流域水环境污染模型及其应用研究综述

流域水环境污染模型是研究流域水环境问题的重要工具,通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过程定量化描述,识别污染物主要来源和迁移途径,估算污染负荷,评价其对流域水环境的影响,可为流域规划与管理提供决策依据.本文对当前国内外广泛应用的流域水环境模型,尤其是模拟污染负荷的模型进行了系统总结,主要包括污染负荷模型(GWLF与PLOAD)、受纳水体水质模型(QUAL2E与WASP)、以及集成污染负荷与水体水质的综合流域模型(HSPF、SWAT、AGNPS、AnnAGNPS、SWMM),着重介绍各模型的结构原理与主要特点,讨论模型实际应用的局限性.此外,还对其他水质模型(CE-QUAL-W2、EFDC和AQUATOX)与综合流域模型(GLEAMS和MIKE SHE)进行了简要的总结.最后,通过对单个模型独立运用和多个模型联合运用的案例分析,探讨了流域水环境污染模型的发展趋势与应用前景.     

SWAT模型对景观格局变化的敏感性分析——以丹江口库区老灌河流域为例

景观的空间配置与类型组成能够对流域的产流、产沙及非点源污染产生影响。在以往SWAT模型研究中,往往默认水文模型考虑了该影响。为分析SWAT模型对不同景观格局变化的敏感性,根据老灌河流域2000年土地利用在各子流域的组成,模拟研究区更为破碎、复杂的景观空间配置,通过设置多套试验参数,利用SWAT模型生成基于不同景观格局的模拟结果。结果表明,SWAT模型不能反映除坡度和面积变化之外的景观水平下各斑块之间因景观空间格局改变对流域产流、产沙以及非点源污染的影响;模型通过其他参数的调整,弥补了模型分析数据的不足,使实测数据与模型部分结果高度吻合。这表明,一个能够反映流域部分水文特征的SWAT模型,未必是对研究区真实情形的模拟,而是各个参数间平衡的结果。因此,在利用SWAT模型分析模拟景观变化时,不应默认模型能够模拟景观空间格局改变对流域水文过程的影响,同时研究者可以通过划分坡度带,提高模型对不同坡度土地利用的敏感性。     

流域非点源氮素流失空间分异特征的多时间尺度分析

流域非点源污染关键源区的定位是控制和治理流域非点源污染的重要问题,为进一步揭示时间尺度对流域非点源氮素流失空间分异特征的影响,通过构建山美水库流域SWAT模型,在对各个子流域的总氮(TN)流失强度进行模拟的基础上,从多年平均、多年月平均、场次暴雨洪水过程等3种时间尺度,对氮素流失的空间分异特征和关键源区进行分析,并通过多元线性相关分析,对自然和人为因素的影响进行研究.结果表明： 不同时间尺度下流域氮素流失空间差异均十分显著,氮素流失空间分异程度以多年月平均最高,场次暴雨洪水过程最低;桃溪亚流域氮素流失量最大,是非点源氮污染关键源区.不同时间尺度下,土地利用类型均是影响流域非点源氮素流失空间分布的主要因素,而降雨、径流等自然因子对氮素流失空间分异的影响仅表现在不施肥月份和部分不施肥场次的暴雨洪水过程,这种规律与土地利用及施肥具有显著空间变化、而降雨径流的空间变异程度低有关.     

遥感和GIS辅助下流域养分迁移过程的计算机模拟

农业非点源污染问题已成为我国重要的环境污染类型之一.利用空间模型对流域N、P的迁移过程进行计算机模拟,是研究非点源污染控制方法的一个有效手段.设计了遥感和GIS技术辅助下的流域水分和养分迁移过程分布式的模拟方法,包括模型选择、流域的空间离散化和参数化、模型模拟和结果验证3个步骤,为控制流域水肥流失提供了思路.以江西兴国潋水河流域(579km²)为研究区域,选择美国农业部设计的SWAT模型,设计了流域-子流域-水文响应单元的空间离散方案和实现步骤.首先依据地形特征,将整个流域分割成多个子流域,每个子流域内部通过叠加统计分析,生成单一土地利用类型和土壤类型组合的水文响应单元.土地利用参数用TM遥感图像进行监督分类获得,土壤参数化利用地统计学采样和插值分析获得.对1991～2000年的初步预测结果表明,SWAT模型能够较好地模拟潋水河流域的径流水量和泥沙的变化,产水和产沙10年平均预测精度分别为89.9%和70.2%.     

