流域非点源模型发展与应用.doc

流域非点源模型发展与应用摘要：本文首先介绍了非点源污染的特征以及进行非点源模型模拟的必要性，然后介绍了非点源模型的应用目的以及常用的流域非点源模型，最后以SWAT模型为例，详细的讲述了它的原理、数据输入和率定参数和方法，以及黑河（莺落峡）流域的非点源模拟实例。关键词：非点源模型 SWAT模型 黑河流域引言非点源污染是指时空上无法定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接对大气、土壤、水构成污染的污染物来源。与水环境有关的非点源污染主要包括大气干湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污染等。由于非点源污染的形成过程受区域地理条件、气候条件、土壤结构、土地利用方式、植被覆盖及降水过程等多因素影响，具有随机性大、分布范围广、形成机理复杂、潜伏性强、发生滞后和管理控制难度大等特点，成为地表和地下水质不断恶化的重要因素，是世界各国普遍面临的环境问题。在我国，虽然点源问题还远没有解决，但很多水体，尤其是作为旅游地和水源地的湖泊、水库，非点源的污染已经占到很大的比例。一些研究表明，北京密云水库、天津于桥水库、安微巢湖、云南滇池和洱海、无锡太湖、上海淀山湖等水域，非点源污染的比例已超过点源污染，成为主要的水体污染源。1由此可见，开展非点源污染模拟及防控技术研究已可不容缓。1. 非点源污染的特征与点源污染相比，非点源污染发生的机理复杂，影响因素众多，具有许多显著不同的特点。1.1时间上的随机性和间歇性 非点源污染的发生主要受降雨径流过程的影响，而降雨过程受复杂的气象因素控制，具有随机性。这使得非点源污染的发生也具有随机性，不能够认为控制；另外，在不同的年份和季节，非点源污染负荷变化很大。1.2空间分布上的广泛性 与点源污染不同，非点源污染没有特定的排放口，是在流域尺度上发生的，即流域的任何一块受到人为因素干扰的土地上都有可能产生非点源污染。1.3发生机理的复杂性 非点源污染的发生与传输机理涉及了多个学科的研究范畴，主要包括水文学、水力学、土壤学等，发生机理的复杂性远远超过了点源污染。这些对非点源污染的监测、模拟模型的建立和非点源污染的控制提出了巨大地挑战。1.4污染物组成和负荷的不确定性 非点源污染负荷不仅随不同的土地利用类型、土壤性质等改变，和降雨类型、降雨前期条件等因素有关，也和人类活动（如施肥、施药、灌溉等）有关，不确定因素很多，使得非点源污染负荷的定量计算和预测非常困难。1.5污染控制和管理上的困难 非点源污染发生时间的随机性、发生地点的广泛性、发生机理的复杂性，以及污染组成和负荷的不确定性，使得传统的末端处理方法难以实现，设计有效的防止方案难度很大。2.非点源模型应用目的非点源模型应用的主要目的包括：模拟流域内非点源污染负荷的时空变化，为下游水库富营养化研究和水库水质模拟提供准确的输入负荷数据；揭示流域内非点源负荷空间分布特征，识别非点源负荷空间分布特征，识别非点源流失负荷关键区，为流域和水库水质管理提供科学依据；借助情景分析手段，探求流域非点源污染控制的较佳措施和方案。3.常用流域非点源模型简介自20世纪70年代初期美国环保局开发了第一个用于城市暴雨径流水质模拟的SWMM模型以来，众多研究人员们开发出数量众多的计算机模型来模拟农业流域和城市区域的非点源污染。常用的非点源模型比较参见表1.常用模型参数形式水文模拟应用范围SWAT分散SCS曲线数或Green&Ampt模型模拟农业流域内点源、非点源污染，可模拟土壤流失、N、P和杀虫剂；BMP评估 CREAMS集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟；BMP评估，适用于较小的农田面源模拟EPIC集中SCS曲线数最初主要用于模拟评价流域土壤侵蚀对土壤生产力的影响，现已拓展为可模拟营养物质、杀虫剂的迁移转化和BMPs评估 AGNPS分散径流单位数土壤流失、N、P和杀虫剂连续模拟；BMP评估SWRRB集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟；BMP评估SWRRB-WQ集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟HSPF集中斯坦福水文模型土壤流失、N、P和杀虫剂；BMP评估ANSWERS分散分布参数模型土壤流失、N、P模拟；BMP评估适用于单场降雨过程的非点源模拟4.SWAT模型原理SWAT模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响，它可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性，为了提高模拟的精度，通常SWAT模型将研究流域细分成若干个单元流域。