1、SWAT的非點源污染模擬,主要內容,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業化肥和農藥的施用。氮、磷等營養物和農藥的遷移和轉化取決于化合物在土壤環境中經歷的轉換過程。SWAT模型可以模擬水文響應單元內氮和磷完整的營養物循環過程和任何一種農藥的降解過程。,模型概述,SWAT模擬流域內泥沙、藻類、溶解氧、有機污染、多種不同形式的氮、磷以及農藥等污染物質的運移與轉換。物質循環模型可以分為非點源污染模塊、河道水質模塊以及湖泊水庫水質模塊。據統計，目前已在國際期刊上發表相關文獻近200篇，中國知網收錄文獻292篇。,流域污染物遷移轉化過程示意圖,模型概述,非點源污染模塊,河道水質模

2、塊,湖泊、水庫水質模塊,模型概述,非點源污染模塊,農藥模擬模塊,河道水質模塊,模型擴展應用,作物生長模塊,河道演算模塊,模型非點源污染模擬原理,物質運移內容： 1、營養物，包括有機氮、銨氮、亞硝氮、硝氮、有機/無機磷； 2、農藥； 3、重金屬； 4、病原菌； 5、生化需氧量、溶解氧 過程： 與水循環過程類似，多數先在水文響應單元計算各種產出量（陸面過程），再輸出到子流域的滯蓄水體以及河網系統進行循環過程,氮素的土壤循環,SWAT模型監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、活性有機氮和穩定有機氮） 新有機氮（Fresh organic N）是指以農作物殘余

3、和微生物的形式存在的有機氮; 活性有機氮和穩定有機氮是指土壤中以腐殖質形式存在兩種不同類型的氮。,土壤初始氮,腐殖質有機氮,初始硝酸氮,礦化作用、分解作用/固氮作用 腐殖質礦化 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 硝化 揮發,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、僅考慮營養元素的沉降，不模擬轉化過程,河道水質模擬,河道水質模型,1復氧作用； 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浮游植物呼吸產生磷； 11浮游植物的死亡和沉淀； 12浮游植物呼吸產生氨氮； 13底泥釋放氨氮； 14氨氮轉化為亞硝酸氮； 15亞硝酸氮轉化為硝酸氮； 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、沉降率以及當前河流中藻體數量建立函數計算得出。,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化的，從有機氮轉成氨氮再轉為氮，亞硝酸態氮，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： 亞硝酸態氮： 硝態氮：,磷元素,磷循環和氮循環相似。藻體死亡后，藻體內的磷轉化為有機磷。有機磷再經過礦化成為可被藻類吸收的溶解態磷。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) ： 指水體中有機物質分解所需要的氧氣的總量。由點源輸入到河網系統，在主河道和水庫中循環。 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。 1、復氧過程。大氣復氧、藻類的光合作用、水體擾動復氧(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的物質運移模擬中唯一一個不考慮HRU因素的物質運移，僅是簡單地計算隨河網

7、系統水流演進過程和物質量平衡。,蓄水體水質模擬,SWAT湖泊、水庫水質模型采用了一個簡單的污染負荷平衡模型。同時在模擬較為復雜的湖泊時，SWAT采用了分布式WASP水質模型。,蓄水體水質模擬,模擬水體中營養物質的轉化過程時，SWAT假設在一個完全均勻的水體，當營養物質進入水體的同時，就會均勻分布于整個水體。這個假設忽略了水體中的分層現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： 沉積作用導致水體中營養物質的損失量等于區域內沉積物水界面通量和面積的乘積。 在穩態情形下，水庫污染負荷總平衡方程為：,二、建模過程與關鍵步驟,以AVSWAT2005模

8、型自帶數據庫為例,影響因素,DEM精度、降水不均勻性、子流域劃分 輸入參數：土壤物化性質、植被生理生態 水資源開發利用：水利工程、工農業取用水 其他因素：對流域的熟悉程度 模擬： 徑流模擬：基礎 泥沙模擬：遷移機理 污染物模擬：與徑流和泥沙的關系,主要步驟,主要步驟,數據準備 矢量圖：DEM、土地利用、土壤圖、氣象水文站點位置等 文本：土地利用和土壤數據庫鏈接表 表格：氣象水文站點（包含高程、經緯度信息） 輸入氣象資料表：各站點日最高最低氣溫、日降水量、日蒸發蒸騰、日風速露點溫度等 其他：取用水、引水地點等 校核資料：控制水文站日徑流量、水庫調節方式、實測污染物負荷,數據準備,點排放數據表年度

