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農業非點源污染輸移過程實驗及機理研究 版權信息
- ISBN：9787030751157
- 條形碼：9787030751157 ; 978-7-03-075115-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
農業非點源污染輸移過程實驗及機理研究 本書特色
適讀人群 ：流域水文模擬、生態水文學及環境水文學等領域的科技工作者、工程技術人員，相關專業的本科生、研究生和教師通過野外觀測實驗，深入研究流域水文響應與農業非點源污染物遷移的互動機制
農業非點源污染輸移過程實驗及機理研究 內容簡介
太湖流域經濟、社會發展迅速，人類活動強烈的影響著流域內的水文、水環境過程。本文通過在太湖流域典型小流域詳細的野外原型實驗，分析了流域的水文響應機理，并在水文過程分析的基礎上，研究了農業非點源污染物在水-土界面的運移機理，闡述氮磷輸出的主要影響因素與作用機制。本書在機理分析基礎上，整合了降雨下滲、土壤水、坡面匯流與河道匯流、地下水流等水文過程，構建了分布式的水文-非點源污染物運移模型，揭示了水文響應與非點源污染物的互動機制，得到了氮磷關鍵輸出區的分布規律。
農業非點源污染輸移過程實驗及機理研究 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 背景 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 分布式水文模型研究進展 3
1.2.2 農業非點源污染物遷移轉化研究進展 5
1.3 本書研究內容概要 10
1.3.1 研究目的 10
1.3.2 研究內容 11
1.3.3 技術路線 13
第2章 實驗流域概況與特征提取 15
2.1 地理位置 15
2.2 地形地貌 15
2.3 水文氣象 15
2.4 流域水文觀測實驗 16
2.5 基于GIS的流域特征提取 18
2.5.1 概述 18
2.5.2 建立流域數字高程模型 18
2.5.3 流域特征獲取 19
第3章 山丘區流域水文響應機理及定量化研究 22
3.1 流域水文響應機理研究 22
3.2 分布式耦合水文模型的建立 31
3.2.1 降雨下滲模擬 31
3.2.2 匯流過程模擬 32
3.2.3 非飽和土壤水分運動模擬 33
3.2.4 地下水運動模擬 33
3.2.5 河水-地下水水量交換模擬 33
3.3 流域分布式水文模擬 34
3.3.1 分布式耦合水文模型系統在梅林流域的率定 34
3.3.2 分布式耦合水文模型系統在梅林流域的驗證 36
3.3.3 不同產流模式對水文響應結果的影響 40
3.3.4 參數空間變異性對水文響應模擬的影響 41
第4章 典型山丘區農業非點源污染物遷移規律研究 46
4.1 流域農業非點源污染物遷移特征實驗設計 46
4.2 降雨事件對流域氮磷輸出的影響 48
4.3 梅林流域氮磷隨降雨事件遷移規律 51
4.3.1 梅林流域氮磷輸出主要成分 51
4.3.2 梅林流域流量與氮磷輸出關系研究 57
4.3.3 梅林流域氮磷輸出的季節規律研究 71
4.3.4 梅林流域不同徑流成分輸出氮磷規律 74
4.4 不同土地利用氮磷輸出規律研究 82
4.5 地下水中氮磷濃度時空變化規律研究 88
第5章 典型山丘區農業非點源污染物隨水文過程遷移規律定量化研究 94
5.1 氮遷移轉化模擬方法 94
5.1.1 氮素的徑流輸出量 95
5.1.2 氨的硝化與揮發 96
5.1.3 硝氮的反硝化 97
5.1.4 無機氮的固定與有機氮的礦化 97
5.2 磷遷移轉化模擬方法 98
5.2.1 總磷的徑流輸出量 98
