基于GIS 和模型的流域非点源污染控制区划
黄金良
1,2
,洪华生
13
,张珞平
1
1.厦门大学环境科学研究中心近海海洋环境科学国家重点实验室,福建厦门 361005
2.清华大学环境科学与工程系,北京 100084
摘要:采用GIS 技术和US LE ,SCS -C N ,污染物流失经验模型及AnnAG NPS 机理模型相结合,对农业集约化程度较高的南方中等尺度流域进行农业非点源污染控制区划.结果表明:利用GIS 和经验模型回答了流域农业非点源污染氮磷来源与贡献,标识了农业非点源污染氮磷等污染物的关键源区,发挥了经验模型所需模型参数少、研究尺度较大、效率较高的优点,通过GIS 的栅格数据空间分析功能,实现了流域非点源污染的分布式模拟,识别了NPS 的关键源区.借助AnnAG NPS 机理模型,在模型得以校验的前提下,模拟了非点源污染管理措施方案.以模型和GIS 的定量结果为依据,对九龙江流域农业非点源污染控制进行了区划,共划分了水土流失控制区、生猪养殖+水土流失控制区、化肥施用+生猪养殖控制区、水土流失+化肥施用控制区及化肥施用+水土流失控制区5类控制单元.关键词:GIS;模型;农业非点源污染;控制区划
中图分类号:X 321 文献标识码:A 文章编号:1001-6929(2006)04-0119-06
Control of Agricultural Non 2point Source Pollution at Watershed Scale Ba sed on GIS and Models
H UANGJin 2liang
1,2
,H ONG Hua 2sheng 1,ZH ANGLuo 2ping
1
1.S tate K ey Laboratory of Marine Environmental Science ,Environmental Science Research Center ,X iamen University ,X iamen 361005,
China
2.Department of Environmental Science and Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China
Abstract :GIS technology and US LE ,SCS 2C N ,nutrient losses empirical equations and AnnAG NPS m odel were coupled to carry on control divisions of NPS in a medium 2sized watershed ,located in s outheast of China ,with relative strong intensive agricultural activities.The results show that the integration of GIS with empirical m odels can help analyze major s ources and contributors of NPS ,and identify the critical s ource areas of NPS.This can not only develop the advantages of empirical equations ,e.g.requiring less m odel parameters ,having large scale under study and being m ore efficient ,but als o realize simulation of watershed non 2point s ource pollution and identify critical s ource areas of NPS through spatial analysis functions ,increasing visual display effect of the results.A fter calibrating and validating the AnnAG NPS m odel ,several scenarios were designed and simulated for suggestions of best management practices (BMPs ).Finally ,based on the quantitative results derived from GIS and the m odels ,five control division units were generated for non 2point s ource pollution control in Jiulongjiang River watershed ,namely ,s oil losses controlling unit ,livestock breeding &s oil losses controlling unit ,fertilizer use &livestock breeding controlling unit ,s oil losses &fertilizer use controlling unit and fertilizer use &s oil losses controlling unit.K ey w ords :GIS;m odels ;agricultural non 2point s ource pollution ;control divisions
收稿日期:2005-06-06 修回日期:2005-12-12基金项目:福建省科技重大攻关项目(2002H009)作者简介:黄金良(1975-),男,福建惠安人,博士.3责任作者
流域具有统一的出水口,水文特性相近,但同时
也是复杂的综合体.尤其在中国南方丘陵地区,地形
破碎,流域内不同地形、地貌的土壤性状、植被覆盖、土地利用等差异较大,而这些因素是造成农业非点源污染来源不确定性和污染负荷空间变异大的重要原因.因此,对流域农业非点源污染来源贡献的定量识别以及对非点源污染关键源区的空间识别,在此
第19卷 第4期环 境 科 学 研 究
Research of Environmental Sciences
V ol.19,N o.4,2006
基础上进行控制区划,并对流域非点源污染进行控制管理具有重要意义.GIS和模型是当今流域农业非点源污染研究的主要手段,被广泛地应用于模拟非点源污染机理过程,探讨污染负荷时空分布,标识关键源区,模拟非点源管理方案,提供最佳管理措施等[1—2].20世纪90年代中后期以来,GIS作为有效的空间数据采集、管理、分析工具,在我国应用渐广,并与农业非点源污染模型(如US LE,ANSWERS)相结合进行土壤侵蚀量的预测研究[3—5].21世纪初,以GIS和模型为研究手段的农业非点源污染控制研究在我国方兴未艾,非点源污染半机理、机理模型(如AG NPS,SW AT及HSPF)开始被引入我国检验其适宜性[6—8].九龙江是福建省龙岩、漳州和厦门三市的饮用水源,其水质关系到几百万人民的生活健康.九龙江流域的农业非点源污染问题已引起各界的重视. 1 流域概况和研究方法
111 流域概况
九龙江是福建省第二大河流,位于东经116°46′55″～118°02′17″,北纬24°23′53″～25°53′38″,地处福建省经济较为发达的东南沿海,流经农业集约化水平较高的漳州平原.
九龙江流域地势自西北向东南倾斜,地貌类型以中、低山为主.地跨南亚热带和中亚热带,绝大部分区域属亚热带海洋性季风气候,气温及降雨的时空差异较显著.多年平均气温约为1919～2111℃,年均气温的总体变化趋势是由东南向西北递减.多年平均降雨量为1400～1800mm,年均降雨量由沿海向内地递增.据全国第二次土壤调查资料[9],九龙江流域共有12个土类,41个亚类(土属).流域土壤主要为红壤、
赤红壤及黄壤等地带性土壤和水稻土等人为土.流域森林覆盖度在60%以上,植被种类繁多.
112 研究方法
采用野外采样和室内分析相结合,点(典型汇水区)和面(全流域尺度)相结合,经验模型和机理模型相结合的方法,在GIS的支持下,对九龙江流域地表径流、土壤侵蚀和氮磷进行定量研究和空间分异性探讨.所涉及的地理信息技术包括:GIS软件———ARCΠI NFO,ArcView;RS软件———ERDAS I M AGI NE.所涉及的模型包括:经验模型———SCS-C N,US LE 及污染物流失经验方程;机理模型———AnnAG NPS.具体的技术路线如图1所示.
113 数据来源及其分析处理
图1 研究技术路线
Fig.1 Flow chart of this study
该研究所涉及数据的主要来源:①来自于现场调查、监测和采样,包括典型汇水区的边界、土地利用和土壤类型的现场调查及土壤理化性状采样分析,全流域规模养殖场调查,以及经验模型运算和机理模型验证所需的典型汇水区暴雨场次地表径流水质水量监测数据;②数据收集,包括全流域数字高程模型(DE M)和T M卫片,以及全流域的土壤图以及全国第二次土壤普查资料[9]等.
对于数据的处理,主要是运用GIS软件进行空间数据的分析处理,以用于经验模型的模拟运算和AnnAG NPS模型的模拟,包括各典型汇水区的边界、土地利用、土壤和DE M;对于全流域空间数据的处理,主要是利用ARCΠI NFO对福建省基础地理信息中心提供的46幅1∶50000原始DE Ms进行拼接,生成集水区边界;利用ERDAS软件对流域2002年12月T M卫片进行非监督分类,获得13类用地类型;土壤图取自依全国第二次土壤普查资料[9]调绘的1∶200000土壤图.在此基础上运用ARCΠI NFO的G rid模块,结合US LE及污染物流失经验模型,进行全流域的土壤侵蚀预测和氮磷流失负荷估算,并利用ArcView和AnnAG NPS紧密集成界面,进行全流域出口处氮磷年负荷输出的估算和管理措施的模拟预测.
