（环境工程专业论文）基于swat模型的黄水河流域非点源污染模拟研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：盂琴零 日期：7 口i 。年箩月弓j 同 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：盘琴零 同期：为f o 年5 月弓fr 声明 本研究受到国家支撑计划重点项目”沿湖地区农业面源污染防控与综合治理 技术研究l 课题：沿丹江e l 南水北调水源库区农业生态恢复技术研究与示范( 编 号：2 0 0 7 b a d 8 7 8 0 9 ) 资助。 摘要 摘要 近年来，随着点源污染得到控制，非点源污染已经成为水体污染的主要原 因。南水北调中线工程是解决我国北方地区严重缺水的关键工程，其水源地水 环境保护则直接影响甚至决定着水质和工程的效益，丹江口水库作为南水北调 中线工程的水源地，其水环境保护在南水北调中线工程中具有重要作用。因此 开展丹江口水库流域非点源污染的模拟，了解丹江口水库流域的非点源污染分 布，可以为丹江口水库的建设以及管理提供理论指导。 在国家支撑计划重点项目“沿湖地区农业面源污染防控与综合治理技术研 究l 一课题：沿丹江口南水北调水源库区农业生态恢复技术研究与示范项目的 资助下，利用r s 和g i s 技术，通过对a r c s w a t 模型主要参数的提取，对丹江 口水库水源地黄水河小流域的非点源污染进行了模拟研究，主要结论如下： 通过数字化l ：5 万地形图，建立黄水河流域数字高程模型。根据2 0 0 7 年6 月1 8r 美国q u i c k b i r d 卫星遥感影像，在a r c g i s 中目视解译得到研究区的土地 利用数据，即灌木林地、旱地、居民点、疏林地、交通用地、水体、有林地、 草地、水田和未利用及难利用地。 通过野外采样，测定了土壤的化学属性、机械组成和土壤容重，使用s p a w 软件计算得到有效水容量和饱和传导系数，水文单元组、地表反射率、土壤侵 蚀因子由已知数据通过公式计算获得，阴离子交换孔隙度、土壤最大可压缩量、 电导率则使用s w a t 模型的默认值。 气象数据主要包括流域r 降水量、最高气温、最低气温、风速和相对湿度 采用实际观测值，其他气象数据则通过s w a t 提供的模型计算。 研究以2 0 1 0 年为预测基期，对2 0 1 0 至2 0 3 0 年黄水河流域的产流、产沙以 及污染负荷情7 兕进行了模拟预测。模拟结果包括：降雨、径流的多年月平均值； 按年输出的n 、p 污染负简模拟；按月输出的模n 、p 污染负荷模拟。模拟结果 表明，地表径流硝态氮、侧渗硝念氮、下渗硝念氮、作物吸收硝态氮的变化受 产水量相关，受降水径流影响较大；有机氮、可溶性磷和有机磷的变化则受施 肥时i h j 的影响。 关键词：黄水河；s w a t 模型；参数化；非点源污染 a b s t a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h ep o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a sb e e nc o n t r o l l e d ，n o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nh a sb e c o m et h em a i nc a u s eo fw a t e rp o l l u t i o n n o r t hw a t e rt r a n s f e r a r o j e c ti sas e r i o u sw a t e rs h o r t a g ei nn o r t h e r nc h i n a sk e yp r o j e c t s ，t h ew a t e rs o u r c e o rw a t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nw i l ld i r e c t l ya f f e c tw a t e rq u a l i t ya n dd e t e r m i n et h e e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o j e c t ，a st h en o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c td a n j i a n g k o u r e s e r v o i rw a t e rt ot h ew a t e