第八讲 SWAT的非点源污染模拟

1、SWAT的非点源污染模拟,主要内容,一、非点源模拟原理,模型概述,流域中非点源污染的来源主要是农业化肥和农药的施用。氮、磷等营养物和农药的迁移和转化取决于化合物在土壤环境中经历的转换过程。SWAT模型可以模拟水文响应单元内氮和磷完整的营养物循环过程和任何一种农药的降解过程。,模型概述,SWAT模拟流域内泥沙、藻类、溶解氧、有机污染、多种不同形式的氮、磷以及农药等污染物质的运移与转换。物质循环模型可以分为非点源污染模块、河道水质模块以及湖泊水库水质模块。据统计，目前已在国际期刊上发表相关文献近200篇，中国知网收录文献292篇。,流域污染物迁移转化过程示意图,模型概述,非点源污染模块,河道水质模

2、块,湖泊、水库水质模块,模型概述,非点源污染模块,农药模拟模块,河道水质模块,模型扩展应用,作物生长模块,河道演算模块,模型非点源污染模拟原理,物质运移内容： 1、营养物，包括有机氮、铵氮、亚硝氮、硝氮、有机/无机磷； 2、农药； 3、重金属； 4、病原菌； 5、生化需氧量、溶解氧 过程： 与水循环过程类似，多数先在水文响应单元计算各种产出量（陆面过程），再输出到子流域的滞蓄水体以及河网系统进行循环过程,氮素的土壤循环,SWAT模型监测土壤中的五种不同氮库: 无机氮库（NH4+和NO3-） 有机氮库（新有机氮、活性有机氮和稳定有机氮） 新有机氮（Fresh organic N）是指以农作物残余

3、和微生物的形式存在的有机氮; 活性有机氮和稳定有机氮是指土壤中以腐殖质形式存在两种不同类型的氮。,土壤初始氮,腐殖质有机氮,初始硝酸氮,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,lyorgNfrsh,ly,硝化作用和氨挥发 硝化 挥发,新有机氮,orgNfrsh,surf=0.0015rsdsurf,反硝化作用 如果sw,ly 0.95，则 如果sw,ly 0.95，则,Ndenit,ly =0.0,Ndenit,ly = NO3ly(1-exp-1.4tmp,lyorgCly),降雨中的氮,Nrain = 0.01RNO3Rday,

4、氮运移,磷素的土壤循环,矿物性土壤中磷主要以三种形式存在: 腐殖质中的有机磷 难溶的矿物磷 土壤溶液中的植物可利用磷,土壤初始磷,稳定矿物磷,活性矿物磷,矿化作用、分解作用/固磷作用 腐殖质矿化 作物残余的分解和矿化,无机磷的吸附作用 溶液中迁移到活性矿物库 活性矿物库中迁移到溶液,腐殖质有机磷,淋溶作用,Pmina,ly = 1.4min tmp,lysw,lyorgPact,ly,Psolact ly = Psolutiont ly - minPact ly,Psolact ly = 0.1(Psolutiont ly - minPact ly ),磷运移,农药的地表水体循环,主河道中（仅

5、模拟一种农药）： 1、水中：降解、挥发、底泥沉降、出流； 2、底泥中：降解、再悬浮、解吸附、掩埋；,滞蓄水体中（仅水库，过程与主河道基本一致）,农药的地表水体循环,病原菌运移,病原菌的来源：,SWAT仅概念性地模拟两种菌群，一种为可长久生存的，一种为相对短命的。病原菌来自于绿肥(动物粪便），SWAT的肥料类型数据库中有各种绿肥的含菌量参数。在施肥过程中，病原菌也一同施入，并在植物叶面和表层10mm的土层中进行分配。另外可通过点源输入。,病原菌的运移模拟：,HRU的病原菌：,1、植物叶面；2、土壤溶液；3、吸附在土壤颗粒中,1、植物叶面的雨水冲刷；2、菌群的死亡-生长(3种介质）；3、土壤溶液中

