农业非点源污染预测模型
ARCSWAT模型使用
ARCSWAT模型使用ARCSWAT（Agricultural Non-Point Source Pollution and Watershed Assessment Tool）是一种水文地质模型，用于评估洪水径流、土壤侵蚀和非点源污染等问题，并为水资源管理和土地利用规划提供支持。
以下是使用ARCSWAT模型的一般步骤：1.地理数据准备：收集包括数字高程模型（DEM）、土地利用/覆盖、土壤类型和气象数据等地理信息系统（GIS）数据，并进行预处理。
这些数据将用于模型的输入。
2.模型参数设定：根据研究区域的特点设置ARCSWAT模型的各种参数，包括降雨-径流转化系数、植被覆盖系数和各种河道和土壤特性参数。
3.模型运行：通过输入地理数据和参数设定，运行ARCSWAT模型以模拟研究区域的水文过程。
模型将计算径流量、土壤侵蚀、植物蒸散发和非点源污染负荷等。
4.模型验证：使用实测数据和已知水文事件来验证ARCSWAT模型的准确性和可靠性。
模型的输出与现场观测数据进行比较，以评估其预测能力。
5.土地利用规划和管理决策：通过模型的输出结果，评估不同土地利用和河道管理方案对水资源和水环境的影响，并从中选择最佳方案。
使用ARCSWAT模型可以对水资源和水环境进行综合评估和管理。
它提供了一种量化的工具，用于研究区域的水文循环、土壤侵蚀、氮磷流失和水质等问题的分析。
ARCSWAT模型的应用广泛，可以用于研究农业区域的水资源管理、城市雨水管理、水库水源管理和环境保护等。
然而，ARCSWAT模型的使用需要一定的专业知识和技能。
首先，需要熟悉地理信息系统和水文学的基本原理和方法。
其次，需要对模型的参数设定进行合理选择，并根据研究区域的特点进行调整。
最后，对模型输出结果进行解释和分析，以及制定相应的规划和管理措施。
总之，ARCSWAT模型是一种有效的工具，用于评估和管理土地利用对水资源和水环境的影响。
它为农业、城市和环境领域的决策者提供了决策依据，用于制定合理的管理方案和政策措施。
第八讲 SWAT的非点源污染模拟
N 2 O N , 1 N 4 s t H rN ,2 N 2 st O T r T
➢硝态氮：
N 3 s tN , r 2 O N 2 s t 1 r f O N 4 r 1 H a a l a g T e T
25
磷元素
➢ 磷循环和氮循环相似。藻体死
4
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。
非点源污染
可可 溶溶 性性 氮磷
淋洗作用： pstf,wsh = frwsh·pstf
降解作用： psts,ly,t = psts,ly,0·exp[-kp,sol·t] 16
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。
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）
挥发
流入
流出
水体
溶液态 吸附 微粒态
扩散
再悬浮 沉降
分解
底泥
溶液态 吸附 微粒态
分解
15 掩埋
农药的地表水体循环
叶面施药 挥发
降解
表层和亚表层施药 挥发
冲洗 入渗
产流带走
ARCSWAT模型使用
ARCSWAT模型使用ARCSWAT (Agricultural non-Point Source Pollution Watershed Assessment Tool) 模型是一种常用于评估农业非点源污染的水域评估工具。
本文将介绍ARCSWAT模型的基本原理、使用方法和应用领域。
ARCSWAT模型是美国农业部（USDA）和环境保护局（EPA）联合开发的一个用于模拟和评估农业非点源污染物运输和水质的决策支持系统。
该模型基于SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 模型，增加了农业管理和非点源污染扩散的模块。
ARCSWAT模型能够模拟农场、小流域和水族区域的土壤侵蚀、氮磷迁移、农药利用和非点源污染物负荷等环境过程。
1.水文组件：模拟降雨、蒸腾、径流等水文过程。
2.水质组件：模拟污染物的产生、迁移和去除过程。
3.土壤侵蚀组件：模拟植被覆盖、土壤侵蚀和沉积过程。
4.作物生长组件：模拟作物的生长、需水、生物量和农药应用等过程。
5.辅助数据库：提供地理、土壤、土地利用和观测数据等输入。
使用ARCSWAT模型进行评估首先需要进行模型参数化。
模型参数的获取可以通过野外实测、文献数据和专家知识等渠道获得。
然后，需收集和整理相关的输入数据，如流域地理和气象数据、土壤特性、土地利用和作物管理参数等。
接下来，使用ArcGIS等地理信息系统软件进行数据预处理，将输入数据转换为模型能够接受的格式。
最后，设定模拟运行的时间段和相关参数，运行模型获得模拟结果。
ARCSWAT模型的应用领域主要包括农业非点源污染控制和水资源管理。
通过模拟土壤侵蚀和水质的输运过程，可以评估不同农业管理措施对农田和水资源的影响。
模型可以用于研究减少农业面源污染的最佳管理实践，制定农田管理政策，提高农业生产的可持续性。
此外，ARCSWAT模型还可以用于评估气候变化对水资源和非点源污染的影响，指导水资源管理和环境规划。
农业非点源污染模型研究概况
２ １ 国外研 究现状 ．
将 农业非 点 源污染 负 荷模 型 与 ３ Ｓ技术 结合 、 与水 质 模 型对接 用 于流域 水质 管理 成为 农业 非 点 源研 究 的 新生 长点 。其 中李 怀恩 等提 出 的机理 性 流域 暴 雨 径 流 响应模 型 占有重要 地位 ， 要求 参 数 少 、 用 范 围 它 应 但该 集总 式模 型不 易解 释非 点源 污染 在 流域 内的 放 污 水 ） 比较 ， 点 源 污 ２ ２ 国 内研 究现 状 集 相 非 染 的 主要 特点 有 ： 生态 环境影 响广泛 ； 生 具有 随 对 发 我 国基本 上 在 进 入 ８ Ｏ年代 以 来 才 逐 渐认 识 到
机性 ； 污染 物 来 源 和排 放 点 不 固定 ， 放 具 有 间 歇 非点 源污 染 问题 的重 要 性 。 １８ 排 ９０～１９ ９０年我 国的非
