硕士答辩--SWAT模型

1、基于基于SWAT模型的青山湖流域氮污染现状及特征分析模型的青山湖流域氮污染现状及特征分析答辩人：张 冰导 师：张海平答辩日：2014/1/2研究研究背景背景l太湖面临着严重的氮污染问题太湖面临着严重的氮污染问题 NH 3 -N量年均值0.180.55 mg/L，TN量年均值1.712.79 mg/Ll流域是湖泊之源，湖泊是流域之汇流域是湖泊之源，湖泊是流域之汇 流域是湖泊治理的关键区域l青山湖流域所在的苕溪是太湖最大入湖河流青山湖流域所在的苕溪是太湖最大入湖河流 苕溪占太湖流域水资源总量15%，对太湖水质改善影响重大，青山湖流域作为苕溪上游流域，研究其氮素流失规律，对治理太湖水污染有非常重要意

2、义。l青山湖氮污染严重青山湖氮污染严重 青山湖是杭州市的重要饮用水源地，面临严重的水体富营养化问题，氮素污染是主要的污染指标。2l 苕溪流域的非点源研究苕溪流域的非点源研究 陈月等采用 QUAL2K 模型对西苕溪干流梅溪段的水质进行了模拟和预测。 金蜻靓采用美国农业部开发的SWAT模型对菩溪流域的非点源污染进行模拟研究，对流域的非点源污染情况进行模拟和分析。l 以往研究的局限以往研究的局限 以往研究多停留在验证模型在流域的适用性、污染负荷量计算以及污染时空分布规律等方面，缺少对青山湖流域氮素平衡系统解析以及对氮流失机理的探讨。l 本研究目标 针对青山湖氮流域污染情况，建立动态模拟流域氮素污染过

3、程的SWAT模型，掌握流域氮污染现状及特征分布，阐明流域氮素流失机制，为流域氮污染治理提供理论依据和科研支撑。3研究研究背景及目标背景及目标调研分析青山湖流域氮污染现状估算流域氮污染负荷量构建模型的氮污染管理数据库构建流域基础信息数据库建立研究区域 SWAT 模型流域氮素污染模拟结果分析评价分析流域氮素污染现状；分析流域氮素污染的时空分布特征；探讨分析氮素流失的影响因素；解析流域氮素来源；情景分析研究内容技术路线4青山湖流域氮污染现状青山湖流域氮污染现状时 间： 2011年7月5日-8月4日监测点分布监测点分布（76）5调研内容：流域污染现状及来源、综合治理状况和水土流失等方面对水系监测点进行

4、采样分析调研目的：全面了解流域内的溪流、河流和水库等氮污染现状分析溪流水质空间的变化规律和主要氮素污染来源为各区域污染负荷核算提供基础数据和信息为模型调参提供资料6青山湖流域氮污染现状青山湖流域氮污染现状l污染处理设施尚需完善污染处理设施尚需完善 虽然近年临安市积极建设乡镇污水处理厂和村级生活污水处理工程，但仍存在不少问题，部分处理工程处于闲置状态；分散式蓄禽养殖污染无法收集处置等问题严重；地形坡度较大，水土流失较为严重。l农田化肥流失农田化肥流失 流域农田化肥施用量较高，如经济林山核桃施肥量高达1500 kgN/hm2，并且多集中在7-9月份，此时段降雨量较多，造成硝态氮大量流失；农田多分布

5、在溪流附近，氮素流失距离短，加重了氮流失。l溪流氮污染严重复杂溪流氮污染严重复杂 流域整体氮污染严重，一般上游相对较低，TN在2-3mg/L之间，中下游TN高达5-7mg/L，超过了地表水质标准中的类标准2mg/L； 不同水系的氮污染在负荷量和氮素形态上存有差异，锦溪氨氮比例较高；不同水系对生活污水和降雨的反应呈现出较大差异性，南苕溪上游出现生活排污高峰，其下游TN浓度在夜间大幅度下降，南苕溪TN、NO3-N浓度对降雨影响敏感，锦溪的NH3-N浓度受雨水影响大。NH3-N采样点TN0202采样点采样点NH3-NTN采样点采样点NH3-NTN采样点采样点02NH3-NTN采样点采样点02NH3-

