基于ARM的多通道儀表數(shù)據(jù)采集及基于AnnAGNPS模型的農(nóng)業(yè)非點源污染模擬

PAGEPAGE11物理與電子工程學院《嵌入式系統(tǒng)設計》課程小論文課題題目基于ARM的多通道儀表數(shù)據(jù)采集系別物理與電子工程學院年級專業(yè)電子科學與技術學號學生姓名指導老師日期20XX.05.31目錄引言 2第一章課題要求 31.1課題內(nèi)容及目的 31.2運行環(huán)境 3第二章正文 42.1課題分析 42.2系統(tǒng)設計 42.3代碼分析、技術實現(xiàn)問題 8第三章實驗結(jié)果 13第四章實驗總結(jié) 15參考文獻 16設計性實驗報告成績：指導教師簽名： 17引言隨著工業(yè)自動化與信息化的不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為了計算機與外部物理世界連接的橋梁。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)中設備工作狀況的監(jiān)測、控制領域中的閉環(huán)控制系統(tǒng)及仿真領域的半實物仿真系統(tǒng)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置通常由單片機及采集卡組成,其采集通道數(shù)較少、單任務的軟件結(jié)構(gòu)及實時性差等不足之處已無法滿足人們的需求。ARM(AdvancedRISCMachines)是基于RSIC架構(gòu)的數(shù)據(jù)寬為32位可嵌入操作系統(tǒng)的微處理器。由于其體積小、價格低、可靠性高、低功耗等特點在工業(yè)自動化、國防、運輸?shù)阮I域得到了廣泛的應用。本次設計是基于ARM的多通道實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);該系統(tǒng)由下位機系統(tǒng)及上位機軟件組成,下位機硬件主要基于ARM工控開發(fā)平臺、數(shù)據(jù)采集板及模擬量輸出板,采用μC/OSⅡ?qū)崟r多任務操作系統(tǒng),實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)存儲及模擬量的輸出,并將采集數(shù)據(jù)實時傳送至上位計算機;上位機軟件接收數(shù)據(jù)進行監(jiān)控,圖形化顯示數(shù)據(jù)變化,并控制下位機的模擬量輸出功能;通過實驗驗證,下位機系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集、存儲及模擬量的輸出,μC/OSⅡ操作系統(tǒng)完成多任務的實時調(diào)度,上位機軟件成功進行模擬量數(shù)據(jù)的采集監(jiān)控及數(shù)據(jù)變化的圖形顯示,整個系統(tǒng)具有良好的實時性。采用多任務編程方法，每個任務監(jiān)視一路AD轉(zhuǎn)換，每一路AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果在液晶屏上用一個條形圖的長短來表示，直觀地顯示每路模擬輸入電壓的大小?？梢酝ㄟ^文本框給每路AD設置警戒值，某路輸入超出警戒線之后條形圖中超出的部分會以閃動的方式顯示。第一章課題要求1.1課題內(nèi)容及目的采用多任務編程方法，每個任務監(jiān)視一路AD轉(zhuǎn)換，每一路AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果在液晶屏上用一個條形圖的長短來表示，直觀地顯示每路模擬輸入電壓的大小?？梢酝ㄟ^文本框給每路AD設置警戒值，某路輸入超出警戒線之后條形圖中超出的部分會以閃動的方式顯示。并在數(shù)碼管上對應的某通道的數(shù)值顯示當超過警戒線數(shù)值時，數(shù)字閃爍顯示。在此基礎上，利用實驗箱中的數(shù)碼管顯示每一路的電壓采樣值，并能在超出警戒值的情況下閃爍顯示，在LCD屏上對應條形圖的頂部顯示具體的電壓值。1.2運行環(huán)境硬件：ARM嵌入式開發(fā)平臺、用于ARM7TDMI的JTAG仿真器、PC機Pentium100以上。軟件：PC機操作系統(tǒng)Win98、Win2000或WinXP、ARMSDT2.51或ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境、仿真器驅(qū)動程序、超級終端通訊程序。正文2.1課程分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于被監(jiān)控的設備處，通過傳感器對設備的\o"電壓"電壓或者\o"電流"電流信號進行采樣、保持，并送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后將該信號送到FIFO中。當FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時，由ARM7從FIFO中讀出，然后通過ARM7的以太網(wǎng)接口送給上位機。多路采集通道經(jīng)過模擬開關后再進入A/D轉(zhuǎn)換器。CPLD是整個系統(tǒng)的控制核心，它控制采集通道的切換、A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在FIFO中的存放地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請求以通知ARM7讀取存放在FIFO中的數(shù)據(jù)等。2.2系統(tǒng)設計1．編寫OnKey()函數(shù)，響應鍵盤消息。流程圖如圖1所示。1）這里設置了兩個文本框，用來輸入通道編號和該通道的警戒值，在鍵盤消息響應函數(shù)里針對兩個文本框分別作出處理，只處理回車鍵和取消鍵，其他鍵由控件本身處理。程序里用變量EditNumber指示當前要編輯的文本框控件；用變量input指示該文本框控件是否處于輸入編輯狀態(tài)。以此決定回車鍵應該執(zhí)行的功能。2）當文本框控件不是編輯狀態(tài)時，第一次回車將使其進入編輯狀態(tài)，在程序里用SetWndCtrlFocus()函數(shù)將焦點轉(zhuǎn)移到該控件并用SetTextCtrlEdit()函數(shù)設置為編輯狀態(tài)；當文本框正處于編輯狀態(tài)時，第二次回車將使其退出編輯狀態(tài)，并將要編輯的文本框切換到另一個文本框控件，取消鍵的處理和這種情況類似。