不同降雨条件下非点源污染氮负荷入河系数研究资料下载.pdf

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土地利用；

入河系数；

黑河流域文章编号：

0253-2468（2006）03039206中图分类号：

X522文献标识码：

AThestudyoftheratelossofnitrogenousnonpointsourcepollutionloadsindifferentprecipitationlevelsCHENGHongguang，HAOFanghua，RENXiyan，YANGShengtian一，XIONGWen，LEIShaoping1SchoolofEnvironment，BeringNormalUniversity，StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation，Beijing1008752TheWaterResourcesProtectionScientificResearchInstituteoftheYangtzeRiver，Wuhan430051Received12November2004；

receivedinrevisedform17December2005；

accepted31December2005Abstract：

ASWATmodelwascalibratedusingdatafromrunoff，sedimentandnitrogenpollutionin1998intheHeihefiverbasinTheconceptionofratelossinthewatershed（RL）fornon-pointSOUrcepollutionloadswaspresented，andtheRLsoffarmland，town，grass，bushandforestwerecalculatedunderdifferentprecipitationlevelsThecomparativestudyoftheRLsofNpollutionwhichwascalculatedbytwomethods（theSWATmodelandtheexportcoefficientmethod）wasalsoshown；

thecorrelationnumberswereupto09（thesignificancelevelis0005）Intheend，itwasdemonstratedthatthedifferentadsorptiveNRLsfordifferentlandusesindescendingorderwerethatfarmland，town，grass，bushandforestThedescendingorderofdissolvedNRLswereshownasfarmland，grass，bush，forestandtownKeywords：

nonpointsourcepollution；

landuse；

lostrate；

Heihefiverbasin1引言（Introduction）非点源污染包括2个过程，首先是非点源污染负荷的坡面产生一输移过程，即累积在流域地表的污染物受到降水的冲刷作用，随着径流的形成和泥沙的输移在陆地坡面产生污染负荷，并随径流与泥沙的输移在流域内增加和衰减，最终到达河道；

第二个过程是指非点源污染物在河道内的迁移转化过程（Srinivasaneta1，1994；

Williameta1，2001）随着点源污染控制技术的逐步完善和成熟，对非点源污染的研究13益得到重视从20世纪70年代开始，对非点源污染调查（钱秀红等，2002）、非点源污染模型机理（李怀恩等，1996，1997；

薛金凤等，2002；

胡雪涛等，2002）、非点源污染负荷模拟基金项目：

国家自然科学基金项目（No40471127）SupportedbytheNationalNaturalScienceFundationofChina（No41471127）作者简介：

程红光（1971-），男，副教授（博士）E-mail：

chgbnueducn；

通讯作者（责任作者），E-mall：

yangshengtianbnueducnBiography：

CHENGHongguang（197l一），male，associateProfessor（PhD），E-mail：

Correspondingauthor，E-mailyangshengtianbnueducn维普资讯http:

/3期程红光等：

不同降雨条件下非点源污染氮负荷入河系数研究393（Srinivasaneta1，1998；

史志华等，2002）、非点源污染负荷计算影响因素（张兴昌等，2000；

郝芳华，2003）、非点源污染管理与削减措施等方面（陈利顶等，2000；

任希岩，2004）的研究均取得了大量成果然而，已有研究对于非点源污染过程中各个阶段的变化关系缺乏深入的探讨，往往将整个非点源污染过程看成是一个灰箱，构建污染负荷模型这是由于当将非点源污染的2个过程加以区别后，对单个过程进行流域观测或实地监测的困难很大事实上，非点源污染与流域的产流与汇流2个过程密切相关，将非点源污染过程加以区分，即分为产污过程和入河过程，不仅能够提高模型的计算精度，同时亦有利于针对不同过程采取相应的控制措施（Behrendt，1999）入河系数是描述入河过程的重要参数本文所讨论的入河系数（见图1），是指累积在流域坡面的污染物为降雨冲刷形成的污染负荷，随流域汇流过程进入主河道的比率，其计算见公式

