文摘
NPS污染难以管理和控制由于其复杂的产生和形成机制,尤其是在数据稀疏的区域。因此ECM和BTOPMC分别采用开发一个简单而实用的评价方法,然后比较它们的输出是本文进行的。文献调查和实地数据获得确认出口ECM的系数,和TN和TP的负荷统计分析研究区域。水文相似性的基础上,从附近的测量网站汇集径流数据,以弥补缺乏现场数据然后BTOPMC的水质子模型应用于模拟的月度污染物通量两部分从2010年到2012年。结果表明农业肥料、农村生活污水和畜禽污水的主要污染源,并考虑下河的自然净化能力,两个模型的输出几乎是相同的。该方法的主要思想和比较相结合的实证模型和机械模型可以科学评估研究区域的水质条件,表明它具有良好的潜力在其他地区推广。
1。介绍
非点源污染(NPS)是指并非来自一个特定的污染,很容易地识别源和一般结果从降雨或融雪的洗涤效果,和溶解固体污染物进入接收水体(包括河流、湖泊、水库和海湾)通过径流的过程。NPS污染,可引起水体的富营养化或其它形式的污染1),生成土地利用活动与农业发展相关,农村地区,或不受控制的城市径流从开发活动。农村过度和不合理的使用农药和化肥,小规模的牲畜粪便,未经处理的污水在农业生产、农村垃圾污染导致NPS的直接因素。根据报告由美国和日本,尽管点源污染是完全控制,合规率的水,湖和海洋只有56%,42%,和78%,分别为(2]。目前,NPS污染成为地表水损伤的主要原因在许多国家,如英国、美国、和中国(3]。中国已经最大的化肥消费,也是最大的农药生产和使用的国家在世界上4],NPS污染,特别是农业NPS,水污染已经成为一个主要的因素和生态环境恶化的重要原因之一在中国5,6]。因此,NPS污染的研究是非常重要的水质恢复。
如今,开发一个模型来评估NPS污染和采取适当预防措施在环境研究吸引了越来越多的关注。NPS污染评估模型一般可以分为两种类型:机械模型和经验模型(2]。结合水文过程、土壤侵蚀过程和污染物迁移过程,机械模型可以模拟在河流水动力和水质变化过程。最常用的机械模型,如QUAL2K [7],WASP6 [8],MIKE11 [9,斯瓦特10],AnnAGNPS [11),需要水文气象数据的时间序列。与此同时,各种各样的数据,如土地利用、土壤、人口、牲畜养殖、农药、化肥的使用,应收集和准备建模(12]。事实上,它显示了困难在实际应用尤其是在中国的大部分地区的分水岭,因为可靠的相关数据是稀缺的,只有非常有限的监测数据对污染源和水质的时空变化特征。除此之外,有一些并发症。斯瓦特,一个非常有前途的和受欢迎的机械模型造型NPS污染流域规模20多年,作为一个例子,它有成百上千的参数与巨大的不确定性模型输出(13,14),以及如何检测校准的关键参数是一个最困难的问题,限制使用SWAT。与复杂的机械模型相比,简单的实证模型的优点是要求更少的数据和较少的参数。基于实证关系的建立流域的自然物理特性和污染物的输出,经验模型,如输出系数模型(ECM) (3,15)和源强度系数法(16),可以很容易地计算出NPS污染负荷下的流域出口的低要求的输入数据和参数设置。虽然它不能描述水文路径确定营养交付表层水和污染物迁移的机制,此外,也不是实时预测,它仍然是一个理想的工具,并有很强的实用性和广泛应用与稀疏数据的地区。
NPS污染显示了一些特点,如随机性、滞后和不确定性。很明显,模型的选择应该基于研究目的和数据的可访问性。实证模型可以很容易地给一些必要的和有用的评估结果和更少的数据要求和分布式仿真模型可以描述NPS污染过程和提供更精确的结果,以反映污染物的各种定量的污染机理和时空分布细节只要研究区域的空间离散为更好的分析,所以结合和比较实证模型和分布式仿真模型是很有吸引力的。
本研究的目的是建立一种简单、实用的NPS污染评价方法的数据稀疏的地区。一盆Xichong县、中国在这项研究作为一个案例研究。两个广泛使用的模型包括实证模型和基于物理的分布式水文模型,采用ECM BTOPMC,建立一个简单、实用的评价方法NPS污染。通过整合优势和比较两个模型的结果,得到更客观的评价结论。这种方法的原则如下:(1)是定量评估总氮(TN)和总磷(TP)的主要污染物是Xichong流域利用ECM和(2)水文相似性的基础上,采用BTOPMC解决问题与稀疏地区水文数据通过使用参数传递方法,试图在研究区域的空间生成离散网格,并定量地反映了TN和TP的污染机制通过应用一个简单的水质子模型。
