SWAT的非點源污染模擬

1、SWAT的非點源污染模擬,主要內(nèi)容,一、非點源模擬原理,模型概述,流域中非點源污染的來源主要是農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥的施用。氮、磷等營養(yǎng)物和農(nóng)藥的遷移和轉(zhuǎn)化取決于化合物在土壤環(huán)境中經(jīng)歷的轉(zhuǎn)換過程。SWAT模型可以模擬水文響應(yīng)單元內(nèi)氮和磷完整的營養(yǎng)物循環(huán)過程和任何一種農(nóng)藥的降解過程。,模型概述,SWAT模擬流域內(nèi)泥沙、藻類、溶解氧、有機污染、多種不同形式的氮、磷以及農(nóng)藥等污染物質(zhì)的運移與轉(zhuǎn)換。物質(zhì)循環(huán)模型可以分為非點源污染模塊、河道水質(zhì)模塊以及湖泊水庫水質(zhì)模塊。據(jù)統(tǒng)計，目前已在國際期刊上發(fā)表相關(guān)文獻近200篇，中國知網(wǎng)收錄文獻292篇。,流域污染物遷移轉(zhuǎn)化過程示意圖,模型概述,非點源污染模塊,河道水質(zhì)模

2、塊,湖泊、水庫水質(zhì)模塊,模型概述,非點源污染模塊,農(nóng)藥模擬模塊,河道水質(zhì)模塊,模型擴展應(yīng)用,作物生長模塊,河道演算模塊,模型非點源污染模擬原理,物質(zhì)運移內(nèi)容： 1、營養(yǎng)物，包括有機氮、銨氮、亞硝氮、硝氮、有機/無機磷； 2、農(nóng)藥； 3、重金屬； 4、病原菌； 5、生化需氧量、溶解氧 過程： 與水循環(huán)過程類似，多數(shù)先在水文響應(yīng)單元計算各種產(chǎn)出量（陸面過程），再輸出到子流域的滯蓄水體以及河網(wǎng)系統(tǒng)進行循環(huán)過程,氮素的土壤循環(huán),SWAT模型監(jiān)測土壤中的五種不同氮庫: 無機氮庫（NH4+和NO3-） 有機氮庫（新有機氮、活性有機氮和穩(wěn)定有機氮） 新有機氮（Fresh organic N）是指以農(nóng)作物殘余

3、和微生物的形式存在的有機氮; 活性有機氮和穩(wěn)定有機氮是指土壤中以腐殖質(zhì)形式存在兩種不同類型的氮。,土壤初始氮,腐殖質(zhì)有機氮,初始硝酸氮,礦化作用、分解作用/固氮作用 腐殖質(zhì)礦化 作物殘余的分解和礦化,Nminf,ly = 0.8 ntr,lyorgNfrsh,ly,硝化作用和氨揮發(fā) 硝化 揮發(fā),新有機氮,orgNfrsh,surf=0.0015rsdsurf,反硝化作用 如果sw,ly 0.95，則 如果sw,ly 增加有機氮和有機磷； 2、藻類的生長-氮磷固持（包括銨氮、硝氮、無機磷）； 3、有機氮/有機磷的底泥沉降； 3、有機氮的礦化及底泥吸附態(tài)銨氮的釋放-銨氮； 4、銨氮的硝化-亞硝氮-

4、硝氮； 5、有機磷的礦化及底泥吸附態(tài)無機磷的釋放-無機磷 滯蓄水體中（池塘、濕地、水庫,不包括洼地）： 1、隨地表徑流進入滯蓄水體，并出流進入主河道 2、僅考慮營養(yǎng)元素的沉降，不模擬轉(zhuǎn)化過程,河道水質(zhì)模擬,河道水質(zhì)模型,1復(fù)氧作用； 2河底生物(包括底泥)的耗氧； 3碳化合物BOD耗氧； 4光合作用產(chǎn)氧； 5氨氮氧化耗氧； 6亞硝酸氮氧化耗氧； 7碳化BOD的沉淀； 8浮游植物對硝酸氮的吸收； 9浮游植物對磷(磷酸鹽磷)； 10浮游植物呼吸產(chǎn)生磷； 11浮游植物的死亡和沉淀； 12浮游植物呼吸產(chǎn)生氨氮； 13底泥釋放氨氮； 14氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮； 15亞硝酸氮轉(zhuǎn)化為硝酸氮； 16底泥釋放磷。

