第15卷第1期水土保持研究Vol.15󰀁No.12008年2月ResearchofSoilandWaterConservationFeb.,2008非点源污染模型ANSWERS󰀁2000的水文子模型研究*潘󰀁沛1,2,刘󰀁凌1,2,梁󰀁威1,2(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京󰀁210098;2.河海大学水资源环境学院,南京󰀁210098)摘󰀁要:非点源污染的前期过程,是在流域面上污染物质或是营养元素随着降雨径流的产生而产生。利用实验室大型土槽试验,研究ANSWERS󰀁2000模型的水文子模型对于人工降雨事件的模拟精度,探索ANSWERS󰀁2000在理想坡面上的适用情况,并且尽可能准确地给出其水文模型的部分参数的取值。经过计算发现该水文子模型模拟理想坡面的误差较小,但是存在系统偏大的情况;整个计算单元的Manning糙率取0.03~0.07。存在的问题有参数土表面结皮层厚度只能定性无法准确的定量描述;降雨装置测流装置对于径流模拟产生的影响较大。关键词:大型土槽;非点源污染;ANSWERS󰀁2000;Green󰀁Ampt入渗方程;结皮层中图分类号:P343;X171󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1005󰀁3409(2008)01󰀁0103󰀁04UsageStudyofNon󰀁pointSourcePollutionModelANSWERS󰀁2000󰀁sHydrologySub󰀁modelPANPei1,2,LIULing1,2,LIANGWei1,2(1.StateKeyLaboratoryofHydrology󰀁waterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nan󰀁jing󰀁210098,China;2.HydrologyandWaterResourcesCollege,HohaiUniversity,Nanjing󰀁210098,China)Abstract:Beforethenon󰀁pointpollutionoccurs,therearesomepollutantandnutritionleachedand,togetherwiththerunoff,rushedtodownstream.Inanindoorprecipitationexperiment,ANSWERS󰀁2000model(hydrologysub󰀁model)wereusedtofindoutifitcanmodeltherainfall󰀁runoffprocessaccuratelyandifit󰀁ssuitableforChinesewatershed,andgivingoutsomesuitablevalueofparameterinsub󰀁model.It󰀁sfoundoutthatgivenhydrologysub󰀁modelcanmodelrunoffprocesswithlettererrors,thevalueissystematiclybiggerandthevalueofManningroughnesscoefficientislocatedin0.03~0.07.Therearealsosomeprob󰀁lemsthatcrustthicknesshasnosuitablevalueandtherainfallandrunoffequipmenthascreatedsomeerrorinrunoffmodeling.Keywords:big󰀁earth󰀁groove;non󰀁pointpollution;ANSWERS󰀁2000;Green󰀁Amptinfiltrationequation;crustthickness󰀁󰀁水环境污染问题通常可分为点源污染和非点源污染。由于排放比较集中,点源污染在包括我国在内的许多国家已经得到较好的控制和治理,与此同时,非点源污染(或称面源污染)的严重性也逐渐显现出来。与点源污染相比,非点源污染的时空范围更广,不确定性更大,成分、过程更复杂,因而加深了相应的研究、治理和管理政策制定的难度。