Does the Temporal Resolution of Precipitation Input Influence the Simulated Hydrological Components Employing the SWAT Model?

This study aimed to evaluate the influence of sub‐daily precipitation time steps on model performance and hydrological components by applying the Green and Ampt infiltration method using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Precipitation was measured at a resolution of 0.1 mm and aggregated to 5‐, 15‐, 30‐, and 60‐min time steps. Daily discharge data over a 10‐year period were used to calibrate and validate the model. Following a global sensitivity analysis, relevant parameters were optimized through an automatic calibration procedure using SWAT‐CUP for each time step. Daily performance statistics were almost equal among all four time steps (NSE ≈ 0.47). Discharge mainly consisted of groundwater flow (55%) and tile flow (42%), in reasonable proportions for the investigated catchment. In conclusion, model outputs were almost identical, showing simulations responded nearly independently of the chosen precipitation time step. This held true for (1) the selection of sensitive parameters, (2) performance statistics, (3) the shape of the hydrographs, and (4) flow components. However, a scenario analysis revealed that the precipitation time step becomes important when saturated hydraulic conductivities are low and curve numbers are high. The study suggests that there is no need in using precipitation time steps <1 h for lowland catchments dominated by soils with a low surface runoff potential if daily flow values are being considered. Editor's note : This paper is part of the featured series on SWAT Applications for Emerging Hydrologic and Water Quality Challenges. See the February 2017 issue for the introduction and background to the series.     

常规施肥条件下农田不同途径氮素损失的原位研究:以长江中下游地区夏玉米季为例

为了解农田常规施肥条件下的不同途径氮素损失特征,本文通过田间原位试验同步研究了长江中下游地区夏玉米生长季氮肥施用后的农田N2O排放、NH3挥发、氮渗漏和地表径流的变化.结果表明,在复合肥为基肥,尿素为追肥,基追肥氮素水平均为150 kg·hm-2的条件下,整个玉米生长季N2O排放系数为3.3%,NH3挥发损失率为10.2%,氮渗漏和地表径流损失率分别为11.2%和5.1%.此外,基肥施用以氮素渗漏损失为主,而追肥氮素损失以氨挥发和渗漏为主,表明不同途径化肥氮素损失主要受氮肥品种影响,玉米季追肥可改用低氨挥发氮肥品种以减少氮素损失.     

三峡库区小流域不同土地利用类型“土壤-水体”氮磷含量特征及其相互关系

利用长期田间监测数据,分析了三峡库区典型农业小流域不同土地利用类型土壤、浅层地下水氮磷含量分异特征,剖析了坡面土壤氮磷含量与浅层地下水、坡面地表径流氮磷浓度的相互关系.结果表明梯田的土壤TN平均含量显著(P0.05)高于坡耕地,水田梯田平均含量1.49 g·kg~(-1)最高;旱地坡耕地和桑树套种坡耕地土壤TP平均含量显著高于其它地类;旱地梯田土壤NO_3~--N平均含量最高,离散程度最大.坡面土地利用类型对浅层地下水TN、NO_3~--N浓度影响较大,但对TP浓度影响较小;流域浅层地下水TN浓度与NO_3~--N浓度呈极显著正相关,不同坡面浅层地下水NO_3~--N对TN平均贡献率在67.82%~78.51%之间;浅层地下水TN、NO_3~--N月平均浓度变化规律基本一致,春秋两季农作物施肥后均呈现明显上升趋势.坡面土壤TN平均含量与浅层地下水TN浓度呈显著指数关系,坡面土壤NO_3~--N平均含量与浅层地下水NO_3~--N浓度呈对数关系,但与坡面地表径流TN、NO_3~--N浓度无显著相关性;当坡面地表径流TP浓度0.1 mg·L~(-1)时,坡面土壤TP平均含量与其呈显著线性相关;坡面地表径流与浅层地下水TN、NO_3~--N浓度均呈显著幂函数关系,且NO_3~--N相关性更好.     