性； 污染 负荷 时 空变 化 幅 度 大 ； 测 、 制 和 处 理 困 监 控
点源 污染 研究 仅是 农业非 点 源 的宏 观 特 征 与污染 负
难 而复 杂…。非 点源 污染 ， 由于 涉及 范 围 广 、 制 难 荷定 量计 算 模 型 的初 步 研 究 。９ 控 ０年 代 以来 ， 药 、 农 化肥 型模 式在 农 业 非 点 源 污染 中 占距 了重 要 地 位 。 度大， 目前 已成为影 响水 体环境 质量 的重 要 污染源 。
１ 前
言
８ 代 以来 ， 表 模 型 有 ： 业 管 理 系 统 中 的 ０年 代 农 化学 污染 物 径 流负 荷 和 流 失 模 型 （ Ｒ Ａ ］用 于 Ｃ Ｅ Ｍ） 、 农业 非点 源 管理和 政策 制定 的农 业非 点 源 污染 模 型 （ Ｇ Ｐ Ｊ 农 田 尺 度 的 水 侵 蚀 预 测 预 报 模 型 Ａ Ｎ Ｓ） 、 （ Ｐ） 、 ＷＥ Ｐ ］流域 非点 源 污染 模 拟模 型 （ Ｎ ＷＥ Ｓ ｎ Ａ Ｓ Ｒ ）］ 进入 ９ ０年代 ， 与非 点 源污 染 管理 模 型 和非 点 源
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用引言水环境的非点源污染是全球范围内环境污染的重要问题之一。
由于非点源污染的随机性和分散性，对其进行精确的监测和预测是一项具有挑战性的任务。
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一种被广泛应用于水资源管理和环境保护领域的模型，其在水环境非点源污染研究中发挥着重要作用。
本文将就SWAT模型的原理及其在水环境非点源污染研究中的应用进行探讨，并结合实际案例分析SWAT模型的实际效用。
一、SWAT模型原理SWAT模型是美国农业部开发的一种集成水文和生态模型，主要用于评估土地利用变化对流域水文水质的影响。
SWAT模型基于物理机理和经验关系，能够模拟流域内地表径流、土壤水分含量、植被生长、氮磷输移和含沙量等过程，是一种集成了气候、土壤、植被、地形、水文和管理措施等多种因素相互作用的水文生态过程模拟工具。
SWAT模型的核心是将流域划分为大小不等的子集，然后对每个子集进行水文过程的模拟。
模型输入主要包括气象数据、土地利用数据、土地管理措施、地形数据等。
模型输出主要包括流域内径流量、水质、土壤侵蚀、植被生长等信息。
SWAT模型采用了土地利用-土壤分类系统（LULC）和土地利用管理措施（LUM）来描述土地利用的分布和管理措施的变化。
模型还能够考虑降雨、蒸发蒸腾、径流、土壤湿度、植被生长、土壤侵蚀、氮磷输移等多种水文生态过程。
二、SWAT模型在水环境非点源污染研究中的应用1. 地表径流和非点源污染模拟地表径流是流域水文循环的一个重要组成部分，也是非点源污染的主要扩散途径。
SWAT模型利用流域内不同土地利用类型和土壤类型的特性参数，能够准确地模拟地表径流过程，并结合水质模块对流域水体中的污染物扩散进行模拟。
通过SWAT模型的模拟可以评估不同土地利用和管理方式对地表径流和非点源污染的影响，为流域水资源保护和管理提供支持。
2. 氮磷输移模拟氮磷是农业生产中常见的污染物，对水环境造成严重的影响。
基于SWAT模型的非点源污染模拟研究及应用的开题报告
基于SWAT模型的非点源污染模拟研究及应用的开题报告1.研究背景随着经济的快速发展，水环境污染问题日益突出，其中非点源污染是水环境污染的重要形式之一。
非点源污染是指来自于农业、城市、工业和土地利用活动等人类活动和自然过程的污染，这些污染物经由降雨、地表径流、地下水流等途径以非分散、分散、扩散的形式输入地表水体和地下水体中，对水环境造成污染和破坏，致使环境质量状况得到恶化，给人类健康和生态环境带来威胁。
因此，对非点源污染的研究成为了当前水环境保护中的重点问题。
SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 模型是美国联邦政府资助的一个连续时间河川流域水文模型，适用于非点源污染的研究。
该模型是一个物理过程模型，通过描述土壤、植被、水文和水质进程的相互作用和反馈机制来模拟流域内水文和水质响应。
SWAT模型已经成为国际上研究非点源污染和生态系统服务的重要工具。
2.研究目的本文旨在研究基于SWAT模型的非点源污染模拟，并应用于某一流域的污染模拟研究。
具体研究目的包括：（1）对SWAT模型的原理进行研究，掌握模型的建模方法和模拟过程。
（2）通过对SWAT模型中水文水质模块的构建，实现非点源污染的模拟和预测功能。
（3）选取某一流域进行非点源污染模拟研究，并评估其污染程度和可能的影响。
（4）寻找对流域污染物治理的有效措施，并提出相应的治理建议。
3.研究内容（1）SWAT模型原理及应用。
介绍SWAT模型的原理、构建和基本应用，以及其在非点源污染研究中的重要作用。
（2）SWAT模型中水文水质模块的构建。
建立SWAT模型中水文水质模块的参数，包括流域的地形、土壤类型、植被覆盖、降雨径流、水质变化等，实现非点源污染的模拟和预测。
（3）流域的环境数据获取。
获取流域的降雨、气温、蒸散发、土壤类型和植被覆盖等环境数据，用于流域模拟和分析。
（4）流域非点源污染模拟。
将所得的降雨、土壤、植被、水文和水质数据输入SWAT模型中进行模拟分析，得到流域内污染物质量浓度、输送通量、污染物汇集区等信息。
SWAT模型
sed 11.8(Q q peq areahru ) 0.56 K C P LS CFRG
sed为泥沙日产量,ton；Q为表面径流量，mm/ha；qpeq为地表径流峰值流速， m3/s；areahru为水文响应单元面积（ha）；K为土壤侵蚀系数；C为作物经营 管理系数；P为水土保持系数；LS为地形系数；GFRG为粗糙系数。
陕西科技大学
马斯京根方程
马斯京根法将河道看成柱体和楔体的组合
V为河道水量m3,qin为上游流量m3/s,qout为下游流量m3/s，K为河道贮水时 间s, X为衡量河段出流与入流相互关系的权重因子，Lch为河道长度Km，v为 流速m/s.
