（环境科学专业论文）基于gis下太湖流域典型圩区农业非点源污染研究.pdf

河海大学颁士论文 a b s t r a c t a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sau b i q u i t o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m n o w a d a y s ，a n di ti st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rw a t e re n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n a n dl a k ee u t r o p h i c a t i o ni nc h i n ai t sv e r ys i g n i f i c a n ti nb o t ht h e o r ya n dr e a l i s mt o c o n t r o la g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na n dp r o t e c to u re c o l o g i c a le n v i r o n m e n t f o rr e a l i z i n gt h eh a r m o n i z e dd e v e l o p m e n to fr e s o u r c e ，e n v i r o n m e n ta n da g r i c u l t u r ei n c h i n a i nt h i sp a p e r ，ar e p r e s e n t a t i v ed r a i n a g ea r e ao fl a k et a i h u sw a t e r s h e di sc h o o s e d a st h er e g i o no fs t u d yb a s eo na n a l y z i n ga n ds b m m a r l z i n go fm u c hl i t e r a t u r e s t h e a c t u a l i t yo fa g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sa n a l y z e d ，e x i s t e n tp r o b l e m so f n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sp o i n t e do u tb ys u r v e y , c o l l e c ta n dt i d yo fb a s i cd a t ao n t h er e p r e s e n t a t i v ed r a i n a g ea r e a t h ec o n c e n t r a t i o n so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r e m e n s u r a t e da n da n a l y z e di nt h er a i n f a l lr u n o f fo fp l a i nr i v e r - n e ta r e a t h el a wa n d c h a r a c t e ro fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sl o s sa r ed i s c u s s e di nt h er a i n f a l lo fp l a i n r i v e r - n e ta r e a t h ew o r k sp r o v i d eb a s i cd a t aa n de n r i c ht h e o r yp r o o ff o r8 6 3p r o j e c t “s t r e n g t h e n e dp u r i f i e dp r e - d a mt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n gi nt h ep l a i nr i v e r - n e t a r e a ”m o r e o v e r , t h ee v i d e n c ei sp r o v i d e df o rt h ev a l i d a t i n go fa g n p sm o d e l t h eb a s i cd a t a b a s e sa n ds p e c i a lp l o t so ft h er e p r e s e n t a t i v ed r a i n a g ea r e aa r e c o m p l e t e dw i t hm a p i n f o ，a r c v i e we t c g 1 ss o f t w a r e ，a n ds p a