SWAT模型及其在农业面源污染研究中的应用

由于面源污染的不确定性和复杂性,数学模型成为分析与评估面源污染的重要手段,是面源污染研究的核心内容。SWAT模型是基于GIS基础上的一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型,近些年来在面源污染方面得到了广泛和深入的应用。本文介绍了SWAT模型的发展概况其在国内外农业面源污染研究中应用动态。     

基于SWAT模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟

灌区水文过程对于面源污染物的迁移、转化起到了重要的驱动作用。为揭示东北水稻灌区的水文及面源污染过程,该文在多年试验的基础上,运用修正的SWAT模型对其开展了模拟研究。2009-2011年在吉林省前郭灌区针对水稻生育期及冻融期内的灌区水文过程和农田面源污染物迁移、转化过程开展了系统的监测与试验。水稻生育期内,各级排水系统表现出不同的水文过程:末级排水沟中,由田间通过表层渗流进入排水沟的高浓度的水被灌溉退水所稀释,汇流排水沟的槽蓄量则在很大程度上影响了排水过程及污染物的对流和掺混过程。根据水稻灌区水文特性,以汇流排水沟为子流域,分别采用非稳定渗流公式和马斯京根法描述子流域中稻田向排水沟的渗流排水过程以及向子流域出口的排水汇流过程。试验和模拟结果表明:铵氮(NH4+)、硝氮(NO3-)和化学需氧量(COD)的浓度变化主要取决于排水过程,表层渗流和深层渗流过程决定了排水沟中NH4+和NO3-浓度过程,而排水沟中COD浓度还受到灌溉退水的影响。采用溴(Br-)作为示踪剂,通过测定土壤含水率、温度及示踪剂浓度变化,研究了冻结期的水文过程和面源污染物迁移过程,示踪试验结果显示,冻融期土壤中水流运动受到土壤基质势、温度势及重力势的影响,冻土中平衡状态下基质势为土壤温度的函数,土壤中污染物渗出通量与水分渗出通量表现出线性关系。基于水稻灌区下垫面产汇流特性和冻融期土壤对于灌区水文过程以及面源污染物迁移的影响机理,在SWAT模型模块修订的基础上,模拟了东北地区水稻灌区面源污染迁移流失过程,模拟流量、NH4+、NO3-、COD浓度与实测值符合较好,表明改进的模型能够用于东北地区水稻灌区的水文及面源污染过程模拟。     

基于SWAT模型的流域土地利用格局变化对面源污染的影响

近年来随着流域经济社会的快速发展,密云水库流域的土地利用格局也发生了明显的改变,作为影响流域非点源污染输出的主要因素,探讨土地利用格局的演变对非点源污染的影响对有效控制非点源污染具有重要的意义。该文以密云水库上游流域为研究区,从土地利用变化与污染过程相互作用的角度出发,开展流域非点源污染过程对土地利用变化的响应研究。基于流域1995年、2000年、2005年3期的土地利用数据,基于SWAT(soil and water assessment tool)模型,模拟评价流域非点源污染负荷分布特征,并应用景观格局指数、典范对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)和通径分析等方法,从全流域和三级保护区等多空间尺度,量化分析流域土地利用及其格局时空变化对非点源污染负荷的影响。研究结果表明流域的非点源负荷与土地利用格局间存在着密切的联系。格局指数能累积解释流域非点源污染负荷变化的56.3%。污染负荷受土地利用格局的破碎度和形状的影响较大。通径分析的结果表明,耕地、林地面积比例、形状指数和斑块密度是影响研究区非点源污染负荷输出的主要因子,其中形状指数和耕地面积比例对TN、TP负荷的解释能力要明显高于其他指标。从空间尺度上看,各格局因子与非点源污染负荷的关系具有尺度效应,随着空间尺度的递增,格局对负荷的解释程度降低,在较小的尺度范围内,尤其是一级保护区的解释能力最高,达到62.9%,表明离水库越近的区域应是非点源防治高度重视的区域。     

