1、农业面源污染研究进展农业面源污染研究进展23面源污染(Diffused Pollution,DP)，也称非点源污染(Non-point Source Pollution，NPS)，是指溶解和固体的污染物从非特定地点，在降水或融雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体（包括河流、湖泊、水库和海湾等）并引起有机污染、水体富营养化或有毒有害等其他形式的污染。农业面源污染（Agricultural Non-point Source Pollution，ANPS)在农业生产过程中发生的面源污染，具体为：农业生产生活过程中，农田、村镇的泥沙、营养盐、农药及其它污染物，在降水、灌溉、排污的过程中，通过地表
2、径流、壤中流、排水和地下渗漏，使大量污染物进入受纳水体（河流、湖泊、水库、海湾）所引起的污染。农业面源污染是面源污染的一种，是污染源来自于农业生产生活过程的面源污染。4 据第一次全国污染源普查公报，农业污染源化学需氧量、总磷、总氮排放量分别占全国排放总量的44%，67%和57%。面源污染是农业污染发生的主要形式，农业面源污染已经成为我国流域性水体污染重要来源。农业面源污染是主要污染源农业面源污染是主要污染源为什么要研究农业面源污染？5农业面源污染危害农业面源污染危害毒害型污染物污染水体环境（农药、除草剂及降解产物，重金属、有毒有机物等）水体环境恶化 营养型污染物污染水体环境（N、P、TOC等）
3、“水华”“赤潮”现象滇池、太湖等农业面源污染的最直观表现水生动植物被毒害农业生态系统退化土壤养分流失6农业面源污染主要来源：农业面源污染主要来源：农田种植、畜禽养殖、农村生活是农业面源污染的主要来源。7“庄稼一枝花，全靠肥当家”肥料在农业生产中主要起补充流失养分、改善土壤性质、调节养分平衡和提高土壤肥力在作用。肥料的作用肥料的作用农田源农田源现代农业生产方式的必然产物现代农业生产方式的必然产物8 养分归还学说养分归还学说（1 1）随着作物的每次收获必然要从土壤中去走大量养分；随着作物的每次收获必然要从土壤中去走大量养分；（2 2）如果不正确的归还养分给土壤，地力必然会逐渐下降；如果不正确的归还
4、养分给土壤，地力必然会逐渐下降；（3 3）要想恢复地力就必须归还从土壤中取走的全部东西；要想恢复地力就必须归还从土壤中取走的全部东西；（4 4）为了增加作物产量就必须以施肥方式补充植物从土壤中取走的为了增加作物产量就必须以施肥方式补充植物从土壤中取走的养分。养分。肥料是保障农业生产高效平稳运行的基础！肥料的作用肥料的作用9常用肥料分类常用肥料分类肥料肥料化学肥料化学肥料农家肥料：如厩肥、人粪尿、绿农家肥料：如厩肥、人粪尿、绿肥等。肥等。氮肥氮肥磷肥磷肥钾肥钾肥复合肥料复合肥料农业生产中使用的肥料种类丰富，可以说是丰农业生产中使用的肥料种类丰富，可以说是丰富充足的肥料保障了农业生产的正常进行富充
5、足的肥料保障了农业生产的正常进行10农田源农田源化肥使用量大效率低化肥使用量大效率低农田源氮的去向氮的去向比例比例环境影响环境影响径流径流5%地表水富营养化地表水富营养化淋洗淋洗2%地下水硝酸盐污染地下水硝酸盐污染表观硝化表观硝化-反硝反硝化化N2O-N1.1%酸雨、破坏臭氧层、温室气体酸雨、破坏臭氧层、温室气体氨挥发氨挥发11%大气污染、酸雨大气污染、酸雨 我国农田化肥氮在当季作物收获时的去向及其对环境的影响自然状态下20%左右的氮肥会流失进入环境肥料及化肥应用是农业生产中的革命性技术，我们用世界7%的耕地养活了22%的人口，但实际上我们却消耗了35%的化肥。我国单位播种面积化肥用量为400
6、kg hm-2，是世界平均水平3倍，发达国家为防止水体污染安全上限值225 kg hm-2。11农田源农田源化肥施用过程不合理效率低化肥施用过程不合理效率低为了使农作物达到最高的产量，这三种化肥需要最佳的使用比例 氮肥：磷肥：钾肥氮肥：磷肥：钾肥=2:1:=2:1:1 1 中国与世界氮磷钾最佳使用施用量及比例对比中国与世界氮磷钾最佳使用施用量及比例对比 氮肥主要的功能在於长叶子及制造叶绿素，以供光合作用产生碳水化合物，增进作物的产量。主要的功能在於长叶子及制造叶绿素，以供光合作用产生碳水化合物，增进作物的产量。磷肥主要的功能在于能量的制造和运移，是組成主要的功能在于能量的制造和运移，是組成AT
