AGNPS模型及其应用.pdf

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1、第!卷第期水土保持研究#$%&!$&()年!(月*+,+-./0$1 2$3%-4 56-7+.8$4,+.9-7 3$4:+/;&?2模型及其应用张玉斌!(郑粉莉!(A!&中科院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西 杨陵B!(!)C(&西北农林科技大学?2模型是美国研发的用于模拟小流域土壤侵蚀F养分流失和预测评价农业非点源污染状况的计算机模型G介绍了?2模型的结构F输入输出变量F适用范围?2模型在美国F欧洲F澳洲和我国南方地区的应用结果G关键词E?2模型C模型结构C应用中图分类号E 2!H B&!C I H J文献标识码E 文章编号E!)H K J )L A()

2、D)K)!(K)M N O P QRS T U V W X TY Z M V W Z S X_?ab K c 3 4!(_ d?e+4 K%3!(A!&f g hi j k j hlh mn k o p q k j p q mp ri p s t u q p v s p wk w xyq m t k w xz k q s w|p wn p h v v t k j h k !w v j s j j hp ri p s t k w xk j h q#p w v h q$k j s p w#%i&()k w|t s w|i g k k w*s B!(!)#g s w k CJ&+p q j g,h

3、v j i-s K j h-g.w s$h q v s j mp r%|q s-t j q h&z p q h v j q m )k w|t s w|i g k k w*s B!(!)?2A 1.3/b%7 b.-%$4 K 2$3 4 7 2$b./+D3$5+%3,-/$32 b 7+.3$5+%1$.2.+5 3/7 3 4 1,$3%$,-4 54 b 7.3+4 7%$-5 3 4 1?2,7.b/7 b.+3 4 2 b 7-4 5$b 7 2 b 79-.3-c%+2-.-3+7+.,?27$7 0+64 3 7+52-7+,?23$5+%/$b%5c+,b 3 7-c%+7$b

4、,+3 45 3 1 1+.+4 7.+1 3$4,$1 7 0+4$.%5-4 57 0+2$b 7 08 0 3 4-&8U 9:S 0 T E?23$5+%C,7.b/7 b.+C-2 2%3/-7 3$4由美国农业部研发的?2 A 1.3/b%7 b.-%$4 K 2$3 4 72$b./+D模型;!兼容 8机上运行G确定临界区域后通过改变参数评价不同管理措施的效果选择最有效可行的方案?2模型是由美国农业部农业研究局与明尼苏达污染物防治局共同研制出的计算机模拟模型;!(!L 是一个基于方格框架组成的流域分布式事件模型按照栅格采集模型参数由水文F侵蚀F沉积和化学传输四大模块组成用以F 元

5、素等土壤养分流失预测并对农业地区的水质问题以重要性为顺序进行排列同时对次暴雨径流和侵蚀产沙过程进行模拟G流域的尺度大小从几0 3(到大约()0 3(流域被以)&0 3(到(?0 3(的单元进行均等分室流域内径流F污染物F泥沙沿各分室汇集于出水口A见图!D G在次降雨过程中对每一分室的的径流特征和泥沙F养分以及8:A化学需氧量D的迁移过程进行描述F模拟和评价?2模型中的侵蚀模块以62 A d为基础应用于次暴雨过程在次暴雨事件中以u!指数进行表达土壤侵蚀函数包括侵蚀与沉积C模型中的水文模块是以美国2 8 2曲线法为基础的用以预测径流量和径流高峰C 元素在流域的迁移传输通过化学传输模块?2在应用中虽

6、然取得较好的效果但由于它是单事件模型在应用中有许多局限性因此()世纪L)年代初4 4?2模 型A 4 4 b-%3 C+5?2D;J 4 4?2模型是一种连续模拟模型?2模型均等划分分室的方法而是按流域水文特征将流域划分为一定的分室即按集水区来划分单元使模型更符合实际A见图!D C并以日为基础连续模拟一个时段内各分室每天及累计的径流F泥沙F养分F农药等的输出结果4 4?2模型的另一改进是采用修正的通用土壤流失方程A*62 A d D预测各分室的土壤侵蚀G此外4 4?2模型还包括一些特殊的模型计算点源F畜牧养殖场产生的污染物F土坝F水库和集水坑对径流F泥沙的影响G=收稿日期E()K)B K!)基

