流域水质模型与模拟课件-第六章

第七章流域非点源模型本章内容非点源污染概述流域水文过程模拟土壤侵蚀与产沙过程模拟主要非点源污染物在环境介质中的迁移转化模拟流域非点源污染模型情景分析与模拟案例分析非点源污染概述第七章流域非点源模型非点源污染特征非点源污染具有随机性、广泛性、滞后性、污染物排放及污染途径具有不确定性、污染负荷具有时空差异性。非点源对水环境造成的污染主要有两个方面，一为营养型污染物污染，二为毒害型污染物污染。

产生过程

非点源污染负荷产生过程非点源污染的发生和程度与水文过程密切相关非点源污染与土壤侵蚀是一对密不可分的共生现象

受土地利用方式、人类活动强度等影响非点源污染主要类型美国环保局〔USEPA〕:城市、农业、林业、水文特性改变、航运、公路及湿地-缓冲带，其中，城市非点源污染分为住宅及商业区、交通、休闲娱乐以及建筑工地产生的污染，农业非点源污染包括农业生产和牲畜饲养根据源强:农田污染、畜禽养殖污染、城市径流、矿山径流和农村生活污水根据非点源污染负荷产生和运移过程：溶解态污染物和吸附态污染物根据非点源污染特征:农业生产、农村居民点、城市径流和畜禽养殖主要非点源污染物及其标准非点源污染物主要有泥沙、营养物〔氮、磷等〕、有毒物质〔农药、重金属和有机物〕、病原微生物等氮、磷是恶化水质和引发水体富营养化的两种主要的营养物。氮磷指标浓度标准地表水环境质量标准〔GB3838—2002〕地下水质量标准〔GB/T14848—93〕流域水文过程模拟第七章流域非点源模型概述流域水文模拟就是对流域内发生的水文过程进行的数学模拟计算。流域水文模型根据结构和参数的物理完整性，可分为概念性模型和分布式物理模型。常见模型包顿〔Boughton〕模型〔澳大利亚〕萨克拉门托〔Sacramento〕模型〔美国天气局水文办公室〕水箱〔Tank〕模型〔日本〕新安江模型〔中国〕HEC模型〔美国陆军工程兵团水文中心〕SCS模型蒸散发模型

Horton〔1919〕建立了截留总损失与植被蓄水能力和蒸发之间的关系Horton模型假定，在降雨开始时正确与否取决于植被特性、降雨特性、前期降雨等，同时计算中没有考虑雨强与雨量。下渗模型Green-Ampt模型

Kostiakov模型

Horton模型Philip模型Holtan模型降雨径流模型推理公式Hamon模型SCS模型土壤侵蚀与产沙过程模拟第七章流域非点源模型侵蚀产沙模拟土壤侵蚀产沙模型可分为经验模型——USLE、RUSLE和MUSLE概念模型——ANSWERS、CREAMS物理模型——WEPP、EUROSEM/KINEROS、EUROSEM/MIKE、SHE、LISEM、EPIC

侵蚀产沙模拟---经验模型Musgrave方程USLEMUSLERUSLE

侵蚀产沙模拟---概念模型CREAMSANSWERSANSWERS-MODANSW概念模型介于经验模型和物理模型之间，相对经验模型而言，概念模型的进步之处在于引进了质量和能量守恒定律，但其主要缺点是缺乏对土壤侵蚀过程的物理描述，参数率定往往失真。

侵蚀产沙模拟---物理模型WEPP模型WEPP模型土壤侵蚀过程包括别离、搬运和沉积。坡面侵蚀包括细沟和细沟间侵蚀WEPP模型认为土壤侵蚀过程由降水和径流过程共同决定采用模块化结构，共有9个功能模块EUROSEM模型由欧盟开发属于动态分布式模型，通过对土壤侵蚀过程的物理描述，并以分钟为时段模拟次降雨条件下地块或小流域侵蚀过程LISEM模型以PCRasterGIS软件为根底，程序代码完全由GIS命令构成以PCRaster系统为根底，将流域在空间离散化为一系列大小相等的栅格单元，对降雨侵蚀过程等时间间隔分割，按照时间步长分时段模拟侵蚀程模型运行需要大量表、图以及文件EPIC模型美国德克萨斯农工大学黑土地研究中心和美国农业部草地、土壤和水分研究所等研制EPIC模型由气象模拟、水文学、侵蚀泥沙、营养循环、农药残留、植物生长、土壤温度、土壤耕作、经济效益和植物环境控制等模块组成，含有300多个数学方程土壤养分及其流失土壤养分流失与降雨径流土壤养分流失与土地利用

