硕士答辩--SWAT模型

基于SWAT模型的青山湖流域氮污染现状及特征分析 答辩人 张冰导师 张海平答辩日 2014 1 2 2 研究背景 太湖面临着严重的氮污染问题NH3 N量年均值0 18 0 55mg L TN量年均值1 71 2 79mg L流域是湖泊之源 湖泊是流域之汇流域是湖泊治理的关键区域青山湖流域所在的苕溪是太湖最大入湖河流苕溪占太湖流域水资源总量15 对太湖水质改善影响重大 青山湖流域作为苕溪上游流域 研究其氮素流失规律 对治理太湖水污染有非常重要意义 青山湖氮污染严重青山湖是杭州市的重要饮用水源地 面临严重的水体富营养化问题 氮素污染是主要的污染指标 3 苕溪流域的非点源研究陈月等采用QUAL2K模型对西苕溪干流梅溪段的水质进行了模拟和预测 金蜻靓采用美国农业部开发的SWAT模型对菩溪流域的非点源污染进行模拟研究 对流域的非点源污染情况进行模拟和分析 以往研究的局限以往研究多停留在验证模型在流域的适用性 污染负荷量计算以及污染时空分布规律等方面 缺少对青山湖流域氮素平衡系统解析以及对氮流失机理的探讨 本研究目标针对青山湖氮流域污染情况 建立动态模拟流域氮素污染过程的SWAT模型 掌握流域氮污染现状及特征分布 阐明流域氮素流失机制 为流域氮污染治理提供理论依据和科研支撑 研究背景及目标 4 调研分析青山湖流域氮污染现状估算流域氮污染负荷量构建模型的氮污染管理数据库构建流域基础信息数据库建立研究区域SWAT模型流域氮素污染模拟结果分析评价 分析流域氮素污染现状 分析流域氮素污染的时空分布特征 探讨分析氮素流失的影响因素 解析流域氮素来源 情景分析 研究内容 技术路线 5 青山湖流域氮污染现状 时间 2011年7月5日 8月4日 调研内容 流域污染现状及来源 综合治理状况和水土流失等方面对水系监测点进行采样分析 调研目的 全面了解流域内的溪流 河流和水库等氮污染现状分析溪流水质空间的变化规律和主要氮素污染来源为各区域污染负荷核算提供基础数据和信息为模型调参提供资料 6 青山湖流域氮污染现状 污染处理设施尚需完善虽然近年临安市积极建设乡镇污水处理厂和村级生活污水处理工程 但仍存在不少问题 部分处理工程处于闲置状态 分散式蓄禽养殖污染无法收集处置等问题严重 地形坡度较大 水土流失较为严重 农田化肥流失流域农田化肥施用量较高 如经济林山核桃施肥量高达1500kgN hm2 并且多集中在7 9月份 此时段降雨量较多 造成硝态氮大量流失 农田多分布在溪流附近 氮素流失距离短 加重了氮流失 溪流氮污染严重复杂流域整体氮污染严重 一般上游相对较低 TN在2 3mg L之间 中下游TN高达5 7mg L 超过了地表水质标准中的 类标准2mg L 不同水系的氮污染在负荷量和氮素形态上存有差异 锦溪氨氮比例较高 不同水系对生活污水和降雨的反应呈现出较大差异性 南苕溪上游出现生活排污高峰 其下游TN浓度在夜间大幅度下降 南苕溪TN NO3 N浓度对降雨影响敏感 锦溪的NH3 N浓度受雨水影响大 7 青山湖子流域氮污染现状 8 模型量化研究发展 9 1984Williams J R C A Jones andP T DykeAmodelingapproachtodeterminingtherelationshipbetweenerosionandsoilproductivity 1987Arnold J G andJ R WilliamsValidationofSWRRB Simulatorforwaterresourcesinruralbasins 1995Arnold J G J R Williams andD A MaidmentContinuous timewaterandsediment routingmodelforlargebasins SWAT发展 SWAT开发的目的是在具有多种土壤 土地利用和管理条件的复杂流域 预测长期土地管理措施 对水 泥沙和农业污染物的影响 10 SWAT模型氮污染研究现状 国外研究氮素模拟的适用性SalehA ArnoldJ G GassmanP W ApplicationofswatfortheUpperNorthBosqueRiverWatershed J TRANSACTIONSOFTHEASAE 2000 43 5 1077 1087 探讨氮流失影响因素FrederickA EmmanuelK Y etal EffectofNutrientManagementPlanningonCropYield NitrateLeachingandSedimentLoadinginThomasBrookWatershed J EnvironmentalManagement 2013 52 1177 1191 DanielN M PrasannaH G etal ModelingtheimpactofnitrogenfertilizerapplicationandtiledrainconfigurationonnitrateleachingusingSWAT