利用A G N P S 模型模拟小流域 退耕还林( 草) 分析马志尊李子轩( 水利部海河水利委员会，天津河东，3 0 0 0 7 1 )灞黪漂A G N P S 模型是由美国农业部土壤保持局和明尼苏达州污染控制局共同开发的，评价和预测小流域农业非点源污染发生的计算机模型，是面向事件的分布式参数模型。采用该模型，根据密云水库上游土门西沟小流域的实际情况，确定并拟合了模型运行参数。选用1 9 9 7 年7 月3 1 日的一次降雨数据，通过调整流域内几种主要用地类型比例，得到不同土地利用结构下非点源污染情况。 瀵麟A G N P S 模型非点源污染土壤侵蚀径流产沙量退耕还林( 草) 工程是一个系统工程，比“天然林保护”和“生态建设”工程更具有复杂性、多样性和反弹性。因此，在实施这项工程时，必须统一规划、因地制宜。笔者应用A G N P S 模型对土门西沟小流域退耕还林( 草) 过程进行模拟，计算不同情况下，对非点源污染产生的影响，从而为流域侵蚀控制、生态规划提供数据基础。1 研究小流域概况土门西沟小流域大致位于北纬4 0 。4 07 、东经116 。2 07 左右，地处密云水库以东5 k m 范围内，面积为3 2 k m 2 。海拔大致为2 4 2 7 8 1 4 m 。小流域为圆叶形封闭流 域，这种近似圆形的流域容易形成较高的洪峰流量。流域背靠陡峭的四棱山，开口向东，海拔4 0 0 m 以上多为自云岩，其他部位为片麻岩、花岗岩，土壤以山地淋溶褐土为主，坡地土质为壤质和石砾质，沟谷阶地则为壤质和沙质土，土壤肥力较差。坡地土层厚度一般较薄，多为2 0 3 0 c m ，但土层以下强风化岩层较厚，可供手工开挖。植被覆盖率为4 0 7 ，海拔5 0 0 m 以上的地方，除基岩裸露的地方和土层较薄的陡坡以外，阴坡基本为阔叶次生林、乔灌混交林、草灌坡地，阳坡则多为侧柏、灌木疏林地、草灌地。海拔5 0 0 m 以下的地带则为人工油松林、侧柏、刺槐、山杏山地果园( 板栗) 为主，少数荒山地大部分为草灌所覆盖。草灌类型，阳坡主要为荆条、酸枣、鼠李、箭草、自草，阴坡主要为绣线菊、胡枝子、羊胡子草等。流域农地为9 0 7 6 7h m 2 ，占总面积的6 5 ；林地( 包括油松、刺槐、侧柏、杨树、天然棘等) 为1 2 6 4 8 h m 2 ，占总面积的3 9 5 ；果地( 干果和鲜果) 8 6 2 3 h m 2 ，占总面积的2 6 9 。 作者简介马志尊( 1 9 6 2 一) ，男，学士学位，教高，主要从事流域水土保持管理工作。10 8一、研究与探讨黍黼2A G N P S 模型介绍2 1 模型的基本模块A G N P S 模型是由美国农业部( U S D A ) 土壤保持局( S o i lC o n s e r v a t i o nS e r v i c e ) 和明尼苏达州污染控制局( M i n n e s o t aP o l l u t i o nC o n t r o lA g e n c y ) 共同研制开发的面向事件的分布式参数模型，适用于估算1 2 0 0 0 0 h m 2 面积范围内流域生态系统的农业非点源污染，能为污染控制提供有效的决策支持，为制定流域侵蚀控制规划提供有价值的参考。模型由水文、侵蚀、泥沙和化学物质迁移四大模块组成。水文模块中采用径流曲线值( S C Scurven u m b e r ) 方法计算径流总量。模型假定河道 断面为三角形，使用C R E A M S ( C h e m i c a lR u n o f fa n dE r o s i o nf r o mA g r i c u l t u r a lM a n a g e m e n tS y s t e m ) 的模式( K n i s e lWG ，1 9 8 0 ) 来估算峰值流量。