农业面源污染模型AGNPS的应用现状及在我国应用的展望

农业面源污染具有广泛性、分散性和隐蔽性的特点 ,治理和监测的难度大 ,已成为当前水质恶化的一大威胁。本文介绍美国农业部开发的农业面源污染模型—— AGNPS模型及其应用 ,阐述了 AGNPS模型的发展历程、优缺点、组成部分、各部分功能以及最新的版本 Ann AGNPS。并对我国及三峡库区应用该模型研究农业面源污染问题作了分析和展望。

基于SWAT模型的南方水稻灌区全生育期面源污染特征及控制模拟

为了解水稻生育期内灌区面源污染的输出特征及其对下游控制断面水质的影响,选取某典型南方水稻灌区为研究对象,基于SWAT模型构建田沟塘控制断面的面源污染全过程数值模拟模型,量化分析水稻全生育期9种污染控制方案下控制断面水质动态响应。结果表明:退水和氮、磷污染物均呈脉冲式排放,水稻生育期前半段,即移植返青期、分蘖期和拔节孕穗期是稻田面源污染发生的高峰期;控制灌溉、生态工程和控制排水措施在水稻生育期前半段对氮、磷污染物的削减效果较好,实施综合措施后削减效果显著提升,对TN和TP全生育期的削减率超过90%;单项措施的水质提升效果有限,施肥管理导致分蘖期出现更多脉冲式TN质量浓度峰值,综合措施可显著提升水质达标率,其中施肥管理、控制排水、生态工程的组合措施和控制灌溉、施肥管理、控制排水、生态工程的组合措施可以实现TN和TP质量浓度稳定达标。

基于流域模型与遥感解译方法的农业面源污染精细化源解析技术研究

农业面源污染源解析是面源污染防治的基础。农作物种植是农业面源污染源的重要组成,然而传统的面源污染源解析方法不能量化不同农作物对农业面源污染负荷的贡献,其解析精度也难以满足环境管理部门精细化管理的客观需求。本研究以天津于桥水库上游沙河流域为研究区,采用流域模型与遥感解译的方法,解析流域总磷负荷来源与贡献,旨在建立一种农业面源污染源精细化源解析技术。研究结果显示:基于Google Earth Engine(GEE)平台的农作物遥感总体分类精度在88%以上,Kappa系数均大于0.81,整体分类结果可信。沙河流域主要作物类型包括冬小麦-夏玉米、板栗、果树与其他作物,其中冬小麦-夏玉米的种植面积最大,占比为44%~67%,板栗种植面积次之,占比为11%~29%。冬小麦-夏玉米种植面积总体呈下降趋势,板栗种植面积则呈快速上升趋势。沙河流域Generalized Watershed Loading Function(GWLF)模型对溪流量与总磷负荷的模拟表现良好,其模型校准期与验证期的NSE在0.59以上,R^(2)在0.79以上。耕地为沙河流域最大的面源总磷负荷来源,占总磷负荷总量的61%;在耕地中,冬小麦-夏玉米总磷负荷占比最大(52%),板栗次之(20%);考虑到板栗种植面积近年来不断上升,未来沙河流域面源总磷负荷仍有升高的风险。

基于InVEST模型的河南省农田氮素面源污染时空模拟

【目的】进行农田氮素面源污染模拟,分析其时空分布特征及影响因素,实现高效治理面源污染和农业生态保护。【方法】综合农业分区、地形、种植模式、熟制、土地覆被等因素,划分河南省土地利用类型单元,基于InVEST模型对2000、2010和2020年河南省农田氮素面源污染状况进行时空模拟,并对输出负荷和影响因素进行分析。【结果】河南省大部分地市的氮素输出负荷总量及氮素排放强度与总体变化趋势相同,都呈现“先增后减”的趋势。各地市间差异明显,高氮素排放强度地区为南阳、信阳和驻马店市。氮素输出强度与地均施氮肥量、数字地理高程模型(digital elevation model,DEM)、降雨量、农田比例和坡度5个因素间均存在显著相关关系。偏相关分析表明,氮素输出强度与地均施氮肥量和降雨量密切相关。氮素排放强度分级结果表明,南阳、信阳和驻马店市存在一定范围的中高强度的排放区。【结论】揭示了河南省农田面源污染高排放强度区及其重要影响因素,从而促进相关氮素面源污染防控和精确治理。