re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dw a t e rp o l l u t i o ni nt h en o r t h w a t e rt r a n s f e rp r o j e c th a sa ni m p o r t a n tr o l e c a r r i e do u to nd a n j i a n 武o ur e s e r v o i r s i m u l a t i o no fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，s o i le r o s i o nd a n j i a n g k o uu n d e r s t a n d i n go f t h es i t u a t i o n ，a st h ed a n j i a n g k o ur e s e r v o i rc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n th a v e i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s u p p o r tp r o g r a m sa tt h en a t i o n a lk e yp r o j e c t ”l a k ed i s t r i c ta g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o np r e v e n t i o na n di n t e g r a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g y ”一t o p i c ：s o u t hw a t e r r e s e r v o i r a l o n g t h e d a n j i a n g k o ue c o l o g i c a l r e h a b i l i t a t i o nr e s e a r c ha n d d e m o n s t r a t i o n ( i d ：2 0 0 7 b a d 8 7 8 0 9 ) ( 2 0 0 8 0 1 - 2 010 12 ) u n d e rt h ea u s p i c e so f r e m o t es e n s i n ga n dg i st e c h n o l o g yi ns u p p o r to ft h eu s eo fa r c s w a tm o d e lt h r o u g h t h em o d e lp a r a m e t e re x t r a c t i o n ，o nt h ey e l l o wr i v e rw a t e rs o u r c ed a n j i a n g k o h r e s e r v o i rw a t e r s h e dn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nw e r es i m u l a t e d ，t h em a i nc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： d e ms i m u l a t i o no ft h ee s t a b l i s h m e n to f1 ：5m i l l i o nt h r o u g hd i g i t a lt o p o g r a p h i c m a p s ，t h ee s t a b l i s h m e n to f y e l l o wr i v e r b a s i na n dt h eg r o u n dr e s o l u t i o no f10m e t e r s o ft h et i nd e m l a n du s ed a t af r o mt h ej u n e18 ，2 0 0 7q u i c k b i r ds a t e l l i t ei m a g ei n t h eu n i t e ds t a t e si nt h ev i s u a li n t e r p r e t a t i o nb ya r c g i s l a n du s es t u d ya r e ai s d i v i d e di n t o10c a t e g o r