2 基于模型与GIS的九龙江流域非点源污染特征识别
211 流域边界识别及子流域划分
同一流域具有相同的出口,水文特性(包括产、
021环 境 科 学 研 究第19卷
汇流机制)相近.由于水文动力条件是非点源污染产生的源动力,从流域角度探讨水体的非点源污染特征,进而进行管理与控制研究.
运用美国ESRI公司的ARCΠI NFO软件,在建立流域数字高程模型(DE M)的基础上,进行九龙江流域的地表水文分析,模拟了水流方向,提取了水网;对流域界线进行划定,划分了子流域.采用福建省基础地理信息中心提供的46幅1∶50000DE M原始数据,在ARCΠI NFO系统中,经图幅合并、网格重分和流域界线切边等步骤得到九龙江流域数字高程模型.以此为基础,利用ARCΠI NFO的水文分析模块,生成了流域的边界,并以九龙江地表水质省控断面为出水口,划分了14个子流域.
212 流域土壤侵蚀量估算及土壤侵蚀严重区域识别
利用栅格GIS的空间分析功能,结合通用流失方程(US LE),对中等尺度流域进行土壤侵蚀量预测,对土壤侵蚀严重区域进行空间识别研究[1,10].
US LE方程是由影响水土流失的6个因子用连乘的形式组成的,其表达式为:A=R×K×L×S×C×P,其中,A为年土壤流失量;R为降雨和径流因子;K为土壤可蚀性因子;L,S分别为坡长和坡度因子;C为植被与经营管理因子;P为水土保持因子.应用US LE的关键是选用合适的算法获取方程各因子指标值,应用GIS和US LE模型预测土壤侵蚀的关键则是各因子图的生成.对于US LE不是能否运用的问题,而是是否适用的问题.有研究表明,直接利用US LE的因子进行福建省闽南地区的土壤侵蚀量预测与实际情况不符[11].笔者通过文献资料率定US LE因子,尤其是对R因子和L,S因子进行敏感性分析,获取适宜的因子算法[12].再运用ARCΠI NFO的空间数据管理和分析功能,建立九龙江流域的数字高程模型(DE M)、土地利用现状图、土壤图、植被覆盖度分布图等矢量图,对其属性数据进行相应的数据编码操作,并进一步将其栅格化(G rid格式),求得各因子边长为100m×100m的栅格图.再根据US LE的形式,将各因子值相乘,获得九龙江流域的土壤侵蚀强度等级图,并进一步分析九龙江不同子流域和不同县(市、区)土壤侵蚀的空间差异性.
基于US LE和GIS的九龙江流域土壤侵蚀量预测研究结果表明,九龙江流域年均土壤侵蚀模数为273013tΠkm2,侵蚀强度属中度.该预测结果和利用卫星图片统计的2000年流域平均土壤侵蚀量2387tΠ(km2?a)相比,二者的偏差为1216%.说明该研究在因子确定的方法上基本可靠,可用于九龙江土壤
侵蚀量关键源区识别[13]以及下一步泥沙结合态氮磷负荷的计算.
213 不同子流域、行政单元和土地利用的农业非点源污染氮磷负荷空间差异识别
在ARCΠI NFO支持下,以通用土壤流失方程US LE及SCS-C N径流曲线法和非点源污染物流失经验模型估算九龙江流域非点源污染负荷.其中, SCS-C N是由美国土壤保持局(SCS)提出的计算降雨过程径流深度的经验公式,全年日径流深度之和即为年径流深度.其公式为:
Q=(R′-0.2S′)2Π(R′+0.8S′)R′>0.2S′
Q=0R′≤0.2S′
(1)
S′=(25400ΠCN)-254(2)式中,Q为径流量,mm;R′为降雨量,mm;S′为水土保持参数.由于S′影响因素复杂,不便取值.为此, SCS在归纳了3000多种土壤资料的基础上,提出了一个无量纲参数CN,即径流曲线数(runoff curve number,C N).CN是用来综合反映降雨前流域特征的一个综合参数,它与流域前期土壤湿润状况(AMC)、植被、坡度、农业耕作方式、水文条件、土地利用和土壤类型等因素有关.为了确定和区分CN 值,SCS按照不同的土壤渗透性能和产流能力,将土壤分为4种水文类型组.
参照全国第二次土壤普查的成果[9]———《福建土壤》、
《福建土种志》,确定流域的土壤质地,并在此基础上绘制流域土壤水文类型分布图.根据九龙江流域的土壤、水文状况和土地利用类型,参照SCS曲线计算方法提供的取值条件,确定了不同土地利用方式的CN值,具体过程见文献[12],其适用性也得以检验[13].并根据2002年冬眠期(11—2月)降雨量大于20mm,生长期(3—10月)降雨量大于10mm的所有场次的日降雨量及其前5日降雨量,确定CN 值,然后利用式(1),(2)计算出不同土地利用方式下各场次降雨的径流量并逐日累加,得到不同土地利用方式下的逐月径流量数据,并累加成不同土地利用方式下的全年径流量数据Q值,其结果以边长为100m×100m的GIS栅格图表达.
在径流量计算的基础上,结合212节提及的土壤侵蚀量估算结果,利用溶解态氮磷营养盐迁移经
验模型LD
kt
(LD
kt
=CD kt?Q kt,其中,LD kt为溶解态污染物负荷,kgΠhm2;CD kt为径流溶解态污染物质量分
121
第4期黄金良等:基于GIS和模型的流域非点源污染控制区划
数,mgΠkg;Q
kt为径流量,mm)和颗粒态氮磷营养盐迁
移经验模型LS
kt (LS
kt
=a?CS kt?X kt,其中,a为单位
换算常数;LS
kt 为颗粒态污染物负荷,kgΠhm2;CS
kt
为
土壤颗粒态污染物质量分数,‰;X
kt为土壤流失量, tΠkm2)来进行流域氮磷负荷的估算.结合相关资料和笔者于2003年4—10月在5个不同土地利用的典型汇水区出水口暴雨地表径流中的溶解态污染物浓度实测数据[12],对经验模型的各个参数进行了率定.并利用GIS的栅格数据空间分析的功能,通过各因子图的计算和表达,将流域离散化为边长100m×100m的网格,估算出每一网格的溶解态氮磷负荷和颗粒态氮磷负荷.据此,以土地利用类型、子流域、县(市、区)为空间单元分别统计出流域的溶解态氮磷负荷,颗粒态氮磷负荷和总氮、总磷负荷.结果表明,九龙江子流域平均总氮负荷为1214～2115 kgΠ(hm2?a),平均总磷负荷为018～210kgΠ(hm2?a).流域各用地类型单位面积总氮负荷排序是:香蕉>果园>幼龄果园>水田>蔬菜地>耕地>村庄等;单位面积总磷负荷依次为:香蕉>幼龄果园>水田>耕地>村庄>灌木林>裸地>果园>林地等.