7、PATP的重要元素，对开花及结果影响很大。的重要元素，对开花及结果影响很大。钾肥主要的功能为维持细胞内电解质平衡与细胞膨压，且为蛋白质合成及五十多种酵素催化作主要的功能为维持细胞内电解质平衡与细胞膨压，且为蛋白质合成及五十多种酵素催化作用所必需。用所必需。121998 年至2012 年中国的农药用量增长了5 倍，2012年我国共生产使用农药约234.2万吨（折合有效成分）。农田源农田源农药使用量大效率低农药使用量大效率低我国农药单位面积用量为世界平均水平的2倍，13农田源农田源农药品种多，成分复杂农药品种多，成分复杂目前，拥有农业部登记证的农药企业大概约有2500 家，可生产原药300 多类，
8、制剂3000 多种，增加了环境风险与治理难度。14养殖源养殖源最大的农业面源污染源最大的农业面源污染源 据第一次污染源普查公报，我国农业污染排放主要来自于畜禽养殖业，其COD、TN、TP排放量占农业源污染物排放总量96%、56%、38%。养殖源15养殖源养殖源畜禽养殖主要污染物构成畜禽养殖主要污染物构成畜禽养殖畜禽养殖COD排放量排放量构成比例构成比例畜禽养殖畜禽养殖氨氮氨氮排放量排放量构成比例构成比例16农村生活源农村生活源农村环境质量提升的主要障碍农村环境质量提升的主要障碍17农村生活源农村生活源来源多样，成分复杂来源多样，成分复杂村落地表径流农村生活垃圾村镇生活排水农业固体废弃物1819
9、：面源污染随流域内土土地利用状况、地形地貌、水文特征、气候、天气等的不同而具有空间异质性和时间上的不均匀性。排放的分散性导致其地理边界和空间位置的不易识别。20：降雨量的大小和密度、温度、湿度的变化会直接影响农业生产，进而影响化学制品（农药、化肥等）的使用和对水体的污染。21：由于面源污染涉及多个污染者，在给定的区域内它们的排放是相互交叉的，加之不同的地理、气象、水文条件对污染物的迁移转化影响很大，因此很难具体监测到单个污染者的排放量。22气候、地形、人口、生活方式等使得中国农业面源污染在发生方式，单位负荷量，迁移条件等方面存在较大差异。农业面源污染的发生及产生原因主要表现为南北差异。农业面源
10、污染区域性明显农业面源污染区域性明显23经济发达地区及传统种植区化肥使用量偏大，畜禽养殖多集中经济发达地区及传统种植区化肥使用量偏大，畜禽养殖多集中在中东部地区。在中东部地区。污染负荷区域分布不均污染负荷区域分布不均全国化肥施用量分布全国化肥施用量分布全国畜禽养殖量分布全国畜禽养殖量分布农业面源污染区域性明显农业面源污染区域性明显24气候类型南北差异显著，干湿变化东西差别明显气候类型南北差异显著，干湿变化东西差别明显农业面源污染区域性明显农业面源污染区域性明显区域气候特点、降水造成农业面源污染发生环境条件迥异区域气候特点、降水造成农业面源污染发生环境条件迥异25农业面源污染区域性明显农业面源污
11、染区域性明显26以养殖源为列，2 2027282930农业生态系统的养分循环特点：农业生态系统的养分循环特点：1、养分输入率与输出率高（大出大进）2、库存量较低，流量大，周转快3、养分保持能力弱，容易流失4、养分供求不同步N、P等营养物质易流失发生面源污染31氮（氮（N N）循环）循环N氮（N）是生命组成的必须元素，在农业生产中是植物体内氨基酸、蛋白质主要组成成分，也是植物进行光合作用起决定作用的叶绿素的组成部分。32农田生态系统的氮循环农田生态系统的氮循环33农业生态系统中的氮损失农业生态系统中的氮损失氮的流失途径：1、挥发损失（NH3-N）,即由于有机质的燃烧分解或其他原因导致氨的挥发损失
12、，发生条件pH7。2、氮的淋失（NO3-N）,主要是硝态氮由于降雨或灌溉淋溶损失，以旱地轻质土壤为主。3、反硝化脱氮（NOX）水田中活土壤通气不良时，硝态氮受反硝化作用变成游离氮，导致氮损失；4、径流，径流冲刷溶解部分氮；5、土壤侵蚀流失；6、畜禽粪便，养殖过程中畜禽粪便的损失。34氮化学性质活泼，在农业面源污染中，氮多以溶解态进入水体环境，形成污染。农业面源污染中氮污染的治理，即是通过特定的技术手段减少氮的进入量或通过反硝化作用减少水体中溶解态氮的含量。氮污染机理氮污染机理含氮化合物物在天然水中循环过程含氮化合物物在天然水中循环过程35磷（磷（P P）循环）循环36农田生态系统的磷循环农田生
13、态系统的磷循环37农田生态系统磷素循环的特点农田生态系统磷素循环的特点l 在石灰性土壤上（在石灰性土壤上（+Ca）Ca(H2PO4)2H2OCaHPO42H2OCaHPO4 Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)65H2Ol 在酸性土壤上在酸性土壤上Ca(H2PO4)2H2O Al(Fe)PO4 总体趋势是磷的溶解性由逐步下降。总体趋势是磷的溶解性由逐步下降。磷（磷（P P）污染机理）污染机理+Al、+Fe381 1、农田中磷的流失、农田中磷的流失 从农田流失的磷素主要以从农田流失的磷素主要以DRPDRP（非溶解态磷）和（非溶解态磷）和PPPP（颗粒结（颗粒结合态磷）形式存在，其