陕西科技大学
土壤侵蚀与泥沙输运模块
在SWAT中，对由降雨及地表径流产生的流沙量的计算采用MUSLE （Modified version of universal soil loss equation），即改进通用土壤流失方 程。改进了流沙产量预测的准确度，并且可以预测单次降雨事件中的产沙量
Ea
第i天蒸发量mmH2O, 第i天壤中流量mmH2O,
表示第i天地表径流量mmH2O,
Wseep 第i天的下渗量mmH O, 2
Qlat
Qgw
第i天的基流量mmH2O,
陕西科技大学
二、河道水文过程
在SWAT中，曼宁方程用来计算流量和流速，马斯京根方程用来模拟水流 在河道中的应用 曼宁方程
q为流道流量，m3/s。A为 过水断面面积，m2。R为 水力半径，m。Slp为底面 坡度。n为河道曼宁系数。 v为流速，m/s
物理概念模型
输入参数简单
计算效率高
可以对流域 进行长期模拟
陕西科技大学
模型结构
SWAT模型实验方法
农业非点源污染农业非点源污染数据采集方法一：采样准备1、采样安排a)水样的采集与监测项目的确定。
确定采集水样的位置，能够反映非点源污染的特征。
同时，人力能够到的地方，而且监测指标能够反映非点源污染的特点。
b)采样时间、采样频率的安排为了更好的了解污染物的年间变化，在11年和12年，原则上应以月单位进行水样采集，一旦出现天气突变情况，随时根据情况调整时间。
c)除了特殊实验目的外（如研究雨季连续降雨），应当尽量排除前一场降雨对实验的影响，以免造成实验数据分析的困难。
由于目前还无法实现自动采样，所有水样都依靠人工进行采集。
在实验过程中，根据实验情况调整采样时间，采样频率。
2、采样点的空间设置为了研究污染物的空间变化，本次研究选择的土地类型包括：水田，旱田，居民点，草地等。
实验的水质采样点根据小流域的出口入口及土地利用类型等水污染影响因素确定。
利用GPS定点采集水样。
3、实验方法由于氮、磷是农业面源污染的重要原因，所以应利用GPS定点采样，N、P、COD、BOD等。
每项测定方法：a)总氮：b)总磷：c)COD：d)BOD：e)……农业非点源污染数据采集方法二：SWAT模型需要输入主要农作物的播种、施肥、灌溉等作物管理措施，可模拟流域内农业面源污染的负荷。
而其中的数据通过查阅辽宁省统计年鉴得出流域内的化肥使用情况，并对化肥进行折纯，得出TN、TP作为基肥加入到模型中。
农业非点源污染数据采集方法三：对非点源污染负荷估算得出数据农村非点源污染调查分析的主要对象为农业人口数量、农村综合污水、化肥农药使用和分散式饲养畜禽废水等。
非点源污染过程复杂，影响因素众多，对非点源污染负荷的估算也有很多途径。
（1）生活污水考虑到乡村没有集中的城镇下水道系统，因此将村中人口产生的生活污染源这算为有机肥输入到模型中。
本次研究应采用最新版本的人口普查中人口数据，列出流域中各乡镇排污当量数《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》（国务院第一次全国污染普查领导小组办公室，2008-3）并对清河凡河流域农村生活污水污染现状进行调查研究。
SWAT模型在农业面源污染研究中的应用
SWAT模型在农业面源污染研究中的应用SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部研发的一款农业非点源污染模拟模型，被广泛应用于农业面源污染研究中。
本文将介绍SWAT模型在农业面源污染研究中的应用，包括其原理、特点以及在实践中的应用案例。
SWAT模型基于水动力学和土壤侵蚀规律，以流域为单位，综合考虑气象、地形、土壤、植被和土地利用等因素，模拟农业面源污染的产生与迁移过程。
该模型具有模拟精度高、可靠性强、适用范围广等特点，被广泛应用于农业面源污染研究中。
首先，SWAT模型能够模拟农业活动对水质的影响。
通过模拟农田径流和河流水质的变化，可以评估不同农业管理措施对水质的影响。
例如，通过模拟不同的施肥量和施肥时间对水肥流失的影响，可以指导合理的施肥管理，减少化肥流失，提高施肥效果。
其次，SWAT模型能够模拟土壤侵蚀过程。
农业活动中的水土流失是主要的面源污染途径之一，而SWAT模型可以通过模拟降雨、水分平衡、土壤侵蚀等过程，评估不同农业管理措施对土壤侵蚀的影响。
例如，通过模拟不同的耕作方式对土壤侵蚀的影响，可以指导农民选择合适的耕作方式，减少土壤侵蚀的风险。
此外，SWAT模型还可以模拟农药和兽药等农业化学品的迁移过程。
农业化学品的过度使用和不当使用会导致水体中农药和兽药残留，进而对水环境和生态系统产生不良影响。
通过模拟农业化学品的迁移过程，可以评估农业活动对水体中农药和兽药的污染风险，并探讨相应的农业管理措施。
例如，通过模拟不同农业管理措施对农药和兽药的损失和迁移的影响，可以优化农业管理策略，减少农药和兽药对水体的污染。
在实践中，SWAT模型已经在许多国内外研究中得到了广泛应用。
以中国为例，研究者利用SWAT模型研究了不同耕作方式、不同施肥管理措施、不同农田排水管理方式等对农业面源污染的影响。
通过模拟和分析，得出了一系列合理的管理建议，如调整施肥时间、减少施肥量、改善排水系统等，以减少农业面源污染对水环境的影响。
非点源污染模型模拟研究进展