尤其是在非点源污染模拟和预测模型研究上也存在许多问题,要研究非点源污染的过程,首先要对坡面产流模拟准确。该文研究的目的就是探索国外较成熟的非点源污染模型(AN󰀁SWERS󰀁2000)来考察其在理想坡面对产流描述的适用性。1󰀁ANSWERS󰀁2000的水文子模型ANSWERS(ArealNon󰀁pointSourceWatershedEnvi󰀁ronmentResponseSimulation)模型是由Beasley和Hug󰀁gins[1󰀁5]在基于20世纪70年代的原有ANSWERS模型基础上建立的。其基于下面的假设:󰀂在流域中的任何一点,其产流率与给出的水文参数如雨强、下渗、地形和土壤类型等都存在一定关系 。而且这些产流率被用来使模型相应各部分串联起来作为模拟流域中运移现象的基础,如泥沙侵蚀和化学物质运移等[1]。ANSWERS模型的最新版本是AN󰀁SWERS󰀁2000,它是于20世纪90年代中期开发的连续性模拟模型[6]。ANSWERS󰀁2000中的水文过程可由下面过程描述[7]:在降雨产生后,部分降雨被植物的冠层截留,直到满足潜在的截留能力,植物截留过程才结束。在降雨过程中,下渗率持续减少,直到它等于雨强时雨水才在土壤表层以毛细管水的形式聚集。水量一旦超过毛细管蓄水能力,坡面开始填洼,直到满足土层持水能力和表面填洼之后,产生坡面流。当降雨结束,表层土壤开始退水,直到坡面流全部结束。不管怎样,下渗过程直到所有的毛管水全部渗完为止。现有模型中的径流和入渗模块以Green󰀁Ampt入渗方程代替了原模型中的Holtan方程进行计算。由于Holtan方程所需输入的参数并没有什么物理意义,所以很难估计。特别是控制深度[7]这个参数,Holtan认为它是土壤剖面上层,用于控制下渗的一个关键参数。而且Huggins和Monke发现控制深度会随着土壤植被状况和上层的下渗能力而改变。另外,下渗和径流量对这个参数很敏感(Dillahaand*收稿日期:2006󰀁10󰀁23󰀁基金项目:国家自然科学基金重点项目(50239030)󰀁作者简介:潘沛(1981-),男,上海人,硕士研究生,主要从事非点源污染及坡面产污研究。Beasiey,1983)。虽然,在ANSWERS󰀁2000中仍然保留了控制深度这个概念,但是Green󰀁Ampt入渗方程对其不敏感,它表示上层土壤中控制层的厚度。地表径流与沟道径流利用连续方程和Manning󰀁suni󰀁formvelocity方程进行计算。土壤水分控制深度中的水一旦超过田间持水量,便会从控制层中漏出。降落到地面的净雨量由用户的自记雨量计和截流量决定。在整个流域中,每个单元对应一个雨量计编号,此雨量计决定了这个单元的降雨模式。最少需要4个雨量计,但是一般也只用一个。表面填洼的水量计算为坡面流,用单元中的表层总水量减去土壤表层持水(只用于下渗)的差除以单元的面积算出滞留深。这就意味着单元的总土层持水量满足后才填洼和产流。每个单元的水力响应都是时间的函数,用数学方法来解决,采用连续方程的向后差分显示格式与水位流量关系相结合计算。在坡面汇流和河道汇流中水位和流量的关系都用曼宁公式来计算。而曼宁公式中的水力半径则假设为整个单元的平均积水深。2󰀁试验装置介绍利用河海大学水文水资源及水利科学国家重点实验室的大型土槽,模拟没有任何作物的理想坡地,在不同雨强、不同坡度下的产流产污过程,为研究非点源在坡面上的产生提供基础。研究利用大型可变坡土槽构建降雨-径流试验台。降雨-径流试验台的构造分为3个部分:人工降雨装置、径流台(即土槽)和测定装置。整个试验由人工降雨模拟装置系统、试验土槽系统、水土取样系统、土水势监测系统、雨量监测系统、土槽驱动及降雨控制系统、测流系统组成。人工降雨装置由供水与降雨器2个部分组成。供水部分采用屋顶水箱供水,事先需储存自来水;降雨器采用莲蓬头式喷头洒雨,其制造和应用均较简单,缺点是洒雨强度分布难以控制,容易造成降雨分布不均匀。降雨应该尽量接近自然降雨。在模拟自然降雨特征时应当注意降雨分布的均匀性,雨滴大小及下降速度等3个方面,因为雨滴大小与下降速度及分布的均匀性,对土壤的入渗与冲刷有很大的影响。天然降雨的雨滴大小、下降速度和雨强的大小有一定的关系,雨强越大则雨滴也越大,下降速度越快,反之,雨滴微小,下降缓慢。降雨强度由降雨控制系统通过改变喷头的开启程度控制,降雨面上的分布由雨量计测定。