粗放型绿色屋顶对多环芳烃的控制效果

构建4个粗放型绿色屋顶中试设施,考察不同基质组成的设施在实际降雨条件下出水中16种多环芳烃(PAHs)质量浓度并与降雨、沥青屋面径流、空白对照设施的出水进行对比.结果表明,8场监测降雨事件中,4种模拟屋面设施出流PAHs的平均质量浓度分别为145、166、151、160 ng·L~(-1),沥青屋面和空白对照设施出流PAHs的平均质量浓度分别为900 ng·L-1和270 ng·L~(-1),4个模拟设施出流PAHs质量浓度显著低于沥青屋面和空白对照设施;从质量负荷控制的角度,4个模拟设施均能有效控制屋面径流PAHs负荷,与空白屋面相比,平均负荷削减率为71.76%.绿色屋顶对PAHs的去除机制以基质材料的截留及吸附为主,同样基质配比的情况下,增加基质层厚度,能改善设施对PAHs的去除效果.将传统沥青屋面改造为粗放型绿色屋顶,有助于控制屋面径流PAHs排放.     

沂蒙山区典型小流域降雨径流的磷素输出特征

以沂蒙山区孟良崮小流域为研究对象,通过监测2010年自然降雨条件下流域出口污染物的流失状况,选取降雨量>2mm的10场降雨,分析降雨径流特征对磷素流失的影响.结果表明,次降雨径流中总磷(TP)、颗粒态全磷(PP)、水溶性全磷(DP)、水溶性无机磷(DIP)浓度变化与流量变化过程不一致,浓度峰值均出现于流量峰值之前,而磷素通量与流量变化过程较为一致,且两者呈较好的线性关系;次降雨径流TP、PP、DP、DIP的浓度最大值及平均浓度(EMCs)差异均较大,其主要受降雨量、最大雨强和平均雨强影响,与降雨历时无显著相关关系,而浓度最小值差异较小;TP以PP流失为主,DP以DIP流失为主,DIP/DP的动态变化与降雨历时、降雨量、最大雨强和平均雨强均无显著相关关系,而PP/TP的动态变化与最大雨强显著相关.DIP、DP、TP的输出受地表径流(DR)和基流(BF)的影响较大,DIP/DP的动态变化及DIP、DP、TP的EMCs与DR/TR(地表径流/总径流量)存在多项式关系,而PP/TP的动态变化和PP的EMCs受DR/TR影响较小.     

北京市新建城区不透水地表径流N、P输出形态特征研究

2010年通过对北京市新建城区典型不透水地表径流水样的采集与分析,研究新建城区地表径流水质特征及其N、P输出形态组成,以期为城市地表径流污染的源区控制提供科学依据.结果表明,北京市新建区典型不透水地表屋面和道路地表径流污染初期冲刷效应显著,屋面径流污染负荷的输出主要集中在初期10 mm径流,而道路径流污染负荷的输出主要集中在初期15 mm径流.屋面地表径流TSS、COD、TN、NH4+-N、NO3--N和TP事件浓度均值分别为50.2、81.7、6.07、2.94、1.05和0.11 mg·L-1;道路地表径流TSS、COD、TN、NH4+-N、NO3--N和TP事件浓度均值分别为539.0、276.4、7.00、1.71、1.51和0.61 mg·L-1.屋面径流颗粒态COD、TN和TP分别占20.8%、12.3%和49.7%,道路径流颗粒态COD、TN和TP分别占68.6%、20.0%和73.6%.屋面径流溶解性氮素占总氮87.7%,其中NH4+-N和NO3--N分别占57.6%和22.5%,道路径流溶解性氮素占总氮的80.0%,其中NH4+-N和NO3--N分别占42.1%和35.0%.城市地表径流污染控制应加强NH4+-N和NO3--N的去除.     

基于SWAT模型的三峡库区香溪河非点源氮磷负荷模拟

三峡水库蓄水后,水动力条件改变下营养盐的过量输入导致部分支流库湾水华现象及水体富营养化问题严重.本文以香溪河为研究示范区,基于GIS平台建立流域下垫面空间数据库,以氮磷为研究对象,应用SWAT模型对流域三大主要水系及涉及35个子流域进行2000-2009年径流、营养盐输出模拟研究,并对实测数据和模拟结果进行分析,结果表明:径流模拟结果校验阶段的效率系数0.65和0.86,确定系数是0.78和0.91,模拟效果较好,径流和营养盐负荷受降雨影响呈正相关关系,在丰水年和丰水季节较大,2000-2009年期间TN和TP年均负荷分别是2640.64和300.01 t,在2007年达到最大值,分别是3475.96和399.20 t,在2005年为最小值,分别是2036.72和226.44 t,TN和TP负荷的贡献率高岚水系＞古夫水系＞南阳水系,支流TN和TP输出强度空间差异较大,空间分布差异系数分别是0.34和0.58,TN最大值和最小值是29.39 kg·hm-2·a-1和3.86 kg·hm-2·a-1,TP最大值和最小值分别是4.90 kg·hm-2·a-1和0.54 kg·hm-2·a-1.     

