AnnAGNPS模型土壤数据库的建立——以柴河上游小流域为例

AnnAGNPS模型为针对农业非点源污染的非点源污染负荷估算模型,从方便该模型在中国应用的角度出发,以辽河重要支流柴河上游流域为例建立了适合该流域的AnnAGNPS模型土壤数据库,并着重介绍了土壤数据库中土壤质地的转换及相关参数的获取方法。基于已建立的土壤数据库对AnnAGNPS模型在该流域的适用性进行了检验,结果表明AnnAGNPS模型适用于该流域,即已建立的土壤数据库适合AnnAGNPS模型在该地区使用。     

AnnAGNPS模型土壤数据库的建立——以柴河上游小流域为例

AnnAGNPS 模型为针对农业非点源污染的非点源污染负荷估算模型,从方便该模型在中国应用的角度出发,以辽河重要支流柴河上游流域为例建立了适合该流域的AnnAGNPS模型土壤数据库,并着重介绍了土壤数据库中土壤质地的转换及相关参数的获取方法。基于已建立的土壤数据库对AnnAGNPS模型在该流域的适用性进行了检验,结果表明AnnAGNPS模型适用于该流域,即已建立的土壤数据库适合AnnAGNPS模型在该地区使用。

     

基于水文模型对比建立SWAT模型数据库 ——以黄土丘陵沟壑区岔口流域为例

21世纪以来,水文模型在国内得到广泛应用,但模型参数众多且数据库建立复杂,基于模型对比分析探究AnnAGNPS模型与SWAT模型结构算法、输入参数的相似性,在此基础上,选择黄土丘陵沟壑区岔口流域为研究区,以AnnAGNPS模型数据库为基础,建立流域SWAT模型数据库,并验证其适用性,为高效建库提供依据,实现一定的数据共享性。结果表明:(1)在水文部分,2个模型模拟径流与蒸发使用相同算法,泥沙侵蚀模拟时,2个模型采用以USLE基础的改进方程,模型气象、土壤和管理等数据库的输入参数大多相同;(2)建立SWAT模型空间数据库时,AnnAGNPS模型的空间数据可直接利用,属性数据库中相同或相似参数可直接继承,其他参数可重置或采取默认值;(3)使用水文模型对比建立的SWAT模型数据库模拟,其率定期月径流量相关系数(R~2)=0.67,纳什效率(NSE)=0.61,验证期月径流量R~2=0.63,NSE=0.59,模型在岔口流域具有较好的适用性。因此,对比分析水文模型并对其数据进行建库利用,能有效提高建库效率,在基于多模型研究岔口流域水土流失奠定基础的同时,也可为其他相关研究提供参考。     

AnnAGNPS和SWAT模型对非点源污染的适用性研究——以中国科学院盐亭紫色土生态试验站为例

为了选取适合于紫色土流域的机理模型。同时为控制紫色土丘陵区的农业非点源污染。以及为三峡库区内非点源污染物输出与控制提供科学依据,本文将2种机理参数模型AnnAGNPS与SWAT运用到不同土地利用方式下的紫色土小流域,对地表径流和非点源污染物的输出模拟进行研究。通过适用性研究发现：2种模型对紫色土流域的径流量模拟效果最为理想,平均误差为-7.5％和2.9％;而模型对流域的泥沙模拟效果均不理想,误差较大;对于养分迁移的模拟,AnnAGNPS模型的模拟效果要好于SWAT模型。平均误差控制在10％左右。因此,AnnAGNPS模型更适合在紫色土典型流域进行模拟运用,可获得可信度较高的模拟结果。     