基于改进的AnnAGNPS模型的区域农业面源污染模拟研究

传统的AnnAGNPS模型在土壤侵蚀模块中只考虑降水因子,而未能考虑径流因子的影响,文章引入MULSE模型对AnnAGNPS模型土壤侵蚀模块改进,并将该模型运用于区域农业面源污染模拟研究中。研究结果表明:改进的AnnAGNPS模型提高了传统AnnAGNPS模型农业面源污染模拟精度,在模拟的总氮和总磷2个面源污染指标上,改进的AnnAGNPS模型模拟值和实测值的相对误差均值分别减少18%和11.66%,相关系数分别提高0.2879和0.4012。研究成果对于区域农业面源污染模拟提供参考。

基于暴雨管理模型的长江流域丘陵城镇面源污染控制方案效果评估

随着我国长江流域城镇工业源和生活源污染控制的持续加强,面源污染贡献率明显增加,利用相关技术组合有效控制城镇面源负荷,已经成为长江流域城镇控制污染负荷和提升水体生态环境质量的主要内容。为探讨面源污染控制技术设施对长江流域丘陵地区城镇降雨径流降污减量的效果,以重庆市永川区新城区内某区域作为研究对象进行汇水区概化,并对其构建暴雨管理模型(SWMM)和进行参数确定及验证,采用该模型模拟透水铺装、绿色屋顶、雨水花园和下凹式绿地4种单项技术设施方案及其9种组合设施方案对研究区域降雨径流总量及污染物(包括SS、COD、TN、NH_(3)-N和TP)负荷削减情况;并采用基于群决策的层次分析法,从效益-经济-技术3个角度综合评估各种组合控制方案对降雨径流水量水质控制效果。结果表明:所构建的研究区SWMM模型的水文、水力参数率定结果误差小于1%,水质参数率定结果纳什效率系数均在0.7以上且误差平方均值(B%MSSE指数)接近于0,实现了模型参数本土化;在各降雨重现期下,4种单项技术设施方案中透水铺装对径流量和污染物负荷控制效果最优;基于效益-经济-技术3个角度综合评估组合方案,确定方案P7为研究区域面源污染削减最佳组合方案,即布设面积比例为35%透水铺装、30%绿色屋顶、7%雨水花园和30%下凹式绿地,其径流总量削减率达到29.4%,SS、COD、TN、NH_(3)-N和TP负荷削减率分别达到36.2%、35.1%、35.1%、30.6%和32.2%。

采用AERMOD模型探讨不同楼层大气面源污染扩散规律

环评工作中,大气预测一般仅考虑面源对地面的浓度影响,很少预测对高层建筑物的影响。以某光学器件制造企业为案例,采用AERMOD模型预测4种不同高度面源在不同楼层的污染物小时落地浓度,分析污染物的扩散规律。结果显示:(1)随面源基底的升高,污染物最大小时落地浓度呈下降趋势;(2)不同高度的面源主要影响范围为面源基底以上15 m范围及基底以下的大气环境。

新疆农业面源污染研究进展

农业面源污染具有来源广、危害大、潜伏周期长等特点。针对新疆农业面源污染现状不明确的问题,本文收集整理了有关新疆农业面源污染的研究报道,从污染态势、污染风险源、面源污染模型以及治理对策等几个维度总结了新疆农业面源污染的研究进展。

农业面源污染对企业绿色技术创新的影响研究

基于2008-2020年中国A股上市公司面板数据,采用固定效应模型与中介效应模型分析了地区农业面源污染对农业面源污染相关行业企业绿色技术创新绩效的影响与机制及其产业异质性。结果表明:农业面源污染加剧显著促进了相关行业企业绿色技术创新绩效;环境规制与地方政府环保补助是农业面源污染影响相关行业企业绿色技术创新的重要渠道;农业面源污染对相关行业企业绿色技术创新的影响具有产业异质性,地区农业面源污染对企业绿色技术创新的倒逼激励作用在制造业最为显著。提出应关注农业面源污染对相关行业企业绿色技术创新的倒逼激励效果,加大地方政府财政环保支持,调整环境规制政策,充分发挥企业在绿色技术创新中的主体作用。