5、,藻類模擬,藻類（或葉綠素a）的生長和分解可以通過與生長率、呼吸速率、沉降率以及當(dāng)前河流中藻體數(shù)量建立函數(shù)計算得出。,藻類模擬,呼吸或死亡速率： 沉降速率： 生長速率：,光,氮,磷,氮元素,在含氧水體中氮是逐級轉(zhuǎn)化的，從有機氮轉(zhuǎn)成氨氮再轉(zhuǎn)為氮，亞硝酸態(tài)氮，最后成為硝酸氮。有機氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮通過沉降和底泥吸附從河道中除去。,氮元素,有機氮： 氨氮： 亞硝酸態(tài)氮： 硝態(tài)氮：,磷元素,磷循環(huán)和氮循環(huán)相似。藻體死亡后，藻體內(nèi)的磷轉(zhuǎn)化為有機磷。有機磷再經(jīng)過礦化成為可被藻類吸收的溶解態(tài)磷。同時，有機磷也可能會通過沉降作用從河流中去除。 有機磷： 無機（可溶性）磷,生化需氧量及溶解氧,生化需氧量

6、(CBOD) ： 指水體中有機物質(zhì)分解所需要的氧氣的總量。由點源輸入到河網(wǎng)系統(tǒng)，在主河道和水庫中循環(huán)。 1、CBOD的底泥沉降； 2、CBOD的氧化分解（耗氧）,生化需氧量及溶解氧,溶解氧(DO)： 水體中的溶解氧濃度和大氣復(fù)氧、光合作用、動植物呼吸作用、底泥需氧量、生化需氧量、硝化作用、鹽度、溫度等相關(guān)。 1、復(fù)氧過程。大氣復(fù)氧、藻類的光合作用、水體擾動復(fù)氧(壩體) 2、消耗過程。藻類的呼吸作用、CBOD耗氧、底泥耗氧、銨氮硝化、亞硝氮硝化,重金屬的運移,允許模擬3種 SWAT的重金屬來源于點源輸入。重金屬運移是SWAT的物質(zhì)運移模擬中唯一一個不考慮HRU因素的物質(zhì)運移，僅是簡單地計算隨河網(wǎng)

7、系統(tǒng)水流演進過程和物質(zhì)量平衡。,蓄水體水質(zhì)模擬,SWAT湖泊、水庫水質(zhì)模型采用了一個簡單的污染負(fù)荷平衡模型。同時在模擬較為復(fù)雜的湖泊時，SWAT采用了分布式WASP水質(zhì)模型。,蓄水體水質(zhì)模擬,模擬水體中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程時，SWAT假設(shè)在一個完全均勻的水體，當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)進入水體的同時，就會均勻分布于整個水體。這個假設(shè)忽略了水體中的分層現(xiàn)象以及由于水體表層浮游生物引起的表層和下層之間的差異的存在。 水體初始水量： 水體初始氮磷含量： 沉積作用導(dǎo)致水體中營養(yǎng)物質(zhì)的損失量等于區(qū)域內(nèi)沉積物水界面通量和面積的乘積。 在穩(wěn)態(tài)情形下，水庫污染負(fù)荷總平衡方程為：,二、建模過程與關(guān)鍵步驟,以AVSWAT2005模