AnnAGNPS模型数据库的建立--以黄土丘陵沟壑区砖窑沟流域为例

年农业非点源污染模型(AnnAGNPS)是一个由美国农业部农业研究局和自然资源保护局联合开发的连续模拟来自流域的地表径流、沉积物、污染负荷的分布式参数模型,以位于黄土丘陵沟壑区的晋西北河曲县砖窑沟流域为例,建立了AnnAGNPS模型数据库,包括气候、地形、土壤、土地利用等相关参数的确定过程,充分使用了GIS、RS、农田调查等技术和方法,重点分析了降雨特征、模拟单元的划分、土壤相关参数的转换、农田操作措施、地表粗糙度、施肥、径流曲线值等因子,为该模型在中国的合理使用奠定了基础。     

AnnAGNPS模型研究及应用进展

【目的】AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-Point Source Pollution Model)模型是由美国农业部开发的用于模拟评估流域地表径流、泥沙侵蚀和氮磷营养盐流失的连续型分布式参数模型。文章对AnnAGNPS的国内外研究应用进行了全面综述,以期为模型在我国的深入研究和应用提供参考。【方法】从AnnAGNPS模型的机理、结构、国内外应用现状及我国应用中存在的问题等方面作了综合性总结。【结果】模型应用情况表明,模型对径流和非点源污染的模拟基本在可接受精度范围内,对于地表径流的模拟能力要强于泥沙和氮磷营养盐,对总磷输出的模拟表现出了较大的不确定性;年、月时间尺度模拟精度高于单场降雨的模拟精度;单场降雨雨量越大,模拟效果越好;大尺度区域模拟精度低于小尺度区域;对洪峰流量估计过高。【结论】我国目前对模型的适应性和重要参数的敏感性分析方面研究较多,受相关数据获取困难等因素的影响,AnnAGNPS模型的应用缺乏系统性和连续性。对模型的修正或改进,以及非点源管理措施效果的模拟评价等方面的研究有待加强。     

应用地理信息系统建立西湖流域非点源污染信息数据库

在工作站与微机的联网平台上,用地理信息系统软件ＡＲＣ／ＩＮＦＯ对西湖流域的非点源污染研究做了有益的探索,初步建立了西湖流域非点源污染信息数据库。讨论了专题数据的分类编码,空间数据的数字化,编辑,坐标转换等,并生成了西湖流域的数字地面模型,也为西湖流域非点源污染的深入研究提供了基础数据平台。     

应用地理信息系统建立西湖流域非点源污染信息数据库

在工作站（ＳｕｎＳＰＡＲＣｓｔａｔｉｏｎⅡ）与微机的联网平台上,用地理信息系统软件ＡＲＣ／ＩＮＦＯ对西湖流域的非点源污染研究做了有益的探索,初步建立了西湖流域非点源污染信息数据库．讨论了专题数据的分类编码,空间数据的数字化、编辑、坐标转换等,并生成了西湖流域的数字地面模型（ＤＥＭ）,也为西湖流域非点源污染的深入研究提供了基础数据平台．     

基于SWAT的汾河运城段非点源污染模拟与研究

【目的】对汾河运城段非点源污染进行模拟与分析,为该流域非点源污染控制提供依据。【方法】构建汾河运城段的非点源污染SWAT(Soil and water assessment tool)模型,根据河津水文站2005-2010年的实测逐月径流、泥沙和水质数据对模型进行率定和验证,并利用率定好的模型对研究区域的非点源污染进行模拟研究与分析。【结果】建立了包括土壤侵蚀、水文过程和污染负荷子模型的汾河运城段非点源污染模型,该模型对研究区域的适应性较好,可用于流域非点源污染的模拟研究;对非点源污染负荷时间分布规律的分析表明,研究区域各水文年的非点源污染负荷为丰水年平水年枯水年,而且发生在汛期(7-10月)的TN、TP流失量分别在60%和70%以上;对非点源污染空间分布特征的分析发现,研究区域内污染的关键区域主要为万荣与新绛县部分子流域,该部分区域降雨量、土壤侵蚀性均较大,并且坡度也相较其他区域大,因而产沙量相对较大,再加上农业活动的影响最终导致非点源污染相对较大,由此可见控制非点源负荷产出的关键在于减少流域的水土流失;对研究区域内TN、TP各类污染源贡献率进行分析可知,研究区域的非点源TN、TP负荷中分别有46.3%和53.5%为土壤养分流失所产生。【结论】汾河运城段非点源污染的控制重点在汛期(7-10月),采取相应措施减少水土流失、降低土壤养分流失、减少农业用肥量可以有效地控制研究区域的非点源污染。     