6、细菌的淋溶（淋溶的细菌认为死亡）；4、地表产流带走；5、在地表水体中（主河道、仅水库）随水流演进，并仅考虑死亡过程,河道水质模型,SWAT模型中的河流水质模型采用QUAL2E模型。该模型是以溶解氧为中心的多变量的综合性河流水质模型。它能按照使用者的要求，模拟河道中泥沙、叶绿素藻类、有机氮、氨氮、有机磷、可溶性磷、亚硝酸盐、硝酸盐、矿物质磷、生化需氧量、溶解氧、农药、三种任选的重金属等不同水质指标的浓度变化过程。,营养元素的地表水体循环,主河道中： 1、藻类的死亡-增加有机氮和有机磷； 2、藻类的生长-氮磷固持（包括铵氮、硝氮、无机磷）； 3、有机氮/有机磷的底泥沉降； 3、有机氮的矿化及底泥吸

7、附态铵氮的释放-铵氮； 4、铵氮的硝化-亚硝氮-硝氮； 5、有机磷的矿化及底泥吸附态无机磷的释放-无机磷 滞蓄水体中（池塘、湿地、水库,不包括洼地）： 1、随地表径流进入滞蓄水体，并出流进入主河道 2、仅考虑营养元素的沉降，不模拟转化过程,河道水质模拟,河道水质模型,1复氧作用； 2河底生物(包括底泥)的耗氧； 3碳化合物BOD耗氧； 4光合作用产氧； 5氨氮氧化耗氧； 6亚硝酸氮氧化耗氧； 7碳化BOD的沉淀； 8浮游植物对硝酸氮的吸收； 9浮游植物对磷(磷酸盐磷)； 10浮游植物呼吸产生磷； 11浮游植物的死亡和沉淀； 12浮游植物呼吸产生氨氮； 13底泥释放氨氮； 14氨氮转化为亚硝酸氮

8、； 15亚硝酸氮转化为硝酸氮； 16底泥释放磷。,藻类模拟,藻类（或叶绿素a）的生长和分解可以通过与生长率、呼吸速率、沉降率以及当前河流中藻体数量建立函数计算得出。,藻类模拟,呼吸或死亡速率： 沉降速率： 生长速率：,光,氮,磷,氮元素,在含氧水体中氮是逐级转化的，从有机氮转成氨氮再转为氮，亚硝酸态氮，最后成为硝酸氮。有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮通过沉降和底泥吸附从河道中除去。,氮元素,有机氮： 氨氮： 亚硝酸态氮： 硝态氮：,磷元素,磷循环和氮循环相似。藻体死亡后，藻体内的磷转化为有机磷。有机磷再经过矿化成为可被藻类吸收的溶解态磷。同时，有机磷也可能会通过沉降作用从河流中去除。 有机磷：

9、无机（可溶性）磷,生化需氧量及溶解氧,生化需氧量(CBOD) ： 指水体中有机物质分解所需要的氧气的总量。由点源输入到河网系统，在主河道和水库中循环。 1、CBOD的底泥沉降； 2、CBOD的氧化分解（耗氧）,生化需氧量及溶解氧,溶解氧(DO)： 水体中的溶解氧浓度和大气复氧、光合作用、动植物呼吸作用、底泥需氧量、生化需氧量、硝化作用、盐度、温度等相关。 1、复氧过程。大气复氧、藻类的光合作用、水体扰动复氧(坝体) 2、消耗过程。藻类的呼吸作用、CBOD耗氧、底泥耗氧、铵氮硝化、亚硝氮硝化,重金属的运移,允许模拟3种 SWAT的重金属来源于点源输入。重金属运移是SWAT的物质运移模拟中唯一一个

10、不考虑HRU因素的物质运移，仅是简单地计算随河网系统水流演进过程和物质量平衡。,蓄水体水质模拟,SWAT湖泊、水库水质模型采用了一个简单的污染负荷平衡模型。同时在模拟较为复杂的湖泊时，SWAT采用了分布式WASP水质模型。,蓄水体水质模拟,模拟水体中营养物质的转化过程时，SWAT假设在一个完全均匀的水体，当营养物质进入水体的同时，就会均匀分布于整个水体。这个假设忽略了水体中的分层现象以及由于水体表层浮游生物引起的表层和下层之间的差异的存在。 水体初始水量： 水体初始氮磷含量： 沉积作用导致水体中营养物质的损失量等于区域内沉积物水界面通量和面积的乘积。 在稳态情形下，水库污染负荷总平衡方程为：,