c ep a r a m e t e r sf o r a g n p sm o d e la r ep i c k e d - u pb yg i s sa n a l y s ea n dt i d yt e c h n o l o g yo ft h es p a c e d a t a t h el o a do fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sl o s sa n ds u r f a c er u n o f fa r ec a l c u l a t e db y a g n p sm o d e l ，a n dt h ei n d i s p e n s a b l ed a t aa r ep r o v i d e df o r t h ed e s i g na n dr u no f t h ep r e d a ms y s t e m se n g i n e e r i n g as c e n a r i oo fs t r e n g t h e n e dp u r i f i e dp r e d a mi sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h el a wo f n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h er e p r e s e n t a t i v ed r a i n a g ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n d t h ed e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d o fn o n p o i n tp o l l u t i o nc o n t r o l l e db yt h e c l a s s i c a lp r e d a ma n db m p s i ti se x p e c t e dt h a tt h em o d e la n dm e t h o d sc a np r o v i d e s c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ew a t e rr e s o u r c e sa d m i n i s t r a t i o na n dd e c i s i o n so ft h el a k et a i h u w h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，s u r f a c el u n o i f , n u t r i e n t sl o s s ，g i s ，a g n p s b m p s ，p r e d a m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 年月曰 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊臀) 授权河 海入学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 年月曰 河海大学顶一l 论文 1 1 前言 第一章绪论 水是人类赖以生存和发展的极其重要的物质基础，湖泊是人类社会生产和生 活不可缺少的自然资源。我国是个湖泊众多的国家，有约2 万多个湖泊，湖泊总 水域面积达7 万多k m 2 ，总贮水量达7 0 0 0 多亿矗。近年来，由于人口增长和工业、 农业、畜牧业的快速发展，人类活动造成的氮磷营养物质及其他污染物排放量增 加，导致多数湖泊水质恶化，富营养化加剧，尤其以著名的滇池、太湖、巢湖更 为严重。在太湖流域，据有关部门检测，太湖水质在最近2 0 年中平均每十年水质 下降一个等级。1 9 9 1 年7 月太湖蓝藻水华暴发，使无锡市城区生产生活用水发生 困难，迫使无锡市1 1 6 家工厂停产，直接经济损失1 6 亿，严重影响了人民日常生 活和生产。 湖泊的水质恶化与富营养化已引起党和国家的高度重视。滇池治理己投入 3 0 多亿元，目前正投资6 0 多亿元。江苏省“十五”期问计划投入1 4 6 亿元治理太 湖污染。由于进入湖泊水体的污染物其来源可分为两大类，一是点源，来自沿湖 及流域的城镇生活污水和工业污染源排放：二是非点源，包括来自农田径流、村 落集约化畜禽养殖、农村及小城镇生活污水、水土流失等，它们通过降雨径流进 入水体。而大量人力、物力和财力的投入，只是关注点源的控制，所以许多湖泊 水质恶化和富营养化并没有好转。比如1 9 9 8 年，太湖零点行动后，控制了相当部 分的点源污染，但太湖水质并没有明显改善。点源治理效果的持续性固然存在 定的问题，但对于非点源没有采取有效的控制措施肯定也是重要原因之一，因为 非点源污染的负荷毕竟占了总负荷的约5 0 i l 2 j 。单纯治理点源污染而对非点源污 染不进行有效控制是不可能实现湖泊水质的根本好转，这一点在国外众多湖泊的 治理中已经得到证实。 