第八讲SWAT的非点源污染模拟.

SWAT的非点源污染模拟主要内容1、非点源污染模拟原理2、模拟过程与关键步骤3、点源和非点源模拟应用实例一、非点源模拟原理模型概述流域中非点源污染的来源主要是农业化肥和农药的施用。氮、磷等营养物和农药的迁移和转化取决于化合物在土壤环境中经历的转换过程。SWAT模型可以模拟水文响应单元内氮和磷完整的营养物循环过程和任何一种农药的降解过程。模型概述SWAT模拟流域内泥沙、藻类、溶解氧、有机污染、多种不同形式的氮、磷以及农药等污染物质的运移与转换。物质循环模型可以分为非点源污染模块、河道水质模块以及湖泊水库水质模块。据统计，目前已在国际期刊上发表相关文献近200篇，中国知网收录文献292篇。地表径流泥沙负荷可溶性氮可溶性磷吸附氮吸附磷坡坡坡坡坡坡坡坡坡非点源污染坡坡坡点源污染BOD河道水质模型湖泊水体水质模型氮大气磷BOD溶解氧藻类底泥底泥底泥降水降水降水流域污染物迁移转化过程示意图模型概述非点源污染模块河道水质模块湖泊、水库水质模块模型概述非点源污染模块农药模拟模块河道水质模块模型扩展应用作物生长模块河道演算模块模型非点源污染模拟原理物质运移内容：1、营养物，包括有机氮、铵氮、亚硝氮、硝氮、有机/无机磷；2、农药；3、重金属；4、病原菌；5、生化需氧量、溶解氧过程：与水循环过程类似，多数先在水文响应单元计算各种产出量（陆面过程），再输出到子流域的滞蓄水体以及河网系统进行循环过程氮素的土壤循环SWAT模型监测土壤中的五种不同氮库:无机氮库（NH4+和NO3-）有机氮库（新有机氮、活性有机氮和稳定有机氮）新有机氮（FreshorganicN）是指以农作物残余和微生物的形式存在的有机氮;活性有机氮和稳定有机氮是指土壤中以腐殖质形式存在两种不同类型的氮。土壤初始氮1000exp73,zNOzconc14104,lylyhumorgCorgN腐殖质有机氮初始硝酸氮矿化作用、分解作用/固氮作用腐殖质矿化作物残余的分解和矿化lystaactNlyactlytrnslytrnsorgNfrorgNN,,,,11lyactlyswlytmplyaorgNN,2/1,,min,min)(Nminf,ly=0.8·δntr,ly·orgNfrsh,ly硝化作用和氨挥发硝化挥发lyvolnitlyvollynitlynitlynitNfrfrfrN,|,,,,)(lyvolnitlyvollynitlyvollyvolNfrfrfrN,|,,,,)(新有机氮orgNfrsh,surf=0.0015·rsdsurf反硝化作用如果γsw,ly≥0.95，则如果γsw,ly0.95，则Ndenit,ly=0.0Ndenit,ly=NO3ly•(1-exp[-1.4γtmp,lyorgCly])降雨中的氮Nrain=0.01·RNO3·Rday氮运移磷素的土壤循环化肥收割绿肥/垃圾/淤泥绿肥/垃圾/淤泥矿化土壤有机质吸附态无机磷固持解吸吸附矿物性土壤中磷主要以三种形式存在:•腐殖质中的有机磷•难溶的矿物磷•土壤溶液中的植物可利用磷土壤初始磷稳定矿物磷活性矿物磷矿化作用、分解作用/固磷作用腐殖质矿化作物残余的分解和矿化无机磷的吸附作用溶液中迁移到活性矿物库活性矿物库中迁移到溶液腐殖质有机磷淋溶作用lyhumlyhumNorgP,,125.0paipaiPinPlysolutionlyact1m,,lyactlystaPP,,min4minPmina,ly=1.4•βmin•γtmp,lyγsw,ly•orgPact,lylyfrshlyntrlydecorgPP,,,2.0percdsurfbsurfpercsurfsolutionperckdepthwPP,,