已经成为西安市的主要供水水源，其水质与水量直接关系到西安市3 0 0 万市民的身体健康与西安市社会经济的可持续发展。西安市政府和有关部门非常重视黑河 引水工程的水源保护问题，在1 9 9 5 - - 1 9 9 8 年期间，组织有关单位开展黑河引水工程水源 保护研究。该课题紧密结合黑河引水工程的实际，主要围绕非点源污染展开，取得的主 要成果为：1 ) 选择了3 个典型流域进行降雨径流污染监测和代表性土壤总磷、总氮的测定； 2 ) 在流域非点源污染负荷预测方面，创建了3 种新方法( 平均浓度法1 1 3 土地利用关系 法和污染负荷泥沙关系法1 4 1 ) 。并将数学模型法1 1 5 单位面积负荷量法6 1 和水质 水量相关法1 实际应用于这种上千平方公里的大流域；3 ) 对黑河流域不同情况( 现状、 土地利用改善和恶化等) 的污染负荷进行了定量预测；4 ) 在非点源污染控制与管理方面， 围绕水源区土地利用结构的调整和优化，分别对林地、耕地、荒地和河道两岸敏感区提出 了污染控制对策和规划要求，并应用所建立的预测方法和模型对多种组合方案的非点源污 染控制效果进行了定量分析。此外，还对水源区的人口及采矿、旅游、交通等特殊污染问 题也提出了相应的对策建议。在此基础上提出了黑河引水工程水源保护区划分方案与污染 防治对策，并由西安市政府上报省政府批准实施。 1 2 3 2 灌区污染研究 关中地区已建成1 1 个大型灌区，在充分利用渭河干支流的地表水源，在改善农田生态 环境、大幅度增加农业产量方面发挥了巨大作用；但农田退水中三氮含量普遍较高，影响 了渭河水质。王永胜、周海红等应用生态学的原理和方法，对关中部分灌区农田非点源污 染及影响进行了初步研究，主要开展了以下分析研究工作8 1 9 1 ：1 ) 渭河水、灌溉水、地 下水以及农田排水的水质状况；2 ) 农田土壤中的养分及其流失情况；3 ) 化肥及农药的施 用、污染及流失情况；4 ) 农田土壤污染情况；5 ) 农作物污染情况；6 ) 探讨了污染物在 农田生态环境系统中的迁移转化规律以及各因素之间的相互影响，并利用黑箱理论和潜水 均衡理论建立了农田生态环境系统的数学模型，对灌区农田排水中的肥分流失及农业非点 源污染对渭河的污染贡献进行了计算，提出了农田生态环境系统的污染防治对策。 1 2 3 3 路面径流污染 路面径流污染也是非点源污染的重要来源之一。赵剑强对西安市南二环路面径流排水 水质和西临高速公路路面径流采用人工现场取样、实验室分析的方法，进行了两方面的监 测1 2 0 , 2 1 1 ) 以获取城市道路路面径流水质特征为主要目的的测试：取样分析了水中p h 、 c o d 、b o d 5 、s s 、石油类、p b 及z n 等污染物的浓度：2 ) 以探索城市道路路面径流排污 规律为主要目的的测试：取样分析了水中s s 、c o d 、溶解性c o d 等主要污染物的浓度， 测量了相应的路面径流量及降雨量。在此基础上，研究了城市地表径流的重要组成部分 路面径流的污染物、排污规律及其与车辆交通的关系，提出了描述路面地表径流排污 过程的污染物浓度预测计算模式，比较分析了地表径流污染控制的几种技术方法，并提出 5 西安理工大学硕士学位论文 了控制路面地表径流污染的措施1 2 0 1 。 1 2 3 4 渭河干流非点源污染研究 近几年，西安理工大学等单位结合有关课题与博士、硕士学位论文，在渭河干流非点 源污染方面开展了一些初步研究工作。2 0 0 2 年庄咏涛采用多种方法对渭河临潼断面以上流 域的非点源污染总氮负荷进行了研究，在对流域的相关自然和社会环境进行调查分析的基 础上，应用年降雨量年非点源总氮负荷量相关法、j o h n e s 的输出系数法等多种方法来估 算流域非点源总氮年负荷量，通过分析选取了五大营养源( 种植用地、城镇用地、自然地、 牲畜、人) 的总氮输出系数，并对流域非点源总氮年负荷量的未来变化趋势作了分析预测 1 2 2 1 。