（1）A=Lsub

（1）式中，A为人河系数；

L为子流域出口非点源污染物负荷量；

s。

为子流域坡面产生非点源污染负荷量作者拟通过分析非点源污染的坡面负荷与河道负荷的关系，探索非点源污染的入河规律；

研究在不流图1流域污染物输移示意图（工。

为子流域出口非点源污染物负荷量；

s为子流域坡面产生的非点源污染负荷量）Fig1theschematicmapofthepollutanttransferinwatershed（Larethequantitiesofpollutantloadatoutletofthewatershed；

S。

arethequantitiesofpollutantloadcomingfromslopeofthewatershed）同土地利用类型和降水等影响因素变化的条件下，坡面单位污染负荷的变化；

试图在分布式计算的基础上进行集总式处理，建立入河系数的计算方法，并对各影响因素对入河系数的作用规律进行分析2研究方法（Methods）鉴于流域情况复杂、实验数据缺乏，以及污染物迁移影响因素众多、各种因素的影响机理尚未探明等原因，常常采用非点源污染负荷模型模拟的方法进行非点源污染研究国内外的已有研究表明，非点源污染负荷模型在参数率定及结果校准后，其计算精度能够满足要求（李怀恩等，1997；

薛金凤等，2002；

胡雪涛等，2002；

Srinivasaneta1，1998；

史志华等，2002）因此，作者在已有非点源污染负荷模型模拟计算的基础上，改进了流域输出系数法（蔡明等，2004），用以计算流域产污入河系数，并对不同方法计算的结果进行了对比与验证21流域入河系数计算方法ISWAT模型计算法SWAT模型对于流域出口污染物的计算分为坡面输移计算和河道输移计算（Neitscheta1，2001）从降雨将累积在地表的污染物冲刷出来形成污染负荷（即产污）开始，污染物首先在坡面上随径流进行输移、汇合和衰减，尔后汇入河道内随径流迁移转化，整个过程十分复杂SWAT模型将流域污染物从坡面产污直到亚流域出口整个过程看作是一个“黑箱”，对不同的“黑箱”计算入河系数但不同的“黑箱”（即亚流域）所计算得到的入河系数实质上是该亚流域的平均入河系数距亚流域出口不同位置的空间点，其入河系数应有差异为反映这种差异，需要进行空间插值，可以选用Kriging法求得亚流域每个点的入河系数Kriging函数的表达形式一般为（Matheron，1963）：

Z（s）=+（s）

（2）式中，s为空间位置，可以认为是经纬度表示的空间坐标；

Z（s）为s处的变量值，即为所处位置的人河系数A；

为确定趋势值，即模型所计算的平均人河系数A，；

（s）为自相关随机误差22流域入河系数法一输出系数法输出系数法的特点在于其能够利用土地利用状况等资料，来估算流域输出的非点源污染负荷，是一种集总式的简便非点源污染负荷估算方法（Johnes，1996）蔡明等人在考虑降雨因素等因素维普资讯http:

/394环境科学学报26卷影响后，对输出系数法进行了改进（蔡明等，2004）：

L=AS。

（3）M=alP（5）M：

a2P：

（6）A-南7）式中，为流域出口的非点源污染负荷量；

Js为流域坡面非点源污染源强；

or为降雨径流影响系数；

为第i年流域非点源污染负荷量；

为多年流域非点源污染负荷量；

。

、a、b。

、b为待定系数，是降雨径流非点源污染负荷计算系数；

P为第i年降雨量；

P为多年平均年降雨量；

A为流域污染负荷入河系数；

q。

为P年径流模数（t3m3km一2a）；

c、d为人河流失系数的计算系数当无径流模数可查时，可利用经验公式计算（蔡明等，2004）：

q：

k。

lnk2P：

（8）式中，k。

、k、k，为计算常数3资料与数据（Data）研究区域为黄河源头地区黑河流域，地处四川省北部，隶属红原和若尔盖两县行政辖处，东南为长江水系大渡河流域；

境内平均海拔3450II1左右，山体相对高度多在300m以内，属于丘状高原与宽浅谷地相间的地形，地势高亢开阔土壤以寒毡土、潮土、潜育土、泥炭土（主要集中在积水沼泽洼地区域）为主，有少量的灰棕壤和灰褐土气候为大陆性高原寒温带季风气候，主要特征是：