5.2.2 無機磷的固定與有機磷的礦化 99
5.2.3 無機磷的吸附和解吸 99
5.3 梅林流域氮素遷移轉化模擬結果 100
5.3.1 土壤氮素遷移轉化模擬 100
5.3.2 降雨事件輸出氮素負荷模擬 104
5.4 梅林流域磷素遷移轉化模擬結果 106
5.4.1 土壤磷素遷移轉化模擬 106
5.4.2 降雨事件輸出磷素負荷模擬 108
5.5 梅林流域氮磷素遷移的時空變化 109
第6章 主要結論 116
參考文獻 119
第1章 緒論 1
1.1 背景 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 分布式水文模型研究進展 3
1.2.2 農業非點源污染物遷移轉化研究進展 5
1.3 本書研究內容概要 10
1.3.1 研究目的 10
1.3.2 研究內容 11
1.3.3 技術路線 13
第2章 實驗流域概況與特征提取 15
2.1 地理位置 15
2.2 地形地貌 15
2.3 水文氣象 15
2.4 流域水文觀測實驗 16
2.5 基于GIS的流域特征提取 18
2.5.1 概述 18
2.5.2 建立流域數字高程模型 18
2.5.3 流域特征獲取 19
第3章 山丘區流域水文響應機理及定量化研究 22
3.1 流域水文響應機理研究 22
3.2 分布式耦合水文模型的建立 31
3.2.1 降雨下滲模擬 31
3.2.2 匯流過程模擬 32
3.2.3 非飽和土壤水分運動模擬 33
3.2.4 地下水運動模擬 33
3.2.5 河水-地下水水量交換模擬 33
3.3 流域分布式水文模擬 34
3.3.1 分布式耦合水文模型系統在梅林流域的率定 34
3.3.2 分布式耦合水文模型系統在梅林流域的驗證 36
3.3.3 不同產流模式對水文響應結果的影響 40
3.3.4 參數空間變異性對水文響應模擬的影響 41
第4章 典型山丘區農業非點源污染物遷移規律研究 46
4.1 流域農業非點源污染物遷移特征實驗設計 46
4.2 降雨事件對流域氮磷輸出的影響 48
4.3 梅林流域氮磷隨降雨事件遷移規律 51
4.3.1 梅林流域氮磷輸出主要成分 51
4.3.2 梅林流域流量與氮磷輸出關系研究 57
4.3.3 梅林流域氮磷輸出的季節規律研究 71
4.3.4 梅林流域不同徑流成分輸出氮磷規律 74
4.4 不同土地利用氮磷輸出規律研究 82
4.5 地下水中氮磷濃度時空變化規律研究 88
第5章 典型山丘區農業非點源污染物隨水文過程遷移規律定量化研究 94
5.1 氮遷移轉化模擬方法 94
5.1.1 氮素的徑流輸出量 95
5.1.2 氨的硝化與揮發 96
5.1.3 硝氮的反硝化 97
5.1.4 無機氮的固定與有機氮的礦化 97
5.2 磷遷移轉化模擬方法 98
5.2.1 總磷的徑流輸出量 98
5.2.2 無機磷的固定與有機磷的礦化 99
5.2.3 無機磷的吸附和解吸 99
5.3 梅林流域氮素遷移轉化模擬結果 100
5.3.1 土壤氮素遷移轉化模擬 100
5.3.2 降雨事件輸出氮素負荷模擬 104
5.4 梅林流域磷素遷移轉化模擬結果 106
5.4.1 土壤磷素遷移轉化模擬 106
5.4.2 降雨事件輸出磷素負荷模擬 108
5.5 梅林流域氮磷素遷移的時空變化 109
第6章 主要結論 116
參考文獻 119
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農業非點源污染輸移過程實驗及機理研究 節選