近二十年来，随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，产生的污染物负 荷也越来越大，而能截留污染的湿地和岸边植被等在迅速退化，这使我国的非点 源污染的形势十分严峻。主要表现在： ( 1 ) 随着经济快速发展和农村产业化改革的进行，养殖业发展带来了牲畜粪 便的剧增，生活污水和垃圾的产生量及其向水体的输出量逐年增加 ( 2 ) 化肥使用量逐年增加，超过农作物吸收量，大量磷氮元素在土壤中累积。 同时河网地区的多水塘系统因大型灌溉设施的完善和农民可持续发展意识的淡 薄使人们对其依赖程度降低，很多地方任其淤积，使其对氮磷污染物的截留作 河海大学硕士论文 用大大降低。 尽管我国在7 0 年代就开始在太湖流域、滇池等地对非点源污染的作了些研 究，至今也取得了一些有意义的研究成果，但由于对其危害性认识不足，对非点 源污染的研究工作始终不够深入。在全国范围内，尚未摸清农业非点源污染在水 域污染中的份额、基本机理及规律，使政府在污染防治规划的确立，政策、措施 和管理机制的制定上缺乏必要的科学依据。特别是在我国的太湖流域，对非点源 污染的研究还是以调查统计为基础的经验公式估算的方法为主，对流域农业非点 源的产生机理过程研究却是很少。总之，与国外非点源的研究相比，我国在很多 方面还存在很大的差距，如能合理利用国外的研究成果，对于我国非点源污染的 防治肯定会大有裨益。 美国农业部开发的a g n p s 模型是专门为政策制定者和管理者设计的，它用于 预测农业流域内的径流水量、峰流速率、水土流失、产生的沉积物和营养物负荷 等，对我国农业非点源污染的研究有重大的指导作用，如能深入探讨该模型在我 国的应用，解决我国的农业非点源污染实际问题，将会节省投资，缩短研究周 期，从而取得预期的效果。近几年，陈国湖1 3 1 ( 1 9 9 8 ) 对a g n p s 模型的结构作了介 绍，陈欣( 2 0 0 0 ) 【4 j 郭新波( 2 0 0 1 ) l 引、董亮( 2 0 0 1 ) 1 6 垮人利用a g n p s 模型，估算了 各种流域非点源污染输出量，计算结果与实际监测结果基本相符，相关度较高。 可见，用a g n p s 模型指导或直接应用于我国的农业非点源污染的研究是现实可 行，值得尝试的，该模型能对我国尤其是对太湖流域农业非点源污染防治做出 贡献。 本文就是在前人的研究基础上，结合太湖平原河网地区非点源污染的实际， 分析了太湖典型圩区水环境和非点源污染现状，对暴雨期间降雨径流发生过程中 氮磷流失的特征进行了探讨，分析了平原河网区降雨径流与非点源污染负荷间的 关系，为8 6 3 项目“平原河网地区面源污染强化净化前置库技术与示范工程” 的研究提供了基础数据，并丰富了其理论依据：同时利用美国的f i g n p s 模型对该 圩区的非点源污染进行了预测，为“河网面源污染强化净化前置库技术”提供水 力负荷及非点源污染负荷等运行数据；最终构建了平原河网区非点源强化净化前 置库系统工程技术对非点源污染加以控制与管理。 1 2 非点源污染的概念、特征及分类 在水污染治理过程中，人们曾设想将点源实行“零排放”即可从根本上解决 水污染问题，但据美国、日本等国家的报道，即使点源污染全面控制之后，江河 的水质达标率仅为6 5 ，湖泊的水质达标率为4 2 ，海域水质达标率5 为7 8 1 7 1 。 由此可见，即使完全控制了点源污染，水污染问题并没有得到有效解决。近年来， 河海大学硕l ：论史 随着人们对环境问题的1 3 益关注和对水污染问题的深入研究，一类十分普遍而又 不为人们所熟悉的环境污染问题逐渐得到各国环保部门和学术界的高度重视，并 在一定程度上将之与全球变暖、土地沙漠化、酸雨、生物多样性减少、臭氧层破 坏等问题相提并论，这就是非点源污染，又称之为面源污染。非点源污染有广义 和狭义两种理解，广义的是指没有固定排污口的环境污染，狭义通常限定于水环 境的非点源污染。 水环境污染问题通常可分为点源污染和非点源污染，点源污染主要包括工 业废水和城市生活污水污染，通常有固定的排污口集中排放，非点源污染正是相 对点源污染而言，是指溶解的和固体的污染物从非特定的地点，在降水( 或融雪) 冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体( 包括河流、湖泊、水库和海湾等) 并 引起水体的富营养化或其它形式的污染峭j 。美国水污染联邦控制法( 1 9 7 2 年) 对 非点源做了如下解释：非点源是一种分散的污染源，其污染物的构成来自一个大 范围或者大面积【9 j ，故有些文献称非点源为“面源”。鉴于非点源包含许多小的 点源，例如：广大农村的粪池、动物饲养厩与家禽饲养场等等，因此，这个定义 又有不确切之处。于是美国环保局于1 9 9 7 年在清洁水法修正案中对非点源 污染的进一步定义为：污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水 体。现在普遍认同非点源污染是指溶解的或固体污染物f 地面的各种污染物质如 城市垃圾、农村家畜粪便、农田中的化肥、农药、重金属及其他有毒或有机物) ， 从非特定的地点随着降雨产生的地面径流，进入受纳水体造成的污染【l 叭。 与点源污染相比较，非点源污染具有许多显著不同的特点，非点源污染的主 要特点如下o ，“1 ： ( 1 ) 污染发生具有随机性。