6、N采样点采样点02TN浪口溪浪口溪南溪南溪南苕溪南苕溪锦溪锦溪横溪横溪灵溪灵溪NH3-N采样点采样点02TN青山湖子流域氮污染现状青山湖子流域氮污染现状7统计关系统计关系：一些学者依据因果关系和统计分析方法建立模型，构建污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系。机理模型机理模型：70年代中期是非点源模型大发展时期，主要方向是机理模型，比较著名：SWMM、 STORM、ARM、HSPF实用模型实用模型：20世纪80年代以来，非点源污染模型开始转向开发新的实用模型，代表性模型有： AGNPS、CREAMS、SWRRB发展发展瓶颈瓶颈：20世纪90年代以来，非点源污染负荷模型的发展遇到新的瓶颈，

7、土壤、土地利用、地形、气候、作物和耕作管理 的参数是限制模型广泛应用的主要因素。超大型流域模型超大型流域模型：GIS技术的出现，一些功能强大的超大型流域模型被开发出来。这些模型集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身的大型专业软件。著名的有美国农业部开发的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)、BASINS 、AnnAGNPS模型量化研究发展模型量化研究发展81 2 1 1 2 2 4 2 381611172538 387360871341101321930501001502002501984198719891990199319941995

8、1996199719981999200020012002200320042005200620072008200920102011国外期刊历年发表相关文献数量统计1984 Williams, J.R., C.A. Jones, and P.T. Dyke A modeling approach to determining the relationship between erosion and soil productivity 1987 Arnold, J.G. and J.R. Williams Validation of SWRRB- Simulator for water resour

9、ces in rural basins 1995 Arnold, J.G., J.R. Williams, and D.A. Maidment Continuous-time water and sediment-routing model for large basins SWAT发展 SWAT 开发的目的是在具有多种土壤、土地利用和管理条件的复杂流域，预测长期土地管理措施，对水、泥沙和农业污染物的影响。9SWAT模型氮污染模型氮污染研究现状研究现状l国外研究国外研究l氮素模拟的适用性氮素模拟的适用性 Saleh A., Arnold J. G., Gassman P. W. Applica

10、tion of swat for the Upper North Bosque River Watershed J. TRANSACTIONS OF THE ASAE. 2000, 43(5): 1077-1087.l探讨探讨氮流失氮流失影响因素影响因素 Frederick A., Emmanuel K. Y., et al. Effect of Nutrient Management Planning on Crop Yield, Nitrate Leaching and Sediment Loading in Thomas Brook Watershed J. Environmental

11、Management. 2013, 52: 1177-1191. Daniel N. M., Prasanna H. G., ,et al. Modeling the impact of nitrogen fertilizer application and tile drain configuration on nitrate leaching using SWAT J. Agricultural Water Management. 2013, 130: 36-43.lSWAT在中国运用实践在中国运用实践 SWAT在中国虽有十多年的运用实践，但多数都是用来模拟径流、降雨等水文过程，对流域氮素

12、污染的研究尚在初步阶段。l流域的氮负荷流域的氮负荷 最早的研究有郝芳华等在2002年应用SWAT 模型分县区、分子流域模拟了官厅水库流域的氮负荷。l流域氮素流失流域氮素流失 秦福来运用SWAT模型研究流域氮素流失规律，为非点源污染的控制和定量化管理提供有效的依据。1011数据类型数据类型参参 数数数据来源数据来源DEM高程、坡面和河道的坡度、坡长、坡向遥感资料土地土地覆盖覆盖叶面积指数、植被根系、径流曲线数、冠层高度、曼尼系数遥感资料土地利用数据土地利用数据土地利用变化遥感资料土壤土壤类型类型土壤物理组成、饱和导水率、持水率颗粒含量临安土壤志气象数据气象数据最高最低气温、日降水量、相对湿度、太

