第八讲 SWAT的非点源污染模拟
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8
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）是指以农作物残余和微生物的形式存在的有机9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
= NO3ly•(1-exp[-1.4γtmp,lyorgCly]) <0.95，则 =0.0
作物残余的分解和矿化
降雨中的氮
Nminf,ly = 0.8·δ ntr,ly·orgNfrsh,ly
Nrain = 0.01·RNO3·Rday
10
氮运移
11
磷素的土壤循环
➢矿物性土壤中 磷主要以三种 形式存在:
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
淋溶
分解
矿化作用、分解作用/固磷作用
腐殖质矿化
Pmina,ly = 1.4•βmin •γtmp,lyγsw,ly•orgPact,ly
作物残余的分解和矿化
P de ,ly c0.2 n,tlryorfg r,slP yh
无机磷的吸附作用
溶液中迁移到活性矿物库
Psol┃act ly = Psolutiont ly - minPact ly·
化肥
绿肥/垃 圾/淤泥
• 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
吸附 解吸
矿化 固持
吸附态 无机磷
绿肥/垃 圾/淤泥
收割
土壤 有机
质
12
土壤初始磷
活性矿物磷
稳定矿物磷
minaPc,ltyPsolu,tliyo1nppaaii
mP isnt,lay4mP ian,clyt
腐殖质有机磷 orhg u ,lm yP 0.12 N 5 hu ,lm y
初始硝酸氮
NO 3con,zc
7expz 1000
腐殖质有机氮 orghN u,m ly 104o1rg4lyC
新有机氮
orgNfrsh,surf=0.0015·rsdsurf
硝化作用和氨挥发
硝化
Nni,lty(fn ri,ltfy n ri,lftyv ro ,lly)Nni|vt o ,lly
SWAT的非点源污染模拟
1
主要内容
1、非点源污染模拟原理 2、模拟过程与关键步骤 3、点源和非点源模拟应用实例
2
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。
河道演算模块
模型扩展应用
7
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
挥发 N vo ,ly l(fn r,ilftyv ro ,lfy lv ro ,ly l)N n|ivto ,ly l
反硝化作用
矿化作用、分解作用/固氮作用
腐殖质矿化
如果γsw,ly ≥0.95，则
N N trm ,n ly a s i,ln y tr,n lm ysoi(n rtag m ,c ,lly tN y p fs1 a r ,w lcy )1 t /N 2 1 o orrasg g ,c lt,ly a tyN N 如果NNγddseewnnii,ttl,,yllyy
活性矿物库中迁移到溶液
Psol┃act ly = 0.1·(Psolutiont ly - minPact
ly·
1
pai pai
)
淋溶作用
Pperc 10P soblud,tsiueornp fw suptrehfk,rsdcu,prferc
磷运移
14
农药的地表水体循环
主河道中（仅模拟一种农药）：
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
HRU的病原菌：
1、植物叶面；2、土壤溶液；3、吸附在土壤颗粒中
病原菌的运移模拟：
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 17
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。
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。
吸吸 附附 氮磷
BOD
降水
点源污染
降水
降水
地表径流
泥沙负荷
坡坡坡坡
河道水质模型
湖泊水体水质 模型
大气
坡坡坡
坡坡坡坡坡
BOD
溶解氧
磷
氮
底泥 藻类 底泥
底泥
流域污染物迁移转化过程示意图
5Biblioteka Baidu
模型概述
非点源污染模块
河道水质模块 湖泊、水库水质模块
6
农药模拟模块
模型概述
河道水质模块
非点源污染模块
作物生长模块
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）是指以农作物残余和微生物的形式存在的有机9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
= NO3ly•(1-exp[-1.4γtmp,lyorgCly]) <0.95，则 =0.0
作物残余的分解和矿化
降雨中的氮
Nminf,ly = 0.8·δ ntr,ly·orgNfrsh,ly
Nrain = 0.01·RNO3·Rday
10
氮运移
11
磷素的土壤循环
➢矿物性土壤中 磷主要以三种 形式存在:
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
淋溶
分解
矿化作用、分解作用/固磷作用
腐殖质矿化
Pmina,ly = 1.4•βmin •γtmp,lyγsw,ly•orgPact,ly
作物残余的分解和矿化
P de ,ly c0.2 n,tlryorfg r,slP yh
无机磷的吸附作用
溶液中迁移到活性矿物库
Psol┃act ly = Psolutiont ly - minPact ly·
化肥
绿肥/垃 圾/淤泥
• 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
吸附 解吸
矿化 固持
吸附态 无机磷
绿肥/垃 圾/淤泥
收割
土壤 有机
质
12
土壤初始磷
活性矿物磷
稳定矿物磷
minaPc,ltyPsolu,tliyo1nppaaii
mP isnt,lay4mP ian,clyt
腐殖质有机磷 orhg u ,lm yP 0.12 N 5 hu ,lm y
初始硝酸氮
NO 3con,zc
7expz 1000
腐殖质有机氮 orghN u,m ly 104o1rg4lyC
新有机氮
orgNfrsh,surf=0.0015·rsdsurf
硝化作用和氨挥发
硝化
Nni,lty(fn ri,ltfy n ri,lftyv ro ,lly)Nni|vt o ,lly
SWAT的非点源污染模拟
1
主要内容
1、非点源污染模拟原理 2、模拟过程与关键步骤 3、点源和非点源模拟应用实例
2
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。
河道演算模块
模型扩展应用
7
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
挥发 N vo ,ly l(fn r,ilftyv ro ,lfy lv ro ,ly l)N n|ivto ,ly l
反硝化作用
矿化作用、分解作用/固氮作用
腐殖质矿化
如果γsw,ly ≥0.95，则
N N trm ,n ly a s i,ln y tr,n lm ysoi(n rtag m ,c ,lly tN y p fs1 a r ,w lcy )1 t /N 2 1 o orrasg g ,c lt,ly a tyN N 如果NNγddseewnnii,ttl,,yllyy
活性矿物库中迁移到溶液
Psol┃act ly = 0.1·(Psolutiont ly - minPact
ly·
1
pai pai
)
淋溶作用
Pperc 10P soblud,tsiueornp fw suptrehfk,rsdcu,prferc
磷运移
14
农药的地表水体循环
主河道中（仅模拟一种农药）：
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
HRU的病原菌：
1、植物叶面；2、土壤溶液；3、吸附在土壤颗粒中
病原菌的运移模拟：
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 17
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。
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。
吸吸 附附 氮磷
BOD
降水
点源污染
降水
降水
地表径流
泥沙负荷
坡坡坡坡
河道水质模型
湖泊水体水质 模型
大气
坡坡坡
坡坡坡坡坡
BOD
溶解氧
磷
氮
底泥 藻类 底泥
底泥
流域污染物迁移转化过程示意图
5Biblioteka Baidu
模型概述
非点源污染模块
河道水质模块 湖泊、水库水质模块
6
农药模拟模块
模型概述
河道水质模块
非点源污染模块
作物生长模块