珠江三角洲典型流域AnnAGNPS模型模拟研究

针对珠江三角洲地区地表水体日益突出的氮、磷富营养化问题,选择新田小流域为主要研究对象,应用GIS技术和AnnAGNPS模型,对流域出口及重要景观单元出口的径流量、总氮和总磷进行同步观测和模拟估算。结果表明：（1）AnnAGNPS模型具有较好的模拟效果,在径流量、总氮和总磷的模拟估算中,最小模拟偏差为1.4%,最大模拟偏差为34.34%,模拟值与实测值之间具有很好的相关性;（2）在所观测的4场降雨中,模拟效果受雨量的影响较为明显,在一定范围内,雨量越大,模拟效果越好,雨量越小,模拟效果越差;（3）不同景观单元由于下垫面性质及其人类活动强度大小影响的不同,模拟效果也表现出一定的差异,果园＋林地景观单元模拟效果最好,而水田＋旱地景观单元模拟偏差较大;（4）水田＋旱地景观单元总氮、总磷污染负荷比重大,是农业非点源污染来源的主要类型和关键源区,这一结果可为区域非点源污染控制和管理提供决策支持。     

基于AnnAGNPS模型的苇子沟流域非点源污染模拟研究

采用连续分布式水文模型Ann AGNPS(Annualized Agricultural Non-Point Source Model),耦合GIS技术,对饮马河下游苇子沟流域2009—2015年非点源污染进行了定量模拟,同时用同步水质监测数据检验了该模型在苇子沟流域的适用性。结果表明,该模型对径流、总氮模拟效果较好,对总磷模拟效果较差。在日尺度上,模型对小型降雨事件径流量模拟值偏低,而对暴雨事件模拟值偏高;月尺度上,总氮、总磷的年内变化与降雨量的年内变化一致,5—8月雨季的非点源污染负荷占全年的80%以上;年尺度上,2009—2015年总氮、总磷污染负荷平均值分别为22 295.28 kg和7 085.00 kg,且年际变化趋势一致。降雨量与总氮负荷的Spearman相关系数为0.93,与总磷负荷的相关系数为0.92,且均达到极显著水平(P0.01),说明年降雨量的变化直接影响流域全年总氮、总磷污染负荷的变化。总氮和总磷负荷的空间分布具有很高的相似性,总体上总氮、总磷单位面积负荷量在流域西北部区域较低,而在流域中下游区域较高。     

基于AnnAGNPS模型的三峡水库生态屏障区径流与土壤侵蚀的变化

利用调查统计和生态产业化工程建设数据,基于GIS技术和AnnAGNPS模型预测三峡水库生态屏障区7条典型农林小流域4种情景模式下径流和土壤侵蚀的变化。结果表明,与2000年相比,2020年7条流域地表径流量将平均减少40.7 mm,土壤侵蚀量将减少5.41 t·hm^-2;流域径流量与坡度呈显著正相关性(p<0.05),与林地面积比率呈显著负相关性(p<0.05),与农地比率相关性不显著; 土壤侵蚀量与林地面积呈显著负相关性(p<0.05),与农地面积呈显著正相关性(p<0.05),土壤侵蚀量空间变异系数均值为160%,为径流量的4.35倍,土壤侵蚀影响因素的不确定性远多于径流量;三峡水库屏障区实施退耕还林和生态产业化工程建设后,水土保持功能持续增强。利用AnnAGNPS模型输出的方法能较为客观地计量流域尺度径流量和土壤侵蚀量,但该方法所需数据量庞大,可能会限定其他地区的推广。     

