硕士答辩--SWAT模型.

基于SWAT模型的青山湖流域氮污染现状及特征分析答辩人：张冰导师：张海平答辩日：2014/1/2研究背景太湖面临着严重的氮污染问题NH3-N量年均值0.18~0.55mg/L，TN量年均值1.71~2.79mg/L流域是湖泊之源，湖泊是流域之汇流域是湖泊治理的关键区域青山湖流域所在的苕溪是太湖最大入湖河流苕溪占太湖流域水资源总量15%，对太湖水质改善影响重大，青山湖流域作为苕溪上游流域，研究其氮素流失规律，对治理太湖水污染有非常重要意义。青山湖氮污染严重青山湖是杭州市的重要饮用水源地，面临严重的水体富营养化问题，氮素污染是主要的污染指标。2苕溪流域的非点源研究陈月等采用QUAL2K模型对西苕溪干流梅溪段的水质进行了模拟和预测。金蜻靓采用美国农业部开发的SWAT模型对菩溪流域的非点源污染进行模拟研究，对流域的非点源污染情况进行模拟和分析。以往研究的局限以往研究多停留在验证模型在流域的适用性、污染负荷量计算以及污染时空分布规律等方面，缺少对青山湖流域氮素平衡系统解析以及对氮流失机理的探讨。本研究目标针对青山湖氮流域污染情况，建立动态模拟流域氮素污染过程的SWAT模型，掌握流域氮污染现状及特征分布，阐明流域氮素流失机制，为流域氮污染治理提供理论依据和科研支撑。3研究背景及目标调研分析青山湖流域氮污染现状估算流域氮污染负荷量构建模型的氮污染管理数据库构建流域基础信息数据库建立研究区域SWAT模型流域氮素污染模拟结果分析评价①分析流域氮素污染现状；②分析流域氮素污染的时空分布特征；③探讨分析氮素流失的影响因素；④解析流域氮素来源；情景分析研究内容技术路线4青山湖流域氮污染现状时间：2011年7月5日-8月4日监测点分布（76）5调研内容：流域污染现状及来源、综合治理状况和水土流失等方面对水系监测点进行采样分析调研目的：全面了解流域内的溪流、河流和水库等氮污染现状分析溪流水质空间的变化规律和主要氮素污染来源为各区域污染负荷核算提供基础数据和信息为模型调参提供资料6青山湖流域氮污染现状污染处理设施尚需完善虽然近年临安市积极建设乡镇污水处理厂和村级生活污水处理工程，但仍存在不少问题，部分处理工程处于闲置状态；分散式蓄禽养殖污染无法收集处置等问题严重；地形坡度较大，水土流失较为严重。农田化肥流失流域农田化肥施用量较高，如经济林山核桃施肥量高达1500kgN/hm2，并且多集中在7-9月份，此时段降雨量较多，造成硝态氮大量流失；农田多分布在溪流附近，氮素流失距离短，加重了氮流失。溪流氮污染严重复杂流域整体氮污染严重，一般上游相对较低，TN在2-3mg/L之间，中下游TN高达5-7mg/L，超过了地表水质标准中的Ⅴ类标准2mg/L；不同水系的氮污染在负荷量和氮素形态上存有差异，锦溪氨氮比例较高；不同水系对生活污水和降雨的反应呈现出较大差异性，南苕溪上游出现生活排污高峰，其下游TN浓度在夜间大幅度下降，南苕溪TN、NO3-N浓度对降雨影响敏感，锦溪的NH3-N浓度受雨水影响大。NH3-N采样点TN0202采样点NH3-NTN采样点NH3-NTN采样点02NH3-NTN采样点02NH3-N采样点02TN浪口溪南溪南苕溪锦溪横溪灵溪NH3-N采样点02TN青山湖子流域氮污染现状7统计关系：一些学者依据因果关系和统计分析方法建立模型，构建污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系。机理模型：70年代中期是非点源模型大发展时期，主要方向是机理模型，比较著名：SWMM、STORM、ARM、HSPF实用模型：20世纪80年代以来，非点源污染模型开始转向开发新的实用模型，代表性模型有：AGNPS、CREAMS、SWRRB发展瓶颈：20世纪90年代以来，非点源污染负荷模型的发展遇到新的瓶颈，土壤、土地利用、地形、气候、作物和耕作管理的参数是限制模型广泛应用的主要因素。超大型流域模型：GIS技术的出现，一些功能强大的超大型流域模型被开发出来。这些模型集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身的大型专业软件。著名的有美国农业部开发的SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)、BASINS、AnnAGNPS模型量化研究发展8121122423816111725383873608713411013219305010015020025019841987198919901993199419951996199719981999200020012002200320042005200620072008200920102011国外期刊历年发表相关文献数量统计1984Williams,J.R.,C.A.Jones,andP.T.DykeAmodelingapproachtodeterminingtherelationshipbetweenerosionandsoilproductivity1987Arnold,J.G.andJ.R.WilliamsValidationofSWRRB--Simulatorforwaterresourcesinruralbasins1995Arnold,J.G.,J.R.Williams,andD.A.MaidmentContinuous-timewaterandsediment-routingmodelforlargebasinsSWAT发展SWAT开发的目的是在具有多种土壤、土地利用和管理条件的复杂流域，预测长期土地管理措施，对水、泥沙和农业污染物的影响。9SWAT模型氮污染研究现状国外研究氮素模拟的适用性SalehA.,ArnoldJ.G.,GassmanP.W.ApplicationofswatfortheUpperNorthBosqueRiverWatershed[J].TRANSACTIONSOFTHEASAE.2000,43(5):1077-1087.