根据试验,如果人工降雨器在8m以上的高度洒雨,得到的雨滴下降速度大致接近于自然雨的下降速度[8]。径流台采用动床式的大型可变坡土槽(分2个槽),长12m,宽1.52m,高1.5m。土槽从2004年8月初开始装土,每5cm为一个填土层,每天根据测量的土壤含水率调整称土重量,确保1.40g/cm3的干密度标准,整个土层厚度在1.3m左右。至8月底装土完毕,共用90.7t。为研究土槽内部的变化,共装24套深度分别为20,40,60,80,100,130cm的负压传感器和对应深度的陶土取水管。径流测定装置采用软管将土槽下游的径流导出,用人工量测的方法测定。按照测定装置设计和布置的原则,要求在测定装置上观测到的径流,不发生或很少发生过程的变形,由此,径流测定装置最好接近于径流台的下方,尽量缩短径流汇入测定装置的时间。由于土槽本身并不是为降雨径流试验设计的,所以在土槽下方没有安装测定装置,只能用软管来测流,这样必然带来精度不够的问题,在径流过程上也会有变化。3󰀁试验方法和试验参数的确定试验测定雨强、流量、冲刷土以及径流样品中的各种营养成份。雨强由放置于土槽上的雨量计测得。由多个雨量计施测,取平均值作为降雨面上平均雨强来计算,2个槽上雨强略有差别所以总的径流量也有一点不同。在降雨试验中,开始产流到退水结束每隔几分钟用量筒测一次水量体积来计算流量。退水时间很短在1min左右,所以没有测退水时的流量。在降雨结束后一周左右称量冲刷土的重量。每次试验前后都测定土壤含水率。将2个土槽分别计算流量时,由于土槽上基本没有植物,忽略了植物截留等损失,将降雨扣除下渗作为净雨量,再经由坡面汇流汇集到出口。在计算汇流时,将整个单元既视作坡面单元又视作河道单元。因为在计算径流时河道单元是将水流断面概化为矩形断面,从而能够用流量面积关系来描述整个单元内的水量变化,坡面单元则直接将净雨转入下一单元处理。经过观察与测量,坡面上的切沟从出口出一直延伸至土槽上端,整个长度10m左右;在土槽上的切沟平均宽度在0.6m左右。因此,这里将河道单元嵌入坡面单元,将河道单元概化为长10m,宽0.6m的矩形单元。关于沟道单元的Manning糙率的取值范围,Connolly[9]等人在澳大利亚昆士兰地区流域上运用ANSWERS模型时,在坡面上取0.03~0.12,河道内0.03~0.07;Montas[10]在加拿大魁北克省西南部的2个小流域上运用ANSWERS模型模拟径流和泥沙侵蚀时,每个单元的Manning糙率都取0.048。Connolly等是根据流域面上实际情况,从已经发布的资料(BurwellandLarson,1969;BeasleyandHuggins,1981;Engmen,1968)查的,而Montas则根据实地调查或从当地流域管理部门处得来。由于坡面上的净雨进入沟道非常快,则汇流速度可忽略,所以整个计算单元的Manning糙率取0.03~0.07。计算径流量时,大多数试验参数经过实测得来,部分由计算公式估算。实验用土取自长江南京段的江心州土,根据我国土壤合理成份分级标准,该土属粗砂土,其中黏粒(cl)占7.1%,粉粒(si)占16.4%,沙粒(sa)占76.5%。用下渗公式计算下渗量时需用到参数有下列几个:土壤干容重为1.40g/cm3,湿容重为1.68g/cm3;总孔隙率在48.28%左右,田间持水量为21.9%,经计算饱和含水率为36.0%,凋萎系数为0.082;土层的控制深度取200mm。土壤结皮层厚度为1cm。早期的ANSWERS模型采用Holtan和Overton渗透关系式,通过这些公式运用发现可用一个非常薄的控制层来模拟土壤结皮的影响。这种方法假设有一稳定的土壤结皮,而结皮的发生过程可以忽略。公式假设结皮层较稳定,厚度为1cm。根据陈一兵[11]的研究,这个参数对下渗公式比较敏感,又没有考虑土壤结皮的动态特征,应该加强对土壤结皮过程的研究,来寻求一个更适合的而又不太敏感的公式。而Bouraoui用Green󰀁Ampt公式代替Holtan的下渗公式模拟下渗后,在计算有效水利传导度的参数硬表面折减系数时用到了土表面硬皮层(crustthick󰀁!104!水土保持研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第15卷