非点源污染环境模型_ANSWERS_2000_研究现状

监测技术

非点源污染环境模型

(ANS W ERS-2000)研究现状

王海龙1　韩　英2

(1.本溪市水土保持站,辽宁本溪117022;2.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁沈阳110016)

中图分类号:X32 文献标志码:B 文章编号:1673-5366(2006)05-0005-02

摘要:ANS W ERS-2000是一个以分布式参数、连续模拟农田或流域为尺度的山地规划模型,目的是评价农业和城市最优化经营管理措施(BMPs)对减少沉积物和养分进入地表径流及减少养分从根区流失的影响。

该模型是专门为缺乏实测数据,无法对模型所需数据进行校正的流域规划者使用的。模型将整个研究区域模拟划分为面积相同的栅格(1h m2或更小),假定同一栅格内所有特性(表层和下层土壤特性、植被、地表条件、农作物管理和气象条件)都相同。模型利用不连续的降雨数据,模拟水文过程,在径流事件内以30s为步长,在径流事件间则以1d为步长。模型能够预测截流、地面保水力/滞留力、渗透、浸透、沉积物分离和混合粒径等级粒子的运输、农作物生长、植物吸收营养物质、土壤中N、P的动态变化、硝酸盐淋滤及受土壤条件、养分条件、植被和水文条件影响的硝酸盐、铵态氮、凯氏法测定的总氮、磷的流失量。模型采用基于A rc I nfo的用户界面,便于数据文件的建立和处理。

关键词:水体质量;非点源污染;模型;美国

1　ANS W ERS发展历史

在20世纪70年代末期,Beasley[1]提出了最初的ANS W ERS(流域非点源污染环境响应模拟)模型。该模型建立在一个分布式参数的水文模型基础上[2]。最初的ANS W ERS是一个以分布式参数、事件为导向的规划模型,用来评价最优化经营管理措施(BMPs)对农业流域地表径流和沉积物流失的影响。ANS W ERS将流域进一步分为统一的正方形单元栅格。假定每一单元内的土地利用、坡向、土壤特性、营养物、农作物和管理措施都是相同的,单元间的差异允许模型考查流域本身的异质性和单个BMPs对某一点特定影响。典型单元格的大小一般为0.4～1h m2,更小单元可以提高模拟的准确性。每个均质性单元必须提供10～12个参数。在每个单元内,用模型模拟各种管理措施的拦截能力、地面保水力/滞留力、渗透力[3]、地表径流、可渗透层间的浸透、沉积物的分离和沉积物的运输过程。流程为沿坡向方向,从上到下,流到邻近的坡面漫流单元或是河道单元。模型能模拟BMPs,如保护性耕作、池塘、长草排水沟、管道排泄装置[4]以及其它能够描述的影响物理模型输入参数的措施。ANS W ERS原始模型的弱点是它使用的侵蚀模型,很大程度上是经验模型,仅能模拟沉积物运移总量。20世纪80年代初,该模型经过改进后,能够模拟侵蚀沉积物粒径大小的分布[5],沉积物的运移用Yalin法估算。Re werts[6]开发了该版本模型的GI S界面。在20世纪80年代末期,磷和氮运移的事件导向版本模型得以开发[7]。该版本模型考虑了溶解和吸附的磷酸盐、硝酸盐以及溶解和吸附的铵和全量凯氏氮的运移。

20世纪90年代中期,开发了模型的当前版本ANS W ERS-2000,它是一个连续的模拟模型[8]。在该版本中,营养子模型得以验证,渗透、土壤湿度得以改进,添加了植物生长成分以便长期连续模拟。ANS W ERS-2000模拟4种氮库间的转换和交互作用,包括稳定的有机氮、活性有机氮、硝酸盐和铵。氮的转化包括氨化和硝化作用相结合的矿化作用、反硝化作用和植物对铵和硝酸盐吸收。该模型保持了稳定有机氮和活性有机氮间的动态平衡。4种磷库:稳定矿物磷、活性矿物磷、土壤有机磷和不稳定态磷均能模拟。稳定矿物磷和活性矿物磷之间,活性矿物磷和不稳定磷之间保持平衡。此外,还可以模拟植物对不稳定磷的吸收和有机磷的矿化。