流域离散的方法有三种：自然子流域、山坡和网格。SWAT模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）和水循环的水面部分（即河道汇流部分）。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。4.1水文模型SWAT模型是一种半分布式的水文水质模型，即整个研究流域按一定的子流域面积阈值首先被划分为若干个子流域，在子流域上进一步按土地利用和土壤面积阈值划分水文影响单元HRU，并应用概念性模型来估算HRU上的降雨量，计算产流量和泥沙、污染物质产生量，然后进行河道汇流演算，最后求得出口断面流量、泥沙和污染负荷。水循环陆相过程的模拟是基于水量平衡方程，如下式：SWt=SW0+Rday-Qsurf-Ea-Wseep-Qgw式中，SWt为时段末土壤含水量，mm；SW0为时段初土壤含水量，mm；Rday为时段内降水量；Qsurf为时段内地表径流，mm；Ea为时段内蒸散发量，mm；Wseep为时段内进入土壤剖面地层的渗透量和侧向流，mm；Qgw为时段内地下径流流出量，mm。4.2土壤侵蚀模型土壤侵蚀模型采用MUSLE模型。其计算式为：Sed=11.8*(Qsurf*qpeak*areahru)0.65*Kusle*Cusle*Pulse*LSulse*CFRG式中，Sed为泥沙流失量，t/d；Qsur为地表径流深，mmH2O/hm2；qpeak为峰值径流量，m3/s；areahru为水文响应单元的面积，hm2；为土壤可侵蚀性因子，Kusle为植被覆盖因子,0.013t*m2*h/(m3*t*cm)；Cusle为管理措施因子；Pulse为管理措施因子；LSulse为地形因子；CFRG为沙粒因子。其中，峰值流量的计算采用修正的比例方法估算。4.3污染物流失模型污染物流失模型主要包括对营养物氮、磷的流失的模拟。营养物质根据物质守恒，模拟氮、磷在自然界和人工系统中的循环，计算在降雨过程中随径流和泥沙迁移的部分。模型能模拟植物生长、营养物质在植物生长过程中被植物吸收、营养物质在土壤中的各类物理和化学转换过程。土壤中氮有三种主要的存在形式：腐殖质中的有机氮、土壤胶体中的无机氮和溶解态的氮。土壤中氮增加主要来源于农业施肥、固氮菌的作用和植物体的死亡等，而作物吸收、挥发以及土壤侵蚀使得土壤中的氮减少。SWAT模型将土壤中的磷分为两大类：无机磷和有机磷。无机磷被分为稳态、非稳态和溶解性无机磷，有机磷被分为非稳态有机磷、稳态有机磷和植物残渣。4.4河道和水库的汇流演算SWAT模型汇流包括河道汇流和水库汇流。河道汇流演算是指主要河道在获得各自子流域输出的径流量、泥沙、非点源污染负荷和点源负荷输入后。按照汇流计算方法计算径流过程、泥沙、营养物质和农药在河网中的迁移、转化。径流的汇流计算可采用变动储蓄系数模型或马斯京根法，泥沙的汇流计算同时考虑泥沙在河道中的沉积和再悬浮过程，采用经修正的Bagnold公式来估算泥沙的再悬浮和河道的冲刷。营养物质在河道输送过程中的迁移转化由一个河道水质模块来模拟，其理论主要来自QUAL2E模型。水库汇流演算主要依据水库水量和物质平衡原理。水量平衡考虑水库入流、出流、降雨、蒸发和渗流；水库泥沙汇流考虑上游泥沙输入、在水库中的沉降和随水库出流的输出。水库中营养物质汇流计算采用了一种简单的氮、磷平衡方法，考虑了营养物质在湖库中浓度、上游浓度、湖库出流及其他损失。5.数据准备非点源模型所需的数据输入包括大量的空间数据和与之对应的属性数据。这些输入数据包括流域地形特征、土地利用、土壤分布、气象水文和点源污染等数据。同时，非点源模型还有众多的模型参数。通常非点源模型的参数个数由十几个到上百个不等，参数获取方法主要有以下几种：根据输入的数据确定参数值，根据前人的研究成果查找对应的参数，根据实际情况和模型精度进行合理的假设或根据非点源实验和观测数据进行参数率定。