9、負荷 點源或者入口排放數據可以用四種方法進行總結：穩定日負荷，平均年負荷，平均月負荷，日負荷。 用穩定日負荷對排放數據進行總結，則要在點排放數據對話框中輸入數據。對其他三種方法，界面要求預先生成包含點排放數據的文件。,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據-ArcSWAT中有坡度劃分,主要步驟,添加氣象數據-劃分子流域 降水和氣象數據應在相應目錄下,主要步驟,寫入數據,主要步驟,設定參數-運行模型,主要步驟,輸出結果查看,手動修改輸入參數,數據庫 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 穩定日負荷,點源污染排放,排放情景選擇與輸入 年均日負荷 月均日負荷 日負荷 流程相似,入口排放修改,穩定日負荷 年均日負荷 月均日負荷 日負荷 與點源污染輸入方式類似,水庫輸入數據修改,水庫輸入數據修改,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-設定目標泄流量,水庫輸入數據修改,水庫水質數據,子流域數據修改,子流域 氣象站點 常規數據 水文響應單元 地下水 河道匯流 用水,子流域數據修改,氣象站點,子流域數據修改,常規輸入數據修改 水文相應單元,子流域數據修改,主河道匯流 地下水 用水,子流域數據修改,農業管理措施 一般管理信息 水文參數-CN值,

11、子流域數據修改,農業管理措施 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,子流域數據修改,農業管理措施 耕作 收獲和割除 收獲,子流域數據修改,農業管理措施 放牧 自動灌溉 自動施肥,子流域數據修改,農業管理措施 土地清理 圈圍和釋放 長期施肥 選擇數據適用區域,子流域數據修改,土壤化學參數 河流水質,子流域數據修改,水庫坑塘,輸出結果,查看結果并作圖,輸出結果,子流域1在1977年的產水量,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 農業管理措施： 施肥量、日期（生長期） 灌溉 耕作 土壤化學參數準確,三、應

12、用實例,新安江流域非點源污染模擬 淮河流域閘壩調控下水量水質模擬 溫榆河流域水量水質聯合調度,68,在中國干旱半干旱、濕潤地區等10多個小、中、大流域尺度得到了應用。主要應用于徑流模擬、非點源污染模擬、閘壩評估及調度、以及氣候變化等方面。,新安江流域非點源污染模擬,69,數據收集,新安江流域非點源污染模擬,數據收集,71,參數選擇及率定-水質,地表產流過程影響泥沙、N和P負荷的參數： SPCON：泥沙輸移線性系數； SPEXP：泥沙輸移指數系數； 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，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，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，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、磷在河道水質模擬參數： 在水體中有機氮可以轉化到氨氮、亞硝酸鹽氮然后到硝酸鹽氮。磷循環過程與氮循環有相似的轉化關系，故考慮如下幾個參數的率定： BC3：20C時有機氮轉化為氨氮的速度常數； BC1：20C時氨氮生物氧化速度常數； BC2：20C時亞硝酸鹽氮的生物氧化速度常數； BC4：20C時有機磷的礦化速度常數； RK1：20C 時CBOD 氧化速率 RK3：20C 時CBOD的沉降

14、速率,細菌分配系數,Mgt和fert.dat文件的制作,編號,礦物質氮的比例,礦物質磷的比例,有機磷的比例,有機氮的比例,氨氮的比例,穩定細菌比例,弱穩定細菌比例,名稱,Mgt,Fert.dat,73,流量,泥沙,總氮,總磷,屯溪,模擬結果,74,流量,泥沙,總氮,總磷,漁梁,模擬結果,75,新安江非點源污染估算模型模擬結果,76,降水-徑流 空間分布圖,77,污染負荷 空間分布,78,泥沙,總氮,總磷,行政區縣各年產污量,淮河流域閘壩調控下水量水質模擬,嵌入閘壩群運行的流域 水循環分布式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、灌溉供水等方面發揮巨大效益。但工程修建后對河流生態與環境造成的影響，已成為國內外關注的焦點。,淮河流域,淮河流域概況,（1）SWAT模型與閘壩調度方式的耦合,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/月觀測徑流數據； 目標泄水控制出流需要調查獲得每個水庫每個月的目標蓄水量以及最小/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的蓄水量和水面面積，并沒有包含閘壩的調度，將直接導致徑流過程模擬