在W atkinsville和Georgia流域对连续模拟版本

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　2006年第6期 水土保持应用技术

ANS W ERS-2000模型进行了检验,结果表明该连续模型能够很好地预测两个流域内径流、沉积物、硝酸盐,溶解态铵、沉积物束缚的全量凯氏氮以及正磷的流失,而对沉积物束缚态铵流失的预测并不理想。该模型也在维吉尼亚1153hm2的Owl Run流域进行了检验。模型在预测最大强度的暴风雨、累积径流量预测、沉积物数量、硝酸盐、铵、沉积物束缚的全量凯氏氮和正磷等方面表现良好,均在测定值的40%以内。ANS W ERS-2000在维吉尼亚Nom ini Creek流域子流域进行了实际应用,并运行了8a。选定潜在重要水源区域,随后在该流域10%、20%、30%、100%的农田上施行BMPs(保护性耕作)。结果表明该模型显著地提高了BMPs改善水质的效率。例如,与所有农田都实行保护性耕作相比,在10%农田应用保护性耕作时,单位面积N和P养分损失量增加了1.4倍/h m2和1.1倍/h m2,沉积物流失量也最大。此外,模拟结果还表明,在流域水平内,即使农田获得了大量的沉积物和养分,对农作物产量也不会有较大的影响。

为了使模型的使用更容易,Wolfe等人[9]开发了ANS W ERS-2000NPS决议支持系统。这个基于A rc I nf o的决议支持系统拥有一个知识库系统,帮助用户进行参数选择和数据库的建立。用户界面能够跟踪设想的BMPs的评估和控制模型输出。用户界面对ANS W ERS-2000模型系统的组成因素和功能的连接,对用户来说是完全透明的。一系列菜单、提示、帮助、基于规则的功能能够引导用户,但并没有消除用户界面与系统间的交互。当系统约束条件受到侵犯时,系统会采取一系列步骤的组合,标记出相关的错误数据和报告存在的问题,并给予适当的矫正。用户界面包括一个主菜单和多个二级菜单。这些菜单允许用户为ANS W ERS-2000模型的输入参数提供定点信息。用户界面对建模相关工作提供的便利包括以下几个方面:1)在GI S的“COVERAGE”图层上选择土地范围(流域,农场或农田);2)自动链接土壤参数文件,将一般参数值换成定点信息;

3)完成流域栅格覆盖图;4)计算地形特性;生成人造气象数据,为农作物和耕地参数赋值;ANS W ERS -2000输入数据文件的建立;运行模型;显示模型输出;在用户指定的土地区域应用选择性的经营措施;将预测输出值与设想的选择措施的模拟结果进行比较。此外,界面的帮助功能能告知用户如何使用不同的菜单选择项。

目前,地下水因子也被加入到ANS W ERS-2000模型中。该版本模型分别在局部小区域、农田和流域尺度上进行了检验。在区域和农田尺度上,该模型准确地预测了根际带下的排水情况和不同植被覆盖条件下的蒸发情况。在流域尺度上,它准确地再现了压力水平和流域的走向。

2　ANS W ERS-2000模型开发现状

在美国农业部(US DA-NR I项目)、维吉尼亚切萨皮克海湾地区援助局、维吉尼亚水资源研究中心等部门的资助下,对ANS W ERS-2000模型的后续开发仍在进行中。这个项目的主要目的是:

1)用可靠的物理基础的沉积物分离子模型取代现有的沉积物分离经验子模型。

2)增加沟道侵蚀和冲刷子模型。

3)改善现有的氮循环/铵子模型,改善对溶解和吸附态铵运移的预测。

4)开发新的子模型来模拟缓冲、滞留设备和湿地等对沉积物和营养流失的影响。

5)开发新程序以便更好地模拟城区草皮的营养损失。

6)开发新程序或子模型,模拟城市化对农村流域沉积物、养分和河沟稳定性的影响。

7)改进用户界面。

3　模型的局限性和适用性

1)沉积物分离子模型是经验模型,并且已经过时。需要新的物理子模型代替。

2)对地表径流中铵的损失预测的效果不好。该子模型(或者是影响它的子模型)有待改进。

3)当前对肥料堆放的模拟程序烦琐,需要实现模拟程序的自动化。

4)目前分布式版本模型,没有模拟层间流和地下水对基流的贡献。所以该模型不适合在基流较强流域中使用。由Bouraoui等人[10]开发的地下水版本模型可以克服这个局限性。