i e s ，w h i c hi sn o th a r dt ou s ea n du s eo fl a n d ，s h r u bl a n d ，d r y l a n d ，s e t t l e m e n t s ，f o r e s tl a n d ，t r a n s p o r t a t i o nl a n d ，w a t e r , f o r e s t ，g r a s s l a n da n dp a d d y f i e l d s w a ts o i ld a t au s e di nt h em o d e la r em o r ed i v i d e di n t os o i lp h y s i c a lp r o p e r t i e s a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft w ok i n d s t h r o u g hf i e l ds a m p l i n gi nt h i ss t u d y , t h ea c t u a l m e a s u r e ds o i lc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lc o m p o s i t i o n ，s o i lb u l kd e n s i t y , l a b s t a c t a v a i l a b l ew a t e rc a p a c i t ya n ds a t u r a t e d c o n d u c t i v i t yc a l c u l a t e du s i n gt h es p a w s o f t w a r et o ，h y d r o l o g i c a lu n i tg r o u p ，s u r f a c er e f l e c t i v i t y , s o i le r o s i o nf a c t o rf r o mt h e k n o w nd a t ab yf o r m u l at h a ta n i o ne x c h a n g ep o r o s i t ya n dc o m p r e s s i b i l i t yo ft h es o i l m a x i m u ma m o u n to fc o n d u c t i v i t yt h ea b s e n c eo fm e a s u r e dd a t a u s i n gt h es w a t m o d e ld e f a u l tv a l u e s s w a tm o d e lr e q u i r e sm e t e o r o l o g i c a ld a t ai n c l u d e w a t e r s h e d ，p r e c i p i t a t i o n ， m a x i m u mt e m p e r a t u r e ，m i n i m u mt e m p e r a t u r e ，s o l a rr a d i a t i o n ，w i n d s p e e da n d r e l a t i v eh u m i d i t y , m e t e o r o l o g i c a ld a t a ，t h ec a l c u l a t i o no fd e wp o i n tb ys w a tm o d e l i n p u td a t ap r e 。p r o c e s s i n gm o d u l ea n dr a i n f a l ld a t ap r e - p r o c e s s i n gm o d u l es t a t i s t i c a l c o m p u t i n g i nt h i ss t u d y , b a s e do n2 010f o r e c a s t s ，a n df r o m2 0 10t o2 0 3 0y e l l o wr i v e r b a s i nr u n o i f , s e d i m e n ta n d p o l l u t i o nl o a d sw e r es i m u l a t e da n dp r e d i c t e d m a i nr e s u l t s i n c l u d e ：r a i n f a l l ，r u n o f