2 0 0 4 年李越结合渭河流域的实际情况及资料条件，选择了合适的污染负荷估算方法， 分析渭河流域氮污染特征及来源，在对污染物负荷合理分割方法研究的基础上，分析了渭 河水质与流域人类活动之间的关系眨”。蔡明等通过考虑降雨因素影响和污染物在迁移过 程中损失，对j o h n e s 的输出系数法进行改进，提出了降雨量差值法，并初步建立了综合考 虑点源与非点源污染影响的河流水污染控制规划模型2 4 粕1 。李家科等针对非点源形成过 程复杂，基础资料不完备的特点，将支持向量机理论引入非点源污染负荷的预测之中，并 运用有限的资料对渭河华县水文站断面非点源总氮年污染负荷进行了拟合和预测，预测结 果优于最d x - - 乘支持向量机、人工神经网络和最小二乘回归法预测模型 2 7 1 0 西安建筑科 技大学的张荔等借助分布式水文模型，以渭河流域的地形数据为基础，利用g i s 、d e m 对 渭河流域咸阳断面以上流域进行划分，在离散化的汇流区间坡面系统中进行水文模拟并 与水质模型结合，对日径流过程及b o d 5 、n 0 3 一n 进行模拟，效果良好 2 8 1 。 1 2 3 5 渭河支流非点源污染研究 胥彦玲等按照行政区将黑河流域划分为9 个单元，通过专家评判模式估算个行政单元 的土壤侵蚀量，利用吸附态氮磷污染模型估算出黑河流域的污染物流失量和吸附态氮、磷 污染负荷，并提出了减少关键区域土壤侵蚀性非点源污染的一些措施 2 9 1 。2 0 0 6 年，胥彦 玲等以流域的行政分区作为估算非点源污染的响应单元，在g i s 软件的辅助下利用通用土 壤流失方程( u s l e ) 对黑河流域的侵蚀量与非点源污染负荷进行了研究，计算了流域吸 附氮、磷的污染负荷玛。张强、李怀恩等结合黑河流域的自然地理条件，在m a t l a b 软件 辅助下，应用蓄满产流模型、逆高斯分布汇流模型、水沙关系模型以及澳大利亚学者v i n e y 所提出的营养物迁移转化模型，对黑河流域1 9 8 1 1 9 9 0 年磷的迁移转化过程进行了连续模 拟，预测了黑河流域磷污染负荷量，取得了较好的结果，在国内就流域营养物输出连续模 拟做了有益尝试b 1 3 2 1 。薛素玲基于g i s 采用s c s 模型、u s l e 模型分别对黑河流域的径流 过程、土壤侵蚀量进行模拟，并且在a r c v i e w 下实现了流域非点源污染负荷的空间分布以 及子流域总负荷的输出，最终模拟了流域出口断面总磷、总氮的输出口刀。张荔等对皂河 小流域建立了4 层串联水箱模型，并结合河流水质模型，综合模拟了河流流量及主要水质 指标( b o d 、n h 4 - n 、n 0 3 - n ) 的变化趋势，取得了较好的结果b 钔。张亚丽等通过室内 模拟降雨试验，分析了黄土坡面退水情况及降雨因素、地形地貌和农业管理措施对退水的 影响，同时从降雨径流土壤相互作用角度探讨了退水矿质氮的浓度和负荷量口 。 1 概述 1 2 4s w a t 模型研究和应用进展 s w a t 模型在国外，尤其是在加拿大和北美寒区被广泛应用。近年来，我国也开始 利用s w a t 模型进行水文水资源以及非点源污染的模拟研究，如王中根等k 3 6 1 , 、黄清华b 7 1 等对西北寒旱区黑河流域水文过程的模拟，刘昌明等乃踟对黄河河源区的大尺度流域水文 模拟，陈军锋等用该模型进行了长江上游的梭磨河流3 明土地利用变化对水文过程影响的 模拟，郝芳华，孙峰等对官厅水库流域h 0 1 非点源污染的研究，此外，清华大学也将该模 型应用于部分小流域非点源污染的研究中，如万超h 对潘家口水库上游流域面源污染进 行了模拟研究，刘铭环4 2 1 对竹竿河流域的非点源污染研究。胡远安，程声通，贾海峰h 3 1 等对袁水上游小流域的非点源污染研究。但从总体上来看，国内应用较少，关于该模型的 相关参考文献也相对较少。 1 2 5 非点源污染研究存在问题及发展趋势 综合分析国内外研究动态，非点源污染研究还存在一些问题1 ，需进一步加强研究。 