214 流域农业非点源污染负荷来源与贡献识别笔者认为,村庄和城郊的氮磷负荷反映了农村生活污染的氮磷贡献量;林地、灌木丛、裸地和湿地的氮磷负荷之和可反映水土流失的氮磷贡献,但由于并非所有的林地、灌木丛等都存在水土流失,林木的树冠截留,林下植被的郁密使得降雨动能得到极大的削减,植被覆盖度高的林地因降雨形成的地表径流较小,所形成的水土流失也较少,因此,以各主要行政区土壤侵蚀强度在强度以上(土壤侵蚀模数>5000tΠ(km2?a))的区域所占比例,与林地、灌木林、裸地和湿地的氮磷负荷之和的乘积,可反映各行政区水土流失造成的氮磷贡献;其他用地类型的氮磷负荷总和,可反映化肥施用的氮磷贡献量.结合流域规模养猪场对地表水氮磷负荷贡献的定量结果[12],参照流域各用地类型面积,统计水土流失、化肥施用、农村生活污染和畜禽养殖四大农业非点源污染来源在九龙江流域农业非点源污染的贡献,并以流域县(市、区)为空间单元,分别计算九龙江流域农业非点源污染的来源及贡献.
结果表明,九龙江全流域总氮负荷的来源贡献依次是:化肥施用>畜禽养殖>农村生活污染>水土流失;总磷负荷的来源贡献排序分别是:化肥施用>畜禽养殖>水土流失>农村生活污染;流域各主要县(市、区)的农业非点源来源贡献有别,展现了较大的空间差异性.表现在:新罗区氮磷负荷的贡献主要来源于畜禽养殖和水土流失;漳平总氮贡献以化肥施用和水土流失为主,总磷贡献以水土流失和化肥施用为主;漳州市郊的氮负荷主要来自于化肥施用和畜禽养殖,总磷负荷主要来自于畜禽养殖与化肥施用;化肥施用占龙海、长泰、华安、南靖和平和5个县(市、区)总氮来源的50%以上.
215 流域最佳管理措施模拟识别
笔者运用连续-分布式参数模型AnnAG NPS 210版本进行九龙江流域农业非点源污染负荷估算和流域管理措施的模拟.通过典型汇水区的参数校正[14]和两大子流域的进一步模型验证[15],运用AnnAG NPS模型对典型汇水区特定集水单元、西溪和北溪流域的土地利用管理措施分别进行模拟.
结果显示,典型小流域坡地种植退耕返林后,流域出口氮磷流失削减显著;模拟西溪香蕉地改种双季稻后,西溪流出口总氮、可溶态氮、总磷和可溶性磷依次削减明显,反映了香蕉种植对西溪水质氮磷贡献显著.模拟北溪流域内生猪场全部搬迁,流域出口总氮和可溶态氮的削减率分别达60%以上,反映出北溪流域中生猪养殖对水质的影响之大.
3 九龙江流域农业非点源污染控制区划有研究表明,多数流域的泥沙和氮磷输出主要源自局部区域的泥沙和氮磷流失,在空间上标识出这些关键源区对于有效进行流域水环境管理起重要作用[16].因此,要有效地治理流域农业非点源污染,必须根据不同区域的实际情况因地制宜,这也是进行控制区划的意义所在.区划原则和方法如下: 311 以定量研究结果为区划依据
借助GIS和分布式参数模型对九龙江流域农业非点源污染来源贡献进行定量化和空间分异性探讨,标识了流域农业非点源污染的关键源区,揭示了各子流域和行政单元的水土流失、化肥施用、农村生活污染和畜禽养殖等农业非点源污染要素的空间差异,为流域农业非点源污染控制区划提供了定量分析的基础.
312 以子流域为基础划定区划单元
笔者采用GIS和流域数字高程模型(DE M)结合进行九龙江流域子流域的划分,并以省控断面定义各子流域的出水口.对于相邻近的子流域为同一种区划单元,则利用GIS手段进行空间合并,以形成同一区
221环 境 科 学 研 究第19卷
划单元.这种区划单元的界定方法优点在于:从汇水区出发,充分考虑流域下垫面的水文地形等自然条件,较易从源头上控制各支流的水质状况;便于利用现有监测资料定期进行水质检验;部分控制区出口处(省控断面)为地市之间或县级行政区之间的交接断面,可进行控制区之间有效的行政监督和管理.313 以主要污染源标定控制区
农业非点源污染大致有四大来源:水土流失、化
肥施用、畜禽养殖污染和农村生活污染.参照212～214节对各子流域和行政界线的农业非点源污染来源贡献的定量结果,分别筛选出各子流域的主要污染类型,以便有针对性管理.控制区划的结果见表11具体空间分布情况见图2.
表1 九龙江流域农业非点源污染控制分区概述
T able 1 Brief conditions of division zones for agricultural non -point s ource pollution control in Jiulong River watershed
控制分区面积Πkm 2
地理特征社会经济状况
主要非点源污染问题水土流失控制区551811地势较高,多为低山地
貌,植被覆盖度较高
以林业、采矿业为主.农业活动强度较低,生猪养殖规模较小水土流失是该区需引
起重视的首要问题生猪养殖+水
土流失控制区112313以低山为主生猪养殖规模大,采矿业发达生猪养殖带来的水质问题首当其冲,水土流失其次化肥施用+生猪养殖控制区264214地处平原地区,耕地较多种植香蕉等果园,芗城、龙文和龙海生猪养殖规模较大化肥过量施用及生猪养殖业引起的氮磷流失量较大水土流失+化肥施用控制区178919以丘陵低山为主坡地果园开发强度较大,坡地上种植芦柑、茶等坡地果园过度开发,既引起水土流失,又引起氮磷流失化肥施用+水土流失控制区
113212
丘陵低山
坡地果园开发强度稍弱
化肥施用量较大,坡地又有一定程度的开发
图2 九龙江流域NPS 控制区划单元划分
Fig.2 Division zones for NPS control in
Jiulong River watershed
4 结论
a 1利用GIS 和经验模型较好地回答了流域农业
非点源污染氮磷来源与贡献,标识了农业非点源污染氮磷等污染物的关键源区,既发挥了经验模型所需模型参数少、研究尺度较大、效率较高的优点,又通过GIS 的栅格数据空间分析功能较好地实现了流域非点源污染的分布式模拟,识别了NPS 的关键源区,模拟结果的显示度也得以提高.鉴于经验模型无法体现污染物的迁移转化过程,仅能从空间上体现其分布差异等,因此又借助AnnAG NPS 机理模型,在模型得以校验的前提下,模拟了非点源污染管理措施方案,得到了流域非点源污染控制管理方面的有益启示.
b 1以模型和GIS 的定量结果为依据,根据主要污染源进行了九龙江流域农业非点源污染控制区划,划分了水土流失控制区、生猪养殖+水土流失控制区、化肥施用+生猪养殖控制区、水土流失+化肥施用控制区及化肥施用+水土流失控制区5类控制单元.为有针对性地管理和控制九龙江流域农业非点源污染提供了参考.