8、型自帶數(shù)據(jù)庫為例,影響因素,DEM精度、降水不均勻性、子流域劃分 輸入?yún)?shù)：土壤物化性質(zhì)、植被生理生態(tài) 水資源開發(fā)利用：水利工程、工農(nóng)業(yè)取用水 其他因素：對流域的熟悉程度 模擬： 徑流模擬：基礎(chǔ) 泥沙模擬：遷移機理 污染物模擬：與徑流和泥沙的關(guān)系,主要步驟,主要步驟,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 矢量圖：DEM、土地利用、土壤圖、氣象水文站點位置等 文本：土地利用和土壤數(shù)據(jù)庫鏈接表 表格：氣象水文站點（包含高程、經(jīng)緯度信息） 輸入氣象資料表：各站點日最高最低氣溫、日降水量、日蒸發(fā)蒸騰、日風(fēng)速露點溫度等 其他：取用水、引水地點等 校核資料：控制水文站日徑流量、水庫調(diào)節(jié)方式、實測污染物負(fù)荷,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備,點排放數(shù)據(jù)表年度

9、負(fù)荷 點源或者入口排放數(shù)據(jù)可以用四種方法進行總結(jié)：穩(wěn)定日負(fù)荷，平均年負(fù)荷，平均月負(fù)荷，日負(fù)荷。 用穩(wěn)定日負(fù)荷對排放數(shù)據(jù)進行總結(jié)，則要在點排放數(shù)據(jù)對話框中輸入數(shù)據(jù)。對其他三種方法，界面要求預(yù)先生成包含點排放數(shù)據(jù)的文件。,主要步驟,開始界面,主要步驟,流域描述主界面,主要步驟,流域描述,主要步驟,添加土地利用和土壤數(shù)據(jù)-ArcSWAT中有坡度劃分,主要步驟,添加氣象數(shù)據(jù)-劃分子流域 降水和氣象數(shù)據(jù)應(yīng)在相應(yīng)目錄下,主要步驟,寫入數(shù)據(jù),主要步驟,設(shè)定參數(shù)-運行模型,主要步驟,輸出結(jié)果查看,手動修改輸入?yún)?shù),數(shù)據(jù)庫 土壤 氣象 土地利用 殺蟲劑 耕作 城市 點源污染排放 入口排放 水庫 子流域,點源污染

10、排放,排放情景選擇與輸入 穩(wěn)定日負(fù)荷,點源污染排放,排放情景選擇與輸入 年均日負(fù)荷 月均日負(fù)荷 日負(fù)荷 流程相似,入口排放修改,穩(wěn)定日負(fù)荷 年均日負(fù)荷 月均日負(fù)荷 日負(fù)荷 與點源污染輸入方式類似,水庫輸入數(shù)據(jù)修改,水庫輸入數(shù)據(jù)修改,泄流方式選擇 年均泄流速度 日水庫出流 月均水庫出流 模擬-設(shè)定目標(biāo)泄流量,水庫輸入數(shù)據(jù)修改,水庫水質(zhì)數(shù)據(jù),子流域數(shù)據(jù)修改,子流域 氣象站點 常規(guī)數(shù)據(jù) 水文響應(yīng)單元 地下水 河道匯流 用水,子流域數(shù)據(jù)修改,氣象站點,子流域數(shù)據(jù)修改,常規(guī)輸入數(shù)據(jù)修改 水文相應(yīng)單元,子流域數(shù)據(jù)修改,主河道匯流 地下水 用水,子流域數(shù)據(jù)修改,農(nóng)業(yè)管理措施 一般管理信息 水文參數(shù)-CN值,

11、子流域數(shù)據(jù)修改,農(nóng)業(yè)管理措施 特定操作必需以日或者植物生長階段（熱量單元）來安排 種植開始、灌溉、施肥、殺蟲劑,子流域數(shù)據(jù)修改,農(nóng)業(yè)管理措施 耕作 收獲和割除 收獲,子流域數(shù)據(jù)修改,農(nóng)業(yè)管理措施 放牧 自動灌溉 自動施肥,子流域數(shù)據(jù)修改,農(nóng)業(yè)管理措施 土地清理 圈圍和釋放 長期施肥 選擇數(shù)據(jù)適用區(qū)域,子流域數(shù)據(jù)修改,土壤化學(xué)參數(shù) 河流水質(zhì),子流域數(shù)據(jù)修改,水庫坑塘,輸出結(jié)果,查看結(jié)果并作圖,輸出結(jié)果,子流域1在1977年的產(chǎn)水量,保存工程,回到主界面保存,模擬步驟重點,水量、泥沙模擬精度高 點源污染輸入正確：位置、量 農(nóng)業(yè)管理措施： 施肥量、日期（生長期） 灌溉 耕作 土壤化學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確,三、應(yīng)