14、中大部分是合态磷）形式存在，其中大部分是PPPP（占（占80%80%以上），这部以上），这部分磷可以被水流运输至较远的地区而输出农田，因而是磷素分磷可以被水流运输至较远的地区而输出农田，因而是磷素流失的主要方式。流失的主要方式。2 2、畜禽粪便中磷的流失、畜禽粪便中磷的流失畜禽粪便中磷主要为磷脂、无机态磷、酸容性磷和残留磷。畜禽粪便中磷主要为磷脂、无机态磷、酸容性磷和残留磷。1 1）粪肥还田，侵蚀过程中磷损失）粪肥还田，侵蚀过程中磷损失 2 2）堆肥、储存过程中雨水冲刷）堆肥、储存过程中雨水冲刷 3 3）养殖废水冲洗直排）养殖废水冲洗直排磷（磷（P P）污染机理）污染机理39此外，施入土壤中的
15、磷还会通过各种吸附机制（包括非此外，施入土壤中的磷还会通过各种吸附机制（包括非专性吸附与专性吸附）和阴离子交换、异成分溶解等方式被专性吸附与专性吸附）和阴离子交换、异成分溶解等方式被固定；在旱地上，磷肥颗粒还会被难溶的固定；在旱地上，磷肥颗粒还会被难溶的Fe(OH)Fe(OH)3 3胶膜所包胶膜所包裹，形成闭蓄态磷，使其难以释放。综上所述裹，形成闭蓄态磷，使其难以释放。综上所述,土壤中的磷土壤中的磷很难象很难象NONO3 3-、ClCl-、SOSO4 4=那样随重力水下移而进入地下水。那样随重力水下移而进入地下水。磷（磷（P P）污染机理）污染机理例证例证1 1：英国英国洛桑试验站的试验表明，
16、土洛桑试验站的试验表明，土壤施磷壤施磷100100年后，磷仍然集中在年后，磷仍然集中在0-40cm0-40cm土层内，向下移动很少。土层内，向下移动很少。40例证例证2 2：土壤溶液中的磷浓度只要能达到土壤溶液中的磷浓度只要能达到0.3mg/l0.3mg/l就能满足大多数作物就能满足大多数作物的需要，但多数土壤却达不到，而需要施肥来补充，因为磷在的需要，但多数土壤却达不到，而需要施肥来补充，因为磷在土壤中很难溶解。土壤中很难溶解。磷（磷（P P）污染机理）污染机理例证例证3 3：在在太平洋沿赤道的许多鸟岛上，历太平洋沿赤道的许多鸟岛上，历经成千上万年形成的鸟粪磷矿，其经成千上万年形成的鸟粪磷矿
17、，其中的磷就来自鸟粪与鸟类的骨骼，中的磷就来自鸟粪与鸟类的骨骼，如果磷很容易随水移动，那么在多如果磷很容易随水移动，那么在多年雨水和海浪的洗刷下，磷早已不年雨水和海浪的洗刷下，磷早已不复存在，何来的磷矿呢？复存在，何来的磷矿呢？科学研究已充分证明，农田中的磷可以进入地表水，其主要途科学研究已充分证明，农田中的磷可以进入地表水，其主要途径是径是，包括如水田排水等。，包括如水田排水等。41贫营养贫营养中营养中营养富营养富营养N0.10.10.30.3P 0.0010.0010.010.01水体中氮、磷浓度与营养化水平的指标（mg/l）湖泊生物生产力的限制因子是磷，天然湖泊缺磷的现象较为常见，磷从土
18、壤流失对湖泊的生物生产力具有促进作用；换言之，磷的流失是导致水体富营养化的主导因子。42水华发生条件：充足的营养物（N、P）+适宜的环境条件(温度、湍流程度、光照等)美国弗罗里达州磷矿池问题：磷足够是否就能发生水华现象磷严重超标434445 城乡二元经济结构：一般指以社会化生产为主要特点的城市经济和以小生产为主要特点的农村经济并存的经济结构。城乡二元社会结构：一般是指城市居民和农村人口因为户籍或居住地制度的区别在劳动收入、消费、教育生活等方面存在着巨大的差异而形成了两个相对独立的社会单位。46 大量农村人口构成了对环境资源的巨大压力；农民经济状况相对较差，生存压力巨大，无力顾及污染控制；劳动密
19、集型的小规模农业生产增加了面源污染的控制难度；农业相关人员素质较低，掌握环境知识的能力较弱，环境保护意识较差；农村的环境保护长期受到忽视，环保政策、环保机构、环保人员及环保基础设施均供给不足。47 生存和发展的压力。农户自我核算，迫于升级，需要从农业中获 得较高的收益，从而不断增加农药、化肥投入，给农业环境带来污染。农业经营行为短视化。农户不管农业和环境是否可持续，只保证当年的收益水平。土地产权使用权周期短 现有土地承包制度、使用权制度周期短不稳定，短期经营明显。农民兼业化 农民职业转化频繁，迫于生计。农民（农忙时）农民工（农民工）环境意识淡泊。农业生产过程中漠视环境作用。缺乏公共服务支持导致