,10Psol┃actly=Psolutiontly-minPactly·Psol┃actly=0.1·(Psolutiontly-minPactly·)paipai1磷运移农药的地表水体循环主河道中（仅模拟一种农药）：1、水中：降解、挥发、底泥沉降、出流；2、底泥中：降解、再悬浮、解吸附、掩埋；滞蓄水体中（仅水库，过程与主河道基本一致）流入流出挥发溶液态微粒态分解分解溶液态微粒态吸附吸附掩埋扩散沉降再悬浮水体底泥流入流出挥发溶液态微粒态分解分解溶液态微粒态吸附吸附掩埋扩散沉降再悬浮水体底泥农药的地表水体循环叶面施药挥发降解冲洗入渗淋溶挥发产流带走分解表层和亚表层施药淋洗作用：降解作用：pstf,wsh=frwsh·pstfpsts,ly,t=psts,ly,0·exp[-kp,sol·t]病原菌运移病原菌的来源：SWAT仅概念性地模拟两种菌群，一种为可长久生存的，一种为相对短命的。病原菌来自于绿肥(动物粪便），SWAT的肥料类型数据库中有各种绿肥的含菌量参数。在施肥过程中，病原菌也一同施入，并在植物叶面和表层10mm的土层中进行分配。另外可通过点源输入。病原菌的运移模拟：HRU的病原菌：1、植物叶面；2、土壤溶液；3、吸附在土壤颗粒中1、植物叶面的雨水冲刷；2、菌群的死亡-生长(3种介质）；3、土壤溶液中细菌的淋溶（淋溶的细菌认为死亡）；4、地表产流带走；5、在地表水体中（主河道、仅水库）随水流演进，并仅考虑死亡过程河道水质模型SWAT模型中的河流水质模型采用QUAL2E模型。该模型是以溶解氧为中心的多变量的综合性河流水质模型。它能按照使用者的要求，模拟河道中泥沙、叶绿素——藻类、有机氮、氨氮、有机磷、可溶性磷、亚硝酸盐、硝酸盐、矿物质磷、生化需氧量、溶解氧、农药、三种任选的重金属等不同水质指标的浓度变化过程。营养元素的地表水体循环主河道中：1、藻类的死亡-增加有机氮和有机磷；2、藻类的生长-氮磷固持（包括铵氮、硝氮、无机磷）；3、有机氮/有机磷的底泥沉降；3、有机氮的矿化及底泥吸附态铵氮的释放-铵氮；4、铵氮的硝化-亚硝氮-硝氮；5、有机磷的矿化及底泥吸附态无机磷的释放-无机磷滞蓄水体中（池塘、湿地、水库,不包括洼地）：1、随地表径流进入滞蓄水体，并出流进入主河道2、仅考虑营养元素的沉降，不模拟转化过程河道水质模拟市政和工厂排放非点源排放生物降解和转化稀释和扩散沉积和再悬浮沉积和积累泥沙吸附作用河道水质模型图6-5水质变量之间的相互影响关系1—复氧作用；2—河底生物(包括底泥)的耗氧；3—碳化合物BOD耗氧；4—光合作用产氧；5—氨氮氧化耗氧；6—亚硝酸氮氧化耗氧；7—碳化BOD的沉淀；8—浮游植物对硝酸氮的吸收；9—浮游植物对磷(磷酸盐磷)；10—浮游植物呼吸产生磷；11—浮游植物的死亡和沉淀；12—浮游植物呼吸产生氨氮；13—底泥释放氨氮；14—氨氮转化为亚硝酸氮；15—亚硝酸氮转化为硝酸氮；16—底泥释放磷。藻类模拟藻类（或叶绿素a）的生长和分解可以通过与生长率、呼吸速率、沉降率以及当前河流中藻体数量建立函数计算得出。TTaeadepthaeaaeaaeaaalglglglg1NO3-NNH3-NAlgaeorganicPLightorganicNdisP死亡吸收藻类模拟呼吸或死亡速率：沉降速率：生长速率：2020,047.1waterTaa2020,11047.1waterTFPFNFLamax20,depthkIKIKdepthkFLthrphosynLhrphosynLtexpln1,,NNHNONHNOKCCCCFN4343PsolpsolpKCCFP光氮磷氮元素在含氧水体中氮是逐级转化的，从有机氮转成氨氮再转为氮，亚硝酸态氮，最后成为硝酸氮。