从非点源的起源和形成过程分析，因为非点源污 染主要受降雨以及降雨形成径流的水文循环过程影响和支配，而降雨径流具有随 机性，所以由此产生的非点源污染必然具有随机性； ( 2 ) 排放途径及排放污染物具有不确定性，影响非点源污染的因子复杂多 样，从而使其排放途径及排放污染物具有不确定性。以农业非点源污染为例，农 药和化肥的施用是非点源污染的主要来源，但不同的施用量，在生长季节、农作 物类型、使用方式、土壤性质和降雨条件不同时，所导致的排放途径及排放污染 物量也是不同的。 ( 3 ) 污染负荷的时空差异性，污染负荷的时间变化( 次降雨径流过程、年内不 同季节及年际问) 和空间( 不同地点) 变化幅度大； ( 4 ) 监测、模拟与控制的困难和复杂性，这是由以上几点特点决定的。 根据非点源污染产生的区域不同，一般将非点源污染分为下述几种类型i ”i ： ( 1 ) 农业非点源污染主要指农业生产活动中，农田中的土粒、氮、磷、及其 河 海 大学硕士论文 它形式的有机或无机污染物质，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田 排水和地下渗流使大量污染物质进入水体，造成污染。出于农业活动的多样性， 实践中的农业非点源污染包括土壤侵蚀、农田化肥农药的施用、农村家畜粪便与 垃圾、草牧场的家畜生产、农田污水灌溉等等。农业非点源污染是最普遍的非点 源污染。 ( 2 ) 城市非点源污染主要是指在降雨过程中，雨水及其所形成的径流，流经 城镇地面，如商业区、街道、停车场等，聚集一系列的污染物如油、盐分、氮、 磷、有毒物质或杂物，随之进入河流或湖泊，污染地表水或地下永。此外还包括 非集中排放的生活污水。 ( 3 ) 矿区非点源污染主要是由于人类活动引起的，大面积的露天开采土石方， 破坏了原来的土壤结构和植被，导致严重的水土流失。此外，在降雨条件下，散 落在矿区地表的泥沙、盐类、酸类物质和残留矿渣等污染物，随地表径流进入水 体，形成非点源污染。 ( 4 ) 大气尘降引起的非点源污染主要是指大气中的营养物质和有毒物质直接 或随同降雨降落在土壤或水面引起的非点源污染。酸雨引起的植被破坏或水体污 染就是典型的一类。 1 3 农业非点源污染的现状及危害 目前，许多发达国家己证实农业非点源污染是导致水污染的主要原因之一。 据研究：美国的非点源污染量占污染总量的2 3 ，其中农业的贡献率为7 5 左右 i ”。丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷是由非点源污染引起州；荷兰农 业非点源中的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 左右【4 】。在我国， 大部分地区夏季降水高度集中，多年的人类经济活动带来的生态破坏，导致水土 流失严重，特别是近年城市化发展迅速，化肥、农药数量急剧增加，使我国水环 境非点源污染问题日益突出。其中北京密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖、云 南洱海、上海淀山湖等水域，非点源污染比例超过点源污染【i ”。农业非点源污染 影晌了全世界陆地面积的3 0 5 0 ，并且在全世界不同程度退化的1 2 亿h m 2 耕地中，约1 2 由农业非点源污染引起州。非点源污染已上升为威胁地表水的 主要污染源。过量施肥、施肥结构不合理、农f f i 排水直接进入河流等一系列因素， 加剧了水体富营养化的发生。由水体富营养化引起的水质恶化、水源紧缺、生态 环境破坏，严重制约着国民经济的健康持续发展。目前，我国非点源污染问题已 成为水环境质量研究中拯待探讨的课题，1 7 埔j 。 农业非点源来源面广量大，它夹带大量的泥沙、营养物、有毒有害物质进入 江河、湖库，引起水体悬浮物和n 、p 浓度升高、有毒有害物质含量增加，溶解 i i l j 海大学碳i ：论文 氧减少，导致水体富营养化和酸化。农业非点源污染造成的生态冲击效应可谓是 全方位的，涉及到了以人为中心的整个生态环境，其危害十分巨大，以农田氮排 放为例说明：农田氮排放会造成水体富营养化，饮用水水质降低和人体健康受损 等多种恶劣后果。氮是水体富营养化最重要的营养因子之一，水体一旦发生富营 养化，藻类和其它水生生物异常繁殖，使水体混浊，透明度降低，导致阳光入射 强度和深度降低，溶解氧减少，大量的水生生物死亡从而使水生生态系统和水 功能受到严重阻碍和破坏。这直接影响工业供水和人畜饮水安全，给人类健康和 水产养殖带来威胁 i ”。非点源污染的最为直接、最为显著的危害对象是水环境， 对水环境的污染主要为以下两方面： ( 1 ) 以营养污染物污染水体环境 水体富营养化通常是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性的水体，以及 某些流速小于l 米分钟的河流水体内的氮、磷等营养元素的富集，导致水体里 含氧量降低，水生生物随之大批死亡，水味变的腥臭难闻。引起水体富营养化起 关键作用的元素是氮和磷。研究表明，对于湖泊、水库等封闭性水域，当水体内 总氮含量大于o 2 m g , l ，p 0 4 卜态的磷的浓度达到o 0 2 m g l 时，就有可能引起水 华现象的发生【2 。 水体营养物质氮、磷的来源主要有城镇生活污水、含氮、含磷的工业废水和 农田氮磷肥。