能强大 的超大 型流域模型被开发研 制出来，这些模型是集空间信息处 理 、数 据库 技 术 、数 学 计算 、可 视化 表达 等 功 能于 一 身的大 型专 业软件 ，其 中比较著 名的有美 国国家环保 局开发的 Ｂ Ｓ Ｉ Ｂ ｔ ｅ７ Ａ Ｎ Ｓ（ｅ ｔ ｌ
Ａ ｓ ｓ ｍ ｎ ｃ ｅ ｃ ｎ ｅ ｒ ｔ ｎ ｏ ｎ ａ ｄ Ｎ ｎ ｏ ｎ ｏ ｒ ｅ ） 、 ｓ ｅ ｓｅ ｔ Ｓ ｉ ｎ ｅ Ｉ ｔ ｇａ ｉｇ Ｐ ｉｔ ｎ ｏ ｐ ｉｔ Ｓ ｕｃ ｓ ㈣
非点源污染的成分复杂 、类型多样 ，又具有不同于点源的特征【 “ ３ ， ｌ 排放 的分散性 导致 其地理边 界和 空间位置不 易识别 ，加上它还与一系 列水文气象条件密 切相关 ，因此对 非点源污染 的研 究和控 制具有较大 的难度 ，其 中非点源 污染的模 型模 拟将会是重 点研 究对 象。 由此 ，本 文对水环境非 点源 的污染模 型模拟 发展历程进 行了总结，并对该领域 内众 多研 究者 的观 点进 行 了归纳 。 随着 非点源数 学模 型不 断 的发展 ，逐步 形成 了若干 种较为 完善 的常用模拟工具 。由于其模拟机 理和适用范 围不 同，各模 型间存 在明 显差别 。在选用模 型时应当有针对 性的 了解模 型的特 性，以求达到最 佳的模拟效果。对于特定 的情 况，选择模型是一件十分关键的事情。一 些模型基于简单 的经验关系 ，计 算简单方便 ，而另一些模 型则基 于过 程 ，数学要求十分 高。简单 的模型往往 得不到想要 的详细 和精确的结 果 ，而复杂 的模型 则在计算大面积 流域时效率不 高，并且 由于对数据 和使用者要 求过高而受 到限制 。 １ 国 内外 非 点源 污 染 模 型 的研 究进 展 １ １国外非 点源污染模 型的研究进 展 ． 第一 阶段 ：７０年代 前 ，处 于非 点源 污染 研 究的探 索期 。这 一 阶段 的研究主要是对 非点源污染 的观测资料加 以分 析，从而建立相关 关系 以计算非 点源污 染的负荷 。非点源 污染模型通过对整 个流域系统 及其 内部发生 的复 杂污染过程进 行定量描述 ，分析 非点源 污染产生的 时空特征 、迁移路径 、预报污染产 生的负荷及其对水 体的影响。起初 的非点源污染模 型往往 依据 因果分析和统计分析的方法建 立统计模型 ， 建立污染 负荷 和土地利用 、径流量之 间 的关系 。 第二阶段：７ ０年代 中期 ，是非点源机理模型 （ 包括水 文模 型、土 壤侵蚀模 型、污 染物迁 移模 型） 大发展的时期，很多模 型相 继问世 。例 如，Ｈ ｄ ｏ ｏ ｐ公司 的非点源污染 系列模型 Ｐ Ｒ Ｈ Ｐ Ａ Ｍ Ｎ Ｓｓ， ｙ ｒｃ ｍ Ｔ — Ｓ — Ｒ — Ｐ ］ Ｌ 以及其他研 究者开发的 Ｓ Ｏ Ｍ Ｃ Ｍ 、Ｕ Ｍ Ａ Ｄ Ｕ Ｔ Ｒ 、Ａ Ｔ Ｏ Ｔ 、Ｌ Ｎ Ｒ Ｍ、Ｃ Ｅ Ｍ￣ Ｒ Ａ 等模 型对非点源污染物 理化学过程进行 了深入的研 究，加 大了对非点源污 染过程 的广泛监测 。并详细介绍 了应用模型分析法评价 和预测管理措 施的实施效果 。 第三阶段 ：８ 年代 以来 ，研 究的重点主要转向如何把 已有模型应 Ｏ 用到非点源污染 的管理中去 ，开 发新的实用模型 ，非点源 污染的控制 与管理措施的研究与 广泛实施等 。为了提高模型土壤侵蚀 部分模 拟的 简便性和准确性 ，美 国农业 工程师协会 （Ｓ Ｅ 提 出并逐步改进了 Ｗ Ｐ ＡＡ ） ＥＰ 模型；另外，传 统的土壤流失方程 （Ｓ Ｅ 也经过改进形成 Ｒ Ｓ Ｅ １ ＵＬ） Ｕ Ｌ ［｛ ｏ 在农业管理系统中的化学污染物径流负荷 和流 失模 型 （Ｒ Ａ ） 基础上 ＣＥＭ 的农 田小区 Ｅ Ｉ 模型 ，用于农业非 点源管理和政策制定 的农业非点源 ＰＣ 污染模型 （ Ｇ Ｐ Ａ Ｎ Ｓ…Ｊ ，农 田小区模 型 （ Ｎ Ｓ ） Ｃ Ｐ ），流域非 点源 污染模拟 模型 （Ｎ Ｓ Ｅ Ｓ ） Ａ － Ｗ Ｒ ，大流域 内非点源污染物负荷量 （ Ｗ Ｒ Ｓ Ｒ Ｂ和 Ｓ Ａ ） Ｗ Ｔ 模型，中小流域 非点源模 型 （Ｇ Ｐ １） Ａ Ｎ ［ 和用于模拟农业活动对地下水影 ３
非点源污染模型
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-QUALMOUSE 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相互作用和转化模拟污染物负荷图输出可以不可以不可以不可以不可以可以可以模型复杂性较高一般一般较高一般高高模型不确定性较大较小较小较大较小大大GIS耦合应用松散松散松散紧密松散松散紧密BMPs模拟评价可以不可以可以可以不可以可以可以通过以上对各个模型特点的介绍和分析，可以看出在具体应用时，各个模型均有其局限性和适用性，对各个模型进行了分析。
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool）是一种广泛应用于水环境非点源污染研究的数学模型。
它是美国农业部自然资源保护服务处（NRCS）于1995年开发的，用于评估水资源规划和管理中的土壤侵蚀、氮和磷等非点源污染的影响。
SWAT模型基于土壤水分、气象、土地利用、地形等因素，通过数学公式和模拟算法，模拟水文过程、水源利用和土壤侵蚀等过程，从而预测流域尺度上的水文和水质变化。