11、二、建模过程与关键步骤,以AVSWAT2005模型自带数据库为例,影响因素,DEM精度、降水不均匀性、子流域划分 输入参数：土壤物化性质、植被生理生态 水资源开发利用：水利工程、工农业取用水 其他因素：对流域的熟悉程度 模拟： 径流模拟：基础 泥沙模拟：迁移机理 污染物模拟：与径流和泥沙的关系,主要步骤,主要步骤,数据准备 矢量图：DEM、土地利用、土壤图、气象水文站点位置等 文本：土地利用和土壤数据库链接表 表格：气象水文站点（包含高程、经纬度信息） 输入气象资料表：各站点日最高最低气温、日降水量、日蒸发蒸腾、日风速露点温度等 其他：取用水、引水地点等 校核资料：控制水文站日径流量、水库调节

12、方式、实测污染物负荷,数据准备,点排放数据表年度负荷 点源或者入口排放数据可以用四种方法进行总结：稳定日负荷，平均年负荷，平均月负荷，日负荷。 用稳定日负荷对排放数据进行总结，则要在点排放数据对话框中输入数据。对其他三种方法，界面要求预先生成包含点排放数据的文件。,主要步骤,开始界面,主要步骤,流域描述主界面,主要步骤,流域描述,主要步骤,添加土地利用和土壤数据-ArcSWAT中有坡度划分,主要步骤,添加气象数据-划分子流域 降水和气象数据应在相应目录下,主要步骤,写入数据,主要步骤,设定参数-运行模型,主要步骤,输出结果查看,手动修改输入参数,数据库 土壤 气象 土地利用 杀虫剂 耕作 城市

13、 点源污染排放 入口排放 水库 子流域,点源污染排放,排放情景选择与输入 稳定日负荷,点源污染排放,排放情景选择与输入 年均日负荷 月均日负荷 日负荷 流程相似,入口排放修改,稳定日负荷 年均日负荷 月均日负荷 日负荷 与点源污染输入方式类似,水库输入数据修改,水库输入数据修改,泄流方式选择 年均泄流速度 日水库出流 月均水库出流 模拟-设定目标泄流量,水库输入数据修改,水库水质数据,子流域数据修改,子流域 气象站点 常规数据 水文响应单元 地下水 河道汇流 用水,子流域数据修改,气象站点,子流域数据修改,常规输入数据修改 水文相应单元,子流域数据修改,主河道汇流 地下水 用水,子流域数据修改

14、,农业管理措施 一般管理信息 水文参数-CN值,子流域数据修改,农业管理措施 特定操作必需以日或者植物生长阶段（热量单元）来安排 种植开始、灌溉、施肥、杀虫剂,子流域数据修改,农业管理措施 耕作 收获和割除 收获,子流域数据修改,农业管理措施 放牧 自动灌溉 自动施肥,子流域数据修改,农业管理措施 土地清理 圈围和释放 长期施肥 选择数据适用区域,子流域数据修改,土壤化学参数 河流水质,子流域数据修改,水库坑塘,输出结果,查看结果并作图,输出结果,子流域1在1977年的产水量,保存工程,回到主界面保存,模拟步骤重点,水量、泥沙模拟精度高 点源污染输入正确：位置、量 农业管理措施： 施肥量、日期

15、（生长期） 灌溉 耕作 土壤化学参数准确,三、应用实例,新安江流域非点源污染模拟 淮河流域闸坝调控下水量水质模拟 温榆河流域水量水质联合调度,68,在中国干旱半干旱、湿润地区等10多个小、中、大流域尺度得到了应用。主要应用于径流模拟、非点源污染模拟、闸坝评估及调度、以及气候变化等方面。,新安江流域非点源污染模拟,69,数据收集,新安江流域非点源污染模拟,数据收集,71,参数选择及率定-水质,地表产流过程影响泥沙、N和P负荷的参数： SPCON：泥沙输移线性系数； SPEXP：泥沙输移指数系数； USLE_K：土壤侵蚀力因子 ERORGN：氮在土壤中的富集率； ERORGP：磷在土壤中的富集率；