2。材料和方法
2.1。研究区和可用的数据
Xichong县的经度和纬度30°52′′N和N 31°~ 104°E 4′~ 105°36 E′,位于四川省北部,中国。在嘉陵江区和剑河,海拔从282米到569米不等,躺在西北高,东南低。该地区的特点是亚热带季风性湿润气候,每年平均降水量约1000毫米,其中大多数发生在7月和9月之间。Xichong河,Xichong县最大的河流,流经23个乡镇,包括两个分支,Hongxi河和龙潭河(图1)。Hongxi河全长42.5公里,流域面积为289.87公里2龙潭河,全长39.8公里,流域面积为189.73公里2。后的主要流流出Xichong县,长江流经嘉陵江南充地区和Shunqing区在东南方向的导入嘉陵江。
Xichong河被认为是Xichong县的母亲河。它不仅是一个重要的地区沿着河流域水源,但它也扮演着重要的角色在当地环境保护和国家经济发展。不幸的是,自1980年代以来它已被严重污染。根据中国水质分类标准、监测结果的两个部分(Yanjiaxiang部分和Xiyangsi部分,见图1)从2010年到2012年显示每月的TN和TP浓度比的V类水质。
在这项研究中使用的数据的来源包括以下:(i)地形数据从计算机网络信息中心、中国科学院数据中心(http://www.gscloud.cn/),可以提供90×90分辨率数字高程模型(DEM)数据;(2)土地利用/植被类型数据得到的标准国际地圈生物圈计划(IGBP) 1公里×1公里分辨率数据由美国地质调查局提供;(3)土壤信息来自联合国粮食及农业组织(粮农组织)提供1公里×1公里分辨率数据;(iv)的日常观察到的降水数据从2010年到2012年,研究区Xichong气象站提供的。水文气象数据收集从1985年到1987年在水文参考盆地水文年鉴、水利部、中国;(v)在研究区,有两个水质监测站点,Yanjiaxiang部分在龙潭河和Xiyangsi部分Hongxi河。这两个水质监测站点的水质监测数据总量从2010年9月至2012年4月20个月,所有的数据都由当地环境监测部门提供;(vi)农业和非农业人口的数量,牲畜,家禽和相应提供的每个城镇主要是当地的政府部门,以及实地调查当地委员会的村庄,农民,和科学和技术人员。以上卫星数据应该标准化300 m×300 m为了匹配的分辨率BTOPMC计算与ArcGIS软件。
2.2。ECM描述
2.2.1。方法
ECM最早于1989年由约翰和奥沙利文(17)1990年由约翰,然后修改(18]。修改后的模型考虑了一些新的营养出口因素:氮的输入集水通过固氮农业作物,每个地区的半自然植被和森林,人类住区是否连接到一个主要污水系统或使用一个化粪池系统,和著名的土地管理实践被称为出口增加营养的原因,如直接放牧牲畜的饲料作物的字段和油菜的栽培。ECM已经被认为是一个适用的和可接受的模型NPS污染评估;然而,ECM仍有一定的局限性;例如,ECM并不需要考虑地形和降水的时空分布不均匀,这应该是关键影响因素NPS污染(19]。修改后的模型是制定如下: 在哪里营养物质的损失,出口系数营养来源吗,土地利用类型的面积吗的数量,或者牲畜和家禽的类型或流域的人口,是输入的营养来源,从大气沉积是输入的营养物质。
2.2.2。出口系数
的主要营养来源可以分为五类:农业肥料污染相关的六种土地利用类型(如天然林地、荒地、旱地、稻田、水果林地,城市土地和牲畜),家禽污染相关的四种类型(如牛、猪、羊和家禽),和农村和城市住宅污染。ECM参数的确定(出口系数)施加最大的控制模型输出通常归结为三个方面:文献调查、田间试验、水文统计数据,可以确定出口的营养(TN和TP)从每个表面流网络的营养来源。这三种方法各自的优点和缺点:(1)文献调查相对容易,成本也比后者两个方法,但精度较低;(2)现场试验的精度最高,但需要更多的投资和耗费时间;(3)第三个方法反映了精度较高的水文机制(20.),但需要大量的水文和水质数据缺乏大多数中小流域的发展中国家。由于监测数据的不足,本研究主要采取了文献调查21- - - - - -26),确保出口调整系数的范围只在长江上游流域的公布的数据与现场数据相结合,如土地利用、农业和非农业人口的小镇,化肥的用量,牲畜和家禽的数目来确定出口系数。出口在这项研究确定系数表1。
2.3。BTOPMC描述