基于最小累积阻力模型的三峡库区耕地面源污染源-汇风险识别

耕地所引起的农业面源污染是三峡库区主要生态环境问题之一。该文设置距离长江干流0~20、20~40、40~60和60~80 km的缓冲区,对库区耕地源景观划分4个等级,依据耕地面源污染过程,在获取地形、地貌、气象、水文、土壤和植被等方面的主要自然影响因子的基础上,构建影响耕地面源污染的阻力基面,借助最小累计阻力模型测算不同等级源景观阻力面,并通过自然断点法对阻力面进行5个等级的源-汇风险分级(极低风险区、低风险区、中风险区、高风险区和极高风险区),以此识别影响库区耕地面源污染的源-汇风险格局,结果表明:1库区一级源耕地占总耕地面积的50%以上,越向外围延伸耕地分布空间越小,且重庆库区的分布多于湖北库区,旱地的分布多于水田;2在耕地源景观所处的缓冲区范围内,阻力面偏小,并围绕源景观向外呈现不断增大的趋势,且水田源景观阻力面大于旱地源景观;3受空间距离的影响,阻力面的空间特征表现为高值区空间范围明显小于低值区;4库区耕地面源污染源-汇风险格局特征表现为高风险趋势,极高风险区(21 706.13 km^2)>中风险区(16 257.75 km^2)>极低风险区(10 311.6 km^2)>高风险区(7 464.65 km^2)>低风险区(2 221.61 km^2);5高风险区主要集中于库区平行岭谷区,而低风险区主要分散在距离长江干流偏远的秦巴山区和武陵山区;6研究结果有助于从影响面源污染的阻力面角度评价由耕地所产生面源污染的风险程度及等级,为科学防范和治理农业面源污染提供决策依据。

基于SWAT模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟

灌区水文过程对于面源污染物的迁移、转化起到了重要的驱动作用。为揭示东北水稻灌区的水文及面源污染过程,该文在多年试验的基础上,运用修正的SWAT模型对其开展了模拟研究。2009-2011年在吉林省前郭灌区针对水稻生育期及冻融期内的灌区水文过程和农田面源污染物迁移、转化过程开展了系统的监测与试验。水稻生育期内,各级排水系统表现出不同的水文过程:末级排水沟中,由田间通过表层渗流进入排水沟的高浓度的水被灌溉退水所稀释,汇流排水沟的槽蓄量则在很大程度上影响了排水过程及污染物的对流和掺混过程。根据水稻灌区水文特性,以汇流排水沟为子流域,分别采用非稳定渗流公式和马斯京根法描述子流域中稻田向排水沟的渗流排水过程以及向子流域出口的排水汇流过程。试验和模拟结果表明:铵氮(NH4+)、硝氮(NO3-)和化学需氧量(COD)的浓度变化主要取决于排水过程,表层渗流和深层渗流过程决定了排水沟中NH4+和NO3-浓度过程,而排水沟中COD浓度还受到灌溉退水的影响。采用溴(Br-)作为示踪剂,通过测定土壤含水率、温度及示踪剂浓度变化,研究了冻结期的水文过程和面源污染物迁移过程,示踪试验结果显示,冻融期土壤中水流运动受到土壤基质势、温度势及重力势的影响,冻土中平衡状态下基质势为土壤温度的函数,土壤中污染物渗出通量与水分渗出通量表现出线性关系。基于水稻灌区下垫面产汇流特性和冻融期土壤对于灌区水文过程以及面源污染物迁移的影响机理,在SWAT模型模块修订的基础上,模拟了东北地区水稻灌区面源污染迁移流失过程,模拟流量、NH4+、NO3-、COD浓度与实测值符合较好,表明改进的模型能够用于东北地区水稻灌区的水文及面源污染过程模拟。

SWAT模型在洱海流域面源污染评价中的应用

重点污染区域和污染因子的识别是面源污染控制的基础.通过将物理过程模拟及排污系数法计算进行整合,建立了SWAT模型,以描述农业生产活动与污染入湖量之间的关联关系,并以云南洱海流域总氮污染为例,使用验证后的SWAT模型模拟计算不同空间单元和不同农业生产活动对入湖TN的污染贡献系数,定量分析流域内各区域的农业面源污染源结构,识别洱海流域重点农业污染源和农业污染村镇.结果表明,奶牛养殖、生猪养殖和大蒜种植是目前洱海流域内入湖TN污染的最重要农业污染源,占流域总污染负荷的66.12%.对入湖TN污染贡献最大的6个村镇为江尾、右所、三营、玉湖、凤仪和喜洲,占流域总污染负荷的63.41%.