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(编辑:潘凤云)
421环 境 科 学 研 究第19卷
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一、项目立项的必要性及需求分析 1．项目立项的必要性（围绕《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》重点领域及其优先主题，组织开展本行业应急性、培育性、基础性科研工作，解决行业科技发展问题的必要性分析）。 按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，本项目属于环境重点领域的优先主题——综合治污与废弃物循环利用。 农村面源污染是指农村地区在农业生产和居民生活过程中产生的、未经合理处置的污染物对水体、土壤和空气及农产品造成的污染，具有位置、途径、数量不确定，随机性大，分布范围广，防治难度大等特点。主要来源有两个方面：一是农村居民家庭生活污水和废弃物污染；二是农业生产过程中不合理使用而流失的农药、化肥、残留在农田中的农用薄膜和处置不当的农业畜禽粪便、恶臭气体以及不科学的水产养殖等产生的水体污染物。我国目前正处在污染构成快速转变时期，面源污染的负荷在逐步上升，在相当一部分农村地区面源污染比例已超过点源污染，所造成的环境质量恶化问题已日显突出，已经严重影响了农村生态环境质量和农民的生活水平。 环境保护部副部长张力军在2010年2月9日国务院新闻办—2—
公室举行新闻发布会上指出：农业源污染物排放对水环境的影响较大，农业源也是总氮、总磷排放的主要来源，分别占排放总量的57.2%和67.4%。要从根本上解决我国的水污染问题，必须把农业源污染防治纳入环境保护的重要议程。 因此，从政策、法规、管理和技术4个层面尽快制定出符合国情、适应经济发展水平的农业面源污染综合控制措施，构建农业面源污染复合控制系统，对于有效控制农村面源污染，引导农村经济健康发展，保护和恢复农村自然生态功能，构建和谐社会，促进社会可持续发展具有重要意义。 2．分析说明项目实施能够产生的重大经济、社会效益。 项目的实施可有效的指导化肥、农药的使用，避免无效的损耗浪费，减小土地退化速率，缓解水土流失，从源头消减污染物积累，减少农业面源污染。对畜禽养殖废弃物的处理、处置和资源利用提供技术支撑和规范指导，引导农村区域循环经济的健康发展。这将从污染源头和迁移途径上对面源污染进行有效阻控，从而遏制和改善流域、湖泊水质污染状况，给社会发展带来巨大的经济效益。 2．研究与开发任务与内容（主要包括研究重点与开发内容，以及相应的考核指标。其内容应与项目目标有直接对应关系，为实现项目目标所应进行的重点研究内容不应有遗漏，也不应包括 —3—
第23卷第5期2007年5月农业工程学报 T r ansactions of the CSA E V ol.23 N o.5M ay 2007 农业非点源污染预测模型研究进展 王少丽1,2,王兴奎1,许 迪2 (1.清华大学水沙科学教育部重点实验室,北京100084; 2.中国水利水电科学研究院水利研究所,北京100044)摘 要:农业非点源污染是一种间歇发生、随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程,因此,模型化研究一直是非点源污染研究领域的一个核心内容。该文回顾了农业非点源污染预测模型的发展,简要阐述了国外农田尺度和流域规模尺度农业非点源污染模拟模型的功能和研究进展,对中国非点源污染预测、模型发展及存在问题进行了论述,提出从农业生产和水环境保护的角度去探讨污染物运移特征和定量预测模型,结合3S 技术,并考虑非点源污染的不确定性将是今后非点源污染模型研究的主要内容之一。 关键词:农业非点源;污染;预测模型;地理信息系统 中图分类号:X 592 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2007)5-0265-07 王少丽,王兴奎,许 迪.农业非点源污染预测模型研究进展[J ].农业工程学报,2007,23(5):265-271. Wang Shaoli,W ang Xing kui,Xu Di.A dv ances in the predictio n mo dels of ag ricultural non-point so urce pollution [J ].T r ansa ct ions of t he CSA E,2007,23(5):265-271.(in Chinese with English abst ract) 收稿日期:2006-08-15 修订日期:2007-02-12 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50639040);水利部“948”计划技术创新与转化项目(C T200404) 作者简介:王少丽(1963-),女,江苏无锡人,教授级高工,博士生,主要从事农田灌排理论与技术、农业水环境保护方面的研究。北京中国水利水电科学研究院水利研究所,100044。Email:s haoliw @iw h https://www.doczj.com/doc/6816614636.html, 0 引 言 近年来,随着工业点源污染控制水平的提高,非点源污染已经成为水环境污染的主要来源。在各种非点源污染引起的水环境污染问题中农业非点源污染最为普遍,并构成当今世界水质恶化的第一大威胁,农业非点源污染具有影响因素多、发生的随机性大、危害范围广、污染物排放种类和数量不确定、污染负荷时空差异性显著等特点,使得农业非点源污染的研究与防治工作比点源污染更为困难。 农业非点源污染是由化肥、农药、畜禽粪便,以及水土流失经降雨径流、淋溶和农田灌溉回归水进入水体而造成的。影响农业非点源污染的因素众多,如土壤质地、土地利用类型、施肥种类及方法和时间、耕作方法、降雨强度和降雨量等。采用常规的监测手段定量估算某一时段内非点源污染负荷量,受客观条件的限制而难以大面积采用,因此,模型化研究一直是非点源污染研究领域一个活跃的分支。目前,利用模型对非点源污染问题进行模拟研究是广泛使用的方法之一,一方面对非点源污染机理的进一步认识促进了非点源污染模型的快速发展;另一方面模型的发展又加强了非点源污染机理的进一步认识。利用数学模型可以有效解决非点源污染的随 机性和观测点的不确定性,可以模拟各类非点源污染的形成、运移、输出等过程,从而为地表水资源的合理开发和利用提供决策依据,并使地表水环境保护措施的实施 更加科学化和定量化。 1 农业非点源污染预测模型的发展 描述农业非点源污染预测的模型可大致分为3大类:经验性模型、确定性(机理)模型和随机模型。经验性模型不考虑溶质运移的机制或动力学特征,如早期的非点源污染模型研究始于土地利用对河流水质产生影响的认识,其方法往往依据因果分析和统计分析来建立统计模型,并以此建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系[1],这类模型对数据的需求比较低,表现了较强的实用性和准确性,但是由于它们难以描述污染物运移的路径与机理,使得这类模型的进一步应用受到了较大的限制。自20世纪70年代中后期以来,随着对农业非点源污染物理化学过程研究的深入和对其运移过程的广泛监测,机理模型逐渐成为非点源污染模型开发的主要方向,即依据达西定律和连续原理建立的对流-弥散方程,对整个系统及其内部发生的复杂转化运移过程进行定量描述,评估土地利用的变化及不同的管理技术措施对污染负荷和水质的影响,通常由降雨径流过程(水文过程)、土壤侵蚀过程和化学物质转化运移3个主要过程组成,其中著名的有综合水文、侵蚀和污染物运移过程的农田尺度模型CREAM S ,GLEAMS ,LEACHM ,DRAINMOD-N ,RZWQM ,EPIC 等,这些 模型在美国和加拿大广为应用,对于指导农业生产,减少农业活动对水体的污染起着积极的作用。20世纪90 265