20、施肥施药操作违规。多凭“经验”进行经营，农药、化肥企业为图经济利益大量推销。4849面源污染负荷产生过程面源污染负荷产生过程 面源污染的发生和程度与面源污染的发生和程度与水文过程密切相关水文过程密切相关 面源污染与土壤侵蚀是一面源污染与土壤侵蚀是一对密不可分的共生现象对密不可分的共生现象 发生过程受土地利用方式、发生过程受土地利用方式、人类活动强度等影响人类活动强度等影响面源污染模型基本都由水文过程模型、土壤侵蚀模型和污染负面源污染模型基本都由水文过程模型、土壤侵蚀模型和污染负荷模型三个基础模块组成荷模型三个基础模块组成50 流域水文模拟就是对流域内发生的水文过程进行的数学模拟计流域水文模拟就
21、是对流域内发生的水文过程进行的数学模拟计算。算。流域水文模型根据结构和参数的物理完整性，可分为概念性模流域水文模型根据结构和参数的物理完整性，可分为概念性模型和分布式物理模型。型和分布式物理模型。常见模型常见模型 包顿（包顿（BoughtonBoughton）模型（澳大利亚）模型（澳大利亚）萨克拉门托（萨克拉门托（SacramentoSacramento）模型（美国天气局水文办公室）模型（美国天气局水文办公室）水箱（水箱（TankTank）模型（日本）模型（日本）新安江模型（中国）新安江模型（中国）HEC HEC 模型（美国陆军工程兵团水文中心）模型（美国陆军工程兵团水文中心）SCS SCS
22、模型模型51蒸散发模型蒸散发模型 Horton Horton（19191919）建立了截留总损失与植被蓄水能力和蒸发之间的关系）建立了截留总损失与植被蓄水能力和蒸发之间的关系 HortonHorton模型假定已知在降雨开始时正确与否取决于植被特性、降雨特性、模型假定已知在降雨开始时正确与否取决于植被特性、降雨特性、前期降雨等，同时计算中没有考虑雨强与雨量。前期降雨等，同时计算中没有考虑雨强与雨量。nvr rISkE t Green-Ampt Green-Ampt 模型模型()ln()ik tIIItktbiatc0c()ektifff下渗下渗模型模型 Horton Horton 模模型型 Ko
23、stiakov Kostiakov 模型模型 Philip Philip 模模型型0.5iStAcpnffaF Holtan Holtan模模型型52 推理公式推理公式 Hamon 模型模型pQCIApqgqVEVVSqsvEkT D2ag20.125MWVWW2pqp()()()VSVVSckS降雨径流模型降雨径流模型 SCS 模型模型aaFQSPIIaSaF=PIq2()aapIPIS25 400254SCNAGNPS,SWAT等经典面源污染模型基础径流过程模型53侵蚀产沙模拟侵蚀产沙模拟土壤侵蚀产沙模型可分为土壤侵蚀产沙模型可分为 经验模型经验模型USLEUSLE、RUSLERUSLE和
24、和MUSLE MUSLE 概念模型概念模型ANSWERSANSWERS、CREAMSCREAMS 物理模型物理模型WEPPWEPP、EUROSEM/KINEROSEUROSEM/KINEROS、EUROSEM/MIKEEUROSEM/MIKE、SHESHE、LISEMLISEM、EPICEPIC 54经验模型经验模型 Musgrave USLE MUSLE RUSLE 1.350.351.7530ACRSLPAR K L S C P0.56QP()AB V QKLSCP概念模型概念模型A=EIKLSCPSSF CREAMS ANSWERS ANSWERS-MODANSW 概念模型介于经验模型和
25、物理模型之间，相对经验模型而言，概念模型的进步之处在于引进了质量和能量守恒定律，但其主要缺点是缺乏对土壤侵蚀过程的物理描述，参数率定往往失真55物理模型物理模型 WEPP WEPP 模型模型 WEPPWEPP模型土壤侵蚀过程包括分模型土壤侵蚀过程包括分离、搬运和沉积。坡面侵蚀包离、搬运和沉积。坡面侵蚀包括细沟和细沟间侵蚀括细沟和细沟间侵蚀 WEPPWEPP模型认为土壤侵蚀过程由模型认为土壤侵蚀过程由降水和径流过程共同决定降水和径流过程共同决定 采用模块化结构，共有采用模块化结构，共有9 9个功个功能模块能模块 EUROSEM EUROSEM 模型模型 由欧盟开发由欧盟开发 属于动态分布式模型，
26、通过对属于动态分布式模型，通过对土壤侵蚀过程的物理描述，并土壤侵蚀过程的物理描述，并以分钟为时段模拟次降雨条件以分钟为时段模拟次降雨条件下地块或小流域侵蚀过程下地块或小流域侵蚀过程 LISEM LISEM 模型模型 以以PCRaster GISPCRaster GIS软件为基础，程序代码完全软件为基础，程序代码完全由由 GIS GIS 命令构成命令构成 以以PCRasterPCRaster系统为基础，将流域在空间离散系统为基础，将流域在空间离散化为一系列大小相等的栅格单元，对降雨侵化为一系列大小相等的栅格单元，对降雨侵蚀过程等时间间隔分割，按照时间步长分时蚀过程等时间间隔分割，按照时间步长分时