1. 土壤侵蚀模拟：SWAT模型可以通过模拟降雨强度、土壤类型、地形等因素，预测农田、林地等土地利用类型下的土壤侵蚀情况，为土壤侵蚀控制工程提供科学依据。
2. 水质模拟：SWAT模型可以模拟流域中氮、磷等养分的流动、转化和去除过程，预测流域的水质状况。
通过对不同农业经营管理措施的模拟，可以评估其对水质改善的效果，为流域水质管理提供参考。
3. 湖泊富营养化研究：SWAT模型可以模拟流域养分输入对湖泊富营养化的影响，并根据养分输入情况预测湖泊富营养化的趋势。
研究者可以通过模拟不同减少养分输入的措施，评估其对湖泊富营养化治理的效果。
4. 河流水量预测：SWAT模型可以对流域中的水量进行模拟和预测，包括流域出口的径流、地下水补给量等。
这对水资源的合理利用和水环境工程的规划设计有重要意义。
5. 土地利用规划：SWAT模型可以模拟不同土地利用类型对水环境的影响，为土地利用规划提供科学依据。
通过比较不同土地利用方案下的水质状况和水资源利用效益，可以选择对水环境影响较小且综合效益较高的土地利用方式。
SWAT模型在水环境非点源污染研究中具有重要的应用价值，可以为相关决策提供科学支持，促进水环境的保护和管理。
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用一、SWAT模型简介SWAT模型是由美国农业部和美国农业研究服务局（USDA-ARS）研发的一种集水文、气象、土壤、植被和管理措施等因素于一体的水文模型。
该模型主要用于模拟流域尺度的水文过程、土壤侵蚀、产污过程以及土壤养分水平等情况，可用于评估不同土地利用方式和水资源管理措施对流域水文循环和水质的影响。
SWAT模型以尺度化的方式模拟水文和水质过程，能够根据陆地利用、植被覆盖和土壤特性等不同空间尺度上的差异而进行模拟，适用于大尺度流域的水文和水质模拟。
SWAT模型是一个基于过程的模型，能够模拟自然界中的各种水文和水质过程，并且能够考虑人类活动对这些过程的影响。
模型基于土地利用、土壤和植被、气候和地形等信息，结合水文循环、土壤侵蚀、水质产污过程等因素进行综合模拟。
SWAT模型的核心是水文过程和土壤侵蚀过程的模拟，其中包括降雨产流、蒸散发、蓄水和排水、土壤侵蚀、河流水沙输移等一系列过程的模拟。
SWAT模型还考虑了水质产污因素，例如土壤养分和农药的产流、入渗和输移，能够模拟流域水体的营养盐和农药的污染情况。
通过SWAT模型的模拟和预测，可以更好地理解水体污染源的分布、积累和传输规律，为合理开展水环境管理和保护提供科学依据。
SWAT模型因其综合考虑了土地利用、植被覆盖、气候等因素，能够模拟和预测流域尺度的水文与水质过程，已经在许多地区得到了广泛的应用。
特别是在水环境非点源污染研究中，SWAT模型展现出了其独特的优势和应用价值。
1. 模拟土壤侵蚀和产污过程土壤侵蚀和土壤养分的产污是流域水环境非点源污染的重要来源，而SWAT模型能够综合考虑土地利用、降雨、土壤类型、土壤侵蚀和产污过程等因素，实现对流域土壤侵蚀和养分流失的定量模拟。
通过模拟土壤侵蚀和产污过程，可以评估不同土地利用方式和管理措施对流域水质的影响，为制定合理的水资源管理政策提供科学依据。
2. 评估流域水体营养物质和农药的输移流域土地利用和农业生产活动会导致营养物质和农药的大量输入，而这些物质在土壤中的输移和对水环境的影响是水环境非点源污染的重要环节。
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一种基于流域的水文模型，主要用于模拟自然和人类活动对水资源和土地的影响。
SWAT模型具有多样性和灵活性，可用于评估农业和非农业用途下水资源的质量和数量。
本文将介绍SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用。
SWAT模型是一种物理-数学耦合氢水设备，基于土地利用、土壤、气候、地形和水文特征等多个因素对流域水循环的全面分析。
SWAT模型的核心在于水文过程的数学模拟，它通过将流域分割成若干个亚区，对每个亚区的水文转化和水文循环进行模拟。
模型通过植被、土壤和水文特征参数，描述流域内的水循环过程，并利用气象数据进行参数估计。
在SWAT模型中，可以模拟流域内降水、蒸散发、径流和污染物输送等水文过程。
SWAT模型在流域水资源管理中有着广泛的应用。
在非点源污染的研究中，SWAT模型可以对污染物在流域中的转运和扩散规律进行模拟。
流域的土地利用类型和管理措施对水质有着很大的影响。
SWAT模型可以模拟不同土地利用下的污染物输送，深入探究非点源污染源的影响机制。
SWAT模型不仅可以预测污染源的位置，还可以计算流域内减少污染的最佳管理措施和控制策略。
SWAT模型在非点源污染的研究中有着广泛的应用。
在水資源管理中，SWAT能夠幫助業主研究如何減少流域對鄰近水體的污染。
此外，在適度的灌溉計劃中，SWAT可以提供有關如何降低土地利用帶來的水污染的重要提示。
總之，SWAT模型已成為流域水循環研究的重要工具，尤其在非點源污染研究中應用更是深入。
未來，SWAT模型將不斷優化和改進，有望更好地應對非點源污染對水資源和生態環境的影響。
输出系数模型
输出系数模型非点源污染模型是非点源污染进行时空模拟的重要手段，但现有模型往往只是对小区域的精细模拟，很难适用于大尺度区域的负荷估算。
因此，大尺度流域的非点源污染负荷估算一直是非点源污染研究的薄弱环节。