12、用實例,新安江流域非點源污染模擬 淮河流域閘壩調(diào)控下水量水質(zhì)模擬 溫榆河流域水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度,68,在中國干旱半干旱、濕潤地區(qū)等10多個小、中、大流域尺度得到了應(yīng)用。主要應(yīng)用于徑流模擬、非點源污染模擬、閘壩評估及調(diào)度、以及氣候變化等方面。,新安江流域非點源污染模擬,69,數(shù)據(jù)收集,新安江流域非點源污染模擬,數(shù)據(jù)收集,71,參數(shù)選擇及率定-水質(zhì),地表產(chǎn)流過程影響泥沙、N和P負(fù)荷的參數(shù)： SPCON：泥沙輸移線性系數(shù)； SPEXP：泥沙輸移指數(shù)系數(shù)； USLE_K：土壤侵蝕力因子 ERORGN：氮在土壤中的富集率； ERORGP：磷在土壤中的富集率； NPERCO：氮的下滲系數(shù)，地表徑流中氮的濃度

13、與下滲水流中氮的濃度比； PPERCO：磷的下滲系數(shù)，地表徑流中氮的濃度與下滲水流中氮的濃度比，； PHOSKD：磷的土壤分離系數(shù)，指表層10mm土壤中可溶性磷的濃度和地表徑流中可溶 性磷的 濃度之比； 影響氮、磷在河道水質(zhì)模擬參數(shù)： 在水體中有機氮可以轉(zhuǎn)化到氨氮、亞硝酸鹽氮然后到硝酸鹽氮。磷循環(huán)過程與氮循環(huán)有相似的轉(zhuǎn)化關(guān)系，故考慮如下幾個參數(shù)的率定： BC3：20C時有機氮轉(zhuǎn)化為氨氮的速度常數(shù)； BC1：20C時氨氮生物氧化速度常數(shù)； BC2：20C時亞硝酸鹽氮的生物氧化速度常數(shù)； BC4：20C時有機磷的礦化速度常數(shù)； RK1：20C 時CBOD 氧化速率 RK3：20C 時CBOD的沉降

14、速率,細(xì)菌分配系數(shù),Mgt和fert.dat文件的制作,編號,礦物質(zhì)氮的比例,礦物質(zhì)磷的比例,有機磷的比例,有機氮的比例,氨氮的比例,穩(wěn)定細(xì)菌比例,弱穩(wěn)定細(xì)菌比例,名稱,Mgt,Fert.dat,73,流量,泥沙,總氮,總磷,屯溪,模擬結(jié)果,74,流量,泥沙,總氮,總磷,漁梁,模擬結(jié)果,75,新安江非點源污染估算模型模擬結(jié)果,76,降水-徑流 空間分布圖,77,污染負(fù)荷 空間分布,78,泥沙,總氮,總磷,行政區(qū)縣各年產(chǎn)污量,淮河流域閘壩調(diào)控下水量水質(zhì)模擬,嵌入閘壩群運行的流域 水循環(huán)分布式SWAT模型,淮河流域是我國人口最密集、閘壩最多和污染最為嚴(yán)重的流域。 淮河流域目前已興建約1.1萬余座閘