其中，农田氮、磷的流失是引起水体富营养化的重要原因1 2 ”。在美 国，对非点源污染进行了鉴别和测定，发现农业是一个主要的非点源污染源，农 田径流使全国6 4 的河流、5 7 的湖泊的受到污染：瑞士雨水径流中氮、磷含量 相当于工业废水和城市污水中这类污染物量的总和【2 1 。我国五大淡水湖之一： 巢湖，目前主要受到氮、磷营养盐与有机物的污染，总氮、总磷严重超标，其中 7 0 来自非点源污染。我国第三大淡水湖太湖，目前大部分水体已呈富营养 化状态。太湖水富营养化主要由沿湖的工农业排污引起。据研究，进入太湖的污 染物中，总氮排放量最多的是太湖流域的农_ q k ；! l a 点源污染，总磷排放量最多的是 城镇居民的生活污水1 2 2 1 。 ( 2 ) 以毒害型污染物污染水体环境 这主要归结于农药、除草剂及其降解产物、化肥中央带的重金属、有毒有机 物等。其直接的毒害是引起水体生物的急性中毒，如有机磷农药、有机氯农药： 以及有毒物在水体食物链中的富集，如磷肥中的重金属镉等。上述毒害型污染物 对水体环境的负作用最终将影响到人类本身。 河海大学硕上论文 1 4 农业非点源污染研究进展 1 4 1 概况 非点源污染研究在发达国家，特别是美国研究历史较长且非常活跃。在2 0 世纪7 0 年代初期就进行了非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污 染负荷输出等方面的初步认识研究。土壤侵蚀的定量化研究在这一时期已相当成 熟，美国水土保持局用几十年对间现场观测调查得出的通用土壤流失方程( u s l e ) 广泛应用于各类非点源污染负荷定量计算。1 9 7 2 年美国水污染控制法修正案 的制定标志着非点源污染研究的重大转折。这项法律明确规定，在制定水污染防 治规划时，必须同时包括点源和非点源防治规划。这项法律极大地促进了美国非 点源污染研究的开展，提出了一些有影响的非点源污染模型。 非点源污染模型研究可分为4 个发展阶段 1 1 , 2 3 - 2 6 ： 第1 阶段为“前计算机时期”，在2 0 世纪5 0 6 0 年代，此阶段主要发展了 一些数学模型包括s c s 曲线水文模型和u s l e ，在径流计算和土壤侵蚀预报方 面发挥了重要的作用。 第2 阶段涵盖整个2 0 世纪6 0 年代，此阶段中开始出现计算机模型，也是人 们通常所说的水文学黄金时期，但是由于那时计算机费用高昂，只有极少数的大 学和机构进行了此类模型的开发，其中较为成功的模型是s t a n f o r d 流域模型。 第3 阶段从2 0 世纪7 0 到8 0 年代，从7 0 年代初期到中期，是非点源模型大 发展的时期，非点源污染研究取得了两方面的重要进展：一是从简单的经验统计 分析提高到复杂的原理模型；二是从长期平均负荷输出或单场暴雨分析上升到连 续的时间序列响应分析。这时期的模型大都是以水文数学模型为基础的非点源 污染模型。在非点源污染管理方面，这个时期逐步形成成熟的b m p s ( b e s t m a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 。7 0 年代后期，特别是8 0 年代以来，研究的重点主要转 向如何把已有模型应用到非点源污染的管理中去，开发新的实用模型，研究并广 泛实施非点源污染控制与管理措施等，同时注意经济效益的分析，于是出现了新 一代非点源污染模型，如c r e a m s ( c h e m i c a l s ，r u n o f f ，a n de r o s i o nf o r a g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n ts y s t e m s ) 、a n s w e r s ( a r e a ln o n p o i n ts o u r c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n t r e s p o n s es i m u l a t i o n ) 和a g n p s ( a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e ) 等均为此阶段开发 而成的。 第4 阶段，从2 0 世纪8 0 年代末期到现在，由于p c 的大范围普及，有些模 型逐步进行功能改进，以求应用于p c 或般工作站，同时模型逐渐与g i s 结合， 演变为一种模型综合体，提高了模型的输入出功能和运行效率，新技术的引进 河海大学硕l 论文 和监测手段的进一步健全，有力地推动了农业非点源模型研究工作，并使结果更 精确。 我国的水环境非点源污染研究始于7 0 年代。最早是北京城市径流污染研 究，之后相继在上海、杭州、苏州、长沙、南京、成都、涪陵等城市开展城市非 点源污染研究，为这一研究的深入开展奠定了基础。农村非点源污染始于8 0 年 代初的湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划研究。先后在于桥水库、滇池、 太湖、鄱阳湖、巢湖、镜泊湖、三峡库区等湖泊，水库流域及沱江内江段，晋江 流域，淮河淮南段，黄河兰州段，渭河宝鸡段，辽河铁岭段进行探索性的研究， 较好地把握了非点源污染负荷发生状况，为湖泊、河流的水质规划与流域规划提 供了可靠的依据，也为非点源污染研究积累了有益的经验1 7 2 - 7 i 。