基于土地利用变化提出的输出系数模型，避开了非点源污染发生的复杂过程，所需参数少，操作简单，又具有一定的精度，在我国大尺度流域的非点源污染负荷研究时表现出独特的优越性。
一、模型结构输出系数模型（Export Coeffi cient Models）来自一种称为“单位负荷测算”（Unit load approach）的研究思路。
20世纪70年代初期，美国、加拿大学者最先提出输出系数模型并将其应用于研究土地利用-营养负荷-湖泊富营养化关系。
其核心是测算每个计算单元（人、畜禽或单位土地面积）的污染物产生量，将每个计算单元的平均污染物产生量与总量相乘，估算研究范围内非点源污染的潜在产生量。
Novrell等于1979年提出了一个较为简单的输出系数模型，以预测康涅狄格州湖泊群流域的营养物输入对湖泊富营养化的影响。
在输出系数模型中，各土地利用类型对营养物的贡献率是与该土地利用类型在流域中的面积比重成正比的。
来自于不同土地利用类型的径流量及径流中污染物浓度各不相同，这主要通过输出系数的不同取值来体现。
早期的模型假定所有土地利用类型的输出系数固定不变，这种假设和现实状况差异很大，因而限制了模型的应用。
Johnes（1996）在已有研究成果基础上建立了更为细致、输出系数更完备的输出系数模型。
该模型对不同的土地利用类型或牲畜种类等分别采用不同的输出系数并考虑居民生活污染输出。
在总氮输入方面还进一步考虑了植物固氮、氮的空气沉降等因素，大大提高了非点源污染负荷估算精度。
该模型已经成为输出系数法的经典模型，国内输出系数法方面的研究，大多基于该模型或稍作改进。
模型表达式为式中：L为研究区域的总污染负荷量；n为土地利用类型的种类或牲畜、人口等不同的污染来源；Ei为第i种土地利用类型、牲畜或人口的污染物输出系数；A i 为第i种土地利用类型的面积或牲畜、人口的数量；Ii为第i种污染物的输出量；p为来自降雨的污染物输出量。
我国农业非点源污染研究进展分析
源污染负荷量有重要影响 ｎ 而郝芳华 的研究则表 ， 明非点源污染负荷与降水量呈正相关 ［］ １。 ８ 从研 究 区域 上看 ， 目前 国内的非 点 源污 染研 究 多集 中在南方地区 ， 如云南 、 四川 、 湖南、 福建 、 江苏、 安徽 等 省 份 ［－］而 北方 地 区尤 其是 东 北 黑 土 区这 １２ ， ９０ 方 面 的研 究 尚少 。
收稿 日期 ：０ ２ ０ — ８ 修 订 日期 ：０ ２ ０ — ４ ２ １— ２ ２ ； ２ １— ６ １ 。
Ｓ Ｔ是 一个 具有 很 强 物理 机 制 的 长 时段 分 布 ＷＡ
作者简介 ： 问青春 ， ，９ ９年生 ， 女 １７ 工程师 ， 主要从事污染源监测与相关研究工作 。
式流 域水 文模 型 ， 它能够 利用 Ｇ Ｓ和 Ｒ Ｉ Ｓ提供 的空 间 数据 信息 ， 测复 杂 大流域 中不 同土壤 、 地利 用 和 预 土
缺乏 的现 状 ， 因而得 到 国 内研 究 者 的极 大关 注 ， 方 这 面 的研 究很 多 ［－］ １１。 １３ ＡＧ Ｐ Ｎ Ｓ模 型 已经 成 功 的 应 用 于 中 国南 方 的一 些小 流域 ，结 果显 示该 模 型在 这些 地 区 的农 业非 点 源 负荷 估算 及评 价 中的应 用潜 力 ［］邹 桂 红 等在 华 １， ４ 北 地 区 大沽 河 流 域 的研 究 显 示 Ａ ｎ Ｇ Ｐ ｎ Ａ Ｎ Ｓ模 型 对 径流、 泥沙 及总氮 的模 拟精 度依 次 降低 ， 对径 流模 拟 最 理想 ， 沙模 拟 效果 较 好 ， 、 尺 度 总 氮模 拟 精 泥 年 月 度 尚可 ，但 降 雨 场 次 总 氮 负 荷 模 拟 效 果 不 佳 ［］ １。 ５
ｍｏ ｅ ｄ ｅ ｐ ￣ ｃ ｅ ｉｉ ｎ ｄ １ Ｔｈｅｒ ｓ ａ ｃ ｎ ａ ｒｃ ｌ ａ ｏ —ｐ ｉ ｔｓ ｕ ｃ ｏ ｌ ｔｏ ｅ ａ ｎ ｔ ｅ ｅ ｌ ８ ． ｄ ｌａ ｘ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃｅ ｔｍｏ ｅ ． ｅ ｅ ｒ ｈ ｉ ｇ ｉ ｕ ｔ ｌｎ ｎ ｏｎ ｏ ｒ ｅ ｐ ｌｕ ｉｎ ｂ ｇ ｉ ｈ ａ ｙ １ ０ｓ ｕｒ ｎ ｒ ９
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用SWAT模型，即水文模拟与评估工具（Soil and Water Assessment Tool），是由美国农业部自然资源保护服务（USDA-NRCS）研究开发的一种分布式水文模型，用于评估流域水文过程、土壤侵蚀、农田水文循环、非点源污染和生态系统的影响等。
该模型结合了水文、气象、土地利用、土壤和植被等多个要素，能够模拟流域内降雨径流产流、土壤侵蚀、农业经营管理、水质变化等多个环境过程，具有较强的综合性和可操作性。
SWAT模型在非点源污染研究中的应用主要包括两个方面：一是定量评估非点源污染物的产生源和迁移规律；二是预测降雨径流对水体质量的影响。
在定量评估非点源污染物的产生源和迁移规律方面，SWAT模型能够识别并模拟流域内土壤侵蚀、农田化肥和农药使用、污水排放等多种非点源污染的来源，并通过模拟水循环和土壤过程，分析非点源污染物在流域内的运移路径和储存方式，为水环境管理提供科学依据。