第31卷第10期2010年10月 环境科学ENVIRONMENTAL SCIENCE Vol.31，No.10 Oct.， 2010城市非点源污染模型研究进展 王龙，黄跃飞，王光谦 （清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084） 摘要：回顾了城市非点源污染模型的发展历史，分析了能够模拟城市非点源污染的7个国外模型（SWMM 、STORM 、SLAMM 、HSPF 、DR3M-QUAL 、MOUSE 和HydroWorks ）的特点、适用性和局限性，介绍了国外城市非点源污染模型不确定性研究方法和成果以及城市非点源污染分析概率模型，总结了国内城市非点源污染模型的研究成果.指出国外城市非点源污染模型在污染物累积和冲刷、 泥沙和污染物运移、污染物的生化反应等方面模拟能力不足，而国内城市非点源污染模型多是经验模型，模拟面积较小，模拟精度较差.提出未来城市非点源污染模型研究应提高泥沙和污染物的模拟能力，探索无资料和不完全信息下城市非点源污染的模拟和预测， 加强城市非点源污染随机性模型的研究，发展城市非点源污染模型与GIS 的耦合应用.关键词：城市非点源污染；累积；冲刷；生化反应；不确定性；研究进展 中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：0250- 3301（2010）10-2532-09收稿日期：2009-12-15；修订日期：2010-04-01基金项目：国家重点基础研究发展规划（973）项目（2005CB724202）； 优秀重点实验室基金项目（50823005）作者简介：王龙（1983 ），男，博士研究生，主要研究方向为城市非 点源污染模型， E-mail ：wanglong08@https://www.doczj.com/doc/6816614636.html, Review of Urban Nonpoint Source Pollution Models WANG Long ，HUANG Yue-fei ，WANG Guang-qian （State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ） Abstract ：The development history of urban nonpoint source pollution models is reviewed.Features ，applicability and limitations of seven popular urban nonpoint source pollution models （SWMM ，STORM ，SLAMM ，HSPF ，DR3M-QUAL ，MOUSE ，and HydroWorks ）are discussed.The methodology and research findings of uncertainty in urban nonpoint source pollution modeling are presented.Analytical probabilistic models for estimation of urban nonpoint sources are also presented.The research achievements of urban nonpoint source pollution models in China are summarized.The shortcomings and gaps of approaches on urban nonpoint source pollution models are pointed out.Improvements in modeling of pollutants buildup and washoff ，sediments and pollutants transport ，and pollutants biochemical reactions are desired for those seven popular models.Most of the models developed by researchers in China are empirical models ，so that they can only applied for specific small areas and have inadequate accuracy.Future approaches include improving capability in fate and transport simulation of sediments and pollutants ，exploring methodologies of modeling urban nonpoint source pollution in regions with little data or incomplete information ，developing stochastic models for urban nonpoint source pollution simulation ，and applying GIS to facilitate urban nonpoint source pollution simulation. Key words ：urban nonpoint source pollution ；buildup ；washoff ；biochemical reaction ；uncertainty ；research advance 城市非点源污染是指城市屋面、路面和其它地面污染物在降雨径流的淋溶冲刷作用下以广域、分散的形式进入河湖引发的水体污染.目前，随着城市点源逐渐得到有效控制，非点源污染逐渐成为城市水环境保护面临的首要问题.美国环境保护署（USEPA ）的调查报告指出， 1988年城市暴雨径流引起的污染是河流水质恶化的第四大因素和湖泊水质恶化的第三大因素， 1992年则分别是第三大因素和第二大因素.欧洲和其它国家也得到了大致相同的结论［1］ .在我国，随 着城市化进程的快速发展， 城市非点源污染也逐渐成为影响河流湖泊水质的主要因素之一. 国内外众多学者对城市非点源污染的研究主要包括2个方面：定量化研究和控制管理研究.城市非点源污染的控制管理研究主要是在美国学者提出的最佳管理措施（best management practices ，BMPs ）的基础上，结合实际情况制定各种非点源污染控制管理措施，削减和控制非点源污染.制定城市非点源污 染控制管理措施的前提是准确把握城市非点源污染的时空分布特征及负荷大小，而城市非点源污染模型是城市非点源污染特征研究的重要工具和手段，因此成为目前城市非点源污染的研究热点之一.利用城市非点源污染模型，可以进行不同时间、空间尺度污染物的模拟，量化非点源污染负荷，识别非点源污染风险， 确定非点源污染重点治理区域，合理规划城市排水管网，分析土地利用变化对城市水环境的影响，制定科学合理的非点源污染治理措施，并评价各种措施的治理效果.1 城市非点源污染模型的发展 目前，城市非点源污染模型经历了经验模型、机
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/6816614636.html, 流域面源污染危害及治理与管理对策分析 作者：黄燕刘峰周相宙 来源：《现代营销·理论》2017年第12期 摘要：近些年，随着农村经济的快速发展，农村城镇化水平不断提高，流域面源污染问 题引起了人们的关注，流域面源污染已经成为影响我国水体质量和水域环境的重要因素，加强对流域面源污染的综合治理工作已经迫在眉睫。本文通过对流域面源污染产生的原因和危害的分析，结合多年工作经验，讨论流域面源污染的治理与对策，希望对我国治理流域污染、改善生态环境提供理论支持。 关键词：流域面源污染治理对策 一、相关概念及污染问题产生原因 1.流域面源污染的概念 流域面源污染是指在流域源头、城乡交界处，未经处理的农村生产生活废水、生活垃圾、禽畜粪便等废弃物随径流进入地下水、土壤、空气，由于这些污染物的排放量大大超出了自然环境的自净能力，导致水资源的富氧化程度加剧，水资源可利用水平降低、土地生产能力低下等情况。流域面源污染具有随机性、分散性、广泛性和难监测等特点。 2.流域面源污染的主要成因 流域面源污染主要是由于农田耕种、砍伐活动扰动土壤以及流域区划内居民的生产生活等因素造成，造成流域面源污染的具体原因包括：过量使用农药和化肥、禽畜粪便的无序排放、农村生活产生的大量垃圾随意丢弃以及生活污水不经处理直接排放到附近河流、农业生产的废水废渣不经处理随意排放到附近流域、传统的农业耕作方式造成的水土流失问题等。 二、流域面源污染的危害 1.水体富营氧化问题 由于农村没有生活用水处理设施，大量没有经过处理的生活污水直接排入附近河流，引起水体富氧化，发生面源污染，随着水流扩散，氮、钾等元素的大量增加，更加剧了水源地水体富营养化程度，藻类和浮游生物在水域中快速繁殖，使水体溶解氧含量急剧下降，造成各种水生物的衰亡。 2.地下水水质恶化问题