有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮通过沉降和底泥吸附从河道中除去。DOorganicNNH3-NNO2-NO3-挥发N2AlgaeAlgae死亡吸收氮元素有机氮：氨氮：亚硝酸态氮：硝态氮：TTorgNorgNaeaorgNstrstrNastr43,1lgTTaeafrdepthNHorgNNHaNHstrtNstrNstrlg10001341,3,44TTNONHNOstrNstrN22,41,2TTaeafrNONOaNHstrNstrlg1122,34磷元素磷循环和氮循环相似。藻体死亡后，藻体内的磷转化为有机磷。有机磷再经过矿化成为可被藻类吸收的溶解态磷。同时，有机磷也可能会通过沉降作用从河流中去除。有机磷：无机（可溶性）磷organicPdisPAlgae死亡吸收TTorgPorgPaeaorgPstrstrPastr54,2lgTTaeadepthorgPsolPastrPstrlg1000244,生化需氧量及溶解氧生化需氧量(CBOD)：指水体中有机物质分解所需要的氧气的总量。由点源输入到河网系统，在主河道和水库中循环。1、CBOD的底泥沉降；2、CBOD的氧化分解（耗氧）TTcbodkcbodkcbod31生化需氧量及溶解氧溶解氧(DO)：水体中的溶解氧浓度和大气复氧、光合作用、动植物呼吸作用、底泥需氧量、生化需氧量、硝化作用、盐度、温度等相关。1、复氧过程。大气复氧、藻类的光合作用、水体扰动复氧(坝体)2、消耗过程。藻类的呼吸作用、CBOD耗氧、底泥耗氧、铵氮硝化、亚硝氮硝化strNstrNastrsatstrNONHdepthkcbodkaeaOxOxkOx22,641,54144321000lg重金属的运移允许模拟3种SWAT的重金属来源于点源输入。重金属运移是SWAT的物质运移模拟中唯一一个不考虑HRU因素的物质运移，仅是简单地计算随河网系统水流演进过程和物质量平衡。蓄水体水质模拟SWAT湖泊、水库水质模型采用了一个简单的污染负荷平衡模型。同时在模拟较为复杂的湖泊时，SWAT采用了分布式WASP水质模型。蓄水体水质模拟模拟水体中营养物质的转化过程时，SWAT假设在一个完全均匀的水体，当营养物质进入水体的同时，就会均匀分布于整个水体。这个假设忽略了水体中的分层现象以及由于水体表层浮游生物引起的表层和下层之间的差异的存在。水体初始水量：水体初始氮磷含量：沉积作用导致水体中营养物质的损失量等于区域内沉积物－水界面通量和面积的乘积。在稳态情形下，水库污染负荷总平衡方程为：flowinstoredinitialMMMflowinstoredinitialVVVdtAcvMssettlingiAcvcQtWdtdcV)(二、建模过程与关键步骤——以AVSWAT2005模型自带数据库为例影响因素DEM精度、降水不均匀性、子流域划分输入参数：土壤物化性质、植被生理生态水资源开发利用：水利工程、工农业取用水其他因素：对流域的熟悉程度模拟：径流模拟：基础泥沙模拟：迁移机理污染物模拟：与径流和泥沙的关系主要步骤主要步骤数据准备矢量图：DEM、土地利用、土壤图、气象水文站点位置等文本：土地利用和土壤数据库链接表表格：气象水文站点（包含高程、经纬度信息）输入气象资料表：各站点日最高最低气温、日降水量、日蒸发蒸腾、日风速露点温度等其他：取用水、引水地点等校核资料：控制水文站日径流量、水库调节方式、实测污染物负荷数据准备点排放数据表－年度负荷点源或者入口排放数据可以用四种方法进行总结：稳定日负荷，平均年负荷，平均月负荷，日负荷。用稳定日负荷对排放数据进行总结，则要在点排放数据对话框中输入数据。