基于SWAT模型的晋江西溪流域非点源污染模拟

摘要

非点源污染(Non-point Source of Pollution)，是指由于降雨产流过程中的冲刷或侵蚀或者灌溉等，使得大面积上的污染物进入水体造成的污染。目前非点源污染已成为我国湖泊富营养化与水环境恶化的重要原因，控制非点源污染对水环境综合治理及农业可持续发展有重要的理论和现实意义。 晋江西溪流域主要位于东南沿海经济社会比较发达的泉州市，西溪流域是福建省内水土流失最严重的区域，随着近年来工业污水等点源污染得到有效控制，非点源污染的影响日益显著，大量农业化肥、土壤氮磷营养物、有毒有害物质随降雨径流进入河道，污染了西溪水质，严重影响西溪水体功能，与流域社会经济迅速发展的现状极不协调，迫切需要进行西溪流域的非点源污染研究。但目前从流域非点源污染角度研究晋江西溪流域尚未见报道，因此本文在前人应用SWAT模型进行产流产沙模拟的基础上，继续对晋江西溪流域1973～1979年的非点源污染进行研究。 SWAT模型是美国农业部(USDA)农业研究所(ARS)开发的具有很强物理机制的、长时段、适用于较大流域的分布式非点源污染模型。目前SWAT模型已在国内外许多地方成功的进行了非点源污染模拟，其有效性得到了广泛证明。但有关SWAT模型的非点源污染研究，从研究区分布范围看主要位于半干旱、半湿润的内陆地区，较缺乏降水量丰富的东南沿海湿润区流域的成果报道；研究内容多涉及流域植被覆被现状下的非点源污染模拟，应用SWAT模型对植被恢复的非点源污染响应研究较少，尚未见到不同坡度下植被恢复的非点源污染响应研究。福建省内基于SWAT模型的非点源污染研究仍较为鲜见。 本文运用GIS软件建立了由DEM、土地利用、土壤、降雨等数字化资料构成的SWAT模型数据库；通过ArcView3.2的空间分析功能将流域划分为21个亚流域与309个水文响应单元；利用1973～1979年氨氮与矿物磷各年的输出总量实测资料对氨氮与矿物磷的模拟结果进行率定；根据模拟结果，研究了1973～1979年非点源污染各年的污染负荷、研究期7年平均的年内各月非点源污染变化、流域不同土地利用的非点源污染、非点源污染在研究区21个亚流域的空间分布、流域内各支流水系的非点源污染；初步探讨了流域水系分维与非点源污染的关系；模拟了西溪流域不同坡度下植被恢复的非点源污染响应；结合2001年的土地利用图研究了从20世纪70年代到2001年由于土地利用变化造成的流域非点源污染变化。 参数率定过程中，率定了磷的有效性指数(PSP)、磷的土壤分离系数(PHOSKD)、氨氮的生物氧化速度常数(BC1)、亚硝氮的生物氧化速度常数(BC2)、土壤可利用水(SOL_AWC)、土壤蒸发补偿系数(ESCO)等参数。经率定，径流模拟的率定期(1972～1975年)月模拟效率系数(Ens)为0.91，相关系数(R2)为0，92；径流模拟的验证期(1976～1979年)月模拟Ens为0.85，R2为0.90。产沙模拟中以1972年为预热期，1973～1979年的产沙月模拟Ens为0.63，R2为0，65，7年平均相对误差(RE)为-14.1％。非点源污染模拟中以1972年为预热期，1973～1979年的氨氮年模拟Ens为0.69，R2为0.95，7年平均RE为-18.6％；同期矿物磷年模拟Ens为0.79，R2为0.85，7年平均RE为-1.5％。表明SWAT模型能较好的用于东南沿海晋江西溪流域的非点源污染模拟，产流、产沙及非点源污染模拟精度均较高，可应用于晋江西溪流域非点源污染模拟计算分析。经过计算分析，得出了以下主要结论： (1)1973～1979年，由于西溪流域各年降雨量差别不大等原因，各年非点源污染物输出量较为均衡，年总氮输出量最大值约为最小值的1.68倍，年总磷输出量最大值约为最小值的1.67倍；流域非点源污染负荷与降雨量有较强的相关性，流域月降雨量与月非点源总氮、总磷负荷的相关系数(R2)分别为0.89和0.91，年内各月非点源污染负荷分布不平衡，汛期(4～9月)6个月的总氮、总磷负荷分别占全年的76.2％和75.8％，年内总氮、总磷负荷随季节呈不规则的“M”形态变化。 (2)1973～1979年，西溪流域非点源污染负荷与土地利用方式有密切关系，园地、旱地、水田的单位面积非点源污染负荷分列前三位，三者的单位面积非点源污染负荷远大于其它土地利用方式，水田与旱地两者相加产生了研究区非点源总氮、总磷污染总量的66％、83％。 (3)1973～1979年，西溪流域非点源污染的空间分布不平衡，其中安溪县的官桥、龙门、长坑、上卿、城厢、蓬莱、虎邱和永春县的达埔等乡镇由于农田面积较多等原因非点源污染较为严重；西溪的各支流中，蓝溪流域由于农田面积较大、崩岗造成的重力侵蚀严重等原因非点源污染更严重。 (4)西溪流域各水系区的水系分维值越大，农田面积比例越大，土壤侵蚀程度越大，因而非点源污染负荷越大。 (5)SWAT模型能较好的模拟预测东南沿海植被恢复后流域产流、产沙、非点源污染的变化；植被恢复对产沙与非点源污染的影响远大于产流，植被恢复对非点源污染的影响主要是通过产沙的变化实现的；研究区内年均产流量、产沙量、非点源污染量均为林地<草地<耕地，即还林比还草更有利于研究区内的水土保持与减少非点源污染；将坡度大于15°的耕地还林后，流域年均产流、产沙、非点源总氮、非点源总磷污染可分别降低约0.632％、38.7％、34.9％、44.2％。 (6)由于耕地减少、园地猛增等原因，晋江西溪流域各用地类型的非点源污染所占比例发生变化，由20世纪70年代的以耕地产污为主(66％总氮、83％总磷)，变化为2001年的以园地产污为主(60％总氮、69％总磷)，目前西溪流域园地的非点源污染较严重，是今后重点治理的用地类型；晋江西溪流域由于土地利用变化所造成的非点源污染从20世纪70年代到2001年呈上升趋势，由于园地面积猛增等原因，非点源污染由20世纪70年代的年均1530 t N(6.3 kg N/ha)与266 t P(1.1 kg P/ha)上升到2001年的2641t N(10.8 kg N/ha)与542 t P(2.2 kg P/ha)，非点源总氮、总磷污染分别增长了72％、104％；从20世纪70年代到2001年，由于土地利用变化造成的单位面积非点源污染空间分布有一定的变化，单位面积非点源污染最严重的区域越来越集中于流域中部地区；由于园地和耕地在各水系区中的总量分布更加均衡，非点源污染总量在各水系区中的分布由20世纪70年代的蓝溪区污染总量最多，变化为2001年的除坑仔区仍较小外，在其它4个区中的分布较为均衡。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题提出