土壤侵蚀模块使用修正的通用土壤流失方程( M U L S E ) 来计算流域土壤侵蚀量。泥沙传输模块采用稳态的连续性方程模拟流失土壤在流域中的传输情况，并计算流域的最终泥沙输出量。化学污染物传输模块，对吸附态化学污染物通过泥沙量和泥沙对污染物的富集系数计算；对溶解态污染物，通过径流量和径流对污染物的溶解系数计算。模型使用时需将待研究的流域划分为单元网格，网格内各点的水文条件要尽可能相同。如果单元内情况比较复杂，还可将此单元进一步划分为子单元。模型最初计算包括所有起始单元内对高地侵蚀的估计、地表径流、汇流时间、泥沙量、可溶性污染物水平，然后计算流出起始单元的地表径流量和泥沙量，最后完成流经整个流域的地表径流、泥沙量和营养物质。模型模拟每一个单元的径流特征、泥沙、养分物质和需氧化合物的输移过程进行，直至流域出口。2 2 模型的输入与输出2 1 1 输入参数A G N P S 模型的输入包括流域输入和单元输入两部分，其中流域输入五个参数，每单元输入2 4 个参数。( 1 ) 流域输入：I 流域名称、单元面 积、单元总数、降雨量P 、V 降雨动能E j 3 0 。( 2 ) 单元输入：1A 单元编号、2B 单元分区、3C 接收某单元排水的单元号、4D 接收排水单元分区、5ES C S 曲线值、6F 地形坡度( ) 、7G 坡形系数、8H 坡长、9I 河道或单元内主排水道坡度( ) 、1 0J 河道或单元内主排水道边坡( ) 、1 1K 满宁糙率系数、1 2LM U L S E 中土壤可蚀性因子、1 3MM U L S E 中覆盖因子C 、1 4NM U L S E 中土壤保持因子P 、1 5 0 地表状况常数、1 6P 坡向、1 7Q 土壤质地、10 9表1 流域或任一单元的输出输出类型输出量径流量( 2 5 4 c m )洪峰流量( 0 0 2 8 3 m 3 I s )泥沙输出 泥沙量( t )坡地侵蚀( 2 4 7 1 1 t h m 2 )泥沙吸附总氮( 1 1 2 0 9 k g h m 2 )氮可溶性总氮( 1 1 2 0 9 k g h m 2 )可溶性氮浓度( 1 0 “)化学元素泥沙吸附总磷( 1 1 2 0 9 k g h m 2 )输出磷可溶性总磷( 1 1 2 0 9 k g h m 2 )可溶性磷浓度( 1 0 “)需氧化总量( 1 1 2 0 9 k g h m 2 )合物浓度( 1 0 “)霪鹱中国水土保持探索与实践1 8R 肥力状况、1 9S 残余肥力因子( ) 、2 0T 点源标识、2 1U 沟蚀水平、2 2V 需氧化合物因子( C O D f a c t o r ) 、2 3W 蓄水因子、2 4X 河道标识。2 2 2 模型输出当流域的输入参数给定，模型可提供流域出口断面或其中任一单元的径流、泥沙和养分物质输出结果，具体情况见表1 。3 模型参数确定3 1流域参数的确定本研究应用A G N P S 模型，在土门西沟流域的野外实测资料数据的基础上进行模拟。先将流域栅格化为8 1 个地块单元( c e l l ) ，每一单元所代表的流域面积为4 O h m 2 ，如图1所示。由于A G N P S 模型主要适用于暴雨、大暴雨，根据已有的该小流域的实测数据资料，选用1 9 9 7 年7 月3 1 日的降雨事件作为模型应用和参数拟合检验的输入，降雨及径流资料见表2 。表2 土门西沟小流域降雨、径流量统计降雨场次降雨量( m m )1 3 0 ( m m m i n )径流量( r a m )洪峰流量( m 3 s )1 9 9 7 0 7 3 11 4 0 8 51 2 95 9 3 81 9 8 5 7注：降雨动能计算公式：E = 1 1 9 + 8 7 3 1 0 9 l o l ( 国际制) 。