土地利用变化情景下浑河-太子河流域的非点源污染模拟

近年来非点源污染已经成为水污染的主要来源,对非点源污染发生机理和控制方法的研究有着重要的科学和现实意义.为了研究不同土地利用方式对非点源污染的影响,本文基于土地利用变化模型CLUE-S模拟了城市规划、历史趋势和生态保护3个预案下浑河-太子河流域土地利用未来变化.应用SWAT模型对非点源污染进行了模拟研究,并结合实测数据对模拟结果进行了评价.结合两个模型研究了3个土地利用预案下非点源污染对土地利用和景观格局变化的响应.结果表明: SWAT模型在浑河-太子河流域模拟精度较高,该模型在研究区具有适用性.城市规划和历史趋势预案下非点源污染负荷不断增加,城市规划方案下最高,生态保护预案下非点源污染负荷呈不断下降趋势.不同土地利用和景观格局对非点源污染有一定的影响,科学合理的生态建设能够有效减少非点源污染负荷.研究结果可以为流域的非点源污染研究提供案例,为非点源污染防治和最佳管理措施的制定提供科学依据,为相关政策制定提供参考.     

遥感和GIS辅助下流域养分迁移过程的计算机模拟

农业非点源污染问题已成为我国重要的环境污染类型之一．利用空间模型对流域N、P的迁移过程进行计算机模拟,是研究非点源污染控制方法的一个有效手段．设计了遥感和GIS技术辅助下的流域水分和养分迁移过程分布式的模拟方法,包括模型选择、流域的空间离散化和参数化、模型模拟和结果验证3个步骤,为控制流域水肥流失提供了思路．以江西兴国潋水河流域(579km^2)为研究区域,选择美国农业部设计的SWAT模型,设计了流域．子流域-水文响应单元的空间离散方案和实现步骤．首先依据地形特征,将整个流域分割成多个子流域,每个子流域内部通过叠加统计分析,生成单一土地利用类型和土壤类型组合的水文响应单元．土地利用参数用TM遥感图像进行监督分类获得,土壤参数化利用地统计学采样和插值分析获得．对1991～2000年的初步预测结果表明,SWAT模型能够较好地模拟潋水河流域的径流水量和泥沙的变化,产水和产沙10年平均预测精度分别为89．9％和70．2％．     

DEM栅格分辨率和子流域划分对杏子河流域水文模拟的影响

以黄土丘陵沟壑区杏子河流域为研究区,采用数字滤波法分割了杏子河招安水文站1958—1974年的基流量,评价了SWAT模型在该流域水文模拟的适用性,并分析了DEM栅格分辨率和子流域划分对SWAT水文模拟的影响。结果表明,SWAT模型适用于该流域年河川径流、地表径流、基流及产沙量的模拟。当DEM栅格分辨率在20—150 m之间时,SWAT能有效地模拟年河川径流、地表径流、基流及产沙量,各水文要素模拟结果的R2和NSE分别在0.93和0.51以上,RSR在0.43以下;而当栅格分辨率大于150 m时,各水文要素的模拟效果存在差异。子流域划分对流域产流模拟影响较小,而对产沙模拟影响较大。当子流域提取阈值在12—100 km2之间时,不同的子流域划分对产沙量几乎没有影响,若超出该阈值范围,模型会低估产沙量。因此,可针对不同的水文要素选择合适的DEM和子流域提取阈值,以提高模拟精度和运行效率。     

汤溪水库富营养化特征与水质管理对策

通过2003年对广东省汤溪水库水生态学进行调查,分析了该水库的富营养化特征,并从流域管理和水动力学两个方面对水库水质管理对策进行了探讨。汤溪水库为中度富营养化水体,具有明显时空分布差异,丰水期富营养程度高于枯水期,溪头河流区高于新桥河流区。蓝藻是水库浮游植物的主要优势类群,其中引发水华的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)为优势种。水库上游集水流域分布近30万居民,大量的生活排污和农业污染形成了主要的外源污染源,这些外源污染的输入是水库水体营养盐的主要来源;合理处理上游居民生活垃圾、减少生活污染中磷含量、增加流域和库区周围植被覆盖、合理使用农业化肥是降低水库表层水体中营养盐浓度的主要途径。由于该水库的蓝藻和富营养化水平直接与水体的稳定性有关,利用对水库排水的可控制性调节水库水体的稳定性,可作为控制蓝藻水华发生的有效途径。     

SWAT模型融雪模块的改进

SWAT模型是一个具有物理基础的分布式水文模型,利用SCS径流曲线数方法计算地表径流,而采用相对简单的度日因子方法计算融雪径流。因此在湿润半湿润、雨量丰富的平原地区应用SWAT模型进行径流模拟时可以得到较好的模拟结果,但是在干旱半干旱、降水稀少,且春汛期间融雪径流是重要补给来源的高寒山区,模拟的融雪径流明显偏小,不能很好的反映这些地区的融雪过程,导致河道径流模拟精度偏低。FASST模型是具有物理机制的陆面过程模型,其采用能量平衡的方法计算融雪径流,能够较好的模拟复杂地形山区流域的融雪径流。本文以黑河山区流域为研究区,将FASST模型集成到SWAT模型,改善SWAT模型融雪径流的计算方法。通过对比SWAT模型集成前后莺落峡出山口的河道月径流、融雪径流和地表径流对河道的贡献等几个方面,表明了集成FASST融雪模块的SWAT模型能更好的反映黑河山区流域的融雪径流过程,从而提高河道径流的整体模拟精度。     