ff o rm a n yy e a r so na v e r a g e ；t h ea n n u a lo u t p u to fn ，p p o l l u t i o nl o a d ；m o n t h l yo u t p u to ft h em o d e ln ，pp o l l u t i o nl o a d t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tn i t r a t er u n o f f , l a t e r a ls e e p a g en i t r a t e ，l e a c h e dn i t r a t e ，c h a n g e si nc r o pn u p t a k e b yt h ew a t e rp r o d u c t i o nr e l a t e dt or a i n f a l lr u n o f fr e c e i v e dag r e a t e ri m p a c t ；o r g a n i c n i t r o g e n ，d i s s o l v e dp h o s p h o r u sa n do r g a n i cp h o s p h o r u sc h a n g et h et i m eo f f e r t i l i z a t i o ni sr e c e i v e d k e y w o r d s ：h u a n g s h u ir i v e r ；s w a tm o d e l ；p a r a m e t e r i z e d ；n o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 目录l 1 绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 研究中涉及的有关概念。2 1 2 1 非点源污染2 1 2 2 地理信息系统2 1 2 3s w a t 模型2 2s w a t 模型3 2 1 流域非点源污染模型的发展3 2 1 1a g n p s 模型3 2 1 2h s p f 模型3 2 1 3s w a t 模型4 2 2s w a t 模型概述4 2 2 1s w a t 模型开发4 2 2 2s w a t 模型特点6 2 2 3s w a t 模型的原理6 2 2 4s w a t 模型应用9 3 研究区域概况及基础数据1 1 3 1 淅川县概况1 1 3 1 1 地形地貌与成土母质11 3 1 2 气候ll 3 1 3 河流水文l1 3 1 4 植被1 2 3 1 5 丹江口水库库区概况1 2 3 1 6 黄水河小流域概况1 2 1 目录 3 2 软件系统l3 3 2 1 水文模拟软件：a r c s w a t 2 0 0 5 1 3 3 2 2gls 软件l3 3 2 3 其它软件1 3 3 3 基础数据l3 3 3 1 地形、河道数据1 4 3 。3 2 气象数据1 4 3 3 3 土壤数据1 4 3 3 4 土地利用数据1 4 3 4 研究技术路线1 5 4 模型参数化研究16 4 1 基于数字高程模型的流域特征提取1 6 4 1 1 数字高程模型的建立1 6 4 1 2d e m 后处理1 6 4 1 3 基于d e m 的流域水文分析1 7 4 2 土地利用图1 7 4 3 土壤数据参数化l9 4 3 1 土壤粒径数据的转换2 0 4 3 2 土壤有机碳参数的提取2 l 4 3 3s p a w 软件。2 3 4 3 4 土壤水文组的划分2 4 4 3 5 土壤可蚀性k 值的计算2 5 4 3 6 土壤化学属性的提取2 6 4 4 气象数据参数化2 8 5s 、a t 模型的运行3 0 5 1d e m 加载3 0 5 2 流域河网的生成3 3 5 3 子流域的划分3 3 5 4 水文响应单元的划分3 4 5 5 气象数据的录入3 6 7 目录 5 6 运行s w a t 模型3 6 6s w a t 模型运行结果分析。3 7 6 1 径流模拟3 7 6 2 非点源污染负荷模拟3 9 6 2 1 按年输出的结果及分析3 9 6 2 2 按月输出的结果及分析4 2 6 3 模拟结果的意义及应用4 5 6 3 1 农业最佳管理措施4 5 6 3 2 制定非点源污染防治措施4 5 7 结论与展望4 7 7 1 主要结论4 7 7 2 研究展望4 8 参考文献4 9 个人简历5 4 3 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，随着点源污染得到控制，非点源污染已经成为造成水体污染的主 要原因。