基于基于SWAT模型的青山湖流域氮污染现状及特征分析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研究研究背景背景l太湖面临着严重的氮污染问题太湖面临着严重的氮污染问题 NH 3 -N量年均值0.180.55 mg/L，TN量年均值1.712.79 mg/Ll流域是湖泊之源，湖泊是流域之汇流域是湖泊之源，湖泊是流域之汇流域是湖泊治理的关键区域l青山湖流域所在的苕溪是太湖最大入湖河流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。l青山湖氮污染严重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。2l苕溪流域的非点源研究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。l以往研究的局限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。l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。研究研究背景及目标背景及目标3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分析流域氮素污染现状；分析流域氮素污染的时空分布特征；探讨分析氮素流失的影响因素；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日监测点分布监测点分布（76）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5青山湖流域氮污染现状青山湖流域氮污染现状l污染处理设施尚需完善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。l农田化肥流失农田化肥流失 流域农田化肥施用量较高，如经济林山核桃施肥量高达1500 kgN/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。l溪流氮污染严重复杂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。6NH3-N采样点TN采样点采样点NH3-NTN采样点采样点NH3-NTN采样点采样点NH3-NTN采样点采样点NH3-N采样点采样点TN浪口溪南溪南苕溪锦溪横溪灵溪NH3-N采样点采样点TN青山湖子流域氮污染现状青山湖子流域氮污染现状7统计关系统计关系：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发展发展瓶颈瓶颈：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(Soil and Water Assessment Tool)、BASINS 、AnnAGNPS模型量化研究发展模型量化研究发展81984Williams,J.R.,C.A.Jones,andP.T.DykeAmodelingapproachtodeterminingtherelationshipbetweenerosionandsoilproductivity1987 Arnold, J.G. and J.R. Williams Validation of SWRRB- Simulator for water resources in rural basins 1995 Arnold, J.G., J.R. Williams, and D.A. Maidment Continuous-time water and sediment-routing model for large basins SWAT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模型氮污染模型氮污染研究现状研究现状l国外研究国外研究l氮素模拟的适用性氮素模拟的适用性 Saleh A., Arnold J. G., Gassman P. W. Application of swat for the Upper North Bosque River Watershed J. TRANSACTIONS OF THE ASAE. 2000, 43(5): 1077-1087.l探讨探讨氮流失氮流失影响因素影响因素 Frederick A., Emmanuel K. Y., et al. Effect of Nutrient Management Planning on Crop Yield, Nitrate Leaching and Sediment Loading in Thomas Brook Watershed J. Environmental Management. 2013, 52: 1177-1191. Daniel N. M., Prasanna H. G., ,et al. Modeling the impact of nitrogen fertilizer application and tile drain configuration on nitrate leaching using SWAT J. Agricultural Water Management. 2013, 130: 36-43.lSWAT在中国运用实践在中国运用实践 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。l流域的氮负荷流域的氮负荷 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。l流域氮素流失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。