流域非點(diǎn)源模型發(fā)展與應(yīng)用

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1、流域非點(diǎn)源模型發(fā)展與應(yīng)用摘要：本文首先介紹了非點(diǎn)源污染的特征以及進(jìn)行非點(diǎn)源模型模擬的必要性，然后介紹了非點(diǎn)源模型的應(yīng)用目的以及常用的流域非點(diǎn)源模型，最后以SWAT模型為例，詳細(xì)的講述了它的原理、數(shù)據(jù)輸入和率定參數(shù)和方法，以及黑河（鶯落峽）流域的非點(diǎn)源模擬實(shí)例。關(guān)鍵詞：非點(diǎn)源模型SWAT模型黑河流域引言非點(diǎn)源污染是指時(shí)空上無(wú)法定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的，與大氣、水文、土壤、植被、地質(zhì)、地貌、地形等環(huán)境條件和人類活動(dòng)密切相關(guān)的，可隨時(shí)隨地發(fā)生的，直接對(duì)大氣、土壤、水構(gòu)成污染的污染物來(lái)源。與水環(huán)境有關(guān)的非點(diǎn)源污染主要包括大氣干濕沉

2、降、暴雨徑流、底泥二次污染和生物污染等。由于非點(diǎn)源污染的形成過(guò)程受區(qū)域地理?xiàng)l件、氣候條件、土壤結(jié)構(gòu)、土地利用方式、植被覆蓋及降水過(guò)程等多因素影響，具有隨機(jī)性大、分布范圍廣、形成機(jī)理復(fù)雜、潛伏性強(qiáng)、發(fā)生滯后和管理控制難度大等特點(diǎn)，成為地表和地下水質(zhì)不斷惡化的重要因素，是世界各國(guó)普遍面臨的環(huán)境問(wèn)題。在我國(guó)，雖然點(diǎn)源問(wèn)題還遠(yuǎn)沒(méi)有解決，但很多水體，尤其是作為旅游地和水源地的湖泊、水庫(kù)，非點(diǎn)源的污染已經(jīng)占到很大的比例。一些研究表明，北京密云水庫(kù)、天津于橋水庫(kù)、安微巢湖、云南滇池和洱海、無(wú)錫太湖、上海淀山湖等水域，非點(diǎn)源

3、污染的比例已超過(guò)點(diǎn)源污染，成為主要的水體污染源。[1]由此可見(jiàn)，開(kāi)展非點(diǎn)源污染模擬及防控技術(shù)研究已可不容緩。1.非點(diǎn)源污染的特征與點(diǎn)源污染相比，非點(diǎn)源污染發(fā)生的機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，具有許多顯著不同的特點(diǎn)。1.1時(shí)間上的隨機(jī)性和間歇性非點(diǎn)源污染的發(fā)生主要受降雨徑流過(guò)程的影響，而降雨過(guò)程受復(fù)雜的氣象因素控制，具有隨機(jī)性。這使得非點(diǎn)源污染的發(fā)生也具有隨機(jī)性，不能夠認(rèn)為控制；另外，在不同的年份和季節(jié)，非點(diǎn)源污染負(fù)荷變化很大。1.2空間分布上的廣泛性與點(diǎn)源污染不同，非點(diǎn)源污染沒(méi)有特定的排放口，是在流域尺度上發(fā)生的，

4、即流域的任何一塊受到人為因素干擾的土地上都有可能產(chǎn)生非點(diǎn)源污染。1.3發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性非點(diǎn)源污染的發(fā)生與傳輸機(jī)理涉及了多個(gè)學(xué)科的研究范疇，主要包括水文學(xué)、水力學(xué)、土壤學(xué)等，發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了點(diǎn)源污染。這些對(duì)非點(diǎn)源污染的監(jiān)測(cè)、模擬模型的建立和非點(diǎn)源污染的控制提出了巨大地挑戰(zhàn)。1.4污染物組成和負(fù)荷的不確定性非點(diǎn)源污染負(fù)荷不僅隨不同的土地利用類型、土壤性質(zhì)等改變，和降雨類型、降雨前期條件等因素有關(guān)，也和人類活動(dòng)（如施肥、施藥、灌溉等）有關(guān)，不確定因素很多，使得非點(diǎn)源污染負(fù)荷的定量計(jì)算和預(yù)測(cè)非常困難。1.5