13、阳辐射、风速，（2004-2011年）气象局水文数据水文数据日流量、月基径流量，（2005-2011年）水文站水质监测数据水质监测数据总氮、氨氮、硝态氮、有机氮环保局、采样氮氮污染源污染源负荷负荷点源污染情况、畜禽养殖、人口统计、生活排污、工厂排污、污水处理厂统计年鉴、调研土地管理信息土地管理信息耕作方式、植被类型、灌溉方式、施肥时间和量统计年鉴、调研SWAT模型所需数据模型所需数据土壤类型面积（km2）比例（%）红壤31948.8黄壤436.5水稻土20431.2岩性土7511.5类别面积(km2)比例(%)自然林50677.5农田12719.4城镇7.81.2水域12.61.9构建流域基础

14、信息数据库构建流域基础信息数据库DEM土壤土壤植被植被气象气象DEM土壤土壤植被植被气象气象亚流域划分亚流域划分来源：国际科学数据服务平台来源：国际科学数据服务平台 来源：临安土壤志来源：临安土壤志来源：地球系统科学数据共享网来源：地球系统科学数据共享网来源：水文站及杭州市汛情发布系统网站来源：水文站及杭州市汛情发布系统网站12点源输入量点、面源氮素负荷流向构建氮污染管理数据库构建氮污染管理数据库面源输入量050NH3-N有机氮13tSWAT模型原理模块模型原理模块降 水灌 溉降 雨降 雪融 雪 地 表 径 流土壤水蒸发植物蒸散发壤 中 流渗 漏输 移 损 失池塘/水库蒸发灌 溉池塘/水库出流

15、池塘/水库渗透灌 溉潜水蒸发渗 透回归流灌 溉灌溉用水输移损失河段出流量雪 盖土 壤 水 土壤水分层（10层）河 流浅层地下水深层地下水池塘/水库调蓄下 渗14Nrain = 0.01RNO3Rday 1000exp73,zNOzconc14104,lylyhumorgCorgN腐殖质有机氮 初始硝酸氮 新有机氮 orgNfrsh,surf=0.0015rsdsurf 腐殖质矿化作物残余的分解和矿化lystaactNlyactlytrnslytrnsorgNfrorgNN,11lyactlyswlytmplyaorgNN,2/1,min,min)(Nminf,ly = 0.8 ntr,lyor

16、gNfrsh,ly 挥发硝化lyvolnitlyvollynitlynitlynitNfrfrfrN,|,)(lyvolnitlyvollynitlyvollyvolNfrfrfrN,|,)(如果sw,ly 0.95，则如果sw,ly 0.95，则Ndenit,ly =0.0 Ndenit,ly = NO3ly(1-exp-1.4tmp,lyorgCly)SWAT氮污染模拟原理氮污染模拟原理15R2=0.87 Ens=0.78日率日率定定R2=0.82 Ens=0.71模型评价指标模型评价指标1）确定性系数2）Nash-Suttcliffe系数反映了模型模拟值与实际观测值之间的相关接近性，值越

17、大，表明模拟相关接近程度越高。反映了模型模拟值与实际观测值之间的线性关系，其值越大说明数据的线性相关程度越好。径径流流率率定定月率月率定定1617182005-2011年年19研究内容研究内容解析流域氮源解析流域氮源情景分析情景分析流域氮污染现状流域氮污染现状水系氮入湖量水系氮入湖量土壤系统氮平衡土壤系统氮平衡时空分布特征时空分布特征时间分布特征时间分布特征空间分布特征空间分布特征分析影响因素分析影响因素探讨影响机制探讨影响机制流域流域土壤系统氮负荷平衡土壤系统氮负荷平衡硝氮氨氮有机氮氮肥1771t挥发724t反硝化1607t植物吸收1976t硝氮肥1771t降水870t有机氮肥1771t植物