研究和控制非点源污染已经成为政府和相关部门的主要议程之一【l 】。据 美国、日本等国家报道：即使点源污染得到全面的控制，江河水质达标率仅为 6 5 ，湖泊水质达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 ，研究指出美国的非点 源污染量占污染总量的三分之二【2 】。 中国幅员辽阔，水资源分布极不平均，干旱缺水已经成为经济和社会发展， 尤其是农业稳定发展的主要制约因素。然而，与水资源短缺相对应是，我国江 河流域普遍遭到污染并有加剧的趋势。大量污染物排入水体，使得本来就短缺 的水资源的服务功能降低、甚至丧失了原有生态服务功能，进一步减少了水资 源的可利用量，加剧了水资源短缺情势。且随着农业的发展，化肥和农药的过 量使用所造成非点源污染也逐年增加。非点源污染的危害性已经在我国很多城 市和地区突显出来，限制了国民经济的进一步发展。因此，非点源污染已经继 点源污染后成为我国主要的一类污染源。我国的环境管理长期以来形成以点源 控制为重点，以城市为主要环境管理对象的模式，在新的形势下，出现了许多 的不适应性，如何能够有效地进行非点源污染控制，进而将环境管理在农村地 区广泛丌展，是一项重要的工作，建立管理措施的关键f 是水质评价【3 1 。 南水北调工程是解决我国北方地区严重缺水的关键工程，丹江口水库水源 地水环境保护和水污染在南水北调中线工程中具有重要作用，其水源地水环境 保护则直接影响甚至决定着该工程的成败。近年来随着库区建设的发展，人多 地少的情况逐渐加局，造成土地过度丌发，植被破坏严重，加之库区地貌多为 山地、丘陵和河流谷地相间，地形起伏变化较大，降阿集中，水土流失现象非 常严重。n 、p 等营养物，泥沙，农药等随地表径流进入库区水体，给南水北调 工程的建设带来的极大的隐患。因此丌展对月江口水库水源区非点源污染模拟， 了解月江口水库水源区非点源污染状况，可以为月江口水库的建设以及管理提 供理论依据”j 。 1 绪论 1 2 研究中涉及的有关概念 1 2 1 非点源污染 根据污染源类型的不同，水环境污染可以分为点源污染和非点源污染。点 源污染是指由固定排污口集中排放的工业废水和城市生活污水。非点源污染又 称面源污染，它是相对于点源污染而言，是指污染物从非特定的地点，在降水 过程中，随径流进入水体，从而引起水体的富营养化和其它污染【7 1 。 1 2 2 地理信息系统 地理信息系统( g e o g a p l l i c 幽r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) ，是二十世纪6 0 年代发展起来的，集测绘学、地图学、地理学、遥感与卫星定位技术、现代通 讯技术、专家系统技术等多学科、多技术集成的综合信息管理系统【8 】。它是以地 理空间数据库为基础，在计算机软、硬件环境支持下，对空间数据进行采集、 存储、编辑、处理、分析和显示，并采用地理模型分析法，适时提供多种空问 和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、定量分析和决策服务而建立起来 的计算机系统【9 1 。 1 2 3s w a t 模型 s w a t 模型是美国农业部农业研究局开发的流域尺度模型，用于模拟地表水 和地下水的水质和水量，长期预测土地管理措施对具有多种土壤，土地利用和 管理条件的大面积复杂流域的水文、泥沙和农业化学物质产量的影n 10 1 。 2 2s w a t 模型 2 1 流域非点源污染模型的发展 随着g i s 和遥感技术与非点源污染模型的结合，产生了以a g n p s ，h s p f ， 和s w a t 为代表的分布式模型，这些模型可以在流域模拟系统中考虑不同土地 利用类型的分布【1 1 1 。 2 1 1a g n p s 模型 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 ) 模型以网格为基本运行单位，是面 向降雨事件的分布式参数模型，包括水文，侵蚀和化学物质迁移三个部分，其 中考虑引起水体污染的主要污染物是n ，p 和c o d 掣1 2 】。模型采用s c s 模型， 计算地表径流量、峰值流量及网格单元的径流分配，采用m u s l e 计算单次暴雨 的坡面侵蚀，污染物的输移采用c r e a m s 模型中的方法计算。污染物分为溶解 态和泥沙吸附态进行计算，溶解相的计算与径流有关，其估算考虑了降水、施 肥和淋溶对营养物质的影响，而泥沙吸附态的计算则与产沙量有关，考虑的泥 沙和土壤中污染物的富集比，模型假设c o d 是溶解态的，对径流中的c o d 根 据计算径流量和径流中c o d 的平均浓度进行估算，并假设c o d 不损失累积。 