基于替代模型的非点源污染模拟不确定性分析——以石头口门水库汇水流域为例

为分析机理模型参数不确定性对非点源污染模拟结果的影响,以石头口门水库汇水流域为研究区,选择采用SWAT模型对研究区非点源污染进行模拟,并应用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对非点源污染机理模拟模型参数进行不确定性分析.但蒙特卡罗方法需要大量的取样并多次运行模拟模型,若直接调用SWAT模型,耗费的时间和资源较多.为降低计算负荷,应用克里格方法建立研究区非点源污染机理模型的替代模型,而实现蒙特卡罗模拟.结果表明:采用克里格方法建立研究区非点源污染SWAT模型的替代模型,不仅可以大幅减小计算负荷,还可以保持较好的精度;在置信水平为90%时,氨氮负荷输出和总磷负荷输出的区间范围分别为0.98×10~3~1.67×10~3t/a,0.29×10~3~0.84×103~t/a;相比于非点源总磷的输出结果,非点源氨氮输出结果的不确定性较大.     

SWAT模型研究

近年来,由于点源污染治理成果显著,非点源污染得到了人们的极大关注.剖析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系是国外非点源污染研究的基本出发点[1],在此基础上产生了许多非点源污染负荷模型,SWAT模型[2,3]就是其中一例.介绍了SWAT的模型机理及国内外对SWAT的研究成果,在此基础上,对其在国内的应用前景进行了系统的展望.     

基于SWAT模型的沙塘川流域非点源氮磷污染特征及关键源区识别

湟水是黄河上游最大的支流,沙塘川流域是湟水重要且具有代表性的支流.通过建立SWAT非点源污染模型,研究沙塘川流域氮磷非点源污染特征,并识别面源污染发生的关键源区,对湟水流域水污染治理具有重要意义.研究结果表明:沙塘川进入湟水河的非点源总氮污染负荷为236.77 t?·?a?1,非点源总磷污染负荷为51.02 t?·?a...     

我国农业非点源污染研究进展分析

非点源污染具有分散性、隐蔽性、随机性、滞后性和形成机理复杂等特征,目前以模型方法为主要研究手段。介绍了比较著名的流域尺度的非点源污染模型AGNPS模型、SWAT模型和输出系数模型。指出我国的农业非点源污染研究开始于20世纪80年代初,目前以引进国外模型进行验证、应用为主。从研究区域上看,目前国内的非点源污染研究多集中在南方地区。     

水文水质模型联合应用于水库水质预测研究

联合应用流域水文非点源AnnAGNPS模型和水库水质CE-QUAL-W2模型,AnnAGNPS模型输出黑河流域非点源污染负荷,将其转化为金盆水库入库浓度作为CE-QUAL-W2模型的输入,对黑河金盆水质进行预测,研究非点源污染对陕西金盆水库水质影响.结果表明,在对水库水质进行预测时,应对洪水期和非洪水期的非点源污染区别对待.非点源污染在洪水期时对金盆水库水质有较大影响,而在非洪水期时非点源污染对水库水质影响不显著.非点源污染对水库纵向和垂向水质影响存在差异性.林地对流域非点源污染削减起到很大作用.     

农业非点源污染研究综述

针对农业非点源污染的研究现状,综述了非点源污染的定义、特征、污染现状以及危害,并介绍了国内外学者在非点源污染研究的技术方法方面的进展,指出利用与RS、GIS的紧密结合来建立基础信息数据库,对非点源污染过程进行模拟是进行非点源污染研究必然的发展趋势,并简单介绍了两个在国内外应用较广泛的非点源污染模型AnnAGNPS和SWAT模型,最后讨论了利用模型模拟非点源污染过程的优势。     

非点源污染负荷模型的比较与选择

随着点源污染治理的深入,非点源污染的严重性日益凸显。对非点源污染进行定量化和有效控制的方法是通过非点源污染负荷模型对各类非点源的形成、迁移转化以及负荷量进行模拟。然而,非点源污染模型大都由发达国家开发,而且结构和参数各不相同,如何在实际应用中选择适合的模型成为非点源污染模拟的重要问题。文章选择国内常用的SWAT、HSPF、AnnAGNPS和GWLF 4个非点源污染模型,从结构、输入输出以及所应用的流域来对模型进行比较,最后给出非点源污染模型在国内使用时,模型选择的原则和建议。     