城市面源污染特性及污染负荷预测模型研究

通过分析城市面源污染的来源和污染特征,并针对城市土地利用和下垫面类型特点,建立城市面源污染预测模型,研究探讨城市降雨径流及污染负荷预测模拟和迁移规律。所建模型已成功地应用于武汉市汉阳地区城市面源污染控制技术研究,获得了满意的结果。该模型可为城市水环境规划、面源控制和管理研究提供科学手段。

基于SWAT模型的流域土地利用格局变化对面源污染的影响

近年来随着流域经济社会的快速发展,密云水库流域的土地利用格局也发生了明显的改变,作为影响流域非点源污染输出的主要因素,探讨土地利用格局的演变对非点源污染的影响对有效控制非点源污染具有重要的意义。该文以密云水库上游流域为研究区,从土地利用变化与污染过程相互作用的角度出发,开展流域非点源污染过程对土地利用变化的响应研究。基于流域1995年、2000年、2005年3期的土地利用数据,基于SWAT(soil and water assessment tool)模型,模拟评价流域非点源污染负荷分布特征,并应用景观格局指数、典范对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)和通径分析等方法,从全流域和三级保护区等多空间尺度,量化分析流域土地利用及其格局时空变化对非点源污染负荷的影响。研究结果表明流域的非点源负荷与土地利用格局间存在着密切的联系。格局指数能累积解释流域非点源污染负荷变化的56.3%。污染负荷受土地利用格局的破碎度和形状的影响较大。通径分析的结果表明,耕地、林地面积比例、形状指数和斑块密度是影响研究区非点源污染负荷输出的主要因子,其中形状指数和耕地面积比例对TN、TP负荷的解释能力要明显高于其他指标。从空间尺度上看,各格局因子与非点源污染负荷的关系具有尺度效应,随着空间尺度的递增,格局对负荷的解释程度降低,在较小的尺度范围内,尤其是一级保护区的解释能力最高,达到62.9%,表明离水库越近的区域应是非点源防治高度重视的区域。

基于CLUE-S模型的密云县面源污染控制景观安全格局分析

探讨了基于安全格局分析和"源-汇"生态过程理论,利用土地利用变化模型,研究以面源污染控制为目标的土地利用空间模拟情景分析。基于"源-汇"生态过程理论,利用空间数据库计算了密云县水库周围面源污染控制的景观安全格局,分析了低安全格局中的有较大面源污染风险的土地利用变化过程。基于现状社会经济驱动因子和邻域因子,利用CLUE-S模型模拟了2个情景下的土地利用发展:情景1为现状趋势发展,情景2为反规划途径,即限制低安全格局中具有面源污染风险的土地转变过程,其余地区按现状趋势。结果表明:情景1现状趋势发展下,未利用地复垦和农业用地结构调整两种土地利用转变过程有较大面源污染风险。情景2低安全格局中被限制发展的耕地和果园在模型模拟中转移到了中安全格局内,低安全格局中植被恢复能够增强了对上游污染物的截留;虽然面源污染"源"类型土地总量没有发生变化,但是由于土地格局的优化,整体面源污染风险会降低。

中国农田氮肥面源污染估算方法及其实证:Ⅲ估算模型的实证

在总结农田氮肥淋失的一般性规律基础上,建立了农田氮肥淋失的理论模型,具体建立了以下4类模型并进行了实证:施肥量与地下水硝态氮含量关系模型(直接评价模型)、施肥量与土壤硝态氮淋失量关系模型(间接评价模型)、施肥量与土壤硝态氮淋失浓度关系模型(间接模型)、施肥量与土壤硝态氮残留量关系理论模型(间接评价模型)。研究表明:上述4个理论模型和实际模型的比较说明,虽然氮的淋失总体上与施氮量正相关,但是不同气候区和土壤条件,其开始淋失或积累的施肥量不同,并且随施肥量增加的趋势(快慢)也不同,因此,必须建立适合于不同区域的模型参数才能实现更准确的淋失预测。但是,从宏观上,也可以通过参数的平均而大体地预测氮的淋失等级或趋势。

