1AGNPS系列模型研究与应用综述

AGNPS 系列模型研究与应用综述孙金华,朱乾德,颜志俊,陆海明,王会容(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029)摘要:农业非点源污染具有广泛性、随机性和难监测性、难治理性等特点,应用模型描述农业非点源污染物输移过程、进行污染负荷计算、评价防控与治理效果成为水环境保护与治理领域的难点与热点。

着重讨论农业非点源污染模型(A GN PS)系列模型的结构、机理以及国内外的研究与应用进展。

国内外该模型研究结果表明,模拟结果可以接受,年模拟效果要好于次降雨模拟效果,径流量、泥沙侵蚀量、氮磷营养盐负荷模拟精度根据研究区域的不同有所差异,模型的管理措施效果评价、关键污染源区的判断与实际相符。

A G NPS 系列模型单元网格的划分、敏感性分析及参数的调整对模型的精度有重要影响,针对该模型的特点与研究现状,提出改进意见及研究展望。

关 键 词:非点源;AG NPS;模拟;校验;GIS中图分类号:X 143;G353111 文献标识码:A 文章编号:100126791(2009)0620876209收稿日期:2008209219基金项目:水利部公益性行业科研专项经费资助项目(200801028);国家自然科学基金资助项目(50809040)作者简介:孙金华(1962-),男,江苏靖江人,博士,研究员,主要从事水资源水环境研究。

E 2mail:jhsun@nhri 1cn 在点源控制技术相对成熟之后,对控制非点源污染技术和措施的研究,成为当前环境与生态保护面临的主要问题,而在非点源污染中,农业非点源污染贡献率占75%左右[1]。

因此,监测和定量分析农业非点源污染的时空分布、形成与输移机理等问题对非点源污染的控制十分重要。

农业非点源污染具有广泛性、随机性、滞后性、不确定性、难监测性、难治理性等特点,导致监测处理既困难又复杂,加之农业非点源污染的统计资料缺乏,定量预测农业非点源污染的控制效果遇到了很大挑战。

将农业非点源污染调查与机理研究相结合,构建以实用性为目标的污染负荷模型,可为农业非点源污染控制和管理的定量化提供有效的技术手段。

1 AG NPS 模型简介111 主要农业非点源污染模型简介图1 农业非点源污染模型基本结构 Fig 11Frame of agricultural no n 2point so urce pollu 2tion model 目前,国际上常用的农业非点源污染模型有A GN PS(AgriculturalNon 2Point Source)、A NSW ERS(Area Non 2Point Source Watershed Environ 2ment Resource Simulation)、CRE A MS(Chemicals,Runoff and Erosion f orAgricultural M anage ment Syste ms)、SW A T (Soil and Water AssessmentTool)等,各模型的简介、特征、优缺点及适用范围等见表1[223]。

112 AG NPS 模型原理结构AG N PS 是由美国农业部农业研究局联合明尼苏达州污染控制局和自然资源保护局共同开发的计算机模型系统[425],不仅能预报流域的非点源污染负荷,而且还可以用来进行风险和投资/效益分析。

模型主要由3部分组成:径流模拟,非点源污染的基础;泥沙模拟,主要反映迁移机理;最后是污染物模拟。

模型的基本结构可概化为图1。

第20卷第6期2009年11月 水科学进展AD V ANC ES IN WA TE R SCIE NCE Vo l 120,No 16No v.,2009表1 主要农业非点源污染模型Table 1Major agr icultural non 2po int pollution model 模型名称研发部门模块组成模型的主要功能模型优点模型的不足输出污染物类型适用范围与尺度AGNPS 美国农业部农业研究局、明尼苏达州污染控制局和自然资源保护局水文模块、侵蚀沉积模块、化学物质模块模拟流域管理措施或B MPs(最佳管理措施)对径流和泥沙产生的影响分散参数模拟方法,可以利用GIS 获取研究区域大量数据,使模型的应用更加便捷分布式单事件模型,模拟过程以网格为单元划分氮、磷、有机碳、农药暴雨事件,1~200km 2流域ANS WER S 美国弗吉尼亚州立大学径流和入渗、泥沙和蒸散发模块预测农业流域的水文和泥沙迁移过程输出结果可以包括流域内的特定区域而不仅是流域出水口侵蚀模块为经验性的,不能模拟许多子过程无暴雨事件,100km 2的流域C REAMS 美国农业部农业研究局水文模块、侵蚀沉积模块、化学污染物模块模拟非点源污染及评价农业最佳管理措施描述养分的动力学以及养分与耕作的相互作用关系,预报次暴雨和长期降水平均值只能在小范围内应用,用作粗略的计算和预测预报,在寒冷地区不适用化合物流失量输出连续的,主要用于农田SW AT 美国农业部农业研究局气候、水文、泥沙、养分、农药等模块预测大型流域管理措施对水质、泥沙和化学物质的作用结合GIS 开发水土保持评价模块对于单一的事件洪水过程模拟不太适用氮、磷、有机物、总悬浮固体、金属连续的,适用于几千km 2的流域AG N PS 模型的计算过程分为3个阶段。

第1阶段,计算包括所有起始单元内坡地侵蚀、地表径流深、汇流时间、泥沙量、可溶性污染物水平等;第2阶段,计算流出起始单元的地表径流量和泥沙量;第3阶段,计算流经整个流域的地表径流、泥沙量、营养物质[6]。