我国非点源负荷研究中的问题探讨

在非点源研究实践和查阅大量非点源文献的基础上,总结出我国非点源负荷估算中通常使用的4种方法,即断面实测总负荷减去统计的点源负荷法、单位负荷法、水文线分割法和SWAT模型估算法.分析对比了这些方法在我国和北美地区使用条件的不同和使用过程中的差异,讨论了这些方法在使用中可能产生的错误.研究结果表明,在我国目前情况下前3种方法会相当程度地高估非点源负荷量,而SWAT模型在我国的应用没有充分体现其"分布式"模型的特点;同时,由于北美和中国的情况存在较大差异使得北美地区不同土地使用方面的校正数据在中国并不可用,导致在径流模拟方面也存在很大误差,因此,负荷计算将产生更大误差.在此讨论基础上,提出了在我国农业非点源负荷研究中需注意的若干问题,并结合目前我国环境现状,提出了对国内非点源污染研究和控制的见解.     

基于GIS和模型的流域非点源污染控制区划

采用GIS技术和USLE,SCS-CN,污染物流失经验模型及AnnAGNPS机理模型相结合,对农业集约化程度较高的南方中等尺度流域进行农业非点源污染控制区划.结果表明:利用GIS和经验模型回答了流域农业非点源污染氮磷来源与贡献,标识了农业非点源污染氮磷等污染物的关键源区,发挥了经验模型所需模型参数少、研究尺度较大、效率较高的优点,通过GIS的栅格数据空间分析功能,实现了流域非点源污染的分布式模拟,识别了NPS的关键源区.借助AnnAGNPS机理模型,在模型得以校验的前提下,模拟了非点源污染管理措施方案.以模型和GIS的定量结果为依据,对九龙江流域农业非点源污染控制进行了区划,共划分了水土流失控制区、生猪养殖+水土流失控制区、化肥施用+生猪养殖控制区、水土流失+化肥施用控制区及化肥施用+水土流失控制区5类控制单元.      

全国非点源污染分区分级

从非点源污染产生和迁移的水文过程机理出发,结合中国<水资源分区>和<中国水文区划>,提出了全国非点源污染分区分级体系;在地理信息系统(GIS)空间数据库支持下,基于非点源污染负荷产生和迁移的规律分析,在全国范围内进行了非点源污染分区分级,进而初步绘制全国非点源分区分级图,确定了全国非点源污染负荷估算模型的空间框架.全国非点源污染分区分级体系包括5级,非点源污染一级区为中国主要十大流域;主干河流自然流域分区作为非点源污染的二级区,共80个;在二级区基础上,依据非点源污染产生的水文气候特征,划分三级区共214个;在三级分区内,以影响非点源污染产生、迁移和转化的产汇流条件、社会经济结构、地形条件等为指标,划分非点源污染的四级分区322个;五级分区以非点源污染类型为标准进行划分.     

东辽河流域土地利用变化对非点源污染的影响研究

采用国际前沿的SWAT模型及CLUE-S模型,基于3S技术和统计分析方法,分析了吉林省东辽河流域土地利用2000~2005年的土地利用动态变化,并借助于Logistic回归结果探讨了2000~2005年土地利用变化的驱动力空间特征;运用2000年和2005年土地利用数据,结合CLUE-S模型,模拟不同预测方案下东辽河流域未来20a土地利用变化情况.在此基础上,应用SWAT模型分别对研究区2025年2种情景下非点源污染负荷进行模拟.结果表明:不同的土地利用条件下,情景2比情景1的多年平均径流减少了12.26mm、泥沙减少了8.4×103t、溶解态氮减少了8.29kg、有机氮减少了9.49kg、总氮减少了8.4kg、溶解态磷减少了8.61kg、有机磷减少了7.18kg、总磷减少了7.18kg,情景2比情景1更能有效的控制非点源污染.     

基于稳定同位素示踪的流域颗粒有机物质来源辨析

为有效控制流域水质污染,保证饮用水水源的水质安全,通过采集和测定流域内土壤、植物以及河流断面水体悬浮颗粒有机质(POM)在枯水期和丰水期的碳、氮稳定同位素值和C/N比值,对石头口门水库汇水流域水体POM的来源进行研究.结果表明,水体中POM主要来源于土壤有机质,其贡献为69.2%,藻类等大型水生生物和浮游植物的贡献分别为23.1%和7.7%.流域水体中POM的来源存在时空差异.丰水期,浮游植物和藻类等大型水生植物的贡献均为15.4%,而枯水期后者的贡献提高到了30.8%.水体POM主要来源于双阳河和饮马河下游的土壤有机质,说明该区域土壤侵蚀较重,易发生非点源污染;岔路河和饮马河上游支流小黄河,水体POM以浮游植物的贡献占主导,其贡献分别为86.3%和94.8%,这些区域侵蚀较弱,非点源污染发生的风险小;大中型水库区域的POM主要由藻类等大型水生植物贡献,表明悬浮颗粒物在进入水库后可能发生了明显沉积.     