27、段模拟侵蚀程段模拟侵蚀程 模型运行需要大量表、图以及文件模型运行需要大量表、图以及文件 EPIC EPIC 模型模型 美国德克萨斯农工大学黑土地研究中心和美美国德克萨斯农工大学黑土地研究中心和美国农业部草地、土壤和水分研究所等研制国农业部草地、土壤和水分研究所等研制 EPICEPIC模型由气象模拟、水文学、侵蚀泥沙、模型由气象模拟、水文学、侵蚀泥沙、营养循环、农药残留、植物生长、土壤温度、营养循环、农药残留、植物生长、土壤温度、土壤耕作、经济效益和植物环境控制等模块土壤耕作、经济效益和植物环境控制等模块组成，含有组成，含有 300 300 多个数学方程多个数学方程56 模型基本结构模型基本结构
28、降雨径流模拟降雨径流模拟土壤侵蚀模拟土壤侵蚀模拟污染物迁移转化模拟污染物迁移转化模拟水质模型水质模型 非点源污染模型水质模型污染物迁移转化模型土壤侵蚀模型降雨径流模型 非点源污染模型基本结构非点源污染模型基本结构 57AGNPS 模型模型 概况概况基于方格框架组成的流域分布式事件模型基于方格框架组成的流域分布式事件模型由水文、侵蚀、沉积和化学传输四大模块组成由水文、侵蚀、沉积和化学传输四大模块组成 原理原理包括水文、侵蚀和化学物质迁移三个部分，其中营养物质包括水文、侵蚀和化学物质迁移三个部分，其中营养物质考虑引起水体污染的主要因子氮和磷考虑引起水体污染的主要因子氮和磷 以网格为基本运行单位，通
29、过网格间逐步演算的方法推算以网格为基本运行单位，通过网格间逐步演算的方法推算至流域出口至流域出口 AGNPSAGNPS模型输入参数包括流域总体特征值和单元级参数模型输入参数包括流域总体特征值和单元级参数 58AnnAGNPS 模型模型 概况概况一种连续模拟模型一种连续模拟模型 以日为基础连续模拟一个时段内每天及累计的径流、泥沙、养以日为基础连续模拟一个时段内每天及累计的径流、泥沙、养分、农药等输出结果，可用于评价流域内非点源污染长期影响分、农药等输出结果，可用于评价流域内非点源污染长期影响 按流域水文特征将流域划分为一定的分室，即按集水区来划分按流域水文特征将流域划分为一定的分室，即按集水区来
30、划分单元，使模型更符合实际单元，使模型更符合实际是是AGNPSAGNPS模型的升级应用模型的升级应用 原理原理采用采用SCS-CNSCS-CN径流曲线方程计算地表径流量，并按每日的耕作、径流曲线方程计算地表径流量，并按每日的耕作、土壤水分和作物情况，相应调整曲线数土壤水分和作物情况，相应调整曲线数 主要由数据输入和编辑模块（数据准备模块）、污染物负荷计主要由数据输入和编辑模块（数据准备模块）、污染物负荷计算模块、数据输出和显示模块（污染负荷输出）算模块、数据输出和显示模块（污染负荷输出）3 3部分组成部分组成 包括包括2323类参数，约类参数，约500500余个参数余个参数 59HSPF HS
31、PF 模型模型 概况概况美国国家环保局于美国国家环保局于19801980年研制年研制 可以自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、可以自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、植被、河流等数据进行非点源污染负荷的长时间连续模拟，并植被、河流等数据进行非点源污染负荷的长时间连续模拟，并把模拟结果与所存储的实测数据进行比较，以验证模型把模拟结果与所存储的实测数据进行比较，以验证模型 原理原理分为三个主模块和五个应用模块分为三个主模块和五个应用模块主模块主模块模拟透水地面的水量和水质过程（模拟透水地面的水量和水质过程（PERLNDPERLND模块）模块）模拟不透水地面的水量和水
32、质过程（模拟不透水地面的水量和水质过程（IMPLNDIMPLND模块）模块）模拟河流和混合型水库的水质过程（模拟河流和混合型水库的水质过程（RCHRESRCHRES模块）模块）应用模块分别可以复制文件，生成图表文件，显示表格，进行应用模块分别可以复制文件，生成图表文件，显示表格，进行频率、持续时间、变化范围分析和统计，转换时间系列的格式频率、持续时间、变化范围分析和统计，转换时间系列的格式 60SWAT SWAT 模型模型 概况概况由美国农业部（由美国农业部（USDAUSDA）的农业研究中心（）的农业研究中心（Agricultural Research Agricultural Researc