寒冷，四季难以明显划分，春秋短促，长冬无夏，热量低；

干雨季节分明，雨热同季；

日照长，太阳辐射强烈；

灾害性天气多年均温0612C，7月平均气温10C左右，1月平均气温一1O左右，年降水量650750mm，80降雨集中在510月，年平均相对湿度6070，湿润系数126193区域主要植被是亚高山草甸和高寒沼泽草甸，若尔盖西部为著名的高寒沼泽草地，近几十年来由于人工疏浚和自然的因素，沼泽多已变干，在唐克、辖曼一线的黄河古河道地段许多地段已成为沙丘本区经济以畜牧业为主，主要畜种为牦牛、藏绵羊近年来由于人口增加，牲畜数量增长迅速，出现草地退化、沙化严重问题，影响了当地的生态环境畜牧业发展带来的大量非点源污染物，将影响黄河上游水质，因此，本研究流域非点源污染的产生机理和过程，对黄河上游水质保护具有重要意义SWAT模型需要输入的数据包括了区域土壤调查资料（第二次全国土壤普查），区域土地利用类型分布图（1：

1000000，1999年），区域点源调查资料（1998年），气象资料（5个气象站19852001年的常规气象资料），区域DEM（1：

250000，1995年），区域河道水文资料（大水水文站19931999年），河道水质资料（大水断面19981999年），见表1表1模型主要输入数据Table1theinputoftheSWATmodel4结果（Results41SWAT模型的计算结果作物管理因子、坡长与坡度等微观影响因子，对模在选择的试验小区内，利用河流断面水质监测型进行参数率定和校准关于模型的校准，作者已1土壤资料来自中国土壤普查；

土地利用类型分布图通过ETM影像解译；

点源调查资料、河道水文与水质资料均来自黄河水利委员会；

气象资料来自于国家气象局；

区域DEM资料来自国家基础地理信息中心。

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/3期程红光等：

不同降雨条件下非点源污染氮负荷人河系数研究395经先期完成并作过报道（任希岩，2004；

Haoeta1，2005）在本研究中，主要目的是基于已校准的SWAT模型，分析非点源污染物入河系数的主要影响因素为反映降水的地带性，根据中国水文区划的相关研究（熊怡，1995），以200mm的间隔为分区基础，分析年降雨量变化对非点源污染物入河系数的影响为此，在假定其它因素不便的情况下，改变降雨量，进而模拟其入河系数的变化年降雨量分成5类，即0200mm（干涸），200400mm（少水），400800mm（平水），8001600mm（多水），1600mm（丰水）分析河道水文资料（19931999年大水水文站），当年降雨量小于400mm时，其产生的地表径流较少，其非点源污染物很难入河，因此，其入河系数基本为零，在结果中予以删除；

而降雨大于1400mm以后，其非点源污染物的入河量基本稳定，因此，本研究对降雨进行了整合和分类，进而利用情景分析模型，计算出不同降雨条件下非点源污染物（以吸附态氮和溶解态氮为例）的入河系数（见表2和表3）表2不同降雨条件下不同土地利用类型的吸附态氮入河系数Table2lossrateofadsorptiveNindifferentlanduseandprecipitation表3不同降雨条件下不同土地利用类型的溶解态氮入河系数Table3lossrateofsolubleNindifferenttypesoflandusesandprecipitation42输出系数模型的计算结果利用输出系数模型，采用1998年实测资料进行回归分析，得到氮的非点源污染负荷计算公式中各常数的值。

其中，降雨径流非点源污染负荷计算系数0。

=02=000204，b。

=b2=163429；

入河系数的计算系数c：

036，入河系数的计算系数d=一0086；

公式（8）中计算常数选取分别为k=30116，k2=091016，k，=1106以研究区域内分布最广的草地为例，计算得到其非点源污染氮负荷的入河系数，见表4表4不同降雨条件下利用输出系数法计算得到的草地入河系数Table4theresultsofgrasslandlossrateindiffer