10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模型所需数据模型所需数据11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构建流域基础信息数据库DEM土壤土壤植被植被气象气象DEM土壤土壤植被植被气象气象亚流域划分亚流域划分来源：国际科学数据服务平台来源：国际科学数据服务平台 来源：临安土壤志来源：临安土壤志来源：地球系统科学数据共享网来源：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构建氮污染管理数据库面源输入量NH3-N有机氮t13SWAT模型原理模块模型原理模块SWATSWAT模型水文结构模型水文结构模型水文结构模型水文结构非点源污染模块非点源污染模块非点源污染模块非点源污染模块湖泊、水库水质模块湖泊、水库水质模块湖泊、水库水质模块湖泊、水库水质模块河道水质模块河道水质模块河道水质模块河道水质模块14Nrain = 0.01RNO3Rday 土壤初始氮土壤初始氮土壤初始氮土壤初始氮腐殖质有机氮 初始硝酸氮 新有机氮 orgNfrsh,surf=0.0015rsdsurf 矿化作用、分解作用矿化作用、分解作用矿化作用、分解作用矿化作用、分解作用/ / / /固氮作用固氮作用固氮作用固氮作用腐殖质矿化作物残余的分解和矿化Nminf,ly = 0.8 ntr,lyorgNfrsh,ly硝化作用和氨挥发硝化作用和氨挥发硝化作用和氨挥发硝化作用和氨挥发 挥发硝化如果sw,ly 0.95，则反硝化作用反硝化作用反硝化作用反硝化作用如果sw,ly 0.95，则Ndenit,ly =0.0 Ndenit,ly = NO3ly(1-exp-1.4tmp,lyorgCly)降雨中的氮降雨中的氮降雨中的氮降雨中的氮SWAT氮污染模拟原理氮污染模拟原理氮素的土壤循环氮素的土壤循环氮素的土壤循环氮素的土壤循环15R2=0.87 Ens=0.78日率定日率定R2=0.82 Ens=0.71模型评价指标模型评价指标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。径径流流率率定定月率定月率定1617182005-2011年年19研究内容研究内容解析流域氮源解析流域氮源情景分析情景分析流域氮污染现状流域氮污染现状水系氮入湖量水系氮入湖量土壤系统氮平衡土壤系统氮平衡时空分布特征时空分布特征时间分布特征时间分布特征空间分布特征空间分布特征分析影响因素分析影响因素探讨影响机制探讨影响机制流域土壤系统氮负荷平衡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2005-20112005-2011年年氮利用率29.3%，流失率26.0%20主要溪流氮素入湖量主要溪流氮素入湖量2005-20112005-2011年年t21流域氮源解析流域氮源解析氮输入量氮输出量TN浓度流域出口流域出口TN: 3.03mg/L（生活污水、蓄禽养殖）2005-20112005-2011年年ttmg/L（生活污水、蓄禽养殖）（生活污水、蓄禽养殖）22情景分析情景分析情景分析设计情景情景1：农田化肥消减30%；情景情景2：农田化肥消减50%；情景情景3：农田化肥消减50%+点源消减50%； 情景情景4：人为面源削减50%；情景情景5：点、人为面源共同消减50%；氮素输出量tmg/L流域出口TN浓度0.480.2223242005-2011年年研究内容研究内容解析流域氮源解析流域氮源情景分析情景分析流域氮污染现状流域氮污染现状水系氮入湖量水系氮入湖量土壤系统氮平衡土壤系统氮平衡时空分布特征时空分布特征时间分布特征时间分布特征空间分布特征空间分布特征分析影响因素分析影响因素探讨影响机制探讨影响机制24年际分布特征年际分布特征时间分布特征分析时间分布特征分析tmm25季节分布特征季节分布特征时间分布特征分析时间分布特征分析2005-20112005-2011年年26日分布特征施肥有机氮NO3-NTN径流0.9440.4850.703相关系数27肥料种类对流域氮素支出的影响肥料种类对流域氮素支出的影响t28农田自然林土壤物理组成土壤有机质硝态氮流失kg/hm2%空间分布特征分析空间分布特征分析硝氮流失空间分布292005-20112005-2011年年29农田自然林硝态氮不同途径流失kg/hm2空间分布特征分析空间分布特征分析2005-20112005-2011年年硝氮3种流失途径的空间分布30主要结论主要结论u青山湖流域氮污染严重，污染来源复杂。流域氮年均投入量6754吨，氮利用率29.3%，流失率26.0%。流域出口TN浓度3.03mg/L，自然因素（背景值、湿沉降）的贡献为0.93mg/L，人为因素贡献了2.10mg/L。情景分析表明同时消减点、面氮源的50%，流域TN浓度可降至1.87mg/L。u建立了青山湖流域氮污染完整数据库。u建立了青山湖流域氮模拟的SWAT 模型。利用水文、氮实测资料率定模型，径流的月、日模拟在率定期和验证期，R2都高于0.8，Ens都大于0.55，在氮日率定的R2都高于0.8， Ens都大于0.6。u流域硝氮流失量年际分布稳定，多集中在7-9月，日分布与降雨量明显正相关。降雨是氮流失的动力，降雨强度是降雨影响氮流失的主要因素；施肥对氮流失的影响体现在施肥时间，在施肥后10天内是氮流失的高危险期，期间第一次降雨会产生流失高峰，当降雨量小于10mm时，流失量大幅度减少，这种影响还体现在肥料种类上，配施有机肥的综合效果最好。u流域硝氮流失量6-50kg/hm2，中部流失水平较高。研究发现，土地利用是影响氮流失分布主要因素，农田的氮流失远高于自然林；土壤的物理组成是土壤类型影响氮流失的根本原因，不同土壤的流失量高低依次是：岩性土红壤水稻土黄壤。u硝态氮3种流失途径空间分布呈现出不同特征。土地利用的影响较大，农田和城镇主要通过坡面流流失，自然林的流失比例相当；土壤类型也是重要因素，沙含量越高，基流的氮流失比例越高。31致 谢感谢导师张海平以及各位老师和同学给予的支持和帮助！感谢导师张海平以及各位老师和同学给予的支持和帮助！感谢各位专家评委在百忙之中参加论文答辩！感谢各位专家评委在百忙之中参加论文答辩！恳请大家批评指正！恳请大家批评指正！32