SWAT模型参数对土地利用变化的响应及其对不同时间尺度径流模拟的影响

SWAT模型广泛应用于土地利用变化的水文效应评估研究,但土地利用变化是否对模型参数产生影响,进而影响径流模拟效果还有待于进一步分析。以东南沿海福建省山美水库流域为研究区,基于SWAT模型,分别模拟1995年、2005年、2015年土地利用条件下的年、月、日尺度径流过程,采用SWAT-CUP进行参数敏感性分析与自动率定,分别获取1995年、2005年、2015年3种土地利用条件下径流过程模拟的最优参数集,比较参数差异;将3组参数集分别应用到不同土地利用条件,分析参数变化对不同时间尺度径流模拟的影响。结果表明：（1）1995-2015年间,研究区土地利用格局发生了较大变化,主要表现为林地转向园地和建设用地;3期土地利用条件下率定的SWAT模型都能较好地模拟山美水库流域年、月、日尺度径流,其效率系数NS和决定系数R²分别大于0.62和0.78。（2）不同土地利用条件下敏感参数基本一致,敏感参数分别为CN2、SOL_AWC、SOL_K、CANMX、ESCO、GW_DELAY、OV_N,但敏感参数取值随着土地利用变化而变化,其变化规律符合敏感参数的物理意义,变化率基本与土地利用变化强度正相关。（3）由土地利用变化引起的参数变化,对年、月径流模拟的影响较小,对日径流影响显著,且随着土地利用变化强度的增加而增加。     

Impact of N-Saturated Upland Forests on Downstream N Pollution in the Tatara River Basin, Japan

This study evaluated whether nitrogen (N) saturated upland forests can degrade downstream water quality in the Tatara River Basin, northern Kyushu, western Japan. Our hypothesis is that elevated atmospheric N deposition degrades downstream water quality in a watershed containing N-saturated forests because a considerable amount of atmospherically deposited N passes into the streams without being retained. Synoptic stream water samplings were conducted at 23 sites across a wide range of land-use categories in the basin over 1 year. A long-term temporal analysis of downstream water quality over the last 30 years (1977–2007) was conducted and compared with long-term trends in related factors such as urban/agricultural activity, sewage wastewater treatment, atmospheric N deposition, and forest condition. The results showed that atmospherically deposited N to N-saturated forests can be a large enough non-point source of N leaving the watershed to impact downstream water quality. This was highlighted by the reduction in pollutant exports derived from urban/agricultural activities, an increase in atmospheric N deposition, and the maturation of coniferous plantation forests in the past 30 years. These have led to reductions in total phosphorus and organic nitrogen concentrations in downstream water, whereas downstream nitrate (NO₃ ⁻) concentrations increased over the last 30 years. The consequent increase in the downstream N:P ratio indicated P limitation. Reducing the NO₃ ⁻ exports from N-saturated upland forests is suggested as a strategy to improve regional downstream NO₃ ⁻ pollution, but involves intercontinental-scale action in reducing atmospheric N emissions.     

Investigating the effects of point source and nonpoint source pollution on the water quality of the East River (Dongjiang) in South China

Understanding the physical processes of point source (PS) and nonpoint source (NPS) pollution is critical to evaluate river water quality and identify major pollutant sources in a watershed. In this study, we used the physically-based hydrological/water quality model, Soil and Water Assessment Tool, to investigate the influence of PS and NPS pollution on the water quality of the East River (Dongjiang in Chinese) in southern China. Our results indicate that NPS pollution was the dominant contribution (>94%) to nutrient loads except for mineral phosphorus (50%). A comprehensive Water Quality Index (WQI) computed using eight key water quality variables demonstrates that water quality is better upstream than downstream despite the higher level of ammonium nitrogen found in upstream waters. Also, the temporal (seasonal) and spatial distributions of nutrient loads clearly indicate the critical time period (from late dry season to early wet season) and pollution source areas within the basin (middle and downstream agricultural lands), which resource managers can use to accomplish substantial reduction of NPS pollutant loadings. Overall, this study helps our understanding of the relationship between human activities and pollutant loads and further contributes to decision support for local watershed managers to protect water quality in this region. In particular, the methods presented such as integrating WQI with watershed modeling and identifying the critical time period and pollutions source areas can be valuable for other researchers worldwide.     