1.2非点源污染的特点

1.3非点源污染模拟研究进展

1.3.1国外非点源污染模拟研究进展

1.3.2国内非点源污染研究进展

1.4研究内容及意义

第二章研究区概况

2.1地质地貌

2.2气候径流

2.3植被土壤

2.4水土流失

2.5社会经济

第三章SWAT模型的原理

3.1水文过程模型

3.2土壤侵蚀模型

3.3污染负荷模型

3.3.1地表径流中的氮磷迁移转化

3.3.2河道中的氮磷转化过程

3.4农业管理模型

3.4.1模型输入方式

3.4.2植物生长模拟

3.4.3农业管理操作模拟

第四章西溪流域SWAT模型构建与参数率定

4.1基础数据

4.1.1投影及DEM数据

4.1.2子流域划分与HRU设定

4.1.3土地利用数据

4.1.4土壤数据

4.1.5气象数据

4.1.6农业管理措施

4.1.7点源污染资料

4.2模型参数的率定

4.2.1模拟评价指标

4.2.2径流参数率定

4.2.3产沙参数率定

4.2.4营养物参数率定

第五章模型计算结果分析

5.1非点源污染负荷年际变化

5.2非点源污染负荷年内变化

5.3非点源污染的空间分布

5.4各水系非点源污染负荷贡献

5.5非点源污染与水系分维关系研究

5.5.1水系分维的意义

5.5.2分维值的计算方法

5.5.3非点源污染与水系分维关系分析

第六章土地利用类型对非点源污染的影响研究

6.1不同土地利用的产出对比

6.2植被恢复对非点源污染的影响

6.2.1研究区植被恢复的情景设定

6.2.2模拟结果分析

6.3 2001年土地利用方式对非点源污染的影响

6.3.1 2001年与1985年土地利用对比

6.3.2结果分析

6.4防治建议

第七章总结与展望

7.1主要结论

7.2研究的不足

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历