在预测降雨径流对水体质量的影响方面，SWAT模型能够模拟不同土地利用和土地覆被对径流产生的影响，对于评价降雨径流对水体重金属、硝酸盐、磷酸盐等污染物的输入和输送路径有着显著的作用。
在水环境非点源污染研究中，SWAT模型已经在国内外取得了一系列重要的成果。
在美国，SWAT模型已经广泛应用于陆域非点源污染预测和生态系统健康评估中，为农田养分管理和生态系统保护提供了有效的科学依据。
在我国，SWAT模型也得到了广泛应用，通过模拟不同土地利用和土地管理方式对水质的影响，为我国的水域环境保护提供了重要的科学支持。
为了克服这些问题，有必要在推广SWAT模型的进一步改进模型的算法和参数，提高模型的普适性和可靠性；加强对SWAT模型应用的培训和指导，提高相关从业人员对模型的熟悉程度；加强对流域水文数据的监测和共享，为模型应用提供更加准确和丰富的数据支撑。
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用一、SWAT模型的特点及原理1. SWAT模型的特点SWAT模型是一种分布式水文模型，其基本特点可以概括为以下几点：（1）SWAT模型采用了一种基于土地利用、土地管理和气候条件的半分布式的流域水文过程模拟方法，可以有效地模拟土壤侵蚀、径流和污染物迁移等水文过程。
（2）SWAT模型可以进行多年份、多空间尺度的水文模拟，能够较好地反映不同时空尺度上的水文过程。
（3）SWAT模型集成了土壤、植被、陆面、地下水和河流等多种因素，可以全面、系统地模拟流域水文过程。
（4）SWAT模型具有模拟复杂陆面-地下水-河流系统的能力，可适用于不同地域的流域水文过程模拟。
2. SWAT模型的原理SWAT模型主要基于土地利用、土地管理和气候条件等因素，采用了一系列的地理信息系统（GIS）和数学模型，用以模拟流域水文过程。
其基本原理可以简要概括为以下几步：（1）对流域进行分割和划分，建立流域单元和子单元，并确定流域内各单元的水文信息。
（2）建立流域水文过程模型，模拟土壤侵蚀、降雨径流、地下水补给和土壤水分平衡等水文过程。
（3）应用地理信息系统技术，对流域内的土地利用、土壤类型、植被分布、降雨情况等信息进行空间分析和数据处理。
（4）对模型进行参数化和校正，利用观测数据对模型参数进行优化，提高模型的适用性和精度。
（5）通过模型模拟，得到流域内的径流量及污染物迁移情况，对流域水文环境进行评价和预测。
二、SWAT模型在水环境非点源污染研究中的应用1. SWAT模型在土壤侵蚀模拟中的应用土壤侵蚀是水环境非点源污染的主要途径之一，对流域水环境带来了严重的影响。
SWAT模型可以对不同土地利用和土地管理情况下的土壤侵蚀进行仿真模拟，从而评估土壤侵蚀的程度和影响，并为相关的土壤保护和治理提供科学依据。
2. SWAT模型在水质模拟中的应用水质污染是水环境非点源污染的重要表现形式，对河流湖泊的水质及水生态系统造成了严重的影响。
农业非点源污染模型研究现状与发展趋势
摘 要 模型 模拟 是 定量 估算 农业 非 点源 污染 负荷 的 有效 工具 ， 是对 其进 行规 划、 制 和 管理 的前 提 。 也 控 回顾 了国 内外农 业非 点 源 污染 模 型 的发展 历程 ． 阐述 了其研 究现 状和 主 要特 征 ， 讨 了今 后 我 国农 业非 点 源 污染 模 型研 究 的发 展趋 势 ， 探 以期 对模 型 的选 用 、 进及 研 发 改 工作具 有 一定 的参 考价 值 。 关 键词 农 业非 点 源污 染 ； 型 ； 究现状 ； 模 研 发展 趋 势 中 图 分 类 号 ｘ５ １ ０ 文 献 标 识 码 Ａ 文 章 编 号 一
散 。 目前 ， 业 非 点源 已成 为 许 多 地 区 的首 要 污 染 源 。 农 美
国环 保局 ２ ０ ０ ３年 的 调查 结 果显 示 ， 农业 面 源 污 染是 美 国水
体 污 染 的 第 一 大污 染 源 ， 致 约 ４ ％的 河 流 和 湖 泊 水 质 不 导 ０
合 格 删 荷 兰 农 业非 点源 提 供 的 总氮 、 磷 污 染 负 荷 分别 占 ； 总 ６ ％和 ４ ％ ５ ％圈 日本 的稻 田是 Ｂ ｓ 湖 的最大 污染 源【 德 ０ ０ ０ ； ｉ ｗａ ：
非点 源 （ ｎ ｐ ｉｔ ｏ ｒｅ ＮＰ ） 染 是 指 溶 解 的 和 固 Ｎｏ — ｏｎ ｕｃ ， Ｓ 污 Ｓ 体 的 污染物 从 非 特定 的 地点 ， 在降 水 （ 或融 雪 ） 刷 作 用 下 ， 冲
查 、 点 源 污 染 的 影 响 因素 、 性 分 析 、 非 特 单场 暴 雨 和 长 期 平
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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 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90265年代以来,随着计算机技术的飞速发展和地理信息系统(GIS)技术在流域研究中的广泛应用,GIS技术与非点源污染模型的结合成为该研究领域中的热点问题。
一些功能强大的超大型流域模型被开发出来,这些模型集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身,使得非点源污染模型的应用性能和精度都大为提高。