7、金项目E农业部L D项目A()J B_ H B D作者简介E张玉斌A!L B B BD 男山东莒南人在读博士生研究方向为土壤侵蚀与环境效应评价G万方数据图!计算机模拟图形#$%&模型主要由数据输入和编辑模块(年污染物负荷计算模块(数据输出和显示模块)部分组成*在模型应用中+最主要的是数据准备+数据准备模型由,部分组成-流网生成模块./0 1 2#3 4$3#3 5 6 4 1 5 7(数据录入模块.8#9:4;23 6 4?3 5 3 0 3 3#4 A 1 5:0 4=9 0 36 9 9 0=B 6 4=1#7和数据文件转换模块.$%&C4 1C#$%&D 1#E 3 5 4 3 5 7*

8、F模型结构$%&是面向事件的分布式参数模型+模型包括水文(侵蚀和化学物质迁移三个部分+其中营养物质考虑引起水体污染的主要因子氮和磷*模型对化肥的施用(降雨和径流以及渗透进行了模拟+且其模拟范围已扩大到土壤和地下水中氮平衡的连续模拟*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*对于面积超过G H H?F的流域+建议使用!I?F的网格尺寸*一般+网格划分越细+计算精度越高+但模型运行所需的时间越长+精力消耗也越大*实际应用时应根据具体情况而定*F J!水文部分采 用 美 国 D.1=0D 1#A 3 5 E 6 4=1#3 5 E=B 3 D:5 E 3%:K 3 5 7曲线

9、法+计算地表径流量(峰值流量及网格单元的径流分配*其中+径流量LMN.OCPQ7FR.OCPQST 7式中-OUU降雨量.7 V T UU流域饱和储水量.7+由D%.D:5 E 3%:K 3 5 7确定+T N.!H H H R D%7 C!H V PQUU初损.7+一般取H J FT*即-LMN.OCPQ7FR.OSH J G T 7峰值流量用=4?和W=0 0=6 得出的经验相关方程推求-LXN)J Y Z H J YTH J!I.R F _ J,7H J H Z)H J H!Y aCH J!Z式中-LXUU洪峰流量+)R A V UU流域面积+b FV TUU渠道底坡比降+R b V U

10、U径流量+V aUU流域长宽比+等于FR V UU流域长度+b*F J F侵蚀部分当沉积物负荷小于搬运能力时便发生分离现象+反之发生沉积现象*由于不同粒径的颗粒携带和输运污染物的能力相差很大+模型将固体颗粒分_个粒径等级进行计算*颗粒粒径越小+其比表面积越大+泥沙颗粒的比表面积约为,FR c+而黏土颗粒的比表面积依据不同的黏土类型约为F HdG H HFR c*因此+沉积物中黏土成分的微小变化就能导致其搬运能力的大幅改变*模型给出了每个单元分离点沉积物颗粒级别的分布+以及每一级别的成分+泥沙分为黏土(粉粒(小团粒(大团粒和砂石等_个颗粒级别*模型采用修正的通用土壤流失方程.e f g;7计算流

11、失量+即-T Nh P iji T i iOiT T k式中-T UU土壤流失量V h P UU降雨能量因子+由降雨动能和最大)H=#雨强求得V jUU土壤可蚀性因子V T UU坡度坡长因子V UU植被覆盖因子V OUU侵蚀控制措施因子V T T kUU坡型调整因子*计算完径流和土壤侵蚀后+对其携带的泥沙逐个按单元依次演算+直至流域出口+其间有复杂的迁移和沉积关系+由稳态连续方程推导基本演算方程为-Ll.m 7 NLl.7 SLl n.m R o7 CpmHq.m 7 r m式中-Ll.m 7 UU河.渠7段下游泥沙输出量V Ll.7 UU河.渠7段上游泥沙输入量V m UU泥沙汇入点到河.渠