气候变化下的流域面源污染响应模型评估

该研究提出了一种基于耦合模型联用的方法,对未来气候变化影响下的流域面源污染负荷特征响应进行定量化评估。选取了中国安徽省练江流域作为案例研究对象,针对其水体中的总氮污染物负荷通量及来源构成特征开展模型分析。使用LARS-WG气象发生器模型对HADCM3气候模式结果进行时空降尺度分析,分别模拟3种典型温室气体排放情景(A1B、A2、B1)在未来不同时期的逐日气象数据序列,使用区域营养盐负荷模型(ReNuMa)对练江流域水体中的总氮污染开展源解析,评估未来变化气候条件下的流域污染负荷通量及来源比例构成,并与现状污染源特征进行对比,分析流域面源污染对气候变化的响应。结果表明,未来流域总氮污染负荷通量整体呈上升趋势,且主要集中在秋冬季节,增加的总氮污染主要来自耕地和自然用地,经地表径流和地下潜流过程进入水体,在管理上应予以关注。

基于改进的SWAT模型农业面源污染变化规律数值模拟——以赣抚平原灌区芳溪湖小流域为例

以赣抚平原灌区内的芳溪湖典型小流域为研究区域,基于改进的SWAT模型,针对典型水文年年内不同降雨条件,模拟灌区氮磷面源负荷的迁移规律,同时对灌区农业面源污染负荷流失量的空间分布规律进行了模拟分析。结果表明,降雨是氮磷负荷流失的主要驱动因子,氮磷流失量随降雨的波动而变化,并与降雨同步达到峰值。因此,在灌区需加强汛期田间水肥管理,以减少氮磷的流失,提高肥料的利用率;在相同降雨条件下,研究区氮、磷负荷流失量空间分布差异较大,呈现出水系上游流失量多下游流失量少的趋势;在防控和治理灌区面源污染时,可适当考虑面源污染的空间分布规律,采用沿途生态沟渠和湿地对灌区内的面源污染负荷进行稀释和净化,以达到减轻和治理面源污染的效果。

黄河流域河套灌区农业面源污染模拟的难点与重点分析

黄河流域河套灌区农业面源污染问题突出,使用模型模拟是对河套灌区农业面源精准溯源、准确预测、评估治理措施治理效果和生态环境影响的有效途径,也是全面应用“监测-溯源-核算-治理-管理”农业面源污染全链条防控技术体系的关键核心步骤.经梳理发现,目前河套灌区农业面源污染模型由于缺乏对“源-汇”关系的精准表述和输移转化机制的阐明,导致存在一定的“假拟合”现象,致使后续使用模型模拟得到的结论存在较大的误差和不确定性,其结果在溯源、核算、评估等方面均无法完全成为具有实际指导意义的工具;除此之外,目前河套灌区现有的水文水质数据监测网络一定程度上难以满足日益增长的农业面源模型建立、率定和验证的需要,因此率定与模拟的结果很难具有更高的时空分辨率,导致对月尺度以下发生的面源污染行为和相应的环境危害评估与实际情况具有较大偏差.因此,建议建立流域层面农业面源污染监测网和数据分享平台以获取来自河套灌区具有更高时空精度的实测数据,并通过实地实验的方式阐明在河套灌区这一特殊“农业-环境”系统中面源污染物的输移转化机制,并在此基础上开发新的可以复现并模拟该机制的机理-大数据耦合模型来为区域内的科学研究与政策决定提供帮助.

农业面源污染模型及其应用研究

论述了国内外农业面源污染模型的研究进展及应用现状,重点对几种常见农业面源污染模型进行分析比较,提出相关模型现存问题及解决措施,并同时对农业面源污染模型未来研究趋势进行展望。