典型山区流域面源污染模型研究——以曹家路流域为例

针对曹家路流域的特点,构建了适应典型山区流域面源污染模式的山区面源污染模型。结合一场实际暴雨的产流、产污过程监测数据,对该模型进行了可靠性验证,结果显示模型可以较好地模拟曹家路流域面源污染相关水质因子的浓度变化。最后对模型提出了完善建议及未来的研究方向。     

SWAT模型研究及应用进展

SWAT模型因“3S”技术的成熟得到了飞速的发展和应用,是目前研究水文和面源污染等问题的一个有效工具。本文简介了SWAT模型的发展与特征,概述了SWAT模型目前在国内外的研究现状,并对SWAT模型今后的发展提出了建议,为模型的进一步完善和发展提供基础。SWAT模型在面源污染和水文过程模拟中都取得了不俗的成果,并逐渐成为水文和水质研究的主要手段。模型的数据获取、研究尺度和不能精确地反映污染物质在各种景观中的迁移过程是模型所存在的缺陷,需要进一步研究与完善。     

小流域面源污染监测技术体系的构建

依据构建的目标和原则,依次进行优选面源污染模型、选择监测对象、筛选面源污染指标、配置监测设施设备、确定指标获取方法、监测数据分析和管理等步骤,建立起完整的小流域面源污染监测技术体系,其科学性和可行性在重庆三峡库区陈家沟小流域的面源污染监测实践中得到了验证。该监测技术体系还兼顾了面源污染防治和水土保持监测网点建设等,紧密结合防治工作实际,希望能更好地为小流域面源污染预防、监测、治理工作服务。     

贵州省喀斯特地区典型小流域水土流失面源污染研究

为研究贵州省喀斯特地区典型小流域坡面水土流失面源污染及其影响因素,选取位于贵州省龙里县的羊鸡冲小流域为研究对象,探讨降雨、径流及人为因素对水土流失面源污染的影响。此外,针对该小流域主要面源污染的影响因素提出了水土流失面源污染的主要防控措施。     

巢湖流域土地整治与面源污染时空过程及关系

为了保障农田安全和生态型土地整治的顺利进行,以巢湖为研究对象,运用SWAT模型模拟巢湖流域2000—2010年面源污染(总氮、总磷)的空间分布,采用地理加权回归(GWR)模型评估2000—2010年实施的2609个土地整治项目对面源污染的影响.结果表明:(1)巢湖流域面源污染恢复与恶化情况并存,总体偏向改善.(2)20...     

川中丘陵地区农业生产与面源污染状况调查及特征分析——以李子口小流域为例

以李子口小流域为例,研究川中丘陵地区的农业生产情况和农业面源污染状况,调查发现该流域农业生产用肥以农家肥为主,耕地类型以早地为主,畜禽养殖以散养为主,该流域水质各项指标状况较好,但是总氮严重超标。分析认为,肥料施用结构和用量的不合理、耕地类型以旱地为主、耕作作物以小麦蔬菜等旱作植物为主、该区域水土流失严重是造成李子口小...     

农业面源污染模型及其应用研究

论述了国内外农业面源污染模型的研究进展及应用现状,重点对几种常见农业面源污染模型进行分析比较,提出相关模型现存问题及解决措施,并同时对农业面源污染模型未来研究趋势进行展望。     

基于SWAT模型对非点源污染分布特征的研究——以汾河上游为例

为了加快汾河流域水污染源治理,本文基于数字高程模型（DEM）、土壤类型、土地利用、气象、水文、农作物管理数据,构建了汾河上游SWAT模型,并对该地区非点源污染分布特征进行研究。研究结果显示：（1）汾河上游流域泥沙及总氮输出系数较大的区域集中于海拔较高、坡度较陡、耕地较多的中部、东部及东南部;总磷输出系数较大的区域集中于中部及中东部城镇、村庄等人类聚集地集中的地区;（2）汾河源头区,虽然海拔较高、坡度陡,但泥沙、总氮、总磷输出系数均较小,没有明显的非点源污染;（3）草地为泥沙和总磷的主要贡献来源,耕地输出系数对总氮的贡献比很大,林地对总氮和总磷的贡献较低,城镇的总氮和总磷输出系数较大,但是由于面积占比小,整体贡献较低。     

