流域非点源模型发展与应用

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、

降雨前期条件等因素有关，也和人类活动（如施肥、施药、灌溉等）有关，不确定因素很多，使得非点源污染负荷的定量计算和预测非常困难。

1.5污染控制和管理上的困难

非点源污染发生时间的随机性、发生地点的广泛性、发生机理的复杂性，以及污染组成和负荷的不确定性，使得传统的末端处理方法难以实现，设计有效的防止方案难度很大。

2.非点源模型应用目的

非点源模型应用的主要目的包括：模拟流域内非点源污染负荷的时空变化，为下游水库富营养化研究和水库水质模拟提供准确的输入负荷数据；揭示流域内非点源负荷空间分布特征，识别非点源负荷空间分布特征，识别非点源流失负荷关键区，为流域和水库水质管理提供科学依据；借助情景分析手段，探求流域非点源污染控制的较佳措施和方案。

3.常用流域非点源模型简介

自20世纪70年代初期美国环保局开发了第一个用于城市暴雨径流水质模拟的SWMM模型以来，众多研究人员们开发出数量众多的计算机模型来模拟农业流域和城市区域的非点源污染。常用的非点源模型比较参见表1.

常用模型参数形式水文模拟应用范围

SWAT 分散

SCS曲线数或

Green&Ampt模型

模拟农业流域内点源、非点源污染，可模

拟土壤流失、N、P和杀虫剂；BMP评估

CREAMS 集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟；BMP评估，

适用于较小的农田面源模拟

EPIC 集中SCS曲线数

最初主要用于模拟评价流域土壤侵蚀对土壤生产力的影响，现已拓展为可模拟营养物质、杀虫剂的迁移转化和BMPs评估

AGNPS 分散径流单位数土壤流失、N、P和杀虫剂连续模拟；BMP

评估SWRRB 集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟；BMP评估SWRRB-WQ 集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟

HSPF 集中斯坦福水文模型土壤流失、N、P和杀虫剂；BMP评估ANSWERS 分散分布参数模型土壤流失、N、P模拟；BMP评估适用于单

场降雨过程的非点源模拟

4.SWAT模型原理

SWAT模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响，它可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时

空变异性，为了提高模拟的精度，通常SWAT模型将研究流域细分成若干个单元流域。流域离散的方法有三种：自然子流域、山坡和网格。SWAT模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）和水循环的水面部分（即河道汇流部分）。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量；后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。

4.1水文模型

SWAT模型是一种半分布式的水文水质模型，即整个研究流域按一定的子流域面积阈值首先被划分为若干个子流域，在子流域上进一步按土地利用和土壤面积阈值划分水文影响单元HRU，并应用概念性模型来估算HRU上的降雨量，计算产流量和泥沙、污染物质产生量，然后进行河道汇流演算，最后求得出口断面流量、泥沙和污染负荷。

水循环陆相过程的模拟是基于水量平衡方程，如下式：

SW

t =SW

+R

day

-Q

surf

-E

a

-W

seep

-Q

gw

式中，SW

t 为时段末土壤含水量，mm；SW

为时段初土壤含水量，mm；R

day

为时

段内降水量；Q

surf 为时段内地表径流，mm；E

a

为时段内蒸散发量，mm；W

seep

为时段

内进入土壤剖面地层的渗透量和侧向流，mm；Q

gw

为时段内地下径流流出量，mm。

4.2土壤侵蚀模型

土壤侵蚀模型采用MUSLE模型。其计算式为：

S ed =11.8*(Q

surf

*q

peak

*area

hru

)0.65*K

usle

*C

usle

*P

ulse

*LS

ulse

*CFRG

式中，S

ed 为泥沙流失量，t/d；Q

sur

为地表径流深，mmH2O/hm2；q

peak

为峰值

径流量，m3/s；area

hru 为水文响应单元的面积，hm2；为土壤可侵蚀性因子，K

usle

为植被覆盖因子,0.013t*m2*h/(m3*t*cm)；C

usle 为管理措施因子；P

ulse

为管理措

施因子；LS

ulse

为地形因子；CFRG为沙粒因子。其中，峰值流量的计算采用修正的比例方法估算。

4.3污染物流失模型

污染物流失模型主要包括对营养物氮、磷的流失的模拟。营养物质根据物质守恒，模拟氮、磷在自然界和人工系统中的循环，计算在降雨过程中随径流和泥沙迁移的部分。模型能模拟植物生长、营养物质在植物生长过程中被植物吸收、营养物质在土壤中的各类物理和化学转换过程。

土壤中氮有三种主要的存在形式：腐殖质中的有机氮、土壤胶体中的无机氮和溶解态的氮。土壤中氮增加主要来源于农业施肥、固氮菌的作用和植物体的死亡等，而作物吸收、挥发以及土壤侵蚀使得土壤中的氮减少。SWAT模型将土壤中的磷分为两大类：无机磷和有机磷。无机磷被分为稳态、非稳态和溶解性无机磷，有机磷被分为非稳态有机磷、稳态有机磷和植物残渣。