16、 NPERCO：氮的下渗系数，地表径流中氮的浓度与下渗水流中氮的浓度比； PPERCO：磷的下渗系数，地表径流中氮的浓度与下渗水流中氮的浓度比，； PHOSKD：磷的土壤分离系数，指表层10mm土壤中可溶性磷的浓度和地表径流中可溶 性磷的 浓度之比； 影响氮、磷在河道水质模拟参数： 在水体中有机氮可以转化到氨氮、亚硝酸盐氮然后到硝酸盐氮。磷循环过程与氮循环有相似的转化关系，故考虑如下几个参数的率定： BC3：20C时有机氮转化为氨氮的速度常数； BC1：20C时氨氮生物氧化速度常数； BC2：20C时亚硝酸盐氮的生物氧化速度常数； BC4：20C时有机磷的矿化速度常数； RK1：20C 时CB

17、OD 氧化速率 RK3：20C 时CBOD的沉降速率,细菌分配系数,Mgt和fert.dat文件的制作,编号,矿物质氮的比例,矿物质磷的比例,有机磷的比例,有机氮的比例,氨氮的比例,稳定细菌比例,弱稳定细菌比例,名称,Mgt,Fert.dat,73,流量,泥沙,总氮,总磷,屯溪,模拟结果,74,流量,泥沙,总氮,总磷,渔梁,模拟结果,75,新安江非点源污染估算模型模拟结果,76,降水-径流 空间分布图,77,污染负荷 空间分布,78,泥沙,总氮,总磷,行政区县各年产污量,淮河流域闸坝调控下水量水质模拟,嵌入闸坝群运行的流域 水循环分布式SWAT模型,淮河流域是我国人口最密集、闸坝最多和污染最为

18、严重的流域。 淮河流域目前已兴建约1.1万余座闸坝,占全国的一半以上。,闸坝在防洪、灌溉供水等方面发挥巨大效益。但工程修建后对河流生态与环境造成的影响，已成为国内外关注的焦点。,淮河流域,淮河流域概况,（1）SWAT模型与闸坝调度方式的耦合,SWAT模型中水库水平衡方程:,SWAT 模型,?,?,SWAT模型所提供的四种模拟水库： 出流方式中实测日/月出流量需要输入模拟期间的所有水库日/月观测径流数据； 目标泄水控制出流需要调查获得每个水库每个月的目标蓄水量以及最小/最大下泄流量 这三种模式方式都需要非常详细的闸坝运行资料； 无控制年平均放水率只需要主溢洪道和紧急溢洪道水位对应的蓄水量和水面面

19、积，并没有包含闸坝的调度，将直接导致径流过程模拟的误差较大。,?,（1）SWAT模型与闸坝调度方式的耦合,在我国闸坝的设计时，闸坝的水位、库容和下泄流量存在对应关系。闸坝的运行调度时，闸坝的下泄流量主要依据闸上水体达到某一水位（或库容）。因此三者之间存在一定的相关关系：,白龟山水库：,白龟山水库的泄流量、坝上蓄水量、库容面积及水位之间的相关关系,（1）SWAT模型与闸坝调度方式的耦合,淮河流域重点水库和水闸泄流量、坝上蓄水量及水位之间的相关关系,相关性非常显著,（2）SWAT中水质模块的改进,（1）在水库水质模块中，采用污染负荷平衡方程考虑BOD的沉淀、降解，添加模型中水库BOD模拟功能。 （

20、2）建立COD与BOD之间的关系。从COD和BOD氧化机理上分析，两者存在一定的线性关系。 （3）修改模型中水库、河道和子流域输出程序，以浓度形式输出不同水质指标的变化过程。,研究选取蚌埠闸为流域出口，建立了闸坝运行环境下SWAT模型，共划分了129个子流域和468个水文响应单元。主要大型闸坝按其所在地理位置作为相应子流域的出口控制断面加入模型中。,（3）模型的建立,淮河流域闸坝、河网、子流域耦合分布图,子流域：129 hru： 468 闸坝： 31,参数的选择和率定,1963-2000年（率定期1963-1990年，检验期1991-2000年） 40个闸控断面和水文断面,水量模拟：,水质模拟