12、7段下游的距离V rUU河.渠7道宽V Ll nUU旁侧泥沙汇入量V oUU河.渠7段长度V q.m 7 UU沉积率+用下式估算-q.m 7 Ns tl lR u.m 7 v is ul.m 7 Cw xl.m 7 v式 中-tl lUU颗 粒 沉 积 速 率V u.m 7 UU单 宽 径 流 量Vul.m 7 UU单宽泥沙负荷V wl.m 7 UU单宽有效输沙能力*用修正的y 6 c#1 0 河流能力方程+计算有效输沙能力-w xlNz wlNz|Ftl l式中-z UU有效输沙因子V wlUU输沙能力V UU输沙能力因子V|UU黏性摩擦阻力V UU河.渠7道平均流速+由曼宁公式推求*用下式

13、计算每个单元流出的_个颗粒级别的泥沙负荷.该式为泥沙输移模型的基本方程7-Ll.m 7 NsF u.m 7F u.m 7 S m tl lv i!Ll.7 SLl nmCr mFistl lu.7s ul.7 Cw xl.7 v Ctl lu.m 7w xl.m 7 v F J)化学物质的迁移采用D e;#模式和饲育场评价模型对模型的化学物质迁移部分的%(&(D$%的迁移进行计算*化学物质的迁移传输通过化学传输模块+分为可溶性部分和泥沙结合态进行计算*泥沙结合态的营养物吸附量采用单元的总泥沙量计算-&(l)MN.&(*7 iLl.m 7 ih式中-&(l)MUU沉积物输运的%或&的浓度V&(*

14、UU土壤中%或&的含量V hUU富集比+hNY J,Ll.m 7CH J F+*+其中Ll.m 7为泥沙量+*UU土壤质地的校正系数*可溶性营养物质的估算考虑了降雨(施肥和淋溶对营养物质的影响*径流中可溶性营养物质由下式估算-&(l,nN-(&()m(Li_F!i第,期张玉斌等-$%&模型及其应用万方数据式中!#$%&(径流中可溶性)或*的浓度+,-#$(降雨过程中土壤表层)或*的平均浓度+#$./$()或*进入径流的提取系数+0(径流量12 34被认为是可溶的!根据径流量和径流中2 34平均浓度估算1通过调查获得的2 34背景值可作为预测每个单元2 34浓度的基础!并认为迁移演算和累计过程中

15、没有损失15所需输入资料及模型输出5 6 7模型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1流域总体特征值有流域面积89流域长度:9单元面积9单元总数9降雨量*;9降雨能量(强度值单元编号2)+汇水进入的单元编号?2+径流曲线数值2)+单元平均坡度:A BC+单元平均坡长:+单元坡向8A共分D个方向C+坡型因子 E A直形坡9凸坡9凹坡C+河A渠C道指示2=A单元内是否有河A渠C道C+河A渠C道底坡比降2 A FG H FC+河A渠C道边坡坡度2 A BC+河A渠C道曼宁系数I+J:土壤侵蚀因子K+J:植被覆盖因子2+J:侵蚀控制因子*+地面条件常数 2 2 A和土地利用有关的因子C+

16、土壤质地LA砂石9粉砂9黏土9泥炭C+化肥施用水平E A无9低9中9高C+化肥比例因子8E A土壤表面7M F残留的化肥比例百分数C+2 34平均浓度或背景值+滞水因子=E A单元内有梯田或其它储水系统C+点污染源标志*+沟蚀水平N A分室内冲沟侵蚀程度C 15 6 O初步输出结果研究流域的初步输出结果包括流域面积和网格尺寸9降雨和可蚀性A 将N=嵌入到模型中!将模型嵌入到N=中!松散的耦 合 和 紧 密 耦 合1近 来 对 模 型 与N=的 集 成 研 究 很 多1_ a b和)c R X F提 出 了 基 于 矢 量 的8?2 G=)E 3用 于8N)*模型的数据输入和输出显示 d!他们后

