第八讲 SWAT的非点源污染模拟

BOD
降水
点源污染
降水
地表径流
泥沙负荷
河道水质模型
坡面汇流
BOD 磷
湖泊水体水质 模型
大气 溶解氧 藻类 底泥
排污口
河流、湖泊
氮 底泥
底泥
流域污染物迁移转化过程示意图
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
模型概述
农药模拟模块 河道水质模块
非点源污染模块
作物生长模块
河道演算模块
模型扩展应用
表层和亚表ຫໍສະໝຸດ Baidu施药
挥发
冲洗 入渗 分解
产流带走
淋溶
淋洗作用： pstf,wsh = frwsh· pstf
降解作用： psts,ly,t = psts,ly,0· exp[-kp,sol· t]
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。
图 6-5 水质变量之间的相互影响关系
藻类模拟
藻类（或叶绿素a）的生长和分解可以通过 与生长率、呼吸速率、沉降率以及当前河 流中藻体数量建立函数计算得出。
1 a lg ae a a lg ae a a lg ae depth a lg ae TT
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
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。
生化需氧量及溶解氧
生化需氧量(CBOD) ：
指水体中有机物质分解所需要的氧气的总量。
由点源输入到河网系统，在主河道和水库中循
环。
1、CBOD的底泥沉降；
2、CBOD的氧化分解（耗氧）
cbod k1 cbod k3 cbod TT
生化需氧量及溶解氧
溶解氧(DO)：
降雨中的氮 Nrain = 0.01· RNO3· Rday
Nminf,ly = 0.8· δ ntr,ly· orgNfrsh,ly
氮运移
磷素的土壤循环
矿物性土壤中 磷主要以三种 形式存在:
收割 化肥 绿肥/垃 圾/淤泥
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
z NO3conc, z 7 exp 1000
orgCly 104 14
硝化
N nit ,ly
frnit ,ly ( frnit ,ly frvol ,ly )
frvol , ly ( frnit , ly frvol , ly )
4 solPstr orgP a lg ae TT str 2 a P,4 1000 depth
Algae
死亡 吸收
organic P
disP
orgP 2 a a lg ae P,4 orgP str str 5 orgP str TT
营养元素的地表水体循环
主河道中：
1、藻类的死亡->增加有机氮和有机磷；
2、藻类的生长->氮磷固持（包括铵氮、硝氮、无机磷）；
3、有机氮/有机磷的底泥沉降； 3、有机氮的矿化及底泥吸附态铵氮的释放->铵氮； 4、铵氮的硝化->亚硝氮->硝氮； 5、有机磷的矿化及底泥吸附态无机磷的释放 ->无机磷




FP
C solp C solp K P
磷
氮元素
在含氧水体中氮是逐级转化的，从有机氮 转成氨氮再转为氮，亚硝酸态氮，最后成 为硝酸氮。有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝 酸氮通过沉降和底泥吸附从河道中除去。
DO Algae
死亡 挥发 N2
organic N
NH3-N
NO2-
NO3-
吸收
Algae
N trns ,ly
Nmina,ly min ( tmp ,ly sw,ly )1/ 2 orgNact ,ly
作物残余的分解和矿化
1 trns ,ly orgNact ,ly 1 fr orgNsta ,ly actN
重金属的运移
允许模拟3种 SWAT的重金属来源于点源输入。重金属 运移是SWAT的物质运移模拟中唯一一个 不考虑HRU因素的物质运移，仅是简单地 计算随河网系统水流演进过程和物质量平 衡。
蓄水体水质模拟
SWAT湖泊、水库水质模型采用了一个 简单的污染负荷平衡模型。同时在模拟较 为复杂的湖泊时，SWAT采用了分布式 WASP水质模型。
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
氮素的土壤循环
磷运移
农药的地表水体循环
主河道中（仅模拟一种农药）：
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
溶液态
吸附
微粒态
分解
水体
扩散 再悬浮 沉降
底泥
溶液态
吸附
微粒态
分解
掩埋
农药的地表水体循环
叶面施药 挥发
降解
植物可利用磷
矿化 吸附 解吸 固持
土壤 有机 质
吸附态 无机磷
土壤初始磷
活性矿物磷 稳定矿物磷
minP act ,ly
min Psta,ly 4 min Pact,ly
1 pai Psolution,ly pai
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·
SWAT的非点源污染模拟
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
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。
水体中的溶解氧浓度和大气复氧、光合作用、 动植物呼吸作用、底泥需氧量、生化需氧量、 硝化作用、盐度、温度等相关。 1、复氧过程。大气复氧、藻类的光合作用、水 体扰动复氧(坝体) 2、消耗过程。藻类的呼吸作用、CBOD耗氧、底 泥耗氧、铵氮硝化、亚硝氮硝化
Oxstr k 2 Oxsat Oxstr 3 a 4 4 a lg ae k1 cbod k4 5 N ,1 NH 4 str 6 N , 2 NO2 str 1000 depth
N nit|vol ,ly
N nit |vol ,ly
腐殖质有机氮 orgNhum ,ly 新有机氮
挥发 Nvol ,ly
orgNfrsh,surf=0.0015· rsdsurf
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 Ndenit,ly = NO3ly•(1-exp[-1.4γtmp,lyorgCly]) 如果γsw,ly <0.95，则 Ndenit,ly =0.0
亚硝酸态氮： NO2 N ,1 NH 4 str N , 2 NO2 str TT 硝态氮： NO
3str N ,2
NO2str 1 frNH 4 1 a a lg ae TT