33、h ServiceService，ARSARS）Jeff ArnonldJeff Arnonld博士研发博士研发 采用日为时间连续计算，是基于采用日为时间连续计算，是基于GISGIS基础之上的分布式流域水文模型基础之上的分布式流域水文模型 最广泛应最广泛应用模型用模型加入估计径流洪峰流速的SCS径流曲线以及产沙MUSLE,与河道演算模型相融合田间尺度非点源污染模型考虑了气候、土壤和管理措施等因素的相互作用和EPIC模型的作物生长模块相结合，以d为时间步长SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.l、SWAT99.2、SWAT2000,SWAT200561 SWATSWAT（Soil a
34、nd Water Assessment ToolSoil and Water Assessment Tool）模型可用于预）模型可用于预测土地管理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理测土地管理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理措施的大面积复杂流域中径流、泥沙负荷及营养物质流失措施的大面积复杂流域中径流、泥沙负荷及营养物质流失的长期影响。的长期影响。隔水层隔水层降水降水(P)蒸散发蒸散发（Ea）入渗入渗 土壤含水量变化土壤含水量变化补给浅层地下水补给浅层地下水浅层地下水蒸发浅层地下水蒸发地表径流（地表径流（Qsurf）壤中流壤中流（Qlat）浅层含水层浅层含水层非饱和带非饱和带回归流回
35、归流（Qgw）SWAT SWAT 模型模型62SWAT主要特点主要特点物理概念模型物理概念模型输入参数简单输入参数简单计算效率高计算效率高可以对流域进可以对流域进行长期模拟行长期模拟63模型结构模型结构SWAT可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟，例如水循环和营养物迁移转化等。流域内泥沙、营养物的产生与迁移等都是建立在流域内水循环的基础之上。三大子模块水文过程子模型污染负荷子模型土壤腐蚀子模型64模型详细结构模型详细结构65SWATSWAT中陆面水循环表达式中陆面水循环表达式iigwlatseepaufdayoQQWEQRSWSW1srttSWoSWdayR表示土壤水最终含量mmH2Ouf
36、QsraEseepWlatQgwQ土壤水初始含量mmH2O表示第i天的降水量mmH2O表示第i天地表径流量mmH2O第i天蒸发量mmH2O第i天的下渗量mmH2O,第i天壤中流量mmH2O第i天的基流量mmH2O,66土壤侵蚀与泥沙输运模块土壤侵蚀与泥沙输运模块 在SWAT中，对由降雨及地表径流产生的流沙量的计算采用MUSLE（Modified version of universal soil loss equation），即改进通用土壤流失方程。改进了流沙产量预测的准确度，并且可以预测单次降雨事件中的产沙量CFRGLSPCKareaQsedhrupeq)q(8.1156.0sed为泥沙日产
37、量,ton；Q为表面径流量，mm/ha；qpeq为地表径流峰值流速，m3/s；areahru为水文响应单元面积（ha）；K为土壤侵蚀系数；C为作物经营管理系数；P为水土保持系数；LS为地形系数；GFRG为粗糙系数。67污染负荷子模型SWATSWAT模型能追踪流域内几种形式的氮和磷的迁移模型能追踪流域内几种形式的氮和磷的迁移和转化。营养物质通过地表径流和壤中流进入河和转化。营养物质通过地表径流和壤中流进入河道，并在河道中下游输移。道，并在河道中下游输移。68SWAT空间数据库数据种类1流域的数字高程流域的数字高程图图(DEM):(DEM):用来划分子流域和寻找出流路径。2土地利用类型土地利用类型
38、图图:主要用来计算植被生长、耗水和地表产汇流。3土壤类型图土壤类型图:用来计算壤中流和浅层地下水量。69模型文件组成模型文件组成输入输出输入输出控制文件控制文件运行控制运行控制流域参数流域参数气象数据气象数据模型自带模型自带数据库数据库子流域及子流域及HRUHRU参数文件参数文件输出文件输出文件70SWATSWAT模型界面模型界面Arcview中的中的SWAT模块模块SWAT操作界面操作界面ArcView 3.x AVSWAT200 x ArcGIS ArcSWAT200 x Map Window MWSWAT 71SWATSWAT模型应用示例模型应用示例界面平台：界面平台：ArcGIS 9.