岔口小流域非点源污染模型AnnAGNPS不确定性分析

为了降低模型模拟计算的不确定性,提高模型在北方典型黄土丘陵沟壑区的适用性,以岔口小流域为研究区,选取可能对非点源污染模型——AnnAGNPS产生影响的10个参数,采用修正的摩尔斯(Morris)分类筛选法,分析参数对模型模拟结果影响的敏感性程度。在此基础上,尝试综合利用一阶误差分析法(FOEA)和自助法(Bootstrap)不确定性分析方法识别重要的不确定性参数,评估参数对模型输出变量的不确定性的贡献。综合两者分析结果表明:对径流模拟计算不确定性影响较大的是径流曲线数、田间持水量;对泥沙、氮磷负荷模拟计算不确定性影响较大的是径流曲线数、地形因子、土壤侵蚀因子、耕作管理因子、水土保持因子、化肥施用量。径流曲线数对模型输出结果的不确定性影响最为显著,表明径流产生过程是泥沙和各种营养盐等侵蚀、搬运的驱动力。泥沙和氮磷的不确定性参数较为一致地表明泥沙是氮磷输出的载体,即在短时暴雨事件下氮磷输出形态通常以泥沙结合态为主,泥沙的不确定性直接影响和决定氮磷等营养物输出的准确性。模型输出结果中泥沙不确定性最大,径流不确定性最小。研究表明,流域水文和土壤侵蚀过程的模拟是校准模型、降低不确定性的关键。在控制和治理流域水土流失及非点源污染时应着重考虑径流曲线数、施肥措施、农田管理方式和水土保持情况。     

AnnAGNPS模型在西南岩溶地区奇峰河流域的参数敏感性及适用性分析

为了探究农业非点源模型(AnnAGNPS)在西南岩溶地区奇峰河小流域地表径流量模拟的适用性,使用差分灵敏度分析(Differential sensitivity analysis,DSA)方法对参数进行敏感性分析,采用敏感指数法评价参数的敏感性等级;利用试错法人工调整模型参数,采用三个评价指标:决定系数(R~2)、纳什系数(ENs)和相对偏差(Re)评估模型的性能,检验其在岩溶地区奇峰河小流域的径流模拟的适用性。结果表明:不同临界源区面积(Critical source area,CSA)与最小源区沟道长度(Minimum source channel length,MSCL)取值下,CSA=20 hm~2,MSCL=200 m时,能够较为全面地描述奇峰河流域的下垫面的情况。参数敏感性分析结果表明,对径流模拟最敏感的参数是径流曲线数(CN),与非岩溶地区相比,影响地表径流的最敏感的参数相同,取值较非岩溶地区流域的大;对泥沙、总氮、总磷模拟最敏感的参数是土壤可侵蚀性因子与径流曲线数。模拟结果表明:AnnAGNPS模型能很好地模拟流域的地表径流,月尺度下模拟的R~2为0.962,ENs为0.831,Re为-14.94%。日尺度下模拟的R2为0.716,ENs为0.946,Re为-13.69%。由于岩溶系统的高渗漏性以及地下水与地表水交换的瞬时性,日尺度下的模拟精度较低。研究表明经过校准与验证的AnnAGNPS模型适用于西南岩溶地区桂林市奇峰河流域的非点源污染负荷模拟。     

岔口小流域不同耕地类型破碎化差异性分析

以岔口小流域为研究对象,基于耕地现状和权属数据,借助GIS技术与FRAGSTATS4.0软件,分析不同耕地类型破碎化的内部差异性,为未来的土地整治及农业规模化经营服务。结果显示,耕地的权属破碎化大于自然破碎化,总体破碎化程度表现为沟坝地坡耕地沟川地梯田;空间分布上呈现为:梯田大面积集中于北部村庄,沟坝地、沟川地沿沟河呈条带状延伸,坡耕地则呈小片状分散布局;耕地适度破碎化益于水土保持,辩证地分析各耕地类型破碎化的影响效应利于土地整治的开展;4种耕地类型的边界褶皱度低。该区应因地制宜地开展土地整治及规模化经营。     