基于SWAT模型的小流域非点源氮磷迁移规律研究

非点源污染是影响农业水土环境的重要因素。在GIS平台的支持下,运用SWAT模型,以长江下游岔河小流域为研究对象,分析了氮磷流失时空分布规律,并模拟不同灌溉方式下非点源氮磷流失变化。结果表明:率定后的模型适用于小流域非点源污染的模拟;降雨量与径流及有机氮磷流失具有明显的相关关系,汛期(6-9月)的径流量占全年径流量的56.40%,有机氮磷流失量分别占到64.89%和59.70%;在空间尺度上,有机氮与有机磷负荷空间分布相似,呈现出随地表径流向岔河主河道逐渐汇聚的分布特征,大豆和水稻田是非点源污染的主要贡献地区;通过情景模拟发现,不同灌溉方式对小流域氮磷流失影响显著,对水稻田实行优化灌溉,采取浅灌高蓄的控制方法,可以有效改善小流域农业水土环境。     

小流域典型面源污染最佳管理措施(BMPs)研究

基于环鄱阳湖地区农村面源污染空间分布、水环境质量状况、水系特征,选择具有代表性的小流域范围。针对星子县白鹿镇四联村桥下李村这种小型流域,从面源污染、迁移过程、受纳水体等环节入手,结合鄱阳湖区化肥、农药等面源特点,设计一套行之有效而又易于操作的结构性面源污染最佳管理措施BMPs(Best Management Practices),从而有效处理面源污染。通过每两周一次的常规定位观测,并对地表径流中所含面源污染物进行了测定。结果表明:系统对COD、TP平均去除率达到56%以上,对TN、NH4+-N、NO3--N的平均去除率接近68%,而NO2--N的平均去除率达到82%。     

农业小流域面源污染经济损失研究

以孟良崮小流域为研究区,在利用输出系数模型计算2013年流域内农业面源污染负荷的基础上,运用环境经济学中的恢复防护费用法,定量估算小流域农业面源污染经济损失。结果表明:2013年孟良崮小流域农业面源污染产生的总氮、总磷污染负荷分别为934.30 kg和136.19 kg,流域内农业面源污染造成的环境经济损失为26 842元。其中,畜禽排泄污染造成的经济损失最大,为18 270元,占流域内污染总损失的68.06%;土地利用污染造成的经济损失次之,为6 635元,占24.72%;农村生活污染造成的经济损失最小,为1 937元,占7.22%。     

基于SWAT模型的大宁河流域非点源污染空间特性研究

以三峡库区大宁河流域为研究区域,应用SWAT模型进行了流域农业非点源污染负荷的模拟计算。利用巫溪水文站2000-2004年的实测日径流和泥沙数据进行了模型的率定与验证。验证结果表明,SWAT模型适用于大宁河流域。利用验证后的模型分析了大宁河流域2003年的非点源污染空间分布特征,结果发现,大宁河流域西部地区是土壤侵蚀发生相对严重的地区,有机氮产小的地区和高泥沙量产出的地区大致相同。总体上,大宁河流域非点源污染的产生量西部高于东部,南部高于北部,中部地区最小。针对SWAT模型的空间分析结果提出了该区非点源污染的防治措施。     