k a oj j 等( 1 9 9 8 ) 将a g n p s 模型与w a s p 模型相结合，用于模拟水库中磷的 输出负荷，为研究区域的水质规划提供了科学依据 13 1 。g r u n w a l ds 等( 2 0 0 0 ) 利用a g n p s 模型对不同水土保持措施所产生的效益进行的对比研究【1 4 】。吕唤春 等( 2 0 0 2 ) 平j j 用a g n p s 模型对千岛湖流域农业非点源污染物负荷进行估算，结果 表明土地利用类型，坡度和降阿景的大小是影向n ，p 等非点源污染物流失的主 要原刚1 5 】。杜鹏飞等( 2 0 0 3 ) 将g i s 和a g n p s 相结合对对官厅水库崇礼县小 流域的非点源污染进行了模拟和预测i l6 | 。 2 1 2h s p f 模型 h s p f 模型( h y d r o l o g i cs i m u l a t ep r o g r a mf o r t r a n ) 能模拟陆地表面、亚 表面和地表水的水文路线以及污染物的输移。h s p f 模犁手要分为两个部分： p e r l a n d 模型和r c h r e s 模型。p e r l a n d 模，钽用于模拟f j 订期的坡面水流、 3 2s w a t 模型 亚表面水流、地下水流的运动和水质水量的变化过程；r c h r e s 模型用于模拟 径流汇入水渠或湖泊的过程。 邢可霞等( 2 0 0 4 ) 利用h s p f 模型对滇池流域的水文、水质过程进行模拟， 结合实测数据对模型进行灵敏度分析和参数调整【1 7 】。梅立永等( 2 0 0 7 ) 用h s p f 模型模拟了深圳西丽水库流域水量和水质的连续动态变化，证明非点源污染是 造成水库水质恶化的主要原斟1 8 】。薛亦峰等( 2 0 0 9 ) 应用h s p f 模型对潮河支 流大阁河流域进行径流量模拟，并将模拟结果与实测数据拟合，对模型参数进 行校正【19 1 。 2 1 3s w a t 模型 s w a t 模型是美国农业部农业研究局开发的流域尺度模型，用于模拟地表水 和地下水的水质和水量，长期预测土地管理措施对具有多种土壤，土地利用和 管理条件的大面积复杂流域的水文、泥沙和农业化学物质产量的影响【2 0 】。 s a n t h i 等( 2 0 0 1 ) 应用s w a t 模型在b o s q u e 流域对径流、泥沙和氮磷负荷 进行了验证，并对溶解念磷的管理措施效果进行了评价【2 1 1 。张运生等( 2 0 0 3 ) 应用s w a t 模型，在g i s 和遥感的辅助下，对江西潋水河流域的n ，p 污染负 荷进行了计算机模拟，通过时间和空间的对比，为实现最佳农业管理措施提供 了依据【2 2 】。丁飞等( 2 0 0 7 ) 将s w a t 模型应用到迎河流域，对s w a t 模型在小 流域范围内应用的适宜性进行了研究，将模拟结果和实测结果相比较，获得了 较高的评价精度【2 3 】。 2 2s w a t 模型概述 2 2 1 s w a t 模型开发 s w a t 模型是一个物理流域模型，并作为一个扩展模块集成于a r c g i s 中。 s w a t 模型的开发得益于e p i c 模型和g l e a m s 模型2 引。 2 2 1 1e pic 模型 在2 0 世纪8 0 年代早期，u s d a 农业研究局( a r s ) 、土壤保护局( s c s ) 和经济研究局( e r s ) 的科学家丌发的e p i c 模型用来定量评估荚国土壤侵蚀和 控制的成本。e p i c 模型的主要功能如下： 丑 2 s w a t 模璎 ( 1 ) 模拟相关的生物物理过程； ( 2 ) 使用变化的输入数据； ( 3 ) 长期模拟作物系统； ( 4 ) 应用于广泛的土壤和作物； ( 5 ) 确定管理对土壤侵蚀和生产力的影响。 e p i c 模型使用日时间步长来模拟天气、水文、土壤温度、侵蚀沉积，营养 物质循环、作物管理和生长、农药和营养物质随水体和泥沙的运动、土地尺度 的成本和收益，其假定土壤、耕种、灌溉和天气是同质的【2 6 1 。 2 2 1 2g l e a m s 模型 g l e a m s 模型是连续模拟的土地尺度模型，是在c r e a m s 模型的基础上扩 展而开发出来的。在g l e a m s 中土地可以分成不同的部分，每个部分假定具有 同质的土地利用、土壤和降水。它包括四个主要的组成部分：水文、土壤侵蚀、 泥沙含量、农药输移和营养物质的影响。同时估算土地中的地表径流和泥沙流 失。g l e a m s 设计出来并非作为一个农药和营养物质负荷的模拟程序，而是一 个对复杂的农药化学、土壤属性和气候的相对分析工具，用于评价农场尺度的 管理决策对于水质的影响【2 7 】。 