流域非点源模型发展与应用

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1、流域非点源模型发展与应用摘要：本文首先介绍了非点源污染的特征以及进行非点源模型模拟的必要性，然后介绍了非点源模型的应用目的以及常用的流域非点源模型，最后以SWAT模型为例，详细的讲述了它的原理、数据输入和率定参数和方法，以及黑河（莺落峡）流域的非点源模拟实例。关键词：非点源模型SWAT模型黑河流域引言非点源污染是指时空上无法定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接对大气、土壤、水构成污染的污染物来源。与水环境有关的非点源污染主要包括大气干湿沉

2、降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污染等。由于非点源污染的形成过程受区域地理条件、气候条件、土壤结构、土地利用方式、植被覆盖及降水过程等多因素影响，具有随机性大、分布范围广、形成机理复杂、潜伏性强、发生滞后和管理控制难度大等特点，成为地表和地下水质不断恶化的重要因素，是世界各国普遍面临的环境问题。在我国，虽然点源问题还远没有解决，但很多水体，尤其是作为旅游地和水源地的湖泊、水库，非点源的污染已经占到很大的比例。一些研究表明，北京密云水库、天津于桥水库、安微巢湖、云南滇池和洱海、无锡太湖、上海淀山湖等水域，非点源

3、污染的比例已超过点源污染，成为主要的水体污染源。[1]由此可见，开展非点源污染模拟及防控技术研究已可不容缓。1.非点源污染的特征与点源污染相比，非点源污染发生的机理复杂，影响因素众多，具有许多显著不同的特点。1.1时间上的随机性和间歇性非点源污染的发生主要受降雨径流过程的影响，而降雨过程受复杂的气象因素控制，具有随机性。这使得非点源污染的发生也具有随机性，不能够认为控制；另外，在不同的年份和季节，非点源污染负荷变化很大。1.2空间分布上的广泛性与点源污染不同，非点源污染没有特定的排放口，是在流域尺度上发生的，

4、即流域的任何一块受到人为因素干扰的土地上都有可能产生非点源污染。1.3发生机理的复杂性非点源污染的发生与传输机理涉及了多个学科的研究范畴，主要包括水文学、水力学、土壤学等，发生机理的复杂性远远超过了点源污染。这些对非点源污染的监测、模拟模型的建立和非点源污染的控制提出了巨大地挑战。1.4污染物组成和负荷的不确定性非点源污染负荷不仅随不同的土地利用类型、土壤性质等改变，和降雨类型、降雨前期条件等因素有关，也和人类活动（如施肥、施药、灌溉等）有关，不确定因素很多，使得非点源污染负荷的定量计算和预测非常困难。1.5

5、污染控制和管理上的困难非点源污染发生时间的随机性、发生地点的广泛性、发生机理的复杂性，以及污染组成和负荷的不确定性，使得传统的末端处理方法难以实现，设计有效的防止方案难度很大。2.非点源模型应用目的非点源模型应用的主要目的包括：模拟流域内非点源污染负荷的时空变化，为下游水库富营养化研究和水库水质模拟提供准确的输入负荷数据；揭示流域内非点源负荷空间分布特征，识别非点源负荷空间分布特征，识别非点源流失负荷关键区，为流域和水库水质管理提供科学依据；借助情景分析手段，探求流域非点源污染控制的较佳措施和方案。3.常用流

6、域非点源模型简介自20世纪70年代初期美国环保局开发了第一个用于城市暴雨径流水质模拟的SWMM模型以来，众多研究人员们开发出数量众多的计算机模型来模拟农业流域和城市区域的非点源污染。常用的非点源模型比较参见表1.常用模型参数形式水文模拟应用范围SWAT分散SCS曲线数或Green&Ampt模型模拟农业流域内点源、非点源污染，可模拟土壤流失、N、P和杀虫剂；BMP评估CREAMS集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟；BMP评估，适用于较小的农田面源模拟EPIC集中SCS曲线数最初主要用于模拟评价流域土壤

7、侵蚀对土壤生产力的影响，现已拓展为可模拟营养物质、杀虫剂的迁移转化和BMPs评估AGNPS分散径流单位数土壤流失、N、P和杀虫剂连续模拟；BMP评估SWRRB集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟；BMP评估SWRRB-WQ集中SCS曲线数土壤流失、N、P和杀虫剂模拟HSPF集中斯坦福水文模型土壤流失、N、P和杀虫剂；BMP评估ANSWERS分散分布参数模型土壤流失、N、P模拟；BMP评估适用于单场降雨过程的非点源模拟4.SWAT模型原理SWAT模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响

8、，它可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性，为了提高模拟的精度，通常SWAT模型将研究流域细分成若干个单元流域。流域离散的方法有三种：自然子流域、山坡和网格。SWAT模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）和水循环的水面部分（即河道汇流部分）。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量；后者决定水、沙等物质从河网向