(1)水文子模型 利用S CS 2C N(S oil C onserva tion Service Curve Number)法计算径流量、峰值流量、单元格径流量。

径流量Q d =(P -I a )2/(P -I a +S)(1)式中 P 为降雨量;S 为持水系数,S =(1000/C N )-10,CN 为径流曲线数;I a 为初损,一般取012S 。

洪峰流量Q p =3179A 017C 0116S (R o /2514)01093A 01017LW -0119(2)式中 Q p 为洪峰流量;A 为流域面积;C S 为渠道底坡比降;R o 为径流量;L W 为流域长宽比,LW =L 2/A,L 为流域长度。

(2)土壤侵蚀子模型 采用修正的土壤侵蚀模型USL E 模拟土壤与泥沙侵蚀迁移。

土壤侵蚀量A S L =R #K #L #S #C #P #SSF(3)式中 A S L 为土壤侵蚀量;R 为降雨径流侵蚀指数;K 为土壤可蚀性因子;L 为坡长因子;S 为坡度因子;C 为作物管理因子;P 为耕作管理因子;SSF 为坡型调整因子。

在每个单元至流域出口,其间有复杂的迁移和沉积关系:Q s (x )=Q s (0)+Q S L (x/L r )-Q x 0D (x)W d x (4)式中 Q s (x)为河渠段下游泥沙输出量;Q s (0)为河渠段上游泥沙输入量;x 为泥沙汇入点到河渠段下游的距离;W 为河渠宽度;Q S L 为旁侧泥沙汇入量;L r 为河渠段长度。

D(x )=[V ss /q(x)][q s (x)-g c s (x)](5)式中 D (x)为沉积速率;V ss 为颗粒沉积速率;q(x)为单宽径流量;q s (x)为单宽泥沙负荷。

g c s (x)=G g s =G K S V 2V ss (6)式中 g c s (x)为单宽有效输沙量;g s 为输沙量;G 为有效输沙因子;K 为输沙能力因子;S 为粘性摩擦阻力;V 877第6期孙金华,等:A GN PS 系列模型研究与应用综述为河渠平均流速。

综合式(4)~式(6)得到计算每个单元流出的5个颗粒级别(粘土、粉砂、小团粒、大团粒和砂石)的泥沙负荷:Q s(x)=2q(x)2q(x)+$xV ss Q s(0)+Q S LxL-W$x2V ssq(0)(q s(0))-g c s(x)-V S Sq(x)g c s(x)(7)(3)污染物迁移转化子模型利用C RE AM S模型与饲养场评价模型计算N、P以及CO D。

污染物迁移分为溶解态和颗粒吸附态,营养物吸附量用单元的泥沙产量计算:Nut sed=Nut f Q s(x)E r(8)式中Nut sed为N、P随泥沙迁移量;Nut f为N、P在土壤中的含量;Q s(x)为土壤流失量。

E r=714Q s(x)-012T f(9)式中E r为富集率;T f为土壤质地综合因子。

可溶性营养物估算考虑降雨、化肥用量和淋溶过程,径流中营养物用下式推求:Nut soi=C nut Nut e xt Q(10)式中Nut soi为径流中可溶性N或P的浓度;C nut为土壤表面N或P的平均浓度;Nut ext为天然N或P进入径流的流出系数;Q为径流量。

113AG NPS模型参数及适用性(1)输入参数模型输入参数包括流域总体特征值和单元级参数。

总体特征参数流域面积、流域长度、单元面积、单元总数、降雨量、降雨能量强度值。

单元参数单元编号、汇水进入的单元编号、径流曲线值、单元平均坡度、单元平均坡长、单元坡向坡型因子、河渠道指示、河渠道底坡比降、河渠道边坡坡度、河渠道曼宁系数、土壤侵蚀因子、植被覆盖因子、侵蚀控制因子、地面条件常数、土壤质地、化肥施用水平、化肥比例因子、COD平均浓度或背景值、滞水因子、点污染源标志、沟蚀水平。

(2)输出参数研究区域的输出结果包括流域面积和网格尺寸、降雨和可蚀性、流域出口径流量和洪峰流量、面积加权的坡面和渠道侵蚀、沉积物传输率、沉积物富集比、沉积物平均浓度、五种粒径颗粒的总产沙量、单元面积可溶性和颗粒携带N、P及CO D的质量、径流中N、P、CO D的浓度[4,7]。

(3)适用性检验评价模型计算的质量,方便模型参数校正,检验模型的适用性,通常采用2个指标来表征模型实测值与模拟值的拟合度。

模拟偏差D V=V-V cV c@100(11)式中V为模型模拟值;V c为实测值;D V为模拟偏差,此值越趋于0,模拟精度越高。

绘制1B1连线图和回归曲线,反映径流、泥沙及总氮的拟合度,在1B1连线图上,数据点越接近于1B1连线,拟合度越高;相关系数R2越大,表示实测值与模拟值的拟合度越好。

AG N PS模型以网格为基本运行单位,通过网格间逐步演算的方法推算至流域出口。

一般网格划分越细,计算精度越高,模型运行所需时间就越长,实际应用时应根据具体情况而定。

鉴于AG NPS模型相对于其它非点源污染模型具有许多长足之处,较快地熟悉国内外A G NPS的研究进展与应用,对于研究农业非点源污染模型,加快建立适用于我国特殊侵蚀环境的农业非点源污染预测模型具有重要的学术意义。