16、的誤差較大。,?,（1）SWAT模型與閘壩調度方式的耦合,在我國閘壩的設計時，閘壩的水位、庫容和下泄流量存在對應關系。閘壩的運行調度時，閘壩的下泄流量主要依據閘上水體達到某一水位（或庫容）。因此三者之間存在一定的相關關系：,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關系,（1）SWAT模型與閘壩調度方式的耦合,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關系,相關性非常顯著,（2）SWAT中水質模塊的改進,（1）在水庫水質模塊中，采用污染負荷平衡方程考慮BOD的沉淀、降解，添加模型中水庫BOD模擬功能。 （2）建立COD與BOD之間的關系。從COD和BO

17、D氧化機理上分析，兩者存在一定的線性關系。 （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指標的變化過程。,研究選取蚌埠閘為流域出口，建立了閘壩運行環境下SWAT模型，共劃分了129個子流域和468個水文響應單元。主要大型閘壩按其所在地理位置作為相應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、子流域耦合分布圖,子流域：129 hru： 468 閘壩： 31,參數的選擇和率定,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：,水質模擬：,1984-2000年期間不連續月濃度資料。

18、模擬負荷為氨氮和CODMn。36個斷面,敏感性分析指標：,參數的選擇和率定,（4）模擬結果 水庫模擬,白龜山水庫,12座水庫模擬結果,（4）模擬結果 水閘模擬,蚌埠閘,11座水閘模擬結果,（4）模擬結果,王家壩,23個水文站模擬結果,（4）模擬結果,王家壩,23個水文站模擬結果,（5）小結,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系數和平均效率系數為0.72和0.47，水閘為0.83和0.67，水文斷面為0.88和0.73。而在檢驗期內水庫的平均相關系數和效率系數為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。但模擬結果均在可接受的范圍內。 氨氮模擬相關系數在0.45以上的斷面共19個，占53%，平均相關系數為0.46；CODMn模擬相關系數在0.45以上的斷面共22個，占61%，平均相關系數為0.52。,溫榆河流域水量水質聯合調度,北京市水資源嚴重短缺，已成為經濟社會發展的制約因素； 溫榆河是唯一一條發源于北京市且常年有水的河流，流域生態水環境狀況直接影響該區域經濟社會的協調發展和功能定位。 河道水體污染嚴重，水生態系統退化明顯；流域內所有河道水體水質全部為劣類水體,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：北關閘,閘壩：10座 北關閘、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,參數選擇與率定,水量,氨氮,COD,水量水質模擬：沙河閘斷面,水量,氨氮,COD,水量水質模擬：北關閘斷面,水量模擬：沙河閘和北關閘的年徑流總量都接近于斷面多年平均徑流量；北關閘模擬相關系數和效率系數都在0.80以上。 水質模擬：沙河閘、魯疃閘、辛堡閘、葦溝閘和北關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%。,水量水質模擬結果,基于耦合閘壩系統的溫榆河流域SWAT模型，通過沙河閘、魯疃閘、新堡閘、葦溝閘、北關閘等多閘壩的調控，進行水污染修復與整治，使

21、溫榆河干流水體水質濃度盡量達到所在水功能區劃的濃度標準，從而提高流域內水資源的可利用量，實現流域水資源的高效利用。,閘壩優化調度模型與多情景分析,目標函數：,當流域污染嚴重時，下游水體的等標污染指數最小,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,該指數數值小于等于1，說明該斷面水體沒有受到污染；數值大于1，說明該斷面水體已受到污染,數值越大，超標越嚴重。,當流域污染較輕時，總達標水資源量最大,閘壩調度模型,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文件。QCmode模型輸出的文本為所需優化閘壩的月出流過程，該文件將作為SWAT模型的輸入；而經SWAT模型演算得到的目標閘壩的水量水質過程（basins.rsv）將作為QCmode模型的輸入，對所需優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重，水質遠遠達不到水功能區劃的要求，此次研究設置情景方案為： 情景一：現狀排污條件 情景二：引溫濟潮二期工程實施 情景三：排污基本達標,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度方式進行逐一優化，根據不同的來水情況為這五個閘壩制定最優的調控模式。 以2005年