5)该模型没有模拟营养物的循环和接受水分的天数。这限制了模型在小型山地流域中的使用。

6)该模型没有考虑积雪的压实和融化,所以不宜在冬季有大量积雪和雪融水的地方使用。

[参考文献]

[1]Beasley D B,Huggins L F,Monke E J.ANS W ERS:A

model for watershed p lanning.Trans.Of the AS AE,1980,

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监测技术

1939～2002年宾夕法尼亚州农田磷预算研究

陈　玉　牟信刚

(山东农业大学资源与环境学院,山东泰安271018)

中图分类号:X503 文献标志码:A 文章编号:1673-5366(2006)06-0007-03

摘要:在美国,随着许多地区土壤养分不足现象的减少和畜牧生产的强化,农田剩余磷成为水资源污染的主要来源,逐渐成为人们关注的焦点。为了弄清楚剩余磷的时空变化,美国土壤学家https://www.wendangku.net/doc/1513379689.html,nyon等人从1939～2002年对宾夕法尼亚州农田大约每隔10a进行1次磷预算。磷平衡,即农田磷输入和输出之间的差异,用于估计土壤磷存储与通过径流、侵蚀、淋溶造成的磷损失之和的变化。尽管在州水平上的磷平衡从1949年开始下降,但有20个县最大的磷剩余在1992年后发生。养分预算可以为预防或减少农田磷剩余提供更多的依据,从而最大可能降低水质污染的风险。

关键词:化肥;厩肥;磷;养分预算;美国

在美国宾夕法尼亚州、切萨皮克海湾分水岭以及大西洋中部地区,农业非点源水污染已逐渐成为了一个重要环境问题。随着农业的集约化,来自农业生产过程中的氮和磷的污染,已成为宾夕法尼亚州水资源污染的一个重要原因。

20世纪80年代以后,许多重要的公众和私人资源都致力于降低农业非点源污染。寻找正确的降低农田磷剩余的策略,维持和改进水质是目前亟待解决的问题。

美国土壤学家https://www.wendangku.net/doc/1513379689.html,ny on等人通过调查宾夕法尼亚州水平上的以及在该州内的县水平上的磷剩余和磷不足的时空变化趋势,进而确定用于农业环境管理决策中磷预算的途径。此项研究对我国进行相关磷素研究提供一点参考。

　23(4):938-944.

[2]Huggins L F,Monke E J.The mathe matical s oluti on of the

hydr ol ogy of s mall watersheds.Technical Report No.1, W ater Res ources Research Center,Purdue University,W est Lafayette,I N.1966,130.

[3]Holtan H N.A concep t for infiltrati on esti m ates in water2

shed https://www.wendangku.net/doc/1513379689.html, DA-ARS Bulletin41-51,W ashing2 t on,D C.1961,25.

[4]Bottcher A B,Monke E J,Huggins L F.Nutrient and sedi2

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[5]D illaha,T A,Beasley D B.Sedi m ent trans port fr om dis2

turbed up land watersheds.Trans.of the AS AE,1983,26

(6):1766-1772,1777.

[6]Re werts C C,Engel B A.ANS W ERS on GRASS:I ntegra2

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[7]St or m D E,D illaha T A,Mostaghi m i S,et al.Shanholtz.

Modeling phos phorus trans port in surface runoff.Transac2 ti ons of the AS AE,1988,31(1):117-127.

[8]Bouraoui F,D illaha T A..ANS W ERS-2000:Runoff and

sedi m ent trans port model.Journal of Envir on mental Engi2 neering,ASCE,1996,122(6):493-502.

[9]Wolfe M L,Batchel orW D,D illaha T A,et,al.Mostaghi2

m i.1995.Modeling the effects of far m manage ment p rac2 tices on off-site water quality.Pr oceedings of the I nterna2 ti onal Sy mposiu m on W ater Quality Modeling,Ap ril, Kissi m mee,Fl orida,1995.

[10]Bouraoui F,Vachaud G,Haverka mp R.et al.Nor mand.

A distributed physical app r oach f or surface subsurface wa2

ter trans port modeling in agricultural watersheds.J.of Hy2 dr ol ogy,1997,203(1997):79-92.

收稿日期:2006-05-22

编作者简介:王海龙,身份证号:210522************,农学士,助理工程师,现工作于本溪市明山区峪明路水务局。

(责任编辑　戈素芬　责任校对　刘　明)

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