如：对大气干沉降和非点源毒性污染物在空中、地表的迁移转化研究刚刚开始，迁移转化 的过程研究明显不足；许多非点源污染的管理和控制措施，只考虑了对地表水质的改善， 而忽略了地下水质等等。对于我国而言，目前的水污染控制重点仍主要放在点源上，对于 非点源污染的认识尚处在起步阶段，缺乏相应的管理研究和实践，相关的法规条例也十分 有限。缺乏针对非点源污染的的治理手段，管理措施、政策有效性的量化研究更是一个空 白，相关的非点源污染管理和控制措施零散，未能形成完整的体系。非点源污染的管理和 控制措施的推广常因成本、利润等诸多因素而频频受阻，达不到预期效果。 鉴于国内外非点源污染研究存在的问题，非点源污染研究主要有如下发展趋势： 1 、非点源污染危害的广泛性、控制的复杂性使其研究越来越受到重视： 2 、非点源污染物的迁移转化更趋深入，提高数学的精确度，集成化非点源污染模型 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； 3 、生物技术、总量控制将在流域非点源污染控制和治理中发挥重要作用； 4 、从流域角度探讨流域开发和水环境质量的关系，实施最佳管理措施，建立流域土 地、水域最优开发和管理模式，将成为非点源污染控制研究的一个重要突破点。 1 3 研究内容 如前所述，渭河流域的非点源污染控制对关中地区具有显著的影响作用，因此有必要 对非点源污染的形成机理进行探讨。本论文从渭河流域的降雨径流和土壤侵蚀出发，运用 g i s 结合相关模型对非点源污染的形成进行简单、初步的模拟，其主要的研究内容如下： 1 、收集整理资料 收集和整理模型所需的降雨、径流、泥沙等水文资料；日降雨，日气温、日蒸发量， 日相对湿度，日太阳辐射，日风速等气象资料；实测洪水过程中总磷、总氮浓度等资料； 7 西安理工大学硕士学位论文 以及渭河流域的土地利用图、土壤类型图和d e m 图。 2 、建立非点源污染数据库 在模型建立前需要把输入土地利用、土壤、天气、地下水、水资源利用、农业管理、 土壤化学、河流水质以及模拟日期等数据转化成模型可以使用的数据格式，输入模型生成 s w a t 模型输入数据集。 3 、流域模拟 由流域d e m 生成河网、划分子流域，并计算子流域和河道的地形参数，通过叠加土 地利用图和土壤类型图得到s w a t 最小计算单元水文响应单元( h r u ) 。 4 、模型的校准与验证 根据渭河流域实测的径流、泥沙和水质资料对s w a t 模型进行率定和验证，利用相 对误差和n a s h s u t c l i f f e 模拟系数判断模型参数率定和验证结果的合理性。 5 、流域计算 利用验证好的s w a t 模型对渭河流域水量、泥沙量和各污染物负荷量进行模拟计算。 分析渭河流域非点源污染物产出的时间分布特性和空间分布特性，并对模型主要参数的敏 感性进行分析。 1 4 技术路线 本研究采用g i s 与非点源污染模型相结合，对渭河流域非点源污染负荷的形成进行分 布式模拟，并将计算结果与根据监测资料得到的非点源污染负荷进行对比分析。研究的技 术路线为： 1 、查阅相关文献，确定本研究使用的水文模型、土壤侵蚀模型及营养物迁移转化模 型： 2 、搜集、整理渭河流域的降雨、径流、泥沙等水文资料，以及实测洪水过程中总磷、 总氮浓度等资料； 3 、运用s w a t 模型计算各种营养物流失量时需要收集相关资料具体如下： 数字地图：包括数字地形图、土壤类型图、土地利用图、流域水系数字图等； 气象资料：包括日降雨资料，日气温资料、日蒸发量资料，日相对湿度资料，太阳 辐射资料，日风速资料； 水文资料：包括日径流量，典型污染物浓度等；土壤特性资料；流域丰枯平降雨径 流系列、点源污染数据等； 4 、利用g i s 软件将各种图形文件转换到同一投影坐标系，将气象和其它数据整理成 s w a t 模型需要的格式；。