伏牛山区陶湾流域径流、泥沙及氮磷的输出动态

以伏牛山区陶湾流域为研究对象,预测和评价了不同农业管理措施下流域径流、泥沙、氮磷等的输出动态,以便采取更为有效的管理措施。选取了5种农耕模式:传统翻耕、免耕、等高种植、留茬覆盖、免耕并留茬覆盖;5种施肥模式:现有量、85%现有量、70%现有量、50%现有量、35%现有量;5种降雨模式:干旱年、偏少年、平水年、偏多年和丰水年,得到125种模式组合。调试AnnAGNPS模型,输出125组合下的陶湾流域径流、泥沙、氮磷输出量。结果表明,免耕模式可以削减泥沙输出的34.9%,但却增加了径流、氮磷等的输出;施肥模式对径流和泥沙输出没有显著影响,但对氮磷输出呈强正相关关系(R＞0.95),50%现有量的L3模式可削减81.8%氮和63.7%磷;丰水年泥沙输出量为平水年的4.7倍,但氮的输出量与平水年差异不显著,磷的输出量略高于平水年;免耕与施肥模式相结合是陶湾流域削减泥沙和氮磷输出的有效方法之一。     

我国三个典型流域人类活动净氮输入量估算及其影响因素

目的 人类活动氮素过量投入是引起面源污染的重要原因之一。阐明人类活动净氮输入量的时空分布特征及其影响因素,为解决面源氮素污染问题提供数据支持。方法 利用人类活动净氮输入量（net anthropogenic nitrogen input,NANI）模型,通过统计年鉴和文献综述获得NANI相关数据和参数,对农业化的香溪河流域、城镇化的太湖流域和全面推进农业绿色发展模式的洱海流域的净氮输入量进行评估。结果 从NANI强度上看,3个典型流域NANI平均值按照大小排序为：太湖流域（13 241 kg·km^-2·a^-1）、香溪河流域（2 183 kg·km^-2·a^-1）、洱海流域（1 582 kg·km^-2·a^-1）。从来源上看,氮肥施入（Nfer）和食品/饲料氮（Nim）是NANI最大来源,占比58%—97%,对NANI贡献从大到小排序为：氮肥施入、食品/饲料氮输入、氮沉降输入、作物固氮输入。从时间尺度看,2019年同2010年相比,香溪河流域NANI中食品/饲料氮输入比例下降23个百分点,氮沉降比例上升34个百分点;洱海流域NANI中氮肥施入比例下降86个百分点;太湖流域NANI中食品/饲料氮输入比例上升31个百分点,作物固氮量和氮沉降输入比例下降14个百分点和12个百分点。从影响因素上看,3个典型流域NANI与城镇人口密度均呈现显著相关性（P<0.05）,且随城镇人口密度的增加NANI随之升高;耕地面积占比与NANI的拟合上,香溪河流域有显著影响（P<0.05）,但洱海流域和太湖流域均无显著影响（P>0.05）。结论 香溪河流域中昭君镇、峡口镇和黄粮镇,洱海流域中下关镇、上关镇和凤仪镇,太湖流域中张家港市、嘉兴市秀城区、杭州市拱墅区和上海市南汇区是NANI的关键源区;以农业为主的香溪河流域化肥施入是NANI的主要来源;城镇化程度较高的太湖流域食品/饲料氮和肥料氮投入是NANI主要来源;农业绿色发展措施可显著减少人类活动净氮输入量。因此,在关键源区大力推广农业绿色发展措施,同时有效降低饲料和肥料的投入量,有利于控制农业面源污染。