第1章緒論 1.1背景 流域對暴雨的水文響應，即產匯流問題，是水文學的一個主要研究課題。影響水文過程的幾大要素：降雨、下墊面、土壤、地質地貌等均具有小尺度的時空變化[1，2]，因此水文響應過程也具有很強的時空變異性。在水文模擬的初期階段，由于計算機技術與測量技術的限制，水文學家們使用經驗相關等黑箱模型或者用流域面上平均的狀態變量代表流域特性來模擬流域內的水文響應過程，由于水文系統為高阻尼的響應系統，這些方法能夠較好地模擬出流域整體的流量響應過程[3，4]，且由于方法簡單、參數容易計算、不需要復雜的資料支持，經驗相關方法與集總式水文模型現在仍在水文學研究中發揮著作用。 然而隨著科技的進步，計算機技術與測量技術不斷飛躍式發展，水文學家們對水文過程的研究不再滿足于只得到流域整體的水文響應，加之在水文學的應用中，決策部門也越來越需要水文響應的時空變化信息，以便更加科學地制定水資源保護與管理措施。能夠模擬水文響應空間變異性的分布式水文模型已成為深化與拓展水文學研究的一個重要工具。作為分布式水文研究的支撐技術，地理信息系統為空間數據處理提供了平臺，高性能計算平臺則為海量計算提供了可能。 分布式水文模型在構建中大多依據描述物理過程的連續方程、動量方程、質量方程等模擬產匯流、蒸散發等水文過程，因此模型結構復雜、計算量大，需要詳盡的流域地質地貌、植被、土壤、土地利用等資料[5，6]。很多水文學家在構建分布式水文模型時，會根據需要簡化對水文模型的描述，例如忽略模擬單元間的水量交換、簡化某一水文過程（如地下水與土壤水、匯流過程）、忽略地表水-土壤水-地下水間的水量交換，以此來協調資料、計算量與物理過程描述之間的矛盾。但是這樣構建的分布式水文模型，對某些水文過程的描述有所忽略，可能會造成某些率定參數的偏差[7_9]。例如，若忽略地下水對流量過程的貢獻，必然會低估流量，為了獲得較好的擬合，在率定過程中地表水計算參數可能會偏離實際數值。本書旨在使用全面考慮降雨下滲過程，地表水、土壤水、地下水運動過程，坡面匯流與河網匯流過程，地表水-土壤水-地下水水量交換過程的分布式水文模型，研究流域水文響應機理。模型中包含的計算參數均具有物理意義，容易通過流域觀測數據確定。 太湖流域是我國經濟*發達的地區之一，總面積36895km2。太湖流域雨量豐沛，多年平均年水資源總量為162億m3，但因流域內人口密集、社會經濟發展程度較高，流域水資源量已遠遠不能滿足用水需求。加之工農業廢水和生活污水的排放，導致河網、湖泊水質污染，流域整體水環境質量惡化。自20世紀90年代以來，部分水質指標下降了兩個等級。湖泊富營養化區域擴大，藍藻暴發頻繁，嚴重的流域水質型缺水已成為流域經濟社會可持續發展的瓶頸[1M2]。 有關資料表明，輸入太湖的總氮（TN）、總磷（TP）分別是*大允許入湖量的8.8倍和33.2倍，其中一個*重要的原因就是農業非點源污染的影響[13]。非點源污染（non-point source pollution），或稱面源污染（diffused pollution）是指溶解性或固體污染物從非特定地點、在非特定時間的降水和徑流沖刷作用下匯入受納水體時引起的水體污染，其主要來源包括水土流失、農業化學品過量施用、城市徑流、畜禽養殖等。而農業活動又是非點源污染物的主要來源。舉例來說，1950～1998年，全世界有6億tP通過施肥作用于農作物，只有2.5億tP通過農作物收割而移除，這其中動物消耗農作物并轉換為肥料返回給土壤的大概有0.5億tP，這樣算來，P凈節余了4億t。這些磷或者儲存在土壤中，或者已通過地表水的侵蝕和淋濾作用輸出。而累積在土壤中的氮，一部分被淋濾而進入地表水或地下水；一部分揮發進入大氣，以酸雨或干沉降的方式進入水生態系統。 非點源污染物的產生、遷移和水文循環有著密不可分的聯系，水流是非點源污染物遷移轉化的媒介，水文過程與非點源污染物遷移轉化過程是互相影響、互相作用的[14-16]。水文過程（地表徑流、壤中流、地下徑流對降水的響應）對農業非點源污染物的產生與分配有著舉足輕重的作用，要從機理上研究農業非點源污染物遷移轉化規律，必須先從機理上闡述水文物理過程。