21、：,1984-2000年期间不连续月浓度资料。 模拟负荷为氨氮和CODMn。36个断面,敏感性分析指标：,参数的选择和率定,（4）模拟结果 水库模拟,白龟山水库,12座水库模拟结果,（4）模拟结果 水闸模拟,蚌埠闸,11座水闸模拟结果,（4）模拟结果,王家坝,23个水文站模拟结果,（4）模拟结果,王家坝,23个水文站模拟结果,（5）小结,通过对淮河流域的径流模拟表明，在率定期水库断面的平均相关系数和平均效率系数为0.72和0.47，水闸为0.83和0.67，水文断面为0.88和0.73。而在检验期内水库的平均相关系数和效率系数为0.68和0.40，水闸为0.81和0.51，水文断面为 0.80

22、和0.56。水文站的模拟效果最好，其次为水闸，最差的为水库。但模拟结果均在可接受的范围内。 氨氮模拟相关系数在0.45以上的断面共19个，占53%，平均相关系数为0.46；CODMn模拟相关系数在0.45以上的断面共22个，占61%，平均相关系数为0.52。,温榆河流域水量水质联合调度,北京市水资源严重短缺，已成为经济社会发展的制约因素； 温榆河是唯一一条发源于北京市且常年有水的河流，流域生态水环境状况直接影响该区域经济社会的协调发展和功能定位。 河道水体污染严重，水生态系统退化明显；流域内所有河道水体水质全部为劣类水体,土壤类型,土地利用,排污口,气象信息,资料收集,子流域：39个,流域出口

23、：北关闸,闸坝：10座 北关闸、上庄闸、沙河水库、尚信橡胶坝、郑各庄橡胶坝、十三陵水库、鲁疃闸、桃峪口水库、苇沟闸、辛堡闸,94个主要排污口 55座污水处理厂和再生水厂,参数选择与率定,水量,氨氮,COD,水量水质模拟：沙河闸断面,水量,氨氮,COD,水量水质模拟：北关闸断面,水量模拟：沙河闸和北关闸的年径流总量都接近于断面多年平均径流量；北关闸模拟相关系数和效率系数都在0.80以上。 水质模拟：沙河闸、鲁疃闸、辛堡闸、苇沟闸和北关闸的断面氨氮模拟平均相对误差为34%，COD的平均相对误差为54%。,水量水质模拟结果,基于耦合闸坝系统的温榆河流域SWAT模型，通过沙河闸、鲁疃闸、新堡闸、苇沟闸

24、、北关闸等多闸坝的调控，进行水污染修复与整治，使温榆河干流水体水质浓度尽量达到所在水功能区划的浓度标准，从而提高流域内水资源的可利用量，实现流域水资源的高效利用。,闸坝优化调度模型与多情景分析,目标函数：,当流域污染严重时，下游水体的等标污染指数最小,库容约束,闸坝下泄流量约束,水量平衡约束,约束条件：,模型求解采用遗传算法,该指数数值小于等于1，说明该断面水体没有受到污染；数值大于1，说明该断面水体已受到污染,数值越大，超标越严重。,当流域污染较轻时，总达标水资源量最大,闸坝调度模型,采用Fortran语言编译QCmode模型，然后将其嵌入SWAT源程序中。二者之间以文本读入读出形式进行软连接，同时修改部分源程序和参数文件。QCmode模型输出的文本为所需优化闸坝的月出流过程，该文件将作为SWAT模型的输入；而经SWAT模型演算得到的目标闸坝的水量水质过程（basins.rsv）将作为QCmode模型的输入，对所需优化闸坝的月出流过程进行筛选。,耦合方式,目前温榆河水体均污染非常严重，水质远远达不到水功能区划的要求，此次研究设置情景方案为： 情景一：现状排污条件 情景二：引温