城镇化流域“源-汇”景观格局对河流氮磷空间分异的影响——以天津于桥水库流域为例

随着流域城镇化的加速,流域城镇化景观格局对流域水质的影响逐渐加剧。以城镇化趋势明显的于桥水库流域为例,基于流域"源-汇"景观特征指数,并结合于桥水库流域2013、2014和2015年33个子流域的水质数据,采用空间分析、相关分析和冗余分析等方法,探讨了在城镇化影响下,于桥水库流域景观特征指数和水质指标的定量关系。结果表明:整个流域从上游到下游呈现"汇"景观面积减小,"源"景观面积增大的趋势,居民建设用地面积比在中下游子流域达34.6%,"汇"型景观中林地面积为33.5%;景观空间负荷对比指数(LWLI)全局Moran′s I的值为0.637,P0.01,在空间上存在趋于集群的现象,LWLI高-高聚集区与城镇化集中区域具有一致性。LWLI与流域氮、磷空间分布存在极显著的相关性,平水期TN与LWLI的复相关系数R_2为0.811,丰水期LWLI与TP的复相关系数R_2为0.741;子流域所有水质参数NH_4~+-N、TN、NO_3~--N、TP及LWLI均集中在同一象限,与其它景观特征指数相比,LWLI对河流中氮、磷的影响最大。城镇居民用地与水质指标存在极显著的相关性,是流域水质污染重要的贡献源。流域城镇化发展中,建议提高村镇的景观连通性,便于污染物集中处理,同时增加林地、草地面积,改善流域的生态水文功能。     

苕溪流域非点源污染特征及其影响因子

应用土壤水体评价模型（SWAT）对苕溪流域径流量、泥沙、营养盐负荷进行模拟计算,分析了2008年苕溪流域非点源污染的时空分布特性.结果表明：苕溪流域非点源污染单位面积产生量表现为北部高于南部、东部高于西部、中部地区最少;耕地是泥沙和污染物产生的主要来源,其单位面积负荷远大于其他土地利用类型;产流量、产沙量与降水量呈显著正相关关系（P<0.05）,雨季(6-9月)的营养盐输出大于旱季(12月至次年3月);平均坡度与泥沙负荷、有机氮负荷及硝态氮负荷呈显著相关关系（P<0.05）.     

Simulation of land use–soil interactive effects on water and sediment yields at watershed scale

Influences of vegetation management on soil erosion have been extensively studied. However, interactive effects between land use and soil are poorly documented in literature. Given the importance of understanding such effects for successful watershed management, the objective of this study was to examine the land use–soil interactive effects on water and sediment yields for the 117,845-ha drainage area upstream of the U.S. Geological Survey flow gauging station 08101000 in the Cowhouse Creek watershed located in north central Texas. The examination was implemented using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a distributed watershed model that has been widely used to tackle problems relevant to nonpoint source pollution. A SWAT model was calibrated and validated in accordance with the observed daily streamflows at this gauging station. Subsequently, the calibrated model was used to examine changes of water and sediment yields as a result of the conversion of range brush to range grasses on an individual soil basis. The results indicated that for the study area, the removal of range brush would result in an annual water yield increase of 24 mm ha^?1 treated area. However, the removal on an upland soil with a moderately high permeability was predicted to increase the annual water yield by 80 mm ha^?1 treated area, while it would result in a small increase of annual sediment loading (4.2 t ha^?1 treated area) and a minimal alteration to the existing spatial patterns of sediment sources. The increase of water yield would be larger for the removal of range brush on a soil that is adjacent to the stream channels. For a given soil, the predicted water yield increase was greater for the wetter hydrologic condition than that for the drier one. A reasonable generalization of this study was that the development of best management practices for watershed health and sustainability may need to take into account land use–soil interactive effects on an individual soil basis.     

飞来峡水库水质现状及其向广州供水能力的探讨

水库供水(特别是对城市的供水)已成为缓解全球水资源供给不足的重要途径。于2001年至2003年的丰水期和枯水期调查分析了新建河流型水库-飞来峡水库的水质、浮游植物群落特征和营养状态。结果表明飞来峡水库水质良好,多数水质指标为地表水Ⅱ水质标准,其营养盐浓度、浮游植物的密度均较低,属于贫中营养。从近几年的水质变化来看,建库后,水质改善明显。通过对广州市饮用水源水水质现状及存在问题的分析,从水质和水量两方面探讨了飞来峡水水库作为广州优质水源地的优势。由于来水量大,水库水质净化能力强,飞来峡水库水质和水量均有保证,可作为广州市重要水源地之一。但今后,在流域管理和水土保持工作更应重视和加强。