小流域面源污染特征及防治研究 摘要：面源污染是造成江河水体污染的主要来源之一。随着点源逐步受到控制和治理,面源污染日益突出。文章探讨了小流域面源污染的基础特征和影响因素，探讨了小流域面源污染的防治对策。 关键词：面源污染；防治措施；特征 1 小流域面源污染的形成因素与基础特征 流域是地面水和地下水天然汇集的区域，是水土流失和开发治理的基本单元。流域大小的划分是相对的，根据水利部规定，我国目前水土保持工作中的小流域概念，是指面积小于50km2的流域。 1．1 小流域面源污染的形成因素 由于农业面源污染危害是一个慢性积累过程，在短时间内很难看出其受害症状。各级政府在抓农业生产、农民工转移、农村小城镇建设时，重点放在短时间内能增量增收、影响大、见效快的经济作物种植上。对农业面源污染的危害，无论是在认识程度、舆论引导，还是在政策配套、资金投入上都有差距。在中国大部分地区，受传统农业耕种习惯的影响及自然生态条件的限制，顺坡种植、开荒种植现象普遍存在，使得各流域内水土流失严重，大量的水土流失带着污染物进入水体，造成水环境污染。各地都在大力调整农业产业结构，以肉禽蛋奶为特征的养殖业(包括畜牧业、水产业)得到快速发展，养殖方式由纯粹的自然喂养向以饲料添加剂为特征的快速喂养转变，造成畜禽养殖和水产养殖污染。而目前国内耕地面积较少，人均耕地仅占0．09hm2的水平，人地矛盾突出，土地垦殖强度大，增大了耕地的承载压力。过度垦殖，导致大量化肥农药进入地表水环境。化肥仍然以单一含量的常规产品生产为主，高含量的复合肥产品研究和开发不够，品种类型少，特别是高含量的生物有机肥更少。已研制开发的生物有机肥产品，肥效不理想，价格偏高，农民难以接受。农药还是以化学农药为主，以杀虫剂为主。农业生产上虽禁止使用高毒高残留农药，但实际生产中所需要的高效、低毒、低残留农药见效慢，效果不达标，价格高，生产上难以推广。化学农膜研制较多，而有机农膜(如淀粉膜)则研制较少，缺乏突破性，价格高，生产中不好示范推广。同时，一般小流域内水流速度缓慢，水体自净能力弱，更是起到了集聚污染物的作用。 1.2 小流域面源污染的基础特征 面源污染与流域降雨过程密切相关，受流域水文循环过程的影响和支配，面源污染具有发生的随机性、污染物排放及污染流径的不确定性和广泛性、污染的时空差异性，污染物的来源和排放点不固定，形成过程的复杂性，导致其监测、控制和处理复杂而困难。
非点源污染研究综述 随着人类经济活动深入发展，水环境污染问题已成为全球性问题。非点源污染造成大量泥沙、氮磷营养物、有毒有害物质进入江河、湖库，引起水体悬浮物浓度升高、有毒有害物质含量增加，溶解氧减少，水体出现富营养化趋势，不仅直接破坏水生生物生存环境，导致水生生态系统失衡，而且还影响人类的生产和生活，威胁人体健康。因此，在点源污染控制水平达到一定程度后，非点源污染的严重性逐渐表现出来，非点源已成为导致水环境污染的重要原因。 1 非点源污染基本介绍 非点源污染亦称面源污染，是相对于点源污染而言的一种水环境污染类型，其定义是指溶解的或固体的污染物从非特定的地点，在降水或降雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体，并引起水体富营养化或其它形式的污染。非点源污染的主要来源包括水土流失、农用化学品过量施用、城市地表累积物、畜禽养殖和农业与农村废弃物等。 非典源污染从其产生机制来看，主要可分为三个过程：径流形成的过程、径流冲刷地面及形成土壤侵蚀的过程和泥沙及氮磷污染物进入水体的过程[4]。各种类型的下垫面在降雨的作用下产生径流并对土壤产生侵蚀作用，大量的泥沙与附着的氮磷污染物及可溶性氮磷污染物进入水体，从而产生非点源污染。 2 非点源污染模型的研究历程 2.1 国外非点源污染模型的研究 2.1.1 初期经验探索阶段 早在20世纪60年代，单纯的依靠点源污染控制无法从根本的改变水质，所以人们开始转向非点源污染的定量研究，能够简便地计算出流经出口的污染负荷，表现了较强的实用性和准确性，因而得到了广泛的应用，但是此类模型对数据的需求能力低，难以描述污染物迁移的路径和机理。 2.1.2 机理模型发展阶段 美国在全国范围内开展了大规模非典源污染调查与研究，提出了一些有影响的非典源污染模型。随着对非点源污染模型的进一步研究，机理模型逐渐成为非点源模型开发的主要方向，其中有城市暴雨径流污染的STORM、SWMM、模拟农业污染的ARM以及流域模型HSPF等。SWMM模型是美国环保局为设计和管
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、
城市非点源污染模型 城市非点源污染是指城市屋面，路面和其它地面污染物在降雨径流的淋溶冲刷作用下以广域，分散的形式进入河湖引发的水体污染。目前，随着城市点源逐渐得到有效控制，非点源污染逐渐成为城市水环境保护面临的首要问题。随着城市化进程的快速发展，城市非点源污染也逐渐成为影响河流湖泊水质的主要因素之一。 城市非点源污染模型的发展 目前，城市非点源污染模型经历了经验模型机制模型与GIS耦合应用3个发展阶段。随着计算机和GIS 技术的快速发展，GIS 被广泛应用于城市非点源污染的模拟和预测，初期GIS只是被用于提取城市非点源污染模型所需要的地形河网土地利用等输入数据，属于GIS与城市非点源污染模型的松散耦合。到20世纪90年代后期，BASINS ( better assessment science integrating point and nonpoint source )等一些大型非点源污染模型系统集成了GIS，形成操作系统平台，可提取模型输入参数，并具有数据查询空间分析和地图输出功能，实现了GIS 与城市非点源污染模型的紧密耦合. 与GIS的耦合应用，使城市非点源污染模型的参数提取更加准确和方便，也使模型的模拟预测效果有很大的改进，对机制型模型的发展起到了巨大的推动作用。 国外城市非点源污染模型简介 国外欧美发达国家对暴雨径流引起的城市非点源污染重视较早，开发推出了SWMM STORM SLAMM HSPF DR3M- QUAL QQS FHWA MOUSE HydroWorks 等城市非点源污染模型，其中影响较大应用广泛的主要有美国的SWMM STORM SLAMM HSPF 和DR3M- QUAL 模型以及欧洲的MOUSE 和HydroWorks 模型。 7 个常用城市非点源污染模型特点适用性和局限性 项目SWMM STORM SLAMM HSPF DR3M-QUA L MOUSE HydroWorks 时间尺度场次、连续场次场次场次、 连续 场次场次、连 续 场次、连续 空间尺度城市城市城市城市、 流域 城市城市管 网 城市 污染物累积模型幂函数、指 数函数、饱 和浸润方 程 线性函 数 指数函 数 线性 函数 指数函数线性函 数、指数 函数 线性函数 污染物冲刷模型指数函数、 关系曲线、 场次平均 浓度 指数函 数 指数函 数 径流 比例 指数函数雨滴溅 蚀 雨强和污染 物累积量的 函数 泥沙、污染物运动模型地表、管道地表地表地表地表地表、管 道 地表、管道 污染物不可以不可以不可以可以不可以可以不可以