18、残留571t流失534t细菌吸收转化693t径流流失1220t1047t1808t582t428t210t坡面流侧向流基流202005-20112005-2011年年氮利用率29.3%，流失率26.0%主要溪流氮素入湖量主要溪流氮素入湖量136152131831310302004006008001000120014001600流域出口南苕溪灵溪锦溪横溪有机氮NO3-NNH3-NTN212005-20112005-2011年年t流域氮源解析流域氮源解析952111531863540100200300400背景值 湿沉降点源 面源 1农田化肥 TNNO3-NNH3-N有机氮870243114041

19、73010002000300040005000湿沉降点源 面源1 农田化肥 0.290.640.470.561.0700.30.60.91.2背景值 湿沉降点源 面源1 农田化肥 氮输入量氮输出量TN浓度流域出口流域出口TN: 3.03mg/L22（生活污水、蓄禽养殖）2005-20112005-2011年年ttmg/L（生活污水、蓄禽养殖）（生活污水、蓄禽养殖）情景分析情景分析情景分析设计情景情景1：农田化肥消减30%；情景情景2：农田化肥消减50%；情景情景3：农田化肥消减50%+点源消减50%； 情景情景4：人为面源削减50%；情景情景5：点、人为面源共同消减50%；9998377687

20、07678617050010001500现状 情景1 情景2 情景3 情景4 情景5 TNNO3-NNH3-N有机氮3.032.552.332.152.061.8700.511.522.533.5现状情景1 情景2 情景3 情景4 情景5 氮素输出量23tmg/L流域出口TN浓度0.480.2224242005-2011年年研究内容研究内容解析流域氮源解析流域氮源情景分析情景分析流域氮污染现状流域氮污染现状水系氮入湖量水系氮入湖量土壤系统氮平衡土壤系统氮平衡时空分布特征时空分布特征时间分布特征时间分布特征空间分布特征空间分布特征分析影响因素分析影响因素探讨影响机制探讨影响机制年际分布特征年际分

21、布特征03006009001200150018002005200620072008200920102011降雨量mmNO3-N有机氮时间时间分布分布特征分析特征分析25tmm季节分布特征季节分布特征3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月050100150200250（t）月 份 有 机 氮 硝 态 氮3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月050100150200250（mm）月份 降雨量 径流量时间时间分布分布特征分析特征分析262005-20112005-2011年年8/208/248/289/19/59/99/139/179/219/259/2910/310

22、/7020406080100径流量(m3/s)NO3-N、有机氮、TN(t/d)日期8/208/248/289/19/59/99/139/179/219/259/2910/310/7600500400300200100020016012080400降雨量（mm）日分布特征施肥有机氮NO3-NTN径流0.9440.4850.703相关系数27肥料种类对流域氮素支出的影响肥料种类对流域氮素支出的影响05001000150020002500无化肥 硝氮肥 氨肥 有机肥 综合肥植物吸收NO3-N流失28t020406080100岩性土 红壤 水稻土 岩性土 红壤 水稻土 黄壤 城镇 0255075100125岩性土 红壤 黄壤 水稻土 黏粒粉砂砂农田自然林02468岩性土 红壤 黄壤 水稻土 有机质土壤物理组成土壤有机质硝态氮流失29kg/hm2%空间分布空间分布特征分析特征分析硝氮流失空间分布292005-20112005-2011年年300204060岩性土 红壤 水稻土 岩性土 红壤 黄壤 水稻土 城镇 坡面流侧向流基流农田自然林硝态氮不同途径流失kg/hm2空间分布空间分布特征分析特征分析2005-20112005-2011年年硝氮3种流失途径的空间分布0255075100125岩性土 红壤