15、壩,占全國的一半以上。,閘壩在防洪、灌溉供水等方面發(fā)揮巨大效益。但工程修建后對河流生態(tài)與環(huán)境造成的影響，已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。,淮河流域,淮河流域概況,（1）SWAT模型與閘壩調(diào)度方式的耦合,SWAT模型中水庫水平衡方程:,SWAT 模型,?,?,SWAT模型所提供的四種模擬水庫： 出流方式中實測日/月出流量需要輸入模擬期間的所有水庫日/月觀測徑流數(shù)據(jù)； 目標(biāo)泄水控制出流需要調(diào)查獲得每個水庫每個月的目標(biāo)蓄水量以及最小/最大下泄流量 這三種模式方式都需要非常詳細(xì)的閘壩運行資料； 無控制年平均放水率只需要主溢洪道和緊急溢洪道水位對應(yīng)的蓄水量和水面面積，并沒有包含閘壩的調(diào)度，將直接導(dǎo)致徑流過程模擬

16、的誤差較大。,?,（1）SWAT模型與閘壩調(diào)度方式的耦合,在我國閘壩的設(shè)計時，閘壩的水位、庫容和下泄流量存在對應(yīng)關(guān)系。閘壩的運行調(diào)度時，閘壩的下泄流量主要依據(jù)閘上水體達(dá)到某一水位（或庫容）。因此三者之間存在一定的相關(guān)關(guān)系：,白龜山水庫：,白龜山水庫的泄流量、壩上蓄水量、庫容面積及水位之間的相關(guān)關(guān)系,（1）SWAT模型與閘壩調(diào)度方式的耦合,淮河流域重點水庫和水閘泄流量、壩上蓄水量及水位之間的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性非常顯著,（2）SWAT中水質(zhì)模塊的改進,（1）在水庫水質(zhì)模塊中，采用污染負(fù)荷平衡方程考慮BOD的沉淀、降解，添加模型中水庫BOD模擬功能。 （2）建立COD與BOD之間的關(guān)系。從COD和BO

17、D氧化機理上分析，兩者存在一定的線性關(guān)系。 （3）修改模型中水庫、河道和子流域輸出程序，以濃度形式輸出不同水質(zhì)指標(biāo)的變化過程。,研究選取蚌埠閘為流域出口，建立了閘壩運行環(huán)境下SWAT模型，共劃分了129個子流域和468個水文響應(yīng)單元。主要大型閘壩按其所在地理位置作為相應(yīng)子流域的出口控制斷面加入模型中。,（3）模型的建立,淮河流域閘壩、河網(wǎng)、子流域耦合分布圖,子流域：129 hru： 468 閘壩： 31,參數(shù)的選擇和率定,1963-2000年（率定期1963-1990年，檢驗期1991-2000年） 40個閘控斷面和水文斷面,水量模擬：,水質(zhì)模擬：,1984-2000年期間不連續(xù)月濃度資料。

18、模擬負(fù)荷為氨氮和CODMn。36個斷面,敏感性分析指標(biāo)：,參數(shù)的選擇和率定,（4）模擬結(jié)果 水庫模擬,白龜山水庫,12座水庫模擬結(jié)果,（4）模擬結(jié)果 水閘模擬,蚌埠閘,11座水閘模擬結(jié)果,（4）模擬結(jié)果,王家壩,23個水文站模擬結(jié)果,（4）模擬結(jié)果,王家壩,23個水文站模擬結(jié)果,（5）小結(jié),通過對淮河流域的徑流模擬表明，在率定期水庫斷面的平均相關(guān)系數(shù)和平均效率系數(shù)為0.72和0.47，水閘為0.83和0.67，水文斷面為0.88和0.73。而在檢驗期內(nèi)水庫的平均相關(guān)系數(shù)和效率系數(shù)為0.68和0.40，水閘為0.81和0.51，水文斷面為 0.80和0.56。水文站的模擬效果最好，其次為水閘，最