城市河流面源污染及其控制措施 摘要：本文主要讨论城市河流流域范围内的面源污染控制问题，阐述了逐级控制管控模式，并分别介绍了目前城市河流的面源污染控制的技术性措施。 关键词：城市河流面源污染管控措施 前言 我国目前正处在城市化快速发展的阶段，城市的高速发展给水环境带来了巨大的压力和挑战，引发了一系列的环境问题。近年来，随着点源污染逐步得到治理，面源污染对于水环境的危害性受到人们的普遍关注，面源污染问题已成为当前城市水环境综合治理亟待解决的主要问题之一。开展研究城市面源污染的特征及规律，制定可行的污染控制技术及对策，对政府部门进行面源污染的控制管理决策提供科学依据具有重要意义。 1 面源污染的研究进展 20世纪60年代以来，美、日、英等一些发达国家开始农业面源污染研究，主要开展面源污染的分类特征研究、降雨--径流之污染物迁移转化过程的数学模型研究、大气层污染物通过输送与沉积进人地表水体的机理性研究、面源污染扩散与负荷的模型研究等。 我国面源污染研究起始于80年代，相继在北京、珠江流域的广州、辽河流域的沈阳、长江中下游流域的上海、杭州、苏州、南京等城市开展。在基础研究方面，清华大学开展了面源污染负荷估算及降雨径流过程、侵蚀过程、污染物迁移转化过程的模型研究。滇池、太湖、巢湖污染治理过程中也对面源污染作了较深入研究。但总体上面源污染研究的重点还是放在了基础研究、农业面源污染研究上，对面源污染控制的研究比较落后，尤其是城市面源污染控制研究仍相对薄弱。 2 城市河流面源污染的来源及特征 面源污染，是指溶解的或固体污染物从非特定的地点，在降水和径流冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体(如河流、湖泊、水库、海湾等)，引起的水体污染。 城市河流面源污染物主要来自于降雨对城市地表的冲刷，所以，城市地表沉积物是城市河流中污染物的主要来源。城市地表沉积物包含许多污染物质，有固态废物碎屑(城市垃圾、动物粪便、城市建筑施工场地堆积物)、化学药品(草坪施用的化肥农药)、空气沉降物和车辆排放物等。污染物的含量取决于城市河流的地形、地貌、植被的覆盖程度和污染物的分布情况。
第15卷第1期水土保持研究Vo l.15 No.1 2008年2月Research of So il and Water Co nserv atio n Feb.,2008非点源污染模型A NSWERS 2000的水文子模型研究* 潘 沛1,2,刘 凌1,2,梁 威1,2 (1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210098; 2.河海大学水资源环境学院,南京 210098) 摘 要:非点源污染的前期过程,是在流域面上污染物质或是营养元素随着降雨径流的产生而产生。利用实验室大型土槽试验,研究AN SWERS 2000模型的水文子模型对于人工降雨事件的模拟精度,探索AN SW ERS 2000在理想坡面上的适用情况,并且尽可能准确地给出其水文模型的部分参数的取值。经过计算发现该水文子模型模拟理想坡面的误差较小,但是存在系统偏大的情况;整个计算单元的M anning糙率取0.03~0.07。存在的问题有参数土表面结皮层厚度只能定性无法准确的定量描述;降雨装置测流装置对于径流模拟产生的影响较大。 关键词:大型土槽;非点源污染;A N SWERS 2000;G reen Am pt入渗方程;结皮层 中图分类号:P343;X171 文献标识码:A 文章编号:1005 3409(2008)01 0103 04 Usage Study of Non point Source Pollution Model ANSWERS 2000 s Hydrology Sub model PAN Pei1,2,LIU Ling1,2,LIAN G Wei1,2 (1.S tate K ey Labor ator y of H y dr ology water Resour ces and H y d raulic Engineer ing,H ohai Univ er s ity,N an j ing 210098,China;2.H y dr ology and W ater Resour ces Colleg e,H ohai Univer sity,N anj ing 210098,China) Abstract:Befo re the non po int po llut ion o ccur s,ther e ar e some pollutant and nutrit ion leached and,tog ether w ith t he r unoff, rushed to dow nstr eam.In an indoo r precipitat ion experiment,A NSW ER S 2000mo del(hydro log y sub mo del)w ere used to find out if it can model the r ainfa ll runo ff pr ocess accurately and if it s suitable fo r Chinese w atershed,and g iving out some suitable value of par ameter in sub model.It s fo und out that giv en hydro lo gy sub model can mo del runo ff pr ocess w ith let ter err or s,the value is systematicly big ger and the value of M anning roug hness coefficient is lo cated in0.03~0.07.T here are also some prob lems t hat cr ust thickness has no suitable v alue and the rainfall and runoff equipment has created so me er ro r in runo ff mo deling. Key words:big earth g ro ove;no n po int po llut ion;A N SWERS 2000;G reen Am pt infiltr ation equatio n;crust thickness 水环境污染问题通常可分为点源污染和非点源污染。由于排放比较集中,点源污染在包括我国在内的许多国家已经得到较好的控制和治理,与此同时,非点源污染(或称面源污染)的严重性也逐渐显现出来。与点源污染相比,非点源污染的时空范围更广,不确定性更大,成分、过程更复杂,因而加深了相应的研究、治理和管理政策制定的难度。尤其是在非点源污染模拟和预测模型研究上也存在许多问题,要研究非点源污染的过程,首先要对坡面产流模拟准确。该文研究的目的就是探索国外较成熟的非点源污染模型(A N SW ER S 2000)来考察其在理想坡面对产流描述的适用性。 1 AN SWERS 2000的水文子模型 A NSW ER S(A real N on point So ur ce W atershed Envi r onment Respo nse Simulation)模型是由Beasley和Hug g ins[1 5]在基于20世纪70年代的原有A N SWERS模型基础上建立的。其基于下面的假设: 在流域中的任何一点,其产流率与给出的水文参数如雨强、下渗、地形和土壤类型等都存在一定关系。而且这些产流率被用来使模型相应各部分串联起来作为模拟流域中运移现象的基础,如泥沙侵蚀和化学物质运移等[1]。A NSW ERS模型的最新版本是AN SWERS 2000,它是于20世纪90年代中期开发的连续性模拟模型[6]。 A N SWERS 2000中的水文过程可由下面过程描述[7]:在降雨产生后,部分降雨被植物的冠层截留,直到满足潜在的截留能力,植物截留过程才结束。在降雨过程中,下渗率持续减少,直到它等于雨强时雨水才在土壤表层以毛细管水的形式聚集。水量一旦超过毛细管蓄水能力,坡面开始填洼,直到满足土层持水能力和表面填洼之后,产生坡面流。当降雨结束,表层土壤开始退水,直到坡面流全部结束。不管怎样,下渗过程直到所有的毛管水全部渗完为止。 现有模型中的径流和入渗模块以Gr een A mpt入渗方程代替了原模型中的H oltan方程进行计算。由于H oltan 方程所需输入的参数并没有什么物理意义,所以很难估计。特别是控制深度[7]这个参数,H oltan认为它是土壤剖面上层,用于控制下渗的一个关键参数。而且Hug gins和M onke 发现控制深度会随着土壤植被状况和上层的下渗能力而改变。另外,下渗和径流量对这个参数很敏感(Dillaha and *收稿日期:2006 10 23 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50239030) 作者简介:潘沛(1981-),男,上海人,硕士研究生,主要从事非点源污染及坡面产污研究。