17、又用这种耦合方式研究了不同格栅大小对模拟结果的影响 S 1 L F等 e 建立了N=与8N)*模型的两个界面!用于模型输入数据的转换和输出数据的显示1Y等 D 开发了一个f I c g;VN=h8N)*交互式用户界面8_)*U18N)*模型的数据前处理9模拟过程以及后处理过程都与N=耦合!包括参数产生器9输入文件传输器9模型执行器等e个模块!用户可通过下拉菜单实现各模块功能1S 6 7 6 5模型的风险性模型的风险性主要来自自然条件的不确定性9模拟过程的不确定性以及模型参数的不确定性 i 1文献 7 Q 运用Ug I 2 X W Z g模拟方法对非点源模型中水系特性和降雨随机性引起的不确定性进

18、行了研究分析!给出了计算结果相似性比较方法!还发现模型网格的划分对模拟结果的精度有很大的影响1*X W V g I等 i 通过输入输出数据的概率分布分析!表明溶解态污染物的输出结果较颗粒携带污染物的输出结果可靠1决策者使用8N)*来确定T U*V的效果时!应充分考虑模拟结果可能带来的风险1S 6 7 6 P其它)X c I 7 7 和?g c 7 O 证实在降雨强度较小时!T X j I g Z c方程会过高估算沉积物的迁移量1实际上每年总沉积物的数量主要是由一9二次特大洪水贡献而来 7 5 1*W W g I 和UX c W X Fg g g g 7 P 在加拿大魁北克省的一个小流域试验了8

19、N)*模型!以评价此模型在该省水文状况下的适用性和作用效果1该试验对7 O次暴雨径流产生的泥沙量进行了模拟1为了取得更好的模拟结果9调整了 2 曲线数和:=:因子1前一项降雨指标被用作土壤湿度指标18N)*暴雨类型和河道冲刷参数为最大的相关事件作了调整1S 6 O 8N)*模型在中国的应用陈国湖 7 S 认为农业非点源污染模型8N)*把流域划分为正方形网格单元!对各单元独立计算其降雨径流和土壤流失量!用连续方程进行迁移演算!在流域出口累计总土壤流失量及其携带的污染物量1模型简单实用!对资料要求不高1遥 感 技 术 为 模 型 提 供 了 新 的 数 据 源!地 理 信 息 系 统A N=C具有

20、强大的空间数据处理分析能力!并提出了用遥感技术和N=为模型输入基本参数的方法1陈欣和郭新波 7 d 为了评价该模型在我国南方丘陵区小流域应用的可行性!利用排溪冲小流域地形9植被9土壤等相关资料对8N)*模型的磷素流失预测结果与小流域土壤磷素流失的实际周年观测资料进行了对比分析1研究结果表明!预测结果与实际观测结果基本相符!相关程度较高+认为kdO7k水 土 保 持 研 究第7 7卷万方数据该模型可用于南方丘陵区小流域磷素流失的预测与评价!赵刚等#$%认为非点源污染负荷计算模型&可为污染控制提供有效的决策支持!将()*+模型与(,+技术相结合&在建立云南省捞鱼河小流域试验区基础信息数据库的基础上

21、&根据现场观测数据&对模型进行了标定&并模拟评价了几种常用的侵蚀控制措施的效果!结果表明&()*+模型可以用于试验区!模型模拟的结果与已有经验和试验区的实际情况符合较好&可以为制定流域侵蚀控制规划提供有价值的参考!曹文志等#-%将()*+模型应用到我国的东南亚热带地区&结果显示该模型在这些地区的农业非点源负荷估算及评价中的应用潜力&说明()*+在我国实施农业非点源控制措施中的应用并不是不可行的.同时指出在研究我国大尺度农业非点源中结合/+技术及实地调查将是未来的发展趋势!王飞儿等/%应用0 0()*+模型对千岛湖流域农业非点源污染物输出总量及时空分布进行了预测分析!研究结果表明预测结果与实测结