对于地下水的 非点源污梨2 8 刁0 1 以及水环境非点源污染的理论方面l3 1 七习也有许多成功的研究。 在我国，由于对非点源污染危害认识不够，加之非点源污染研究与污染物 总量控制规划脱节。研究手段孤立、分散，主要集中在人工模拟试验研究与野外 试验| 3 6 , 1 ，非点源污染控制对策也十分薄弱，研究内容己经涉及非点源污染负 荷评价、模型介绍及模型与g i s 结合技术等1 3 卜”】，但参与人员极少，且研究存 在阶段性和孤立性，还未形成休系，更未延展深入到管理、政策的研究。 模型开发和应用方面，在我国由于受基础数据和技术手段的限制，大多采 用抛开污染物在区域地表的实际迁移过程，立足于受纳水体水质分析，计算汇水 区域污染物输出量的经验统计模型 4 0 - - 4 3 1 ，模型的计算一般采用流域水文模型与 降雨径流污染负荷估算模型相结合的方法，此类方法一般忽略非点源污染的迁移 转化机理，因此其精度不高。 1 4 2 农业非点源污染常用模型及评价 1 4 2 1 农业非点源污染研究方法 分析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系是国外非点源污染研究的基 本出发点，目前对农业非点源污染的研究主要有野外实地监测、人工模拟降雨和 非点源污染计算机模拟等方法。 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，大部分资料依赖于野外实地监测。但是，由 于非点源污染是一种间歇发生的，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作为一 河海大学硕士论文 种辅助手段，主要用于各类模型的验证和模型参数的校正。 而人工模拟试验的优点是可以获取大量在野外工作中无法得到的数据，解 决了传统方法研究周期长、耗资过高等缺陷。目前，人工模拟试验主要用于非点 源污染模型和机理的研究1 3 ”。 在进行非点源污染的量化研究以及影响评价和污染治理时，最为有效和直 接的研究方法是建立模拟模型，进行时间和空日j 序列上的模拟。在非点源污染研 究中，对定量控制和过程的要求较为严格，从客观上促进了非点源污染模型的发 展。随着人们对非点源污染研究的深入，理论的成熟，监测技术的完善，涌现出 很多流域非点源模型。 1 4 2 2 农业非点源常用模型及评价 国外农业非点源模型大多与土壤侵蚀模型结合在一起，并以流域模型出现， 很多模型可以在g i s 平台下操作或与g i s 结合。一些常用的模型有r u s l e 、 c r e a m s 、a g n p s 、s w a t 、w e p p 、a n s w e r s 等。 1 u s l e r u n i v e 礴a is o i ll o s se q u a t i o n ) 任何地理区域的侵蚀所产生的土壤流失量都是由u s l e 中六大因子所确定， u s l e 的逻辑结构适合于世界各国l 】。因此自u s l e 被提出后4 0 余年来，在国 内外得到广泛的应用，其方程形式一般可以表达为： x = 1 2 9 - e k l s c p 式中：x 一研究地块的年土壤流失量； e 一降雨径流侵蚀指数： k 一土壤侵蚀性参数： l s 一地形参数： c 一植被覆盖参数； p 一管理参数。 我国对u s l e 也作了不少研究i 州，u s l e 广泛应用在水土流失，环境 评价1 4 6 1 等方面。在非点源污染研究中也常用此法【4 7 】，一般先用u s l e 计算出泥 沙流失量，然后用农田营养物流失方程等定量计算非点源负荷。 u s l e 法的特点是，简单易用，并较好反映了非点源污染的空间差异，研究 费用也不高；但是u s l e 作为一个简单的经验模型，其应用领域仍有所限制。它 只能用于长期负荷的估算，而对于单独的降雨事件无能为力，也不能及时反映一 些重要农业活动( 如施肥，喷农药等) 的影响。 _ 海大学硕t 论文 2 a g n p s ( a g r i c u l t u r en o n 。p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e l ) a g n p s 是由美国农业研究局( a r s ) 和明尼苏达污染控制局( n r c s ) 于2 0 世 纪8 0 年代共同研制开发的农业非点源计算机模拟模型1 4 8 1 ，是一种基于场次的分 散流域模型，主要用于估算流域的侵蚀速率、土壤流失量，以及从流域流失的营 养量，包括氮、磷、有机碳等。模型中，侵蚀率和侵蚀量的计算采用u s l e 的计 算方法，径流计算主要采用s c s 曲线法，化学营养元素的运移计算则与c r e a m s 模型中计算方法相同。模型的最大优点是采用了分散参数模拟方法，模型在进行 模拟时，把流域栅格化为多个小网格，对于任一网格，所模拟过程的参数分布应 该相同，模型中每个小网格应包含2 l 类参数，有些参数可通过专业数据库查取， 有些可利用模型提供的参数表获得。模拟结果可通过这个流域检验，也可在用户 定义的地块中进行。 