6.率定参数和方法SWAT模型参数众多，用于完成基本功能的参数即达100多个。主要的模型参数可以根据国内外资料调研的结果确定初值，并且根据历年的水文、水土流失和水质观察数据进行率定。参数值可按照下列顺序进行：先率定水文参数，然后再率定水土流失参数，最后再对污染物流失参数进行率定。需率定的参数主要包括：影响产流的参数，控制坡面产沙的参数，河道汇流的参数，河道水质模拟参数。模型率定的准则通常可采用决定系数（r2）以及Nash效率系数（NSC）来评价模拟结果。决定系数由实测值和计算值按函数y=x回归得到，用于评价实测值和计算值之间的吻合程度。决定系数的值在0-1之间，其值越接近于1，说明计算值和实测值匹配的越好，反义则越差。NSC效率系数的计算公式为：式中，为观测值；为计算值；为观测计算平均值。当计算值等于观测值时，NSC=1；通常NSC在01之间，NSC越大，计算值与观测值匹配程度越好。如果NSC为负值，说明模型模拟平均值比直接使用实测算数平均值的可信度更低。7.实例研究SWAT在黑河（莺落峡）流域中的应用7.1 黑河（莺落峡）流域概况黑河位于甘肃省西北部，发源于祁连山脉西南麓，是河西走廊三大内陆河之一。按自然地理特点，可分为三个区：祁连山东区与祁连山前山区、河西走廊区及阿拉善高平原区。其中，黑河干流山区莺落峡以上流域面积10009km2，该部分流域海拔范围16745120m。根据19591993年资料统计8，黑河莺落峡以上流域的冰川覆盖度为0.59%，年径流量16. 05*108m3，冰川融水补给率为3.4%。黑河流域山区年降水量可达400mm左右，年蒸发能力为1600mm。森林主要分布于中山地带，灌木和牧草分布在流域各处。7.2模型输入数据SWAT模型参数繁多，本文重点进行分布式日径流过程的模拟。模型主要计算输入数据为：DEM、水文和气象测站的空间分布信息、土壤类型与土地利用的空间分布数据、降水系列数据、蒸发系列数据等。DEM为栅格数据，利用GIS 软件将黑河莺落峡流域划分为4个子流域，并提取出数字河网图（见图3）。本文共用到14个雨量站点的资料，径流数据为莺落峡水文站的日观测资料。站点的空间分布见图3，降水系列数据为1998年日降水数据。蒸发采用月数据平均生成日数据。土地利用为1：1O万数字图（见图4）。土壤类型分布数据来源于遥感和实际调查，计算时每个子流域按最典型的一种土壤确定。土壤属性数据来自文献5。图3 黑河（莺落峡）子流域划分图 图4 黑河（莺落峡）土地利用图7.3模型计算结果在ArcView3.2平台上，运行AVSWAT2000（SWAT模型的ArcView界面）自动生成格式化的模型参数和输入数据。经过SWAT 模拟计算，主要结果如下。(1)子流域月径流模拟结果（表2）：(2)莺落峡日径流模拟结果：从日径流过程的模拟结果（图5）看，模型效率系数达到0.83，SWAT完全满足水资源管理的应用之需，模型能够输出各个子流域的模拟数值，对于探讨水循环空间变化规律具有很大的帮助。表2 黑河（莺落峡）各子流域月径流模拟值（单位，m3/s）子流域1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月111.715.217.041.968.6106.5223.1208.1116.572.832.620.523.44.55.15.95.43.823.232.919.711.710.97.134.15.35.516.522.844.795.487.642.726.310.96.943.45.26.610.26.118.138.635.735.120.410.97.6图5 1998年黑河莺落峡日径流模拟示意图8.结语非流域点源模型在环境保护方面具有重要的作用，但我国在非点源污染方面开展的工作不多，也不够系统，特别是在控制与管理方面研究得更少。在污染负荷定量计算方面，主要采用水质水量相关等经验性方法。这种状况对我国的自然资源水资源、土地资源等的保护与合理开发利用、环境污染的有效控制以及促进国民经济的发展等都是十分不利的, 只有进一步开展工作才能扭转这种局面。开展这方面的研究, 有两点需要注意一是要适合我国的国情, 如数学模型的建立, 要注重实用性和可推广性, 避免搞太复杂的难于推广应用的模型二是需要