22、果在一定误差范围内基本一致&验证了该模型在该流域的适用性&表明0 0()*+模型在农业非点源污染物负荷估算及评价中的应用潜力!同时&由于该研究中许多参数采用默认值&对模型的精度有一定的影响&因此未来该模型的研究应用中可结合遥感技术和进一步的实地调查&对参数进行进一步的修正&使该模型能更好地反映流域的特征&提高模拟精度!1模型评价综上可以看出&()*+模型是一个比较适于评价和预测小流域农业非点源污染发生的计算机模型!非点源污染具有流域空间分布特性&为模拟其产生的迁移&模型需考虑这些空间分布因素影响!()*+模型综合考虑了流域的水文气象2地形2土壤类型和植被覆盖等因素&经实例验证&对计算大中型流域

23、的非点源污染有较好的效果.同时()*+模型可以应用于试验小区&模型计算结果与实测数据吻合较好!将(,+技术与()*+模型相结合&可以极大地提高模型数据获取与管理的效率&方便了模型的使用!目前(,+在非点源污染控制中得到越来越多的应用&而且随着非点源污染研究的不断深入和(,+技术的发展&其应用水平将会不断提高!()*+模型在中国的应用目前还只限于南方地区&这与我国南方地区人口密集&农业生产集约化程度高&由此引起的湖泊富营养化程度严重等特点有关!但在我国北方地区&特别是黄土高原地区&为满足日益增长的人口对农产品的需求&人们大量开发坡地2过量施用化肥2农药等化学物质&在提高农作物产量的同时&也必然给

24、环境带来严重的2潜在的危害!因此&开展()*+模型在我国北方地区应用的研究是目前农业非点源污染研究领域急需开展的工作之一!参考文献3#%45 6 0 78&90:;&?5:ABB C D;E C()*+3 0 5 0 F 5 G 0;H:5 6 I DF 5 E E 6;G 5 0J5=D E K 5 ID L E 6 ;G 0 7 7 I G 6 E;6 I EM;D I:A D=N%C N C+5 G E 0=O 5 0:&#P-P&Q Q R S T 3#1-H#$/C S%46+6 U 6 0 C(D 0 D I ;G 5 05 K;A DB ;8 D V 6 G I D=W X()*

25、+N%C N C+5 6;A MD:;N G 5;5 0 7Y0 G L D I:G;X&S Z Z/&#R#T 3/H$C/%王飞儿&吕唤春&陈英旭&等C基于0 0()*+模型的千岛湖流域氮2磷输出总量预测 N%C农业工程学报&S Z Z/&#P R 1 T 3S-#HS-Q C Q%?I 0 0 0?&JE D;N C Y:G 0 77 D 5:;G:;G :;5:D E D ;7 I G=D E E E X 5 6;:K 5 I;A D()*+J5=D E N%C _ I 0:C+&#P P-&Q#R Q T 3#Z#H#Z#-C%?a;D IbG D 6 a&)D D=A J+5;C)

26、5 0 F 5 G 0;F 5 E E 6;G 5 0J5=D E:D 0:G;G L D G;X;57 I G=H D E E:G c D N%C O;D I8 D:5 6 I D*E 0 0 C 0 7 D&#P P/&#P R S T 3#Q#H#$C 1%0 7?&+I G 0 G L :08&I 0 5 E=N&D;E C)5 0 F 5 G 0;:5 6 I DF 5 E E 6;G 5 0J5=D E G 0 76:G 0 7J5=D E:G 0;D 7 I ;D=MG;A(D 5 7 I F A G,0 K 5 I J;G 5 0+X:;D J R(,+T N%C O;C+G

27、C _ D A&#P P/&S-R/H T 3 1-H P Z C$%Y=5 X I+_ G J&N 5 E E X8 5 W D I;&d G 5:G 6 HA 6 C,JF ;5 K E 0=:F DK D ;6 I D 0=K D ;6 I DF E D JD 0;5 0 7 I G 6 E;6 I E 0 5 0 HF 5 0 G 0;:5 6 I DF 5 E E 6;G 5 0 5 0;I 5 E N%C N C O;D I8 D:5 6 I C*E 0 0 C 0 A A 0 7 0&4 A 0 7 A 6 0&D;E C MG 0=5 M:W :D=(,+()*+G 0;D I