降水空间异质性对非点源关键源区识别面积变化的影响

针对地形起伏和降水空间差异较大的农业区非点源污染问题,基于SWAT模型评估了阿什河流域在异质性降水和均匀降水两种情景下总氮、总磷关键源区空间变化规律,统计了两种情景下识别的关键源区面积变化,并分析其与降水特征参数的关系.结果表明,降水量一定时,两种情景下识别的总氮、总磷关键源区面积变化趋势大致相同,且总磷关键源区面积不易受降水空间异质性的影响,但总氮关键源区面积却明显受到其影响.对各年份总氮和总磷关键源区面积与降水特征参数的相关分析表明,总磷关键源区面积与当年降水量呈显著正相关,而总氮关键源区面积却与前一年降水量呈显著正相关.研究结果对进一步探讨降水这一重要驱动因子的不确定性对非点源污染关键源区的影响,以及农业非点源污染的治理具有重要意义.     

高分辨率数据驱动的流域非点源污染输出风险评估方法

近年来,非点源污染已成为我国部分水库水质恶化的主要原因.以潘家口水库流域为例,引入动态降水因子和地形因子改进经典的输出风险模型,结合高分辨率的卫星反演降水产品(GPM)和高分六号卫星影像,建立高分辨率数据驱动的非点源污染输出风险评估模型,开展潘家口水库流域的非点源污染输出风险时空分布特征研究.结果表明,研究区2018年非点源污染输出风险较高,其中氮元素污染输出高风险和较高风险区约占流域总面积的70.6%,磷元素污染输出无高风险区,较高风险区约占流域总面积的21.9%.分析流域非点源污染输出风险时空分布特征,发现4～9月潘家口水库流域非点源污染输出风险呈现先增后减趋势,在7月和8月最高,与流域降水时空分布一致;结合土地利用分布特征分析,流域上游以耕地为主,城市集中在流域下游,受农业生产和人类活动的影响,这些区域的非点源污染输出风险较高.针对非点源污染输出风险时空分布特征,应制定合理的农业施肥方式,规划非点源污染“源-汇”景观布局以及建设植被缓冲带.     

不同降雨条件下非点源污染氮负荷入河系数研究

以黑河流域为研究区,利用1998年河道实测径流量、泥沙负荷和非点源污染调查资料,对所建的非点源污染模型进行了参数率定.在此基础上,分析了非点源污染负荷的坡面-入河过程,提出了非点源污染负荷的"流域损失系数-入河系数"的概念;利用研究区的资料,对不同降水条件下农田、城镇、草地、灌木及森林等土地利用类型的各亚流域氮的入河系数进行了研究,对比分析了2种计算方法(SWAT模型方法和输出系数法)所得到的氮的入河系数.结果表明,2种方法所计算的氮的入河系数均较为合理,其计算结果的Pearson相关系数为0.94722(p＜0.05).此外,研究还表明,不同的降水条件和土地利用类型下氮的入河系数存在差异.对于吸附态氮,入河系数的大小排列依次为农田＞城镇＞草地＞灌木＞森林;对于溶解态氮,其入河系数的大小排列次序为农田＞草地＞灌木＞森林＞城镇.     

辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析

以辽宁太子河流域为研究区,为定量估算该区非点源氮磷污染负荷,经过实地调研和资料收集后,利用单位负荷法和SWAT模型相结合的方法对流域进行1997~2008年径流、泥沙和营养盐输出的模拟研究,进行了多参数、多目标和多站点详细的参数率定和模拟验证,最后分析了非点源氮磷负荷的时空分布规律.结果表明:径流模拟效果较好,泥沙和营养盐模拟结果符合要求,模型在太子河流域适用性较好,可以模拟分析该地区的非点源污染负荷问题;1997~2008年年均总氮和总磷负荷为17357.43t和7110.91t,氮磷负荷的时空分布受降雨径流过程的影响,汛期(6~9月)负荷总量占全年的77.76%和80%;负荷强度的空间差异较大,全流域多年平均值为13.20,5.41kg/hm2,流域内污染负荷关键源区是灯塔市和辽阳县.     