BTOPMC是一个基于物理的分布式水文模型中,径流和养分运输网格,网格沿流网络,它由一些子地形分析,基于TOPMODEL的径流生成和Muskingum-Cunge流量路由(27- - - - - -30.]。子模型的水质最初是由张(31日),有能力在坡面和污染物迁移模拟污染物迁移和转换频道。模型不仅能有效地显示地形的时空异质性,土壤、土地利用和污染负荷,但也反映了水的数量和质量的反应自然变化和人类活动引起的。污染物的机理(包括TN和TP)转换频道是基于斯瓦特的概念(32)和污染物迁移通道和边坡表面的过程是基于质量平衡电网内的污染物。它概述如下31日]: 在哪里是水的质量改变污染物在网格内的时期,是自发的或减少数量的污染物在网格内的时期,是直接human-activity-caused数量的污染物在网格内的时期,在网格内的流入水体,是水的流出身体在网格内的时期,是最初的流入,是最初的流出,是最后的流入,是最后的流出,是网格中的污染物浓度的输入,然后呢是网格中的污染物浓度的输出。
径流生成相关的参数和流量路由BTOPMC的物理意义,可以反映底层表面的物理特性在盆地。由于吝啬的校准参数的特点,要求输入相对较低,操作简单,能够利用卫星遥感数据,等等,BTOPMC可以应用于ungauged流域水文模拟(33]。BTOPMC的主要结构如图2。
3所示。结果与讨论
3.1。计算基于ECM TN和TP
大量的各种污染源(TN和TP)在2012年研究区可以通过ECM计算通式出口系数和数据源信息后确定。他们总结获得总面积载荷如表所示2。根据表2的污染负荷TN和TP在这个领域是868.50 t·年−1和65.08 t·年−1,分别。
估计平均TN和TP负荷强度是1.811吨·公里−2·年−1和0.136 t·公里−2·年−1,分别。源解析结果如图所示3,这表明农业肥料和污水从农村居民最有助于TN和TP是因为污水从居民和牲畜通常是简单地通过化粪池和消化器处理由于缺乏适当的污水管网和污水处理设施的研究领域。因此,产生的沼气可以直接用作能源资源和大量的化肥可用于农业生产产能利用率较低,造成严重的NPS的污染。TN是农业肥料的主要来源,占总数的53.42%,其次是农村污水(23.37%)和畜禽污水(11.18%)。此外,城市污水也是一个主要污染来源。其中六个土地利用类型、旱地、水田,和自然林地已受精的贡献(52.73%)。大米、小麦和玉米是农业用地的主要作物。从这些作物,提高经济产量大剂量的肥料使用,进而提高环境污染水平。此外,作物残留物,没有系统的管理,是一个N-rich污染源(34]。的主要来源与TN、TP排名不同与农村污水(42.82%),其次是农业肥料(23.76%)、城市污水(16.81%),和畜禽污水(15.61%)。考虑的综合因素负荷TN和TP,因此农业肥料,农村污水、畜禽污水的主要污染源是影响非点源氮磷负荷的研究领域。显然,这些来源首先应该控制。
一个限制出口这种ECM的校准系数不是基于水文和水质数据和可能影响计算的准确性。但可用字段数据是可靠的,ECM在某种程度上可以识别的主要污染源和反映NPS污染研究领域的地位。此外,与BTOPMC产量相比,ECM的计算可以科学地评估。
3.2。模拟由BTOPMC
3.2.1之上。径流模拟
径流数据在控制部分需要模拟水质,但没有测量在Xichong流域径流数据。因此,BTOPMC采用模拟日常移植在2010年和2011年平均径流的水文参数来源于Lizixi河。Lizixi流域(图1)是约40公里远离Xichong流域。它们共享同一气候区和显示相似流域面积、年降雨量、温度、土壤和土地利用。
每日径流数据从1985年到1986年在Zhaojiaci站在Lizixi流域应用校准参数和每日1987年径流数据被用于验证。图4显示了洪水成因的模拟和观察到的长期情况(包括校准和验证时间)。可以看出,大多数的模拟水位图同意与观察,除了低流。校准周期的旱季期间模拟放电明显高于观察。这种差异可能是由于用水系统的影响或限制的解决土壤和土地湾地图。纳什效率系数(35校准和验证的时间确定为67.9%和76.30%,分别。