由于a g n p s 属于单一事件模拟模型，在应用中有许多局限，到a g n p 5 0 版本后就停止了开发。至9 0 年代初，a r s 和n r c s 转向为开发连续模拟模型一 a n n a g n p s l a 9 , 5 0 】。研究中应用较多的是a g n p s 5 0 ，由于模型的单元格设计是网 状方格，因而可以方便的与g i s 结合。 a g n p s 的单事件版本自推出以来，在水库、流域、湖泊的非点源污染防 治上已得到广泛的应用。如y o u n g 等在1 9 8 9 年使用a g n p s 模型比较了不同农业管 理措施对防治农业面源污染的作用及效益| 4 8 1 。p r a t o 和s h i 在1 9 9 0 年使用a g n p $ 研究了不同的水土保持方法对减少土壤潜在侵蚀量的作用【5 “。t i m 等在1 9 9 2 年l ” 5 3 1 ，r o d e 等【5 4 l 在1 9 9 5 年使用a g n p s 模型模拟了几类事件，比较土地利用和耕地措 施，及它们对农业非点源污染的影响。g r u n w a l d l 5 5 i 等在1 9 9 7 年用a g n p s 模型比较 了不同水土保持的管理措施的效益。b i n g n e r e ta 1 5 6 1 ( 1 9 8 9 ) 应用a g n s w e r s 模 型、c r e a m s 模型、s w k r b 模型、e p i c 模型和a g n p s 模型在m i s s i s s i p p i 地区研 究，发现a g n p s 模型的预测上实测值有较好的拟和。 该模型在农业面源污染危险区域的识别、水源防护区范围的绘制、地表水监 测网的设计和水资源规划等方面也得到广泛的应用，并取得了重大的成绩。可以 说该模型在污染防治、削减及控制中已发挥了重要的作用。同时，该模型也在实 际应用中不断的得到完善和补充。 国内，陈国湖( 1 9 9 8 ) o j 曾对a g n p s 模型的结构作了介绍。陈欣等【4 1 ( 2 0 0 0 ) ， 评价了a g n p s 模型在我国南方丘陵区小流域应用的可行性，其预测结果与实际 观测结果基本相符，相关程度较高。现在，随着非点源污染在国内得到同益的重 视，a g n p s 模型和a n n a g n p s 模型也逐渐得到国内研究者的关注和青睐。本文 就是在前人研究的基础上，把a g n p s 和g i s 结合起来，预测太湖平原河蚓典型 圩区的非点源负荷和径流量，为8 6 3 项目前置库系统工程提供运行数据。 河海大学颤| 。论义 3 c r e a m s ( c h e m i c a i s , r u n o f f a n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r em a n a g e m e n t s y s t e m ) c r e a m s 模型由美国农业局( u s d a ) 和农业研究所( a r t s ) 开发，用于模拟非 点源污染及评价农业最佳管理措施( b m p s ) 。模型由3 个功能模块组成水文模块、 侵蚀或泥沙模块和化学污染物模块。水文模块可以估算日径流量和洪峰流量、渗 透、蒸发和土壤饱和含水量，在进行径流计算时，c r e a m s 采用两种方法c s c 曲线法和g r e e n - - a m p t 入渗方程， 模型在计算泥沙沉积和运移过程中，引用了 与u s l e 相同的侵蚀性和可蚀性指标 虽然设计为一个连续模拟模型，主要用于计算农田污染物的流失，但其中的 水文模块也可以单独应用于暴雨过程中径流计算。模型还可以模拟不同的管理行 为对非点源负荷的影响，如化肥农药施用方法、耕作方式等1 5 7 】。 c r e a m s 模型的优点是能够比较精确地描述养分的动力学以及养分与耕作 的相互作用关系，其中的氮动力学过程包括了矿化、硝化、反硝化、作物吸收和 根区淋溶等。模型也可用于对农药的动力学模拟，包括叶面截留、降解、沈脱、 以及土壤中的吸附、解吸和降解过程。模型的主要局限是，它只能在小尺度范围 应用，模型的参数比较单一，而且没有考虑流域土壤、地形和土地利用状况的差 异性，所以它只能用作粗略的计算和预测预报。 自7 0 年代开发后，c r e a m s 模型一直在非点源研究中也有着广泛的应用。 c o o p e ra n db o t t c h e r 蟑驯( 1 9 9 3 ) 在新西兰的研究发现，模型预测的径流量与1 4 年的 平均值符合较好，但是泥沙量和养分负荷约有3 0 的偏差。r e k o l a i n e na n d p o s c h l 5 9 1 ( 1 9 9 3 ) ) 汴j 模型做了修改，增加了溶雪过程、作物生长以及多个降雨相关 参数，增加了预测的准确性。e p pa n dh a m l e t t l 6 0 1 ( 1 9 9 6 ) , 用c r e a m s 模型评价了 不同b m p s 的环境经济影响。 