太湖流域苏州片区农业面源污染负荷研究

为了研究农业面源污染来源问题,以太湖流域苏州片区为研究对象,在分析研究区农业产业特点的基础上,展开了以太湖流域种植业、水产养殖业、规模化家禽养殖业为代表的农业面源污染氮磷污染负荷计算研究,并分别进行了氮磷污染负荷实例计算。计算结果表明:2011年苏州市种植业、水产养殖业、畜禽养殖业氮磷类污染物排放量分别为:TN 2 344.12t,TP 123.78t,TN 12 915.72×103kg,TP 2 560.76t,TN 2 348.98t,TP 460.81t。研究认为:氮磷污染物排放量为水产养殖业种植业家禽养殖业,水产养殖业氮磷污染物排放量是种植业、家禽养殖业总和的4倍以上,水产养殖业是太湖流域面源污染的主要来源,为了改善太湖流域水环境,建议减少水产养殖面积和密度,降低氮磷污染物入湖量。     

基于SWAT模型的气候变化下水文响应分析——以福建省长汀县朱溪小流域为例

本文以长汀县河田地区朱溪小流域为研究区,基于多年的气象、水文数据及高程数据模型、土地利用图、土壤类型图等,构建朱溪小流域SWAT模型。本文在假设下垫面条件不变的情况下应用假定气候情景法,通过改变日最高、最低气温值和逐日降雨量值构建15种不同的气候条件情景定量模拟分析气候变化对朱溪小流域径流的影响。研究结果表明:降水和温度的变化共同影响着朱溪小流域的产流过程,朱溪小流域的径流量与降雨量呈现正相关关系,与气温呈现负相关关系;相对于温度变化对朱溪小流域径流的影响,降雨量对于研究区径流量的影响更大。     

新疆地区农业面源污染空间分异研究

新疆维吾尔族自治区是我国重要的农业区之一。为满足农业面源污染控制的实际需要,在GIS支持下,以主要农业面源污染物分析为基础,对新疆地区农业面源污染进行了空间分异研究。结果表明,化肥投入密度超过400 kg/hm2的地区有20个,主要集中在塔里木河、玛纳斯河、伊犁河流域及新疆生产建设兵团;农药面源污染区域的分布与化肥面源污染分布基本相同,从农药投入密度来看,超过3 kg/hm2的地区有18个;畜牧粪尿排泄密度超过30 kg/hm2的地区有13个,畜牧养殖污染从程度上来说北疆地区明显要大于南疆地区;水土流失造成的污染中风蚀占89.32%,水蚀仅占10.68%。对新疆地区面源污染进行聚类分析表明,I类区域属于重污染区域,Ⅱ类区域属于农资类污染区,Ⅲ类区域属于畜牧污染型重污染区域,Ⅳ类地区为轻污染区域。     

重庆市永川区农村面源污染调研报告

面源污染是影响水源质量的一个重要因素,因其污染的时空范围广、不确定性大、污染严重,对其治理及管理的难度也较大。由于化肥和农药的大量使用,农业非点源已成为永川区水环境的主要污染源。文章对永川区农村面源污染的现状、来源和危害进行了系统论述,并提出防治农村面源污染的具体措施及建议。     

基于输出系数模型的北京地区农业面源污染负荷估算

农业生产活动产生的面源污染物是环境污染负荷的主要来源之一。利用输出系数模型对北京市农业面源污染负荷进行了估算。结果表明,2006年北京市农业面源污染物总氮和总磷负荷量分别是19 565.7×106和2 413.1×106 g/a。土地利用方式显著影响氮和磷负荷,不同污染源类型对污染负荷贡献的差异较大。不同污染源类型对总氮污染负荷贡献率的大小顺序为农村生活污水及废弃物＞耕地＞林地＞畜禽养殖＞园地＞牧草地,对总磷负荷贡献率的大小顺序为农村生活污水及废弃物＞畜禽养殖＞耕地＞林地＞园地＞牧草地。各区县总氮和总磷负荷量和负荷强度的差异较大,其中大兴、顺义、房山、密云和通州的总氮和总磷负荷量较大,而朝阳、丰台、通州、顺义和大兴的总氮和总磷负荷强度较大。农业面源污染物氮和磷分布状况和负荷强度的研究,为北京地区区域规划和农业结构调整提供了科学依据。