39、2 ArcGIS 9.2 SWATSWAT版本：版本：ArcSWAT ArcSWAT 2.1.62.1.6参数自动率定软件：参数自动率定软件：SWAT-CUPSWAT-CUP利用利用SWATSWAT模型进行径流模拟模型进行径流模拟软件下载与安装软件下载与安装SWAT-CUPSWAT-CUP：http:/www.eawag.ch/forschung/siam/software/swathttp:/www.eawag.ch/forschung/siam/software/swat/index/indexArcSWATArcSWAT：http:/swatmodel.tamu.edu/http:/sw
40、atmodel.tamu.edu/72流域DEM、植被图、土壤类型图及土壤属性表、日降水、最高最低气温、太阳辐射、风速、空气相对湿度等气象数据、气候统计数据、观测径流、管理措施、水库、湿地等具体信息SWATSWAT模型应用示例模型应用示例数据处理数据处理模型输入数据集：模型输入数据集：模型输入数据处理：模型输入数据处理：植被类型采用SWAT的编码，制作植被类型检索表；土壤属性表按格式导入模型数据库的usersoil表中，同时制作土壤类型检索表；气象数据格式整理；气候统计数据按格式导入模型数据库的userwgn表中，制作气象站检索表73SWATSWAT模型应用示例模型应用示例模型参数提取模型参数
41、提取74SWATSWAT模型应用示例模型应用示例模型参数提取模型参数提取75子流域文件子流域文件HRUHRU参数文件参数文件SWATSWAT模型应用示例模型应用示例模型参数提取模型参数提取76020406080100Precipitation(mm)0100200300400500ObservedSimulatedPrecipitationYear1993199419951996Streamflow(mm)SWAT with default parameters初始参数初始参数模拟结果模拟结果与实测值相比：与实测值相比：峰值太高；峰值太高；基流略低。基流略低。SWATSWAT模型应用示例模型应
42、用示例模拟结果模拟结果77控控制制多多级级汇汇流流面面积积的的河河道道结结点点 查看模拟结果查看查看模拟结果查看output.rchoutput.rch文件文件SWATSWAT模型应用示例模型应用示例模拟结果提取模拟结果提取78 由于输入数据存在着不确定性，因此需要将输入数据的范围限定在合理由于输入数据存在着不确定性，因此需要将输入数据的范围限定在合理范围内，对参数进行率定。模型的参数率定过程，一般是指通过让参数取值范围内，对参数进行率定。模型的参数率定过程，一般是指通过让参数取值适合当前流域具体情况，使模型的模拟输出值与实际观测值之间达到最小的适合当前流域具体情况，使模型的模拟输出值与实际观
43、测值之间达到最小的误差。该过程通常是进行水文模拟时所需经历的重要环节。参数率定可以根误差。该过程通常是进行水文模拟时所需经历的重要环节。参数率定可以根据经验知识手工进行，也可基于一定的数学方法通过计算机自动进行。据经验知识手工进行，也可基于一定的数学方法通过计算机自动进行。SWATSWAT模型应用示例模型应用示例参数率定参数率定序号序号参数名称参数名称参数含义参数含义1CN2初始初始CN2值值2ESCO土壤蒸发深度调节因子土壤蒸发深度调节因子3EPCO植被蒸腾吸水调节因子植被蒸腾吸水调节因子4OV_N坡面漫流的曼宁系数坡面漫流的曼宁系数5LAT_TTIME壤中流运行时间（天）壤中流运行时间（天
44、）6SLSOIL壤中流坡长（壤中流坡长（m）7ALPHA_BF基流消退系数基流消退系数8GW_DELAY地下水滞后时间（天）地下水滞后时间（天）9GWQMN基流产生的水位阈值（基流产生的水位阈值（mm）10GW_REVAP地下水上行补给系数地下水上行补给系数11REVAPMN发生上行补给的水位阈值（发生上行补给的水位阈值（mm）12RCHRG_DP深层地下水补给系数深层地下水补给系数13SHALLST浅含水层初始水深（浅含水层初始水深（mm）79参数敏感性分析参数敏感性分析21/121/1YYYIXXXSensitivity analysis studies the“sensitivity”o
