基于分布式水文模型的流域非点源污染研究

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1、http://www.paper.edu.cn1基于分布式水文模型的流域非点源污染研究1,231,22,*黄小雪，雷孝章，许睿，罗麟1.四川大学建筑与环境学院，四川成都（610065）2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都（610065）3.四川大学水利水电学院，四川成都（610065）E-mail：Luolin@tsinghua.org.cn摘要：本文设计了基于精细尺度的分布式水文模型，应用物理概念清晰的理论公式描述单元内各水文过程。以鹤鸣观流域为例，对流域径流进行估算，其结果误差小于5%。基于流域径流估算结果，进一步对流域氮磷非点源流失进

2、行分析，研究表明鹤鸣观流域土壤氮流失以硝态氮为主，磷流失以磷酸盐为主。该结论对定量化研究流域氮磷非点源流失具有一定的参考价值。关键词：分布式水文模型；非点源污染；径流量；氮磷流失中图分类号：X501文献标识码：A近年来，流域非点源污染已成为亟需解决的重大环境问题之一。针对非点源污染的研究也相继在国内外大量开展，并建立了多种非点源污染分析的数学模型。现有模型大多采用3S技术分析流域内水文因素，在流域径流预测数据的基础上，加入土壤侵蚀和化学物质迁移模块，分析流域内非点源污染情况。但由于多数模型采用的尺度较大，精度不高，不能清晰描[1]～[4]述污染物迁移的过程，仅是在

3、污染物总量分析上得到预测结果。从而造成根据此类模型预测结果得出的最佳管理措施（BMPS），不能有效地从根源上控制非点源污染。非点源污染与流域径流是不可分割的整体。应从非点源污染主要动力－流域径流及污染物随径流迁移的机理方向，深入研究非点源污染的成因。才能从机理上提出控制非点源污染的方法。本文以鹤鸣观流域作为研究对象，采用细分尺度单元的方法，建立机理清晰的分布[5]式水文模型。以较精确的地下径流和地表径流估算数据为基础，并考虑了地表径流与地下径流流域氮磷非点源流失的不同情况，分析流域氮磷的非点源流失。为深入研究流域非点源污染提供了一种新的方法。1.分布式水文模型设计

4、及流域径流估算1.1研究区概况鹤鸣观流域位于东经105º44´，北纬31º31´，地处四川省南充市升钟水库大坝右侧359m2处，属嘉陵江一级支流西河中游。流域面积在拟建总控制断面以上为2km，河网密度2.37km2／km。土壤主要为砂壤土和粘土，是石灰性紫色土，有机质含量低，抗蚀性抗冲性均差。该流域气候温和，雨量充沛多年平均降雨量为975mm，属亚热带季风气候。22本研究选取流域内I号试验区，总面积0.8km，海拔高程409-681m，流域面积0.705km，2干流长度0.241km，干流平均比降50‰，林草覆盖率25.46％，水土流失面积0.481km。该区以农

5、业为主，兼有林、牧、副等其他产业。流域土地利用类型主要有林地、草地、坡耕地、水田与荒地等5种。I号试验区土地利用情况详见表1。1.2划分水文响应单元2以等面积（66.7m即1/10亩）单元划分研究区域，估算各单元径流数据，与遂宁水保1本课题得到国家“十一五”科技支撑计划项目（2007BAC18B01），高等学校博士学科点基金（20050610040），和同济大学污染控制与资源化国家重点实验室开放基金（PRCRF05004）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn站各坡度径流场资料数据比较，以验证计算精度。在土地利用类型和坡度均相同的前提下，应用

6、ARCGIS软件把I号试验区划分为11994个响应单元，将小面积水文响应单元作为理想对象考虑，认为单元内各水文过程符合理论公式。试验区单元划分情况见表1。表1Ⅰ号试验区土地利用及单元划分情况Table1ThesituationoflanduseandunitsintheⅠstudiedarea总面积旱地水田成林地幼林地荒地其他2222222（km）（km）（km）（km）（km）（km）（km）试验区0.80.1730.1460.2510.1530.0580.049Ⅰ119942591219537662303408731单元数由于单元划分极为细致导致计算量过大，运

7、用聚类方法对单元进行分析，最终结果得出15类数据类型以笛卡儿集U表示：U={P×T}，P(坡度)={5，15，25}，T={成林地，幼林地，旱地，水田，荒地}，集合U中各个元素代表坡度、土地类型相同的单元，在此认为其径流结果相同。1.3单元内水文过程分析及计算在单元内水文过程复杂，主要包括：蒸发、冠层截流、下渗、地下产流及地表产流等，如图1所示。由于本文认为精确划分水文响应单元后，各水文过程均具有明确的物理意义，所以在选用经验公式时尽量不出现唯象性质，即不确定参数项。图1分布式水文模型单元水文过程Fig．1Hydrologicalunitprocessesofdi

8、strib