若要減輕水體污染狀況，改善水體富營養化現象，就要減少氮磷隨水文過程從各種途徑進入水體的總量。否則，隨著人口的增加和人類活動（如化肥制造、燃料燃燒）導致固氮作用的加大，氮磷的累積量就會增加。因此，確定農業活動中氮磷輸移的影響因子，了解氮磷隨水文循環的遷移轉化規律是十分必要的。它不僅為了解氮磷隨水文過程的遷移轉換機理、控制非點源污染物輸出、改善水環境、發展高效農業提供了科學依據，而且對經濟社會的可持續發展有著深遠的影響。 1.2國內外研究現狀 1.2.1分布式水文模型研究進展 水文模型已經成為水文學研究以及水資源管理與防洪決策不可缺少的工具， 自20世紀80年代以來，計算機的普遍應用和計算能力的不斷提高為水文模型的迅速發展提供了條件。當今的水文模型已不再局限于對某一水文過程的求解，而是向能夠描述整個水文循環過程方面發展，即把水文循環的各個環節耦合為一個整體進行模擬研究，包括降雨產流過程、陸面匯流過程、蒸散發過程、土壤水運動過程以及地下水運動過程等。水文學是研究地球上水的時空分布與運動規律的科學，且水圈與大氣圈、巖石圈、生物圈都存在緊密的聯系[17]。近年來，隨著科技的發展，學科間的交叉研究顯得日益重要，水文學與其他學科（如大氣科學、環境科學、生態學、土壤學等）的交互機理研究已成為水文研究中的重要組成部分，水文模型的發展前景因此得到拓寬，水文模型與大氣模型、生態模型、環境模型等的耦合為這方面研究提供了必要的工具[18-20]。 按照建模角度，水文模型可以分為集總式水文模型與分布式水文模型。集總式水文模型將整個流域作為一個整體來模擬，一般不考慮水文現象與水文參數的空間分布。集總式水文模型產生較早，屬于水文模型早期發展形式，在水資源合理利用及水災害防治方面起到了重要作用，并且在應用中得到不斷的發展與完善，今天仍然在許多水問題研究中發揮著重要作用[21，22]。隨著社會經濟的發展、人口的增多、人類開發利用自然的程度不斷加深，水資源問題日益嚴峻，水資源與社會、經濟發展間的相互制約關系愈加突顯，人類活動對水資源的影響已成為水循環改變的主要影響因素之一，在這一背景下產生了分布式水文模型。分布式水文模型充分利用3S技術（RS、GIS與GPS），能夠考慮水文響應與水文變量的空間分布、獲得流域面各研究變量的時空分布信息[23]。盡管分布式水文模型自身還不夠完善，相對于傳統的集總式水文模型在模擬結果上沒有明顯提高，但是對于研究水資源的形成與演變、加深對水文過程物理機理的認識、分析人類活動對水循環的影響有著不可替代的作用。因此近20年來，分布式水文模型成為水文研究的熱點，而分布式水文模型的不斷成熟，也為研究者們提供了一個分析不同條件下水文響應時空變化的工具。 基于物理基礎的分布式水文模型的概念由Freeze和Harlan在1969年**次提出（FH69）[24]，他們發表的Blueprint for a physically-based digitally-simulated hydrologic response model的文章標志著分布式水文模型研究的開始。1975年，Hewlett和Troenale提出了森林區的變源面積產流模型，對研究區域分塊計算降雨產流[25]。1979年，Beven和Kirbby根據變源面積產流機制建立了TOPMODEL[26]，該模型通過研究流域的數字高程模型（DEM）推求地形指數，并利用地形指數反映下墊面的空間變化對流域水文響應的影響，模型的參數具有物理意義，但TOPMODEL沒有考慮降水、蒸發等因素的空間分布對流域產匯流的影響，因此，它不是嚴格意義上的分布式水文模型。而由丹麥、法國及英國共同研制的SHE模型則代表了早期比較完善的分布式水文模型[27]，SHE模型考慮了植物截留、下滲、土壤蓄水、蒸散發、地表徑流、壤中流、地下徑流、融雪徑流等水文過程，用方形網格劃分流域，模型中的主要水文過程由質量守恒、動量守恒和能量守恒偏微分方程的有限差分或有限元公式來描述，模型的部分參數具有物理意義，可由流域特征確定。 