45、f the output of a system to changes in the parameters,input variables or initial conditionsSWATSWAT模型应用示例模型应用示例参数敏感性分析参数敏感性分析80通过参数敏感性分析，选择敏感参数通过参数敏感性分析，选择敏感参数参数默认值范围调整后的参数CN2D*(0.81.2)D*0.81 D*ESCO0.950.0110.40SMTMP0.5-553.9ALPHA_BF0.048010.041GWQMN0.00500040.2RCHRG_DP0.05010.29CH_K20.00150115.2D D
46、*为模型默认参数值，随为模型默认参数值，随HRUHRU不同而不同。不同而不同。SWATSWAT模型应用示例模型应用示例参数率定参数率定81YearStreamflow(mm)05101520ObservedSimulated1993199419951996采用所需的目标方程（总径流量、径流序列吻合度等），对模型参数进行自采用所需的目标方程（总径流量、径流序列吻合度等），对模型参数进行自动率定动率定SWATSWAT模型应用示例模型应用示例参数率定参数率定82 定义定义情景分析法是一种将预测主题与环境变化有机结合起来的定性与定量情景分析法是一种将预测主题与环境变化有机结合起来的定性与定量相结合的预
47、测方法，在充分考虑外部环境变化对事件影响的基础上，相结合的预测方法，在充分考虑外部环境变化对事件影响的基础上，通过对环境的研究，识别出影响事件发展的外部因素，然后详尽分析通过对环境的研究，识别出影响事件发展的外部因素，然后详尽分析在环境因素影响下事件的未来可能状态及各种状态出现的条件、途径，在环境因素影响下事件的未来可能状态及各种状态出现的条件、途径，并提出适应各种状态的对策并提出适应各种状态的对策 优点优点（1 1）通过情景分析法及时预见经济事件未来发展中的瓶颈及问题，）通过情景分析法及时预见经济事件未来发展中的瓶颈及问题，有利于决策者预先采取防范性措施减弱或消除其影响有利于决策者预先采取防
48、范性措施减弱或消除其影响（2 2）使决策者及早预见经济事件的未来发展机会）使决策者及早预见经济事件的未来发展机会（3 3）对未来可能出现突发事件的影响作出迅速而灵活的反应）对未来可能出现突发事件的影响作出迅速而灵活的反应（4 4）了解环境因素的相互关系及经济事件的作用机制，以便更好地）了解环境因素的相互关系及经济事件的作用机制，以便更好地适应环境的变化适应环境的变化（5 5）使决策者掌握决策的风险程度）使决策者掌握决策的风险程度 SWATSWAT模型应用模型应用83现状美好的前景暗淡的前景政策选择冲突不确定因素历史经验驱动力 过去现在未来情景分析的基本概念情景分析的基本概念 SWATSWAT模
49、型应用模型应用84非点源污染产生和迁移转化影响因素分析找出关键因子和指标构建情景模型模拟关键因子的影响分析参考国内外研究情景构建方法情景分析与模拟的一般程序情景分析与模拟的一般程序 关键因子种类关键因子种类 （1 1）自然因子）自然因子 （2 2）土壤性状况）土壤性状况地形地形 地表植被状况地表植被状况,社会因子社会因子降雨降雨 土地利用状况土地利用状况 管理因素管理因素（3 3）其他）其他数字高程模型（数字高程模型（DEMDEM）的分辨率）的分辨率流域内降雨的不均匀性流域内降雨的不均匀性模拟计算中亚流域的划分模拟计算中亚流域的划分 SWATSWAT模型应用模型应用情景分析程序情景分析程序85
50、8687源汇迁移过程理念、技术支撑、解决方案88农业面源对水环境造成的污染类型主要有两个方面，一为营养型污染物污染，二为毒害型污染物污染。营养型污染主要为农田、养殖、堆肥、村镇生活过程中的N、P等营养元素的流失产生的污染，毒害型污染主要为农业生产过程中使用的农药及化肥中重金的流失等。营养型污染营养型污染毒害型污染毒害型污染89源汇迁移过程化肥面源化肥面源缓释肥料技术添加剂肥效调整技术改进化肥施用技术水土保持技术生态沟渠阻控技术迁移过程净化技术工程措施生物措施90缓释肥料以缓释氮肥为主！91 氮素化肥由于利用率较低，而且容易污染环境，根本原因就是其水溶性强，肥效发生快，与作物吸收速率不同步。因此