主要非点源污染物在环境介质中的迁移转化模拟第七章流域非点源模型氮元素磷元素流域非点源污染模型第七章流域非点源模型流域非点源污染模型的根本概念水文模型参数变量确定性模型随机模型集总模型

分布式模型物理过程经验模型概念模型物理模型

常用模型模型根本结构降雨径流模拟土壤侵蚀模拟污染物迁移转化模拟水质模型非点源污染模型水质模型污染物迁移转化模型土壤侵蚀模型降雨径流模型非点源污染模型根本结构常用模型——AGNPS模型概况基于方格框架组成的流域分布式事件模型由水文、侵蚀、沉积和化学传输四大模块组成原理包括水文、侵蚀和化学物质迁移三个局部，其中营养物质考虑引起水体污染的主要因子氮和磷以网格为根本运行单位，通过网格间逐步演算的方法推算至流域出口AGNPS模型输入参数包括流域总体特征值和单元级参数

常用模型——AnnAGNPS模型概况一种连续模拟模型以日为根底连续模拟一个时段内每天及累计的径流、泥沙、养分、农药等输出结果，可用于评价流域内非点源污染长期影响按流域水文特征将流域划分为一定的分室，即按集水区来划分单元，使模型更符合实际原理采用SCS-CN径流曲线方程计算地表径流量，并按每日的耕作、土壤水分和作物情况，相应调整曲线数主要由数据输入和编辑模块〔数据准备模块〕、污染物负荷计算模块、数据输出和显示模块〔污染负荷输出〕3局部组成包括23类参数，约500余个参数常用模型---HSPF模型概况美国国家环保局于1980年研制可以自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、植被、河流等数据进行非点源污染负荷的长时间连续模拟，并把模拟结果与所存储的实测数据进行比较，以验证模型

原理分为三个主模块和五个应用模块主模块模拟透水地面的水量和水质过程〔PERLND模块〕模拟不透水地面的水量和水质过程〔IMPLND模块〕模拟河流和混合型水库的水质过程〔RCHRES模块〕应用模块分别可以复制文件，生成图表文件，显示表格，进行频率、持续时间、变化范围分析和统计，转换时间系列的格式。常用模型---SWAT模型概况由美国农业部〔USDA〕的农业研究中心〔AgriculturalResearchService，ARS〕JeffArnonld博士研发采用日为时间连续计算，是一种基于GIS根底之上的分布式流域水文模型原理由水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型三个子模型组成水量平衡表达式土壤侵蚀过程公式模型界面Arcview中的SWAT模块GIS在非点源模拟中的应用GIS强大的空间数据分析和可视化能力可以反映非点源污染空间分布特性，将它与非点源污染模型结合可大大减轻非点源污染模拟难度。GIS用于非点源污染模拟可以将模拟的结果在空间特性上进行可视化输出，增强了用户对结果的空间分析能力。GIS将把污染物迁移模拟、获取数据、空间数据库纳入一个独立完整的系统来评价非点源污染。

情景分析与模拟第七章流域非点源模型概述定义情景分析法是一种将预测主题与环境变化有机结合起来的定性与定量相结合的预测方法，在充分考虑外部环境变化对事件影响的根底上，通过对环境的研究，识别出影响事件开展的外部因素，然后详尽分析在环境因素影响下事件的未来可能状态及各种状态出现的条件、途径，并提出适应各种状态的对策优点〔1〕通过情景分析法及时预见经济事件未来开展中的瓶颈及问题，有利于决策者预先采取防范性措施减弱或消除其影响〔2〕使决策者及早预见经济事件的未来开展时机〔3〕对未来可能出现突发事件的影响作出迅速而灵活的反响〔4〕了解环境因素的相互关系及经济事件的作用机制，以便更好地适应环境的变化〔5〕使决策者掌握决策的风险程度情景分析方法情景含义

现状美好的前景暗淡的前景政策选择冲突不确定因素历史经验驱动力过去现在未来情景分析的根本概念一般程序与分析方法非点源污染产生和迁移转化影响因素分析找出关键因子和指标构建情