5、污染控制和管理上的困難非點(diǎn)源污染發(fā)生時(shí)間的隨機(jī)性、發(fā)生地點(diǎn)的廣泛性、發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性，以及污染組成和負(fù)荷的不確定性，使得傳統(tǒng)的末端處理方法難以實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)有效的防止方案難度很大。2.非點(diǎn)源模型應(yīng)用目的非點(diǎn)源模型應(yīng)用的主要目的包括：模擬流域內(nèi)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的時(shí)空變化，為下游水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化研究和水庫(kù)水質(zhì)模擬提供準(zhǔn)確的輸入負(fù)荷數(shù)據(jù)；揭示流域內(nèi)非點(diǎn)源負(fù)荷空間分布特征，識(shí)別非點(diǎn)源負(fù)荷空間分布特征，識(shí)別非點(diǎn)源流失負(fù)荷關(guān)鍵區(qū)，為流域和水庫(kù)水質(zhì)管理提供科學(xué)依據(jù)；借助情景分析手段，探求流域非點(diǎn)源污染控制的較佳措施和方案。3.常用流

6、域非點(diǎn)源模型簡(jiǎn)介自20世紀(jì)70年代初期美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)了第一個(gè)用于城市暴雨徑流水質(zhì)模擬的SWMM模型以來(lái)，眾多研究人員們開(kāi)發(fā)出數(shù)量眾多的計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬農(nóng)業(yè)流域和城市區(qū)域的非點(diǎn)源污染。常用的非點(diǎn)源模型比較參見(jiàn)表1.常用模型參數(shù)形式水文模擬應(yīng)用范圍SWAT分散SCS曲線數(shù)或Green&Ampt模型模擬農(nóng)業(yè)流域內(nèi)點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染，可模擬土壤流失、N、P和殺蟲(chóng)劑；BMP評(píng)估CREAMS集中SCS曲線數(shù)土壤流失、N、P和殺蟲(chóng)劑模擬；BMP評(píng)估，適用于較小的農(nóng)田面源模擬EPIC集中SCS曲線數(shù)最初主要用于模擬評(píng)價(jià)流域土壤

7、侵蝕對(duì)土壤生產(chǎn)力的影響，現(xiàn)已拓展為可模擬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、殺蟲(chóng)劑的遷移轉(zhuǎn)化和BMPs評(píng)估AGNPS分散徑流單位數(shù)土壤流失、N、P和殺蟲(chóng)劑連續(xù)模擬；BMP評(píng)估SWRRB集中SCS曲線數(shù)土壤流失、N、P和殺蟲(chóng)劑模擬；BMP評(píng)估SWRRB-WQ集中SCS曲線數(shù)土壤流失、N、P和殺蟲(chóng)劑模擬HSPF集中斯坦福水文模型土壤流失、N、P和殺蟲(chóng)劑；BMP評(píng)估ANSWERS分散分布參數(shù)模型土壤流失、N、P模擬；BMP評(píng)估適用于單場(chǎng)降雨過(guò)程的非點(diǎn)源模擬4.SWAT模型原理SWAT模型主要用來(lái)預(yù)測(cè)人類活動(dòng)對(duì)水、沙、農(nóng)業(yè)、化學(xué)物質(zhì)的長(zhǎng)期影響

8、，它可以模擬流域內(nèi)多種不同的水循環(huán)物理過(guò)程。由于流域下墊面和氣候因素具有時(shí)空變異性，為了提高模擬的精度，通常SWAT模型將研究流域細(xì)分成若干個(gè)單元流域。流域離散的方法有三種：自然子流域、山坡和網(wǎng)格。SWAT模擬的流域水文過(guò)程分為水循環(huán)的陸面部分（即產(chǎn)流和坡面匯流部分）和水循環(huán)的水面部分（即河道匯流部分）。前者控制著每個(gè)子流域內(nèi)主河道的水、沙、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)等的輸入量；后者決定水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向