不同降雨-径流过程中农业非点源污染研究

以大宁河流域为研究区域,应用SWAT模型进行了流域农业非点源污染负荷的模拟计算。利用巫溪水文站2000～2004年的实测日径流和泥沙数据进行模型的调参计算,验证结果表明模型适用于大宁河流域。利用验证后的模型分析了不同降雨-径流条件下非点源污染的产输出特性。结果表明:降雨量对径流污染负荷有较大的影响,年内丰水段,非点源污染物浓度峰值和径流峰值同步出现;年内平水段,泥沙浓度、有机氮浓度和径流峰值同步出现,硝酸盐浓度峰值滞后于径流峰值出现时间;年内枯水段,非点源污染物浓度滞后于径流峰值度出现时间;降雨—径流与污染物浓度之间存在着密切的线性相关关系。     

松涛水库流域非点源污染负荷模拟模型

对大尺度非点源污染模型进行时间步长改进,实现溶解态模型日和吸附态模型半月时间尺度的拓展,并选取松涛水库流域为研究对象,应用改进的模型估算该流域2003～2007年的非点源污染负荷,最后结合研究区调查资料对估算结果进行验证.研究结果表明:①流域主要污染类型为溶解态非点源污染,溶解态TN、TP负荷所占比重分别为80.28%和72.03%;②农田TN、TP和NH+4-N负荷分别占负荷总量的45.69%、38.58%和40.56%.是流域非点源污染的重要来源;大牲畜养殖产生的非点源COD负荷占COD总量的63.65%,是流域COD非点源污染的重点控制对象;③农田、农村居民点和畜禽养殖产生的几种污染类型的不同指标(COD、TN、TP、NH+4-N)在时间和空间上均呈现出一定的分布规律,与土地利用、降水变化规律有很强的相关性,年内变化出现5月份和9月份2个峰值,湿季污染负荷量超过干季的4倍;④应用2005年研究区的调查资料验证模型结果和率定模型参数,模型模拟结果优于原模型,相对误差均小于20%,基本满足应用要求.     

辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析

以辽宁太子河流域为研究区,为定量估算该区非点源氮磷污染负荷,经过实地调研和资料收集后,利用单位负荷法和SWAT模型相结合的方法对流域进行1997~2008年径流、泥沙和营养盐输出的模拟研究,进行了多参数、多目标和多站点详细的参数率定和模拟验证,最后分析了非点源氮磷负荷的时空分布规律.结果表明:径流模拟效果较好,泥沙和营养盐模拟结果符合要求,模型在太子河流域适用性较好,可以模拟分析该地区的非点源污染负荷问题;1997~2008年年均总氮和总磷负荷为17357.43t和7110.91t,氮磷负荷的时空分布受降雨径流过程的影响,汛期(6~9月)负荷总量占全年的77.76%和80%;负荷强度的空间差异较大,全流域多年平均值为13.20,5.41kg/hm2,流域内污染负荷关键源区是灯塔市和辽阳县.     

大尺度区域非点源污染负荷计算方法

针对我国非点源污染研究中存在的主要矛盾,即已有的实验和研究多集中在小流域和小区域范围内(10000 km2以下),而缺乏全流域尺度下的非点源污染负荷估算方法,通过分析非点源污染负荷研究中的尺度问题及其解决途径,提出了大尺度区域非点源污染负荷的计算方法,以适应规划层次下非点源污染控制和管理的需要.研究在分析非点源污染负荷产生和迁移途径的基础上,依据水文产汇流和污染物迁移过程,建立了大区域尺度非点源污染负荷估算模型;在地理信息系统(GIS)支持下,分别按城市径流、农业生产、农村居民点和畜禽养殖4种类型,计算了2000年我国10个一级水资源区的溶解态非点源污染负荷量.结果表明,2000年全国范围内非点源污染情况比较严重,耗氧有机物(以COD计)、TN、TP和NH4 -N的人河量分别达到6.65×106t、3.28×106t、1.56×106t和0.83×106t.最后,采用各流域机构的非点源污染调查数据(2000年),对模型计算结果进行了验证,结果表明,模型结构基本合理,计算结果具有一定的可靠性.