从Lizixi流域参数传输到Xichong流域需要之前的日径流过程Xiyangsi部分和Yanjiaxiang部分Xichong流域被BTOPMC模拟(图5)。模拟结果表明,每年的平均流动Xiyangsi部分和Yanjiaxiang部分在2010年和2011年是2.47米3/ s和1.893/ s,分别和每年的最大流量是68.47米3/ s和53.003/ s,分别都出现在第506天。从图5,可以看出有明显的对应关系日常径流和降雨序列的过程。与此同时,径流系数是0.36,符合嘉陵江流域径流系数的范围(贝贝站和山西站的径流系数是0.37和0.28,分别地。)。从上面的分析中,模拟结果与径流是合理的。
3.2.2。水质模拟
TN和TP相关的模型参数校准和验证通过使用以Xiyangsi部分和Yanjiaxiang部分的数据。校准的数据从2010年9月至2011年8月每月测量和验证的数据每月测量数据从2011年9月到2012年4月。校准和验证结果表明,所有纳什效率系数都高于50%,纳什的效率系数Yanjiaxiang部分是67.24%(表3)。通过对比模拟和测量曲线,很明显,这个模型可以提供合理的模拟实际的水质,但它显示了一些空白的峰值曲线模拟和实测数据之间由于相对较低的模拟在某个节点点(数据的准确性6和7)。总的来说,校准的过程模型是相对有效的模拟非点源的资源污染。
龙潭河和Hongxi河的NPS污染模拟从2010年到2012年通过使用校准模型。这两个部分的模拟年度通量如表所示4,这表明一个越来越明显的趋势对TN和TP从2010年到2012年。2012年,总氮的变化在两个部分是642.55 t, TN的通量相当于362.58 t Hongxi河节和279.98 t在龙潭河部分。和TP的通量两部分50.7 t,其中TP的通量Hongxi河部分和龙潭河部分33.62吨和17.08 t,分别。它表明Hongxi污染河流的流量比,在龙潭河,这种现象是高度相关盆地的面积,人口分布、产业结构等因素。Hongxi流域和龙潭河流域的面积是289.86公里2和189.73公里2。
ECM和BTOPMC分别采用计算2012年Xichong河流污染物负荷。两个模型的比较结果列在表中5。ECM的统计结果是每年输入量的污染物和模拟结果被BTOPMC污染物通量的两个部分。两个模型的输出之间的差异可以反映河流的自然净化能力。模拟结果表明,差异的TN和TP Hongxi河部分167.73吨和6.87 t,分别在龙潭河而58.21吨和7.51 t,分别反映Hongxi河的自然净化能力是高于龙潭河。根据径流数据,每年平均径流Hongxi河和龙潭河是6.32米3/ s和4.943分别/ s。每年平均径流Hongxi河大于,在龙潭河也反映了Hongxi河的自然净化能力是高于龙潭河。总之,考虑自然净化能力的河流和可靠的校准BTOPMC对观察到的TN和TP浓度在两个水质监测站点,统计分析和机械模型仿真的结果大多是相同的和合理的。
4所示。结论
由于容易收购初始输入数据,一个简单的和实用的评估方法NPS污染可以由ECM结合BTOPMC。主要结论如下:(1)基于文献调查研究区域,采用现场数据确认出口ECM的系数,TN和TP负荷的统计分析,并在2012年确定了主要污染物来源。TN和TP估计ECM的数量是868.5吨和65.08吨;(2)水文相似性的基础上,从附近的测量网站汇集径流数据,以弥补缺乏现场数据;因此,水质子模型的分布式水文模型可以模拟开发月度通量TN和TP的两个部分(Yanjiaxiang部分和Xiyangsi部分)从2010年到2012年,并在2012年TN和TP的数量由BTOPMC模拟642.56 t和50.70 t,分别。自然净化能力的考虑下河,2012年这两个模型的结果都是合理和基本一致;(3)基于条件数在所有因素的全面分析,农业化肥、农村生活污水和畜禽污水的主要污染源是影响负载TN和TP的研究区域,应该首先控制;(4)考虑到数据短缺在发展中国家,本文中采用的方法可能需要最少的输入数据和特别有效的NPS污染负荷估算和污染源识别小规模数据稀疏流域或地区。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(项目没有。50979062),国际科技合作项目、科技部的p . r .中国(没有。2012 dfg21780),四川环保(没有的科技项目。11 hbt-01),四川大学的国家基本搜索基金项目(没有。四川省2010 scu22005),开发项目的实时洪水预报系统,开发和应用项目的综合Storm-Flood模拟和预测系统的四川山地流域洪水灾难。