28、 7 D N%C JC O;D I8 D:C:5 C S Z Z#&/$R S T 3/P HQ Z 1 C P%*&JE D;N&8 5 W G E E I=*B&D;E C B D;D I JG 0 G 0 7;A D=D G:G 5 0J e G 0 7I G:eK I 5 J()*+:G J6 E ;G 5 0 N%C _ I 0:C+C#P P-&Q#R 1 T 3#1$P H#1-C#Z%f 5N D A 0 7 HU 6 0 7&5 0 75 0 7 HN X A C)*+J5=D E F I JD;D I6 0 D I;G 0;X 0 E X:G:K 5 I 05 K K :;

29、I D J I D:D I L 5 G I N%C O;D I8 D:5 6 I D:?6 E E D;G 0&#P P 1&/S R T 3#Z 1$H#Z$P C#%)=D 0*+C 5=D E:5 K:D=G JD 0;I 0:F 5 I;G 00 ;6 I E:;I D%C)D M45 I e 3 N 5 A 0OG E D Xg+5 0:d;=C#P P-3 S#$HS -C#S%8 5=D&h I D=D(C _ D:;G 0 7()*+K 5 I:5 G E D I 5:G 5 0 0=M;D IV 6 E G;XJ5=D E G 0 7G 0 7 I G 6 E;6 I E ;

30、A JD 0;G 0D:DR(D I J A D JC A D:;D I:(C B D E G L D I X5 K:D=G JD 0;0=F 5 E E 6;0;:K I 5 J 0 5 0 F 5 C G 0;:5 6 I D:3M;D I V 6 E G;XF D I:F D ;G L D N%CN C+5 G E 0=O 5 0:&#P-P&Q Q 3 Q-#HQ-$C#Q%*D I I 5 0 DN&=I C利用()*+预测泥沙量 N%C水土保持科技情报&#P P P&R Q T 3 Q S HQ Q&S C#%陈国湖C农业非点源污染模型()*+及(,+的应用 N%C人民长江&#P

31、P-&S P R Q T 3S Z HS S C#1%陈欣&郭新波C采用()*+模型预测小流域磷素流失的分析 N%C农业工程学报&S Z Z Z R T 3Q Q HQ$C#$%赵刚&张天柱&陈吉宁C用()*+模型对农田侵蚀控制方案的模拟 N%C清华大学学报R自然科学版T&S Z Z S&Q S R T 3$Z H$Z$C#-%曹文志&洪华生&张玉珍&等C()*+在我国东南亚热带地区的检验 N%C环境科学学报&S Z Z S&S S R Q T 3/$H Q Z C#P%A;F 3 i i MMMC:D=E W C 5 E D JG:C D=6 i 7 0 F:C A;JE?i 9d%C

32、 S Z Z#HZ S HZ S Cj$S#j第Q期张玉斌等3()*+模型及其应用万方数据AGNPS模型及其应用AGNPS模型及其应用作者:张玉斌,郑粉莉作者单位:中科院水利部水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西,杨陵,712100;西北农林科技大学,陕西,杨陵,712100刊名:水土保持研究英文刊名:RESEARCH OF SOIL AND WATER CONSERVATION年,卷(期):2004,11(4)被引用次数:11次 参考文献(19条)参考文献(19条)1.YOUNG R A.Onstad C A.Bosch D D AGNPS:A nonpoint-s

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34、E Vieux.Needham Scott Nonpoint pollution model sensitiveity to grid-cell size 1993(02)6.Eng B A.Srinivasan R.Arnold J Nonpoint source pollution modeling using models integrated withGeographic Information System(GIS)1993(3-5)7.Udoyara S Tim.Jolly Robert.Liao Hsiu-hua Impact of landscape feature and f

35、eature placement onagricultural non-ponint source pollution control外文期刊 1995(06)8.He Chansheng.Shi Changan.Yang Changchun A windows-based GIS AGNPS intergace 2001(02)9.Parson S C.Hamlett J M.Robillard P D Determining the decision making risk from AGNPS simulation外文期刊 1998(06)10.Kao Jehng-jung.Hong H

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