J AgriculturalWaterManagement 2013 130 36 43 SWAT在中国运用实践SWAT在中国虽有十多年的运用实践 但多数都是用来模拟径流 降雨等水文过程 对流域氮素污染的研究尚在初步阶段 流域的氮负荷最早的研究有郝芳华等在2002年应用SWAT模型分县区 分子流域模拟了官厅水库流域的氮负荷 流域氮素流失秦福来运用SWAT模型研究流域氮素流失规律 为非点源污染的控制和定量化管理提供有效的依据 11 SWAT模型所需数据 构建流域基础信息数据库 DEM 土壤 植被 气象 DEM 土壤 植被 气象 亚流域划分 来源 国际科学数据服务平台 来源 临安土壤志 来源 地球系统科学数据共享网 来源 水文站及杭州市汛情发布系统网站 12 13 点源输入量 点 面源氮素负荷流向 构建氮污染管理数据库 面源输入量 t 14 SWAT模型原理模块 SWAT模型水文结构 非点源污染模块 湖泊 水库水质模块 河道水质模块 15 Nrain 0 01 RNO3 Rday 土壤初始氮 腐殖质有机氮 初始硝酸氮 新有机氮 orgNfrsh surf 0 0015 rsdsurf 矿化作用 分解作用 固氮作用 腐殖质矿化 作物残余的分解和矿化 Nminf ly 0 8 ntr ly orgNfrsh ly 硝化作用和氨挥发 挥发 硝化 如果 sw ly 0 95 则 反硝化作用 如果 sw ly 0 95 则 Ndenit ly 0 0 Ndenit ly NO3ly 1 exp 1 4 tmp lyorgCly 降雨中的氮 SWAT氮污染模拟原理 氮素的土壤循环 16 R2 0 87Ens 0 78 日率定 R2 0 82Ens 0 71 模型评价指标 1 确定性系数 2 Nash Suttcliffe系数 反映了模型模拟值与实际观测值之间的相关接近性 值越大 表明模拟相关接近程度越高 反映了模型模拟值与实际观测值之间的线性关系 其值越大说明数据的线性相关程度越好 径流率定 月率定 17 18 19 研究内容 解析流域氮源 情景分析 流域氮污染现状 水系氮入湖量 土壤系统氮平衡 时空分布特征 时间分布特征 空间分布特征 分析影响因素 探讨影响机制 20 流域土壤系统氮负荷平衡 氮肥1771t 挥发724t 反硝化1607t 植物吸收1976t 硝氮肥1771t 降水870t 有机氮肥1771t 植物残留571t 流失534t 细菌吸收转化693t 径流流失1220t 1047t 1808t 582t 428t 210t 坡面流 侧向流 基流 氮利用率29 3 流失率26 0 21 主要溪流氮素入湖量 t 22 流域氮源解析 流域出口TN 3 03mg L 生活污水 蓄禽养殖 t t mg L 生活污水 蓄禽养殖 生活污水 蓄禽养殖 23 情景分析 情景分析设计 情景1 农田化肥消减30 情景2 农田化肥消减50 情景3 农田化肥消减50 点源消减50 情景4 人为面源削减50 情景5 点 人为面源共同消减50 氮素输出量 t mg L 24 24 研究内容 解析流域氮源 情景分析 流域氮污染现状 水系氮入湖量 土壤系统氮平衡 时空分布特征 时间分布特征 空间分布特征 分析影响因素 探讨影响机制 25 年际分布特征 时间分布特征分析 t mm 26 季节分布特征 时间分布特征分析 27 日分布特征 施肥 相关系数 28 肥料种类对流域氮素支出的影响 t 29 农田 自然林 kg hm2 空间分布特征分析 硝氮流失空间分布 29 30 农田 自然林 kg hm2 空间分布特征分析 硝氮3种流失途径的空间分布 31 主要结论 青山湖流域氮污染严重 污染来源复杂 流域氮年均投入量6754吨 氮利用率29 3 流失率26 0 流域出口TN浓度3 03mg L 自然因素 背景值 湿沉降 的贡献为0 93mg L 人为因素贡献了2 10mg L 情景分析表明同时消减点 面氮源的50 流域TN浓度可降至1 87mg L 建立了青山湖流域氮污染完整数据库 建立了青山湖流域氮模拟的SWAT模型 利用水文 氮实测资料率定模型 径流的月 日模拟在率定期和验证期 R2都高于0 8 Ens都大于0 55 在氮日率定的R2都高于0 8 Ens都大于0 6 流域硝氮流失量年际分布稳定 多集中在7 9月 日分布与降雨量明显正相关 降雨是氮流失的动力 降雨强度是降雨影响氮流失的主要因素 施肥对氮流失的影响体现在施肥时间 在施肥后10天内是氮流失的高危险期 期间第一次降雨会产生流失高峰 当降雨量小于10mm时 流失量大幅度减少 这种影响还体现在肥料种类上 配施有机肥的综合效果最好 流域硝氮流失量6 50kg hm2 中部流失水平较高 研究发现 土地利用是影响氮流失分布主要因素 农田的氮流失远高于自然林 土壤的物理组成是土壤类型影响氮流失的根本原因 不同土壤的流失量高低依次是 岩性土 红壤 水稻土