磷元素
磷循环和氮循环相似。藻体死 亡后，藻体内的磷转化为有机 磷。有机磷再经过矿化成为可 被藻类吸收的溶解态磷。同时 ，有机磷也可能会通过沉降作 用从河流中去除。 有机磷： 无机（可溶性）磷
NO3-N
吸收
disP
Light
NH3-N
Algae
死亡
organic N
organic P
藻类模拟
呼吸或死亡速率： 沉降速率：
1 1,20 1.047T
wa ter 20
a a,20 1.047T
wa ter 20


生长速率：
a,20 max FL FN FP
滞蓄水体中（池塘、湿地、水库,不包括洼地）：
1、随地表径流进入滞蓄水体，并出流进入主河道 2、仅考虑营养元素的沉降，不模拟转化过程
河道水质模拟
市政和工厂排放
非点源排放
生物降解和转化 泥沙吸附作用
稀释和扩散 沉积和再悬浮
沉积和积累
河道水质模型
1—复氧作用； 2—河底生物(包括底泥)的耗氧； 3—碳化合物BOD耗氧； 4—光合作用产氧； 5—氨氮氧化耗氧； 6—亚硝酸氮氧化耗氧； 7—碳化BOD的沉淀； 8—浮游植物对硝酸氮的吸收； 9—浮游植物对磷(磷酸盐磷)； 10—浮游植物呼吸产生磷； 11—浮游植物的死亡和沉淀； 12—浮游植物呼吸产生氨氮； 13—底泥释放氨氮； 14—氨氮转化为亚硝酸氮； 15—亚硝酸氮转化为硝酸氮； 16—底泥释放磷。
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
初始硝酸氮
硝化作用和氨挥发
pai 1 pai ) Psol┃act ly = 0.1· (Psolutiont ly - minPact ly·
腐殖质有机磷 orgP hum , ly 0.125 Nhum , ly
活性矿物库中迁移到溶液
矿化作用、分解作用/固磷作用
腐殖质矿化
淋溶作用
氮元素
有机氮： 氨氮：
3 NH 4 str orgN NH fr a lg ae str N ,1 4 strt NH 4 1 a N ,3 TT 1000 depth
orgNstr 1 a a lg ae N ,3 orgNstr 4 orgNstr TT
Pmina,ly = 1.4•βmin •γtmp,lyγsw,ly•orgPact,ly
作物残余的分解和矿化
Pperc
Psolution,surf w perc ,surf 10 b depthsurf k d , perc
Pdec,ly 0.2 ntr,ly orgP frsh ,ly
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 溶 性 氮 降水 可 溶 性 磷 吸 附 氮 吸 附 磷
K L I phosyn ,hr 1 FL 光 k depth ln K I t L phosyn ,hr exp k t depth C NO3 C NH 4 氮 FN C NO3 C NH 4 K N