19、差的為水庫。但模擬結(jié)果均在可接受的范圍內(nèi)。 氨氮模擬相關(guān)系數(shù)在0.45以上的斷面共19個，占53%，平均相關(guān)系數(shù)為0.46；CODMn模擬相關(guān)系數(shù)在0.45以上的斷面共22個，占61%，平均相關(guān)系數(shù)為0.52。,溫榆河流域水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度,北京市水資源嚴(yán)重短缺，已成為經(jīng)濟社會發(fā)展的制約因素； 溫榆河是唯一一條發(fā)源于北京市且常年有水的河流，流域生態(tài)水環(huán)境狀況直接影響該區(qū)域經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展和功能定位。 河道水體污染嚴(yán)重，水生態(tài)系統(tǒng)退化明顯；流域內(nèi)所有河道水體水質(zhì)全部為劣類水體,土壤類型,土地利用,排污口,氣象信息,資料收集,子流域：39個,流域出口：北關(guān)閘,閘壩：10座 北關(guān)閘、上莊閘、沙河水庫

20、、尚信橡膠壩、鄭各莊橡膠壩、十三陵水庫、魯疃閘、桃峪口水庫、葦溝閘、辛堡閘,94個主要排污口 55座污水處理廠和再生水廠,參數(shù)選擇與率定,水量,氨氮,COD,水量水質(zhì)模擬：沙河閘斷面,水量,氨氮,COD,水量水質(zhì)模擬：北關(guān)閘斷面,水量模擬：沙河閘和北關(guān)閘的年徑流總量都接近于斷面多年平均徑流量；北關(guān)閘模擬相關(guān)系數(shù)和效率系數(shù)都在0.80以上。 水質(zhì)模擬：沙河閘、魯疃閘、辛堡閘、葦溝閘和北關(guān)閘的斷面氨氮模擬平均相對誤差為34%，COD的平均相對誤差為54%。,水量水質(zhì)模擬結(jié)果,基于耦合閘壩系統(tǒng)的溫榆河流域SWAT模型，通過沙河閘、魯疃閘、新堡閘、葦溝閘、北關(guān)閘等多閘壩的調(diào)控，進行水污染修復(fù)與整治，使

21、溫榆河干流水體水質(zhì)濃度盡量達(dá)到所在水功能區(qū)劃的濃度標(biāo)準(zhǔn)，從而提高流域內(nèi)水資源的可利用量，實現(xiàn)流域水資源的高效利用。,閘壩優(yōu)化調(diào)度模型與多情景分析,目標(biāo)函數(shù)：,當(dāng)流域污染嚴(yán)重時，下游水體的等標(biāo)污染指數(shù)最小,庫容約束,閘壩下泄流量約束,水量平衡約束,約束條件：,模型求解采用遺傳算法,該指數(shù)數(shù)值小于等于1，說明該斷面水體沒有受到污染；數(shù)值大于1，說明該斷面水體已受到污染,數(shù)值越大，超標(biāo)越嚴(yán)重。,當(dāng)流域污染較輕時，總達(dá)標(biāo)水資源量最大,閘壩調(diào)度模型,采用Fortran語言編譯QCmode模型，然后將其嵌入SWAT源程序中。二者之間以文本讀入讀出形式進行軟連接，同時修改部分源程序和參數(shù)文件。QCmode模型輸出的文本為所需優(yōu)化閘壩的月出流過程，該文件將作為SWAT模型的輸入；而經(jīng)SWAT模型演算得到的目標(biāo)閘壩的水量水質(zhì)過程（basins.rsv）將作為QCmode模型的輸入，對所需優(yōu)化閘壩的月出流過程進行篩選。,耦合方式,目前溫榆河水體均污染非常嚴(yán)重，水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到水功能區(qū)劃的要求，此次研究設(shè)置情景方案為： 情景一：現(xiàn)狀排污條件 情景二：引溫濟潮二期工程實施 情景三：排污基本達(dá)標(biāo),自溫榆河上游向下游，依次對沙河閘、魯疃閘、辛堡閘和葦溝閘的調(diào)度方式進行逐一優(yōu)化，根據(jù)不同的來水情況為這五個閘壩制定最優(yōu)的調(diào)控模式。 以2005年