非点源污染模型的研究进展及运用——以 L-THIA 模型为例
摘 要：计算机模型是极其有效的流域非点源污染模拟和污染负荷估算的定量化工具，为非点源污染 评价、管理和控制提供了可靠依据。文章综述了非点源污染模型的发展概况以及 L-THIA 模型的运 用和不足， 并提出未来非点源污染的量化模型研究及其与量化模型有关的相应参数研究、 模型与 GIS 集成研究将成为未来研究的主流。 关键词：非点源污染模型，研究进程，L-THIA 模型 点源污染和非点源污染一直是水环境质量的两大问题。点源污染主要包括工业污水和城市生活 污水,通常在排污口集中排放,而非点源污染则不同,它没有固定的排放点。 《美国清洁水法(修正案)》 (Leeetal.， 1997)对非点源污染的定义为:污染物以广域的、 分散的、 微量的形式进入地表及地下水体。 水环境非点源污染主要是指降雨(尤其是暴雨)产生的径流,冲刷地表的污染物,通过地表漫流等水文 循环过程进入各种水体,引起含水层、湖泊、河流、水库、海湾及滨岸生态系统等的污染[1]。因此它 与流域降雨过程密切相关，受流域水文循环过程的影响和支配，非点源污染的发生具有随机性。污 染物的来源和排放点不固定，污染负荷的时间和空间变化幅度大，监测、控制和处理困难而复杂的 特点。 目前,非点源污染已经成为水环境的首要的污染源。在奥地利北部地区,非点源污染对环境的负 荷量远远大于点源污染的负荷量。在丹麦的 270 条河流中 94%氮负荷、52%的磷负荷由非点源污染 引入。荷兰农业非点源提供的总氮和总磷分别占水环境污染总量的 60%和 40% ~50%。德国某一流 域也因过量使用化肥导致河流中的磷浓度超过 2mg/L,美国的水体污染物 60%来源于非点源污染。在 中国,非点源污染也很严重。云南洱海、山东南四湖的非点源负荷占总负荷的 60% ~80%;太湖非点 源污染负荷占总负荷的 40% ~60%。同时中国的大部分湖泊都面临着水体富营养化的威胁,这些威胁 的主要来源是非点源污染[2]。
1. 非点源污染研究方法
1.1 野外实测 非点源污染研究的关键是能否获取必要的基本数据（包括背景资料和降雨径流监测数据） 。早期 的研究工作中，几乎所有的资料全部都依赖与野外实地监测。但是，由于非点源是一种间歇发生的， 随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程，所以基础数据收集工作的劳动强度大、效率低、周期 长、费用高，而且往往由于数据资料缺乏或可靠性差等原因，影响污染负荷的估算精度。当前，野 外实地监测仍是非点源污染研究中不可缺少的一种手段，但它在多数情况下仅是一种辅助手段，主 要用于各类模型的验证和模型参数的校正。在野外实测中，多数采用综合试验法和源类型划分法。 1.2 人工模拟试验 随着对降雨机理的深入研究，人工布雨器能够模拟出各种类型的自然降雨，因而可以在人为控
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流域面源污染与环境生态工程复习题 一、解释概念 1.流域 流域是指由分水线所包围的集水区。分地面集水区和地下集水区两类，如果地面集水区和地下集水区相重合，则称为闭合流域，如果不重合，则称为非闭合流域，平时所称的流域，一般都指地面集水区。流域之间的分水地带称为分水岭，分水岭上最高点的连线称为分水线，即集水区的分界线。 2.面源污染、农业面源污染及城市面源污染 面源污染指的是溶解性或固体污染物从非特定的地点，在降水和径流冲刷作用下，通过径流过程汇入受纳水体（如河流湖泊水库海湾等）而引起的水体污染。面源污染具有分散性、隐蔽性、累积性和模糊性等特点。因此，不易监测，难以量化，研究和防控难度较大。 面源污染一般分为城市面源污染，农村面源污染和其他面源污染，其中农业面源污染指的是在农业生产活动中，氮素和磷素等营养物质、农药以及有机或无机污染物质通过农田地表径流和农田渗漏形成的水环境的污染。主要包括化肥污染，农药污染，集约化养殖场污染等。农业面源污染的主要原因主要有：（1）农药施用量大，利用率低；（2）农药施用不科学，形成流失（3）禽畜粪便和农村军民生活垃圾污染（4）农田污水灌溉污染（5）农膜的白色污染等。 城市面源污染指的是城市地表聚集了一系列污染物及城市垃圾，受到降雨过程中雨水及其形成的地表径流的冲刷，通过排水渠道或直接进入江河湖泊，造成污染（雨污合流排水系统雨天溢流污染）。城市面源污染主要来源于住宅区和商业区，城市交通和城市娱乐及景观。 3.水土流失 水土流失，也称为侵蚀作用或土壤侵蚀，是自然界的一种现象，是指地球的表面不断受到风、水、冰融等外力的磨损，地表土壤及母质、岩石受到各种破坏和移动、堆积过程以及水本身的损失现象，包括土壤侵蚀及水的流失。狭义的水土流失特指水力侵蚀地表土壤的现象，使水土资源和土地生产力受到破坏和损失，影响人类和其他动植物的的生存。人类对土地的利用，特别是对水土资源不合理的开发和经营，使土壤的覆盖物受到破坏，裸露的土壤受水利冲蚀，流失量大于母质层育化成土壤的量，土壤流失由表土流失，心土流失而至母质流失，最终使得岩石暴露。 4.末端治理 末端治理是指在生产过程末端，针对产生的污染物开发并实施有效的治理技术。但是末端治理有其局限性，首先处理污染的设备投资大，运行费用高，使企业生产成本上升，经济效益下降，其次，末端治理往往不是彻底治理，而是污染物的转移，如烟气脱硫，除尘形成大量废渣，废水集中处理生大量污泥等，所以不能根除污染；第三，末端治理未涉及资源的有效利用，不能制止自然资源的浪费。
文献一：邹城市农业面源污染现状与防治措施 1、造成农业面源污染的来源： 1.1农药、化肥、地膜等农用物质的大量使用 化肥：使用化肥对农业面源污染主要表现在：山区丘陵总面积大,降雨又集中在夏季,雨水冲刷对土壤侵蚀严重, 造成水土流失化肥损失;氮磷钾比例 不协调,且氮肥过量,造成肥料当季利用率不高,蔬菜硝酸盐含量超标,品 质下降;设施栽培田块超量施用化肥,加之频繁灌溉,造成土壤次生盐渍 化和地下水污染。 农药：一是在蔬菜、果树等农作物使用禁用农药造成农药残留超标,夏、秋季发生率较高；二是施药器械和方法落后,大部分药液洒落于土壤表面,农药 使用效率低,形成在土壤中农药残留;三是用后农药瓶、袋弃置于沟渠 边、池塘旁或施药后雨水冲洗,部分农药污染水体。因此在土壤和水体 中偶尔有残留农药检出现象。 地膜：残存于农田土壤中地膜,造成耕地理化性状恶化、通透性变差,或随风吹雨冲四处飘溢,污染环境。 1.2农作物秸秆畜禽粪便等农业废弃物的任意排放 农作物秸秆：主要是夏、秋收时,极少部分农户在田间就地焚烧,污染空气；另外部分农户将秸秆长期弃置堆放或推入河沟,日晒、雨淋、沤泡引 起腐烂,产生污水,污染水体。 畜禽粪便任意排放：规模养殖场水冲清粪,粪水外溢；另外粪肥露天堆放,雨水 冲淋,污染环境；粪尿臭气也严重污染周围空气。 后果：成为目前水质恶化的一大威胁 2、主要防治措施总结： 2.1 小流域综合治理 2.1.1把坡地改成梯田平地,用深耕犁耕翻土壤或者放炮轰动犁底层,加厚熟土层,增加土壤蓄水保肥能力；2.1.2陡坡地河滩地退耕还林,地堰栽植金银花或枣树,沟壕种植杨树柳树,提高土壤植被和森林覆盖率。2.1.3在水沟河道上修建坝桥合一的小塘坝拦水坝,塘坝拦水坝既蓄水抗旱或养鱼,又方便农机操作运输。 2.2作物秸秆禁烧及综合利用 2.3测土配方施肥：推广测土配方施肥,提高肥效、减少化肥使用量和化肥流失 对环境的污染 2.4频振式杀虫灯防治害虫：频振式杀虫灯利用农作物害虫较强的趋光性原理, 近距离用光远距离用波引诱成虫扑灯,灯外配以高 压电网进行触杀,从而达到杀虫的目的 2.5生态清洁养猪 生态养猪法以活性微生物生长发育的发酵床为核心技术,猪在发酵好的由稻壳、锯末、秸秆组成的垫料上进行饲养,猪产生的粪尿被垫料中的微生物分解,免去了清粪、冲刷的程序,猪场实现“无异味”和“无污染物排放”,具有“三省、两提、一增、零排放”的特点和优势,即“省水、省力、省料”,“提高抵抗力、提高猪肉品质”, “增加养猪效益”,“实现粪污零排放、无污染”,是当前生猪饲养的一种新模式,猪产生的粪尿快速转化成无臭味的优质有机肥,实现了养殖与环保的统一。 启示：1、要研究某一地区面源污染情况，首先要了解其地形气候等因子；2、要