3 2 单元参数的确定单元参数则主要根据实地调查和观测资料，依据模型参数确定原则确定，输入模型进行模拟，通过模拟值和实测值的比较，对参数进行拟合和校正，以期使模型参数的取值在允许的数值范围内符合本地区的自然条件。模拟过程中流域内部径流经过汇集，经由第5 0 个单元输出，此单元即流域的出口( o u t l e t ) ，如图l 所示，图中箭头所示为水文网分布及径流方向。4 对流域退耕还林( 草) 进行模拟通过单元参数拟合表明研究流域现有四类属性用地：林地3 8 、耕地3 6 、草地2 0 、还有6 其他固定用地。由于非点源污染分布范围广，影响因子复杂多样，本研究须在比较理想化的状况下进行。因此，应用模型进行模拟时，先做如下假设：忽略地形因子对r -、6 2 、， 5 l- 4 o -7 3 一“ 6 37 4 一6 垂：5 24 1、3o 2 1 、 7 5 -喝昏- 5 3 “ 4 23 1 2 2鞫7 6 6 6 5 44 3、- ) 5 。3 22 37 7 一：6 7、T窖4T 8 、5 54 4 - 3 31 5TTf - 51 6 一卜9、4 1、17 8 ，。6 85 64 53 4 。 l7 96 9 一“ 5 7、4 b 嵋52 b 。- 1 71 01 ，5 一P8 0 一7 05 8砧3 62 7 。1 8 d f一6 - 3TT卜& 83 - 扫T8 1 一7 1 -飞矿1 9 一 1 2 一j ， 咚6 0一3 82 9 -拶 L、延斟；J图1 土门西沟流域栅格圈和径流方向非点源污染的影响；林地的覆盖因子均取覆盖率为7 0 ，乔灌混交型，草地覆盖因子取覆盖率为7 5 ；林地和草地的比例可以调节到0 ，耕地除去6 不可变动用地( 此6 的耕地位于沟底居民点周边2 0 0 3 0 0 m 内，一般不用来植树造林、种草) 后，以5 ( 1 6 h m 2 ) 的比例递增。在现状数据的基础上，以5 的比例进行退耕还林( 草) 。林地从0 一直增加至6 8 ，随着林地的增加，耕地作相应减少，从3 6 一直下降至6 。草地从0 一直增加至5 0 ，1 10一、研究与探讨ooH b -甘ooo0H 卜叫ooo卜叫oo寸o ooo卜0 0础oo oo 一0卜甘8o 一 卜o0 0刊ooooo ooH呐 卜卜 o o寸lo oo 0H 卜刊oooo卜刊ooooH 卜oo一装一 一一b凹2oV墨b 口奄2一HgV嚣巨g 暑基面VV姗v目V衄l糕佘gg腻腻髓樾髅越蹈矮赠V 鲫确艇躏珀矮霉簿茁蕾橱确莲樾如如锦 篁篷餐簧避避嫠腻 蝥趟曹骊瓣醒蹬鹫餐封 越豁靛趟靛 珏曹艇氯詹赠窟赠榷挺账姗丑辩酬辎褂亚豢嘲姑蝈寸琳Nooo卜o oNoH卜十oooNoooHo 0十N、十o。 一oo oo一 o一一一面2。一2b o瓷2最衄lggv、一棚越愈 型趱艇赋 艇霉霎丑 樾缸如辨垫冀篁鹫X凹赵醛宙 商骊婶堪Vg飞目鼬Vg嚣gV球o、一 删确憾丑螂 瑗盔躜爱确舞梃 鹫毯越螺袈 赋 籁愈瓣翅餐繁矗斑叁 磐窟熙栏帷眯姗习舞酬辎羹躞寨嘴姑斓n帐德壤中国水土保持探索与实践随着草地的增加，耕地作相应减少，从3 6 一直下降至6 。将各种土地利用结构对应的单元参数，通过拟合输入模型，运算结果见表3 、表4 。 5 结论通过应用A G N P S 模型对退耕还林( 草) 的模拟表明，非点源污染物的负荷量与流域内土地利用结构密切相关。在图们西沟小流域主要表现在：( 1 ) 农耕地所占比例越高，流域输出的非点源污染物负荷量越大。林木在控制流域非点源污染中具有很好的作用，林地所占比例越大，非点源污染物负荷量越少。( 2 ) 退耕还草对本流域非点源污染的控制也有一定作用，但不及退耕还林有效。如模拟过程中同样增加5 ( 1 6 h m 2 ) 的林地或草地面积减少的产沙量前者比后者多1 3 t 。( 3 ) 非点源污染物总量的变化跟流域