， 5 、结合g i s 把输出系数法模型运用在流域内的非点源污染计算上，计算出流域内的 各项污染物总量； 一 6 、通过s w a t 自动地形分析软件包( t o p a z ) 由流域d e m 生成河网、划分子流域， 并计算子流域和河道的地形参数，通过叠加土地利用图和土壤类型图得到s w a t 最小计算 r 1 概述 单元水文响应单元( h 】w ) ； 7 、渭河流域模拟调参； 选用s w a t 模型对渭河流域非点源污染进行模拟，首先确定流域边界、流域河网生成 和划分子流域，再根据流域中不同土地利用方式相关联的土壤中营养物质的各参数，由实 测的水文系列和产流系列来确定降雨一径流关系曲线参数； 8 j 模型模拟结果分析； 9 i 提出建议和改进措施。 9 西安理工大学硕士学位论文 2s w a t 模型基本原理 2 1s 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 o o l s ) 模型研制于2 0 世纪9 0 年代初期，由美国 农业部农业研究所( u s d a a r s ) 开发，是具有物理基础的、流域尺度的动态过程模型， 其运行以日为时间单位，可以进行连续多年的模拟计算，适用于包含各种土壤类型、土地 利用和农业管理制度的大流域。其主要目的是模拟预测土地利用、土地经营管理方式等对 流域水量、水质等方面的影响h 5 舶1 。1 0 多年来，经历了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 和s w a t 2 0 0 0 等五个版本的不断发展和完善，形成了w i n d o w s ( v i s u a lb a s i c ) 、 g r a s s 和a r c v i e w 3 0 中操作界面。其不同版本之间的改进主要包括：s w a t 9 4 2 引进了 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 ，简称h r u ) ；s w a t 9 6 2 加入了植物截流、壤 中流的计算，径流营养物和杀虫剂的输送模拟和气候变化的分析方法，添加了自动施肥与 灌溉作为管理选项，用于计算潜在蒸散发的彭曼公式等模块也被加入：s w a t 9 8 1 对融雪 模块、水质模拟以及营养物质循环进行了修正，增加了放牧、施肥等作为管理选项，并增 加了模型在南半球的适应性；s w a t 9 9 2 改进了对各种水体( 水库、池塘和湿地) 水量平 衡的处理方法，增加一种城市径流的模拟计算方法；s w a t 2 0 0 0 的改进主要在于改善“气 象因子发生器”提供了更多的潜在蒸散发计算方法，太阳辐射、相对湿度、风速、潜在蒸 散发等气象数据可以直接输入或者根据“气象因子发生器 让模型自动产生，水库的数量 不再受到限制，并增加了g r e e n & a m p t 渗透方程和m u s k i n g u m 模式分别计算入渗与地下 水平衡。最新的2 0 0 0 版本已完全基于a r c v i e w 之上，模型安装之后，可成为a r c v i e w 软 件的一个子模块，较之以前的版本，可视效果好，操作更简单1 4 7 1 。 s w a t 模型具有以下几个特点： 1 、s w a t 模型属于物理模型 s w a t 模型没有利用输入输出变量之间的回归公式，而是需要流域的气侯、土壤性 质、地形、植被覆盖以及土地利用等数据。然后利用这些输入数据由s w a t 模型完成水、 泥沙的运动过程，作物生长，营养物质循环等的模拟。这种方式的优点在于即使在那些没 有监测数据比如水文数据的流域也可以利用这个模型。而且可以方便地研究不同土地利 用、管理方式以及气候气象条件对于水质变化的影响。 2 、该模型计算效率较高 对于较大流域的计算或者不同的流域管理方案的计算都可以完成而不需要更多的时 间或资金上的投入。 3 、连续时间模型，能够进行长期的模拟 目前许多非点源污染问题都包括了污染源的形成过程以及对于下游水体的长期影 响。s w a t 模型是最具有活力的