其中比较著名的有美国农业部农业研究所开发的AGNPS和美国国家环保局开发的SWAT,BASINS等模型。
随机模型近20年来才逐渐发展起来,并越来越受到重视和广泛应用。
国外在这方面的研究较多,而国内应用随机方法建模和预报的研究才刚刚起步[2]。
随机模型以对流-弥散方程为基础,考虑到模型中的参数存在较大的空间变异性和某些变量存在的时间变异性,参数或边界条件处理为随机变量,模型的运行结果将得到输出变量的一个统计分布或范围。
其中,Jury提出的传递函数模型具有较完备的理论基础[3],将溶质在土壤孔隙中复杂运移现象作为随机过程处理,不考虑溶质在田间土壤中运移的微观机制,其特点是根据地表加入的浓度输入函数,转化成田间土壤中运移溶质浓度的函数。
2 国外农业非点源污染预测模型研究2.1 农田尺度模型农田尺度规模的定义为:单一的土地利用,相对均一的土壤质地,降雨空间分布均匀,简单的管理措施,如保护耕作或梯田。
农田尺度模型虽然未考虑气候条件、农田土地利用、土壤质地、水土管理措施等的空间变异性,但对于一定的气候、土地利用和土壤质地条件,它能够准确地描述和评价不同农业管理措施条件对土壤侵蚀和污染物转化运移过程的影响效果,是以GIS为基础研究大尺度规模分布式参数模型建模的基础,所以,至今农田尺度机理模型的发展和应用仍受到众多研究者的重视。
以下简要描述较为有代表性的模型。
1)CREAMS(Chem icals,Runoff and Erosio n fr om Agr icultural M anag ement System s)是由美国农业部于1980年提出的一个连续模拟模型,它首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物运移过程进行了系统的综合,奠定了非点源污染模型发展的里程碑[4]。
模型用于预测农田单元径流、侵蚀、来自农业活动的化学物质运移,可以预测单次暴雨事件或长时期的平均效果。
径流计算采用径流曲线法(SCS曲线法);土壤剖面的水流运动采用简单的水量平衡方法,土壤含水量超过田间持水量时产生重力水流;土壤侵蚀采用USLE方法;化学物质将氮、磷和杀虫剂损失分为溶解态和沉积态,沉积态中还考虑了富集因子。
模型最大的优点是不需要现场数据校正,而是按现有的参数和一些估计值就可以运用,使模型的运行费用大大降低。
2)GLEAM S(Gro undw ater Loading Effects of Ag ricultural Management Systems)为农业管理模型CREAM S的改进[5]。
模型用于评价农业管理措施对农药、营养物质可能的淋洗、田间管理决策对地下水质的影响,以及田间地表径流和土壤流失动态。
模型包括3个子模型:水文、沉积/侵蚀量和化学物质运移。
化学物质运移子模型进一步分为农药和营养物。
营养物子模型包括主要的氮过程:矿化、氨化、固化、挥发、硝化、反硝化、植物吸收、豆科植物的氮固定、径流和侵蚀的氮损失、根区以下的渗漏损失,以及磷过程:矿化、植物吸收、径流、泥沙和渗漏损失量。
3)DRAINM OD-N用于研究农田非饱和区一维垂向土壤水氮运移,及饱和区二维垂向和侧向的土壤水氮运移,已经广泛应用于北美和其他地方。
模型适用于湿润地区浅地下水位条件,可以研究多年的土壤水动态和氮素的转化运移[6,7]。
模型仅考虑土壤中简单的氮循环,控制过程包括降雨沉淀、氮肥溶解、有机氮的净矿化、反硝化、根系吸收、地表径流损失和地下排水硝态氮损失,未考虑氨挥发和硝化过程。
模型的主要输入参数包括气象、土壤、作物、排水系统设计管理和氮素运移参数。
最新版本的DRAINM OD-N-II已经拓展为可以描述有机肥料氮的转化和运移。
4)LEACHM(Leaching Estimation and Chem istry M odel)用于研究农田非饱和区域水和溶质的运动、传输、植物吸收和化学反应[8],由LEACHN、LEACHP和LEACHC3部分组成。
LEACHN用于氮和磷的转化和运移模拟;LEACHP用于农药运移和降解模拟; LEACHC用于无机化学离子运动的模拟,如Ca、M g、Na、氯化物、硫酸盐、钾等。
LEACHM要求的土壤参数包括土壤物理特性、容重、土壤颗粒分布、土壤持水特性;也要求有机肥或化学肥料中的氮含量和磷酸盐含量、日最大和最小温度、降雨量和蒸腾量。
模型以天为时间步长,一个作物生长季节,也可应用于多年的模拟。
5)RZWQM(Roo t Zone Water Quality M odel)用于模拟农田土壤-作物-大气系统中主要的物理、化学和生物过程,可以模拟地下水位的变化和暗管排水条件,作物系统管理措施对土壤水、营养物质和农药运移的影响效果[9]。
土壤水运动按小时计算,包括土壤水再分配、化学元素的运移、入渗和径流、农药淋洗、热运动、实际蒸发和蒸腾量、植物氮吸收、积雪的运动动态。
模型将植物残体分为快和慢两种降解形式,将土壤有机物质分为快、中、慢3个降解池,模型也研究3类微生物:异养生物、自养生物和厌氧性生物。
各降解池之间的转化266农业工程学报2007年 是复杂的,模型结果对这些降解池的动态非常敏感。
6)EPIC(Er osion/Productivity Impact Calculator)最初被发展用于评价土壤侵蚀对农业生产力的影响,并且预测田间土壤水、营养物质、农药运动和它们的组合管理决策对土壤流失、水质和作物产量的影响[10]。