探讨氮流失影响因素FrederickA.,EmmanuelK.Y.,etal.EffectofNutrientManagementPlanningonCropYield,NitrateLeachingandSedimentLoadinginThomasBrookWatershed[J].EnvironmentalManagement.2013,52:1177-1191.DanielN.M.,PrasannaH.G.,,etal.ModelingtheimpactofnitrogenfertilizerapplicationandtiledrainconfigurationonnitrateleachingusingSWAT[J].AgriculturalWaterManagement.2013,130:36-43.SWAT在中国运用实践SWAT在中国虽有十多年的运用实践，但多数都是用来模拟径流、降雨等水文过程，对流域氮素污染的研究尚在初步阶段。流域的氮负荷最早的研究有郝芳华等在2002年应用SWAT模型分县区、分子流域模拟了官厅水库流域的氮负荷。流域氮素流失秦福来运用SWAT模型研究流域氮素流失规律，为非点源污染的控制和定量化管理提供有效的依据。1011数据类型参数数据来源DEM高程、坡面和河道的坡度、坡长、坡向遥感资料土地覆盖叶面积指数、植被根系、径流曲线数、冠层高度、曼尼系数遥感资料土地利用数据土地利用变化遥感资料土壤类型土壤物理组成、饱和导水率、持水率颗粒含量临安土壤志气象数据最高最低气温、日降水量、相对湿度、太阳辐射、风速，（2004-2011年）气象局水文数据日流量、月基径流量，（2005-2011年）水文站水质监测数据总氮、氨氮、硝态氮、有机氮环保局、采样氮污染源负荷点源污染情况、畜禽养殖、人口统计、生活排污、工厂排污、污水处理厂统计年鉴、调研土地管理信息耕作方式、植被类型、灌溉方式、施肥时间和量统计年鉴、调研SWAT模型所需数据土壤类型面积（km2）比例（%）红壤31948.8黄壤436.5水稻土20431.2岩性土7511.5类别面积(km2)比例(%)自然林50677.5农田12719.4城镇7.81.2水域12.61.9构建流域基础信息数据库DEM土壤植被气象DEM土壤植被气象亚流域划分来源：国际科学数据服务平台来源：临安土壤志来源：地球系统科学数据共享网来源：水文站及杭州市汛情发布系统网站12点源输入量点、面源氮素负荷流向构建氮污染管理数据库面源输入量050NH3-N有机氮13tSWAT模型原理模块SWAT模型水文结构非点源污染模块湖泊、水库水质模块河道水质模块降水灌溉降雨降雪融雪地表径流土壤水蒸发植物蒸散发壤中流渗漏输移损失池塘/水库蒸发灌溉池塘/水库出流池塘/水库渗透灌溉潜水蒸发渗透回归流灌溉灌溉用水输移损失河段出流量雪盖土壤水土壤水分层（10层）河流浅层地下水深层地下水池塘/水库调蓄下渗14Nrain=0.01·RNO3·Rday土壤初始氮1000exp73,zNOzconc14104,lylyhumorgCorgN腐殖质有机氮初始硝酸氮新有机氮orgNfrsh,surf=0.0015·rsdsurf矿化作用、分解作用/固氮作用腐殖质矿化作物残余的分解和矿化lystaactNlyactlytrnslytrnsorgNfrorgNN,,,,11lyactlyswlytmplyaorgNN,2/1,,min,min)(Nminf,ly=0.8·δntr,ly·orgNfrsh,ly硝化作用和氨挥发挥发硝化lyvolnitlyvollynitlynitlynitNfrfrfrN,|,,,,)(lyvolnitlyvollynitlyvollyvolNfrfrfrN,|,,,,)(如果γsw,ly0.95，则反硝化作用如果γsw,ly≥0.95，则Ndenit,ly=0.0Ndenit,ly=NO3ly•(1-exp[-1.4γtmp,lyorgCly])降雨中的氮SWAT氮污染模拟原理15氮素的土壤循环植物残余等有机物质化肥化肥植物残余等有机物质化肥化肥固持分解固持植物残余等有机物质化肥化肥植物残余等有机物质化肥化肥固持分解固持R2=0.87Ens=0.78日率定R2=0.82Ens=0.71模型评价指标1）确定性系数2）Nash-Suttcliffe系数反映了模型模拟值与实际观测值之间的相关接近性，值越大，表明模拟相关接近程度越高。反映了模型模拟值与实际观测值之间的线性关系，其值越大说明数据的线性相关程度越好。径流率定月率定1617182005-2011年19研究内容解析流域氮源情景分析流域氮污染现状水系氮入湖量土壤系统氮平衡时空分布特征时间分布特征空间分布特征分析影响因素探讨影响机制流域土壤系统氮负荷平衡硝氮氨氮有机氮氮肥1771t挥发724t反硝化1607t植物吸收1976t硝氮肥1771t降水870t有机氮肥1771t植物残留571t流失534t细菌吸收转化693t径流流失1220t1047t1808t582t428t210t坡面流侧向流基流202005-2011年氮利用率29.3%，流失率26.0%主要溪流氮素入湖量0200400600800100012001400流域出口南苕溪灵溪锦溪横溪1361521318313103有机氮NO3-NNH3-NTN212005-2011年t流域氮源解析0100200300400背景值湿沉降点源面源1农田化肥95211153186354TNNO3-NNH3-N有机氮010002000300040005000湿沉降点源面源1农田化肥8702431140417300.30.60.91.2背景值湿沉降点源面源1农田化肥0.290.640.470.561.07氮输入量氮输出量TN浓度流域出口TN:3.03mg/L22（生活污水、蓄禽养殖）2005-2011年ttmg/L（生活污水、蓄禽养殖）（生活污水、蓄禽养殖）情景分析情景分析设计情