20世紀80年代至今，是分布式水文模型迅速發展的時期，主要由于計算機技術的迅猛發展，計算能力得到質的提高，通過地理信息系統與遙感、雷達獲取降雨等水文變量技術的不斷進步也為分布式水文模型的發展提供了平臺與數據支持。這期間出現了大量的分布式水文模型，包括CEQUEAU、CASC2D、HYDROTEL、IHDM、SWAT、SWRRB、WATFLOOD、SLURP、SMR、HSPF、VIC、HMS等[28-38]。雖然不同模型使用不同的微分方程、求解方法和流域離散方式，但是總體上來看，大多數分布式水文模型遵循了FH69的框架，即通過質量、能量、動量方程描述水文現象，通過連續方程描述水量和能量的時空變化。 國內開展分布式水文模型方面的研究比國外要晚一些，自20世紀70年代起不僅完善了一些已有的流域水文模型，例如將我國經典的概念性水文模型一新安江水文模型修改為半分布式水文模型，成功地運用于多個流域的水文模擬和水庫水資源調配管理中[38，39]，并致力于創建新的流域水文模型，例如黃平和趙吉國對一些具有物理基礎的分布式水文數學模型進行了分析，提出了流域三維動態水文數值模型的構想，建立了描述森林坡地飽和與非飽和帶水流運動規律的二維分布式水文模型；任立良和劉新仁根據DEM進行了河網與子流域編碼，建立了河網拓撲關系[41]；郭生練等提出了一個基于DEM的分布式流域水文物理模型[42]，詳細描述了網格單元的截留、蒸散發、下滲、地表徑流、地下徑流、融雪等水文物理過程；張建云和何惠建立了分布式月徑流模型，用于水資源動態模擬評估[43]；吳險峰等提出了一種適用于人類活動較少、半濕潤和半干旱地區的松散耦合結構的分布式水文模型[44]；唐莉華和張思聰提出了一個針對小流域的分布式水文模型，包括產匯流和產輸沙模型[45]；李蘭和鐘名軍提出了一種分布式水文模型[46]，該模型耦合了坡面流、壤中流、地下水流、河川徑流和土壤含水量方程組；李麗等提出了一種以DEM為基礎的分布式水文模型[47]；夏軍建立了分布式時變增益模型（DTVGM）[48]。同時國內的學者還不斷將國外比較成功的分布式水文模型引進到國內的水文學研究中[49-53]。 分布式水文模型不僅隨著水文學的新發現與新理論得到不斷完善，同時也受到其他學科與技術的影響，如分形理論、計算機科學、數學、測量學等，其中數字高程模型（DEM）、地理信息系統（GIS）與遙感（RS）是分布式水文模型的三大基礎支撐技術[54，55]。DEM主要用來描述區域地表高程的空間分布，并且能夠生成流域邊界、流域水系等，自動提取坡度、坡向、柵格間的聯系等地形參數。GIS在獲取、存儲、顯示、編輯、處理、分析、輸出空間數據方面具有強大的功能，它將地圖顯示與數據庫操作功能結合在一起，使水文研究者能夠清楚了解土壤、植被、地形、水系等要素的空間分布，以及土壤含水量、地下水、產流量等水文變量的空間分布，促進了對水文響應過程的理解，方便了水文學家對水文過程進一步地認識與闡述。遙感技術則為分布式水文模型提供了有力的數據支持，通過遙感技術能迅速地在大范圍內獲取數據資料，能夠為分布式水文模擬提供土壤、植被、地形、水系等基本信息，以及土壤含水量、蒸散發、云中水汽含量等的空間分布，為模型的率定與完善提供實測資料。另外，遙感數據的格式同分布式水文模型的流域離散方式類似，這給使用上帶來了便利。 1.2.2農業非點源污染物遷移轉化研究進展 非點源污染的產生位置與數量都具有不確定性，空間分布廣且不均勻，因此同點源污染相比較，非點源污染的監測與控制都要困難得多，并且非點
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