4 a n s w e r s ( a r e a ln o np o i n ts o l l l c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n tr e s p o n s e s i m u l a t i o n ) a n s w e r s 模型是基于场次的分散物理模型，主要用于模拟流域管理措施或 b m p s 对径流和泥沙产生的影响，由p u r d u e 大学的农业工程系在2 0 世纪6 0 年 代晚期研制，最初的模型只研究地表水文过程，后来模型先后增加了泥沙分散 迁移模块、氮迁移模块和磷迁移模块16 1 。3 1 。 a n s w e r s 模型在国外应用广泛，许多研究表明a n s w e r s 模型预测及模 拟径流和营养物质的结果与实测值都能较好地吻合 国内对a n s w e r s 模型也有应用，如陈兵等1 6 4 , 6 5 1 利用a n s w e r s 模型对 明川紫色丘陵区的一个小流域实施了模拟并结合a r c ，i f og i s 模拟了小雨、中 河海人学硕i ：论文 雨和大雨情况下的土壤流失过程。 5 w e p p ( w a t e r e r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ) w e p p 实际是u s d a 推出的用以替代u s l e 的新一代土壤侵蚀预测模型。 从1 9 8 5 年开始研究，1 9 8 9 年基本完成，后经过多次改进和完善于1 9 9 5 年向 外公布f 6 6 1 ，它属于一种连续的物理模型，模型可模拟的流域物理过程有：日土壤 水分平衡、不同植被条件下( 农作物、林地和草地等) 的日蒸发量、年作物产量、 径流、灌溉时的侵蚀、林地侵蚀、细沟和沟问侵蚀和农业管理措施对侵蚀及水文 过程的影响等。与传统的水文模型相比，w e p p 具有很多优点：可模拟土壤侵 蚀过程及流域的某些自然过程，如气候、入渗、植物蒸腾、土坡蒸发、土壤结构 变化和泥沙沉积等：可模拟在非规则坡形情况下陡坡、土壤、耕作、作物及管 理措施对侵蚀的影响等：可以模拟土壤侵蚀的时空变异规律；预测泥沙在坡 地以及流域中的运移状态。 模型中泥沙沉积的计算方法与c r e a m s 中的方法相同，入渗过程则采用 g r e e n - - a m p t 入渗公式计算，在进行模型运算时需要输入不同类型的参数，其 中包括气象、土壤、地形和土地利用等参数。 w e p p 可模拟的项目很多，适用范围广，这是其最大的优点，模型易于操作， 对运行环境的要求也比较低，但对于较大规模的沟蚀和流水沟道的侵蚀形式，模 型无法进行模拟。 6 s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) s w a t t 67 1 - - 种长时段流域分布式连续性的物理模型，由美国农业部农业研究 所开发，主要用于预测大型流域管理措施对水质、泥沙和化学物质的作用。模 型可以模拟流域中一般的水文过程，同时还可以模拟水池、水库、河道以及沟道 中的泥沙、化学物质损失量等。 国外应用较多，国内在江西省萍乡市芦溪小流域1 6 s l 和甘肃省西北部黑河流域 等地区i 6 9 均有应用。 7 g l e a m s ( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f i e c t so f a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m ) g l e a m s 模型主要用于地下水非点源污染的模拟，特别是对农药迁移行为 的模拟f 7 。模型考虑了气象、土壤、管理等众多因子的影响，模拟了农田边界、 根区范围的非点源污染，包括水分、泥沙、农药和养分负荷。g l e a m s 模型主 要由3 个模块组成，水力学模块、侵蚀泥沙模块和农药处理模块；降水按s c s 曲 线法分为地表径流和渗漏两个部分；土壤也划分成不同深度的多个层次对水分和 农药迁移迸行模拟。g l e a m s 模型在全球范围都有广泛应用，如在美国、瑞典、 河海人学硕士论文 芬兰等。 8 其它常用模型 除了上述模型外，还有许多综合描述非点源污染的模拟模型。模拟城市污染 的有：暴阿水质管理模型( s w m m ) ；储存、处理和地面漫流模型( s t o p d i ) 等。模 拟农田和农业区的模型有：水力学模拟模型( h s p f ) ；农业化学品输运模型 ( a c t m o ) ；农田径流管理模型( a r m ) 等。 综合非点源污染模型一般是从机理上研究非点源污染的发生、迁移和转化。 因而其适用范围比经验模型要广泛得多。但其结构往往较复杂，一般需要大量模 型参数，这些在一定程度上限制了模型的广泛应用。 1 4 3 农业非点源污染的管理与控制 非点源污染的管理和控制方面的研究以美国的b m p s ( b e s tm a n a g e m e n t p r a c t i e e s ，) 最具代表性。它起源于7 0 年代后期，发展于8 0 年代初期，成型于 8 0 年代中后期。b m p s 在控制非点源污染中占有极为重要的地位美国把b i d p s 定 义为：“任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、 非工程措施的操作和维护程序”【7 ”美国国家环保局、农业部水土保持局及各州 级政府相应机构都有相应的“最佳管理措施”实旌细则和办