g l e a m s 的特点包括：( 1 ) 自动灌溉、手动灌溉等选项；( 2 ) 基于f f l 地地 形的综合侵蚀、泥沙产量模块；( 3 ) 渠道侵蚀；( 4 ) 蒸发蒸腾和冠层截留模块， 允许模拟森林地区的管理替代方案。 2 2 1 3s w a t 模型 s w a t 模型因增加以下内容而区别于它以前的模型：( 1 ) 可以在几个不同的 子流域上同时计算和预测流域产水量；( 2 ) 地下水和回流部分；( 3 ) 计算水库 对水和泥沙产量影向的水库存储部分；( 4 ) 天气模拟模型集成了降水、太阳辐 射和温度数据，方便进行长期模拟，并提供时空代表性天气；( 5 ) 改进了预测 洪峰径流率的方法；( 6 ) 考虑作物生长变化的e p i c 作物生长部分；( 7 ) 简单的 洪水预算部分；( 8 ) 模拟泥沙在池塘、水库、河流和峡谷中运动的泥沙输移部 分；( 9 ) 输移损失计算【2 8 】。 s w a t 模型可以同时计算数百个子流域，主要包括三个模型：产汇流模型， 土壤侵蚀模型，污染负衙模，魁，它可以读入观测的流量数据和点源数据，也可 5 2s w a t 模型 以用于没有实测数据的地区的模拟【2 9 】。s w a t 模型可以方便提取天气、土地利用、 土壤类型、农业活动和其他输入数据，使它可以对大流域进行模拟。模型在土 地利用、土壤类型和流域过程之间建立了重要的联系，因此s w a t 模型可以对 流域管理中各种决策的适用性进行评估。目前，该模型已经成为水资源保护管 理规划中不可或缺的工具【3 0 】。 2 2 2s w a t 模型特点 s w a t 模型作为基于流域尺度的分布式水文模型，具有以下特点： ( 1 ) s w a t 模型是基于物理过程的模拟模型。s w a t 模型不使用回归方程 描述输入和输出变量之间的关系，而是使用流域内的天气数据、土壤类型、d e m 数据、土地利用类型以及土地管理措施的特定信息，植物生长，营养物质循环 等，并可以使用输入数据进行直接模拟。其优点是可以对无实测数据的流域， 可以通过替代性输入数据或者其它变量的相应影响进行定量化研究。 ( 2 ) s w a t 模型运算效率高。对于大尺度非点源污染或多种管理决策进行 模拟时不需要投入过多的时间和资金。 ( 3 ) s w a t 模型是连续时间模型，能够进行长期的模拟。目前非点源污染 模拟的主要问题包括了n ，p 等污染物的逐渐累积和对下游水体水质的影响，为 了能够搞清楚这些问题，需要输出几十年的模拟数据。 ( 4 ) s w a t 模型需要将流域划分为多个子流域进行模拟 当流域内不同土地利用类型和土壤类型足以影响水文过程时，在模拟中将 流域划分为子流域再进一步划分为水文响应单元就显得非常必要。s w a t 模型可 以分别对每个子流域计算产水量和污染负荷，然后通过河网演算至流域出口【3 l 】。 2 2 3s w a t 模型的原理 s w a t 模型采用模块化结构，便于模型的扩展和修改。主要由三个子模型组 成：水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和营养物迁移子模型【3 2 】。 2 2 3 1 水文过程子模型 水文模拟的准确程度直接决定了产沙量、营养物质负倚量的准确度。s w a t 模型对水文过程的模拟主要是针对径流量和峰值流量进行，对径流量r r , j t t 算采 用s c s 模型。s c s 模型是由美国七壤保持局提的一利- 计算径流量的方法【33 1 。 2s w a t 模型 s c s 模型的数学表达式如下： d ：( p - 0 2 s ) 2( 1 ) p + 0 8 s 式中，o 表示实际径流量或有效降雨量；p 表示可能径流量和初始滞留损失量之 和，也就是相应面积上的降雨量；s 表示最大可能滞留量，该参数取决于土壤入 渗速率和土壤储水能力洲。参数s 与曲线数c n 的关系为： s ：2 5 4 0 0 2 5 4 c n ( 2 ) 式中，c n 值可根据s c s 模型拟定好的表格，查算针对不同的土壤类型、土地利 用和植被覆盖的组合的c n 值。 s w a t 计算的峰值径流量采用一种修正的推理方法，基本方程如下： c i a r e a q p e o k2 百 ( 3 ) 式中，q p e a 。为峰值地表径流量；c 为径流系数；i 为降雨强度，a r e a 为子流域面 积【3 5 】。 2 2 3 2 土壤侵蚀子模型 土壤侵蚀是引起非点源污染的主要原因之一。人们对于土壤侵蚀的研究主 要集中在侵蚀所造成的大量沉积物所引起的环境污染，以及农业区域地表径流 迁移化学物质所造成的水污染等问题上。