韩国西海岸地区停车场径流携带沉积物的粒径分布及污染特征研究

为了解沿海地区城市停车场内径流携带沉积物的粒径分布及污染特征,于2011年4—6月在韩国西海岸12个不同停车场采集了沉积物样品,分别分析了其粒径分布和各粒径中污染物质的含量.结果表明,不同采样点的废弃物形态差异较大,主要表现在较大的植物茎叶、烟蒂及动物粪便等废弃物和含水率等方面.不同采样点的颗粒物粒径大小不同,其颗粒物的均一性也有所差异.总体来讲,106～500μm之间的颗粒物是径流携带沉积物的主要组成部分,其平均质量分数占总体(<2360μm)颗粒物的59.9%.对不同粒径中污染物质的含量分析得出,颗粒物中污染物质的含量随粒径增大而减小.其中,<106μm的颗粒物中总氮、总磷、COD和挥发性物质的质量分别占各污染物总量的18.9%、17.8%、20.41%和18.9%,而该部分颗粒物本身的平均质量分数只有3.9%.可见<106μm的颗粒物处于高度污染状态.因此,在城市停车场面源污染管理中,应该对该部分高度污染的颗粒物给以足够的重视.对于不同污染特征的颗粒物应该采用不同的去除方法.     

广州番禺区不同地类的非点源污染排放特征

在广州番禺区建设代表城市、农田、村镇、园地4类典型集水区的径流试验小区,对每个径流小区采集3场有效降雨径流以研究不同土地利用类型的非点源污染负荷输出特征。结果表明,不同土地利用类型的污染物输出浓度差别较大,TSS和COD输出浓度(EMC值)的大小排列顺序为园地>农田>村镇>城市;NH3--N为农田>城市>园地>村镇;NO3--N为城市>农田>村镇>园地;TN为农田>城市>园地>村镇;TP为农田>园地>城市>村镇。对于农田集水区,TSS和COD的输出明显受降雨的影响,而N、P污染物的输出受施肥的影响更为显著;对于城市集水区,晴天累积污染物的数量和降雨情况是决定初期径流中污染负荷的主要因素。污染负荷与径流量之间相关性显著,且颗粒物是携带污染物的重要载体。各径流小区的初始冲刷效应分析结果显示,不透水地面更易发生降雨初期冲刷;降雨强度是影响降雨径流初始冲刷的关键因素。     

沂蒙山区典型小流域特殊降雨的磷素输出特征

为揭示沂蒙山区不同降雨条件下的磷素流失规律,对当地孟良崮小流域2010年13场自然降雨径流量及磷素浓度的动态过程进行实地监测,研究了年内产生有效径流的首场和最大强度2场特殊降雨的径流、磷素输出负荷、初期冲刷效应及径流量同磷素负荷之间的关系.结果表明,首场降雨径流中溶解态有机磷(DOP)、溶解态无机磷(DIP)、溶解态全磷(DP)、颗粒态全磷(PP)和总磷(TP)浓度明显高于最大强度降雨,而其输出负荷分别为最大强度降雨的168%、54%、71%、48%和54%;2场降雨对小流域磷素年输出负荷有重要影响,DOP、DIP、DP、PP和TP的输出总量分别占整个雨季输出的48%、81%、70%、87%和81%,其中DIP占DP流失的77%,PP占TP流失的71%;2场降雨均存在污染物的初期冲刷效应,最大强度降雨的初期冲刷效应较首场降雨强烈;2场降雨的各磷素累积输出负荷同累积径流量之间均呈线性关系,且拟合度较好,但首场降雨各形态磷素直线方程的斜率均大于最大强度降雨.根据气象预报尽量减少在特殊降雨期间翻耕、施肥等农事活动,以及有针对性地建立沟渠、池塘等截污措施减少初期冲刷效应,是降低农业非点源污染的有效途径.