随着研究工作的深入，对土壤侵蚀量 的定量研究成为工作的重点，从而形成了对土壤侵蚀量的计算模型3 6 1 。s w a t 模型采用修f 的通用土壤流失方程( m u s l e ) 来计算由降雨和径流引起的土壤 侵蚀。它的基本方程如下： s e d = 1 1 8 ( q q p 叼a r e a 胁0 5 6 k c p l s c f r g ( 4 ) 式中，s e d 为泥沙r 产量；p 为表面径流量；q ，叼为地表径流母峰值流速；a r e a 枷 为水文响应单元面积；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；l s 为地形系数；c f r g 为粗糙系数【3 7 】。 2 2 3 3 营养物迁移子模型 在降m 产生径流的过程中，营养物质随被侵蚀的十壤进入水体，对水体造 7 2s w a t 模型 成污染。因此，需要对营养物质的迁移转化规律进行研究。s w a t 模型对氮、磷 这两种营养盐元素的迁移转化规律进行了研究【3 8 1 。 ( 1 ) 可溶性n 迁移模型 在s w a t 模型中主要把硝基氮作为反映可溶性n 含量的指标进行模拟计算， 用式( 5 ) 计算径流水体中可溶性氮的浓度： n 0 3 = n036exlp(1一-o?sat 。5 ) 式中，n q 为地表径流中硝基氮浓度，k g n h a ；n 0 3 。为土壤中硝基氮浓度， k g n h a ；护为阴离子排斥的孔隙所占比例；q 为地表日径流量，1 1 1 1 1 1 ；s a t 为土 壤饱和水含量，i l l n l ；艮，为硝基氮下渗系数。 ( 2 ) 颗粒态n 迁移模型 附着于土壤颗粒表面的有机氮随着地表径流进入主河道，这部分颗粒态n 含量的计算方法如式( 6 ) 所示： o r g n = 0 0 0 1 c o n c 喇堕。 。 a r e a ( 6 ) 式中，o r g n 为随地表径流进入主河道的有机氮量，k g n h a ：c o 疗c 口曙为表层 lo m m 土壤中的有机氮含量，g n t o n ；s e d 为同产沙量，t o n ，a r e a 为水文响 应单元面积，h a ；占为氮富集率，可用经验公式( 7 ) 进行计算： s = 0 7 8 ( c o n c s 耐) 。0 渊8 ( 7 ) 式中，c o n c s 耐为地表径流含沙量，m g m 3 。 ( 3 ) 可溶性p 迁移模型 由于可溶性磷移动能力差，地表径流仅与存在于土壤表层1 0 m m 厚度内的 可溶性磷有相互作用。地表径流中可溶性磷的含量用式( 8 ) 进行计计算 p = 而p s op b n e p k ( 8 ) 式中，p 为地表径流输送的可溶性磷量，k gp h a ；以为土壤表层可溶性磷量，k g p h a ；q 为h 地表径流量，m m ；见为土壤容重，m g ，j m 3 ：d e p 为表层土壤深度， 1 0 m m ；k 为磷的土壤分类系数，即土壤中可溶件磷浓度与地表径流中可溶性磷 8 2s w a t 模型 浓度的比值。 ( 4 ) 颗粒态p 迁移模型 s w a t 以有机磷来模拟颗粒态磷在土壤和径流过程中的迁移，在地表径流的 冲刷作用下，有机磷附着于土壤颗粒进入水体。计算进入水体的颗粒态磷含量 的公式如下： s e d p ：0 0 0 1 肥里f( 9 ) a r e a 。 式中，s e d p 为随地表径流进入主河道的p 含量，k g p h mc o n e 为附着在泥沙中 的磷含量，k g p & a ；s e d 为日产沙量，t o n ；a e r a 为水文响应单元的面积，h a ；当为 磷富集率计算公式如式1 0 ： 孝= 0 7 8 。( c o n c , e d ) m 2 4 6 8 ( 1 0 ) 2 2 4s w a t 模型应用 目f j s w a t 模型自9 0 年代中期正式推出后被广泛的应用到流域水量平衡、 泥沙产量、农药输移以及非点源污染负荷等方面，特别是随着g i s 技术的发展， 为s w a t 模型参数的估算以及空间数据的提取提供了极大的便利。 李硕( 2 0 0 2 ) 充分发挥遥感和g i s 技术处理空间数据的优势，应用基于 a r c v i e w 的s w a t 模型，对模型的参数化和离散化进行了详细研究，实现了江西 潋水河流域的离散化及离散单元的自动赋值，得到四种不同离散尺度的模拟结 果，通过对比表明空间尺度的变化对流域产水量的影响不大，对产沙量的影向 较为明显，随着空间离散单元的增加，产沙量的模拟精度随之提高【3 9 】。张运生 等( 2 0 0 3 ) 应用s w a t 模型，在g i s 和遥感的辅助下，对江西潋水河流