當在實現(xiàn)按鍵實現(xiàn)通道的選擇時，我我在voidMain_Task(void*Id)里添加了如下代碼：if(flag){switch(pMsg->WParam) {case15:Key_val=0;break; case11:Key_val=1;break; case12:Key_val=2;break; case13:Key_val=3;break; case8:Key_val=4;break; }時通過按鍵的掃描碼來改變變量Key_val的值，最后來控制通道的選擇以及后面添加的數(shù)碼管的顯示位置。在之前添加一個變量flag是為了在文本焦點時，柱狀圖和通道不會改變。 3）如果當前要編輯的文本框是警戒值輸入框，在編輯狀態(tài)中回車確定后，所輸入的通道編號以及警戒值就會保存在數(shù)組WarnningData中，代碼如下：WarnningData[Unicode2Int(pChannelTextCtrl->text)]=Unicode2Int(pValueTextCtrl->text);圖12．編寫繪圖顯示任務Display_Task，繪制文本框和柱狀圖等，并實現(xiàn)文本框編輯程序和超過警戒值后的顯示，其流程圖為圖2所示。圖2程序中用TextOut()函數(shù)顯示文本框的提示信息，用數(shù)組edit記錄兩個文本框是否處于編輯狀態(tài)，用變量IsEdit指示提示信息是否顯示。在此次的實驗中，我是利用一個disp_en來控制是否在柱狀圖上的文本框內(nèi)顯示電壓值，而這一使能的控制是在觸摸屏上的點擊實現(xiàn)的，只有在單擊觸摸屏的時候才會被觸發(fā)。if(disp_en){ Int2Unicode((int)result_AD0,result_AD0_16);TextOut(pdc,110,(int)(210-result_AD0*20/3.3)-10,result_AD0_16,TRUE,FONTSIZE_SMALL) ；}在實際上，IsEdit這個變量在顯示任務循環(huán)一次就改變一次狀態(tài)，當IsEdit==1時將提示信息擦掉，否則保持顯示不變。這就是閃爍顯示的原理，表示AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的條形圖超出警戒值的部分的閃爍也是這樣實現(xiàn)的，隨著任務的循環(huán)隔次的改變狀態(tài)。2）warnning[x]是條形圖閃爍的指示變量。當某路AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果result_ADx大于對應通道的警戒值WarnningData[x]時，根據(jù)warnning[x]的值決定條形圖的長度是和result_ADx對應還是和WarnningData[x]對應，這樣看起來條形圖的長度是變化的，效果就是超過警戒線的那部分在閃爍。而我在這里做出了修改與控制，是在鍵盤按鍵響應才觸發(fā)這警告值。而按鍵的響應式依靠之前的鍵盤的掃描碼的值來控制的Key_val變量。于是在此添加了一段語句：if(Key_val==0||Key_val==4)。5、編寫數(shù)碼管顯示代碼。通過改變模擬電壓的值來控制數(shù)碼管上的顯示值。并且是在此基礎上在添加一個控制，當有按鍵時同時也控制的數(shù)碼管的顯示位。2.3代碼分析、技術實現(xiàn)問題（1）數(shù)碼管顯示及閃爍顯示的代碼//0通道顯示if(Key_val==0||Key_val==4){//是在按鍵響應的同時對數(shù)碼管的位顯示也進行控制 ZLG7289_ENABLE();//使zlg7289占有同步串口 Delay(5);//延時 WriteSDIO(ZLG7289_CMD_DATA1|6);//數(shù)碼管以方式1譯碼，第一個數(shù)碼管亮 WriteSDIO(((int)(result_AD0))%10);//顯示個位 Delay(1);//延時 if((int)((result_AD0))>9)//鍵值大于9顯示十位 { WriteSDIO(ZLG7289_CMD_DATA1|7);//發(fā)送十位數(shù)據(jù) WriteSDIO(((int)(result_AD0))/10); Delay(1); WriteSDIO(ZLG7289_CMD_HIDE);//使一、二、三這三位數(shù)碼管顯示 WriteSDIO(0xff); } else//鍵值小于10不顯示十位 { WriteSDIO(ZLG7289_CMD_HIDE);//使個位數(shù)碼管顯示 WriteSDIO(0x7f); } a=0xff; if(result_AD0>WarnningData[0]) a=0x3f; Delay(1); WriteSDIO(ZLG7289_CMD_FLASH);//閃爍 WriteSDIO(a);}這是通道0的數(shù)碼顯示及閃爍，只需將通道0中的輸入值和警戒值改成對應通道的值就可以實現(xiàn)。（2）在LCD屏條形圖中超出部分閃爍顯示的代碼if(result_AD0<=WarnningData[0]) { FillRect(pdc,110,(int)(210-result_AD0*20/3.3),130,210,GRAPH_MODE_NORMAL,COLOR_BLACK); } else { if(warnning[0]==1) { FillRect(pdc,110,(int)(210-result_AD0*20/3.3),130,210,GRAPH_MODE_NORMAL,COLOR_BLACK); warnning[0]=0; } else { warnning[0]=1; FillRect(pdc,110,(int)(210-WarnningData[0]*20/3.3),130,210,GRAPH_MODE_NORMAL,COLOR_BLACK); } }這是通道0的代碼，通道1、2、3的代碼與之像似，只要改變相應的輸入值和警戒值即可。（3）觸摸屏及按鍵的控制：voidMain_Task(void*Id)//Main_Test_Task{ POSMSGpMsg; //flag=TRUE; structpoint{ intx; inty;};structpointscrpoint;flag=TRUE; init_ADdevice(20,ADCCON_SLEEP); for(;;) { POS_CtrlpCtrl; pMsg=WaitMessage(0); if(pMsg->pOSCtrl) { if(pMsg->pOSCtrl->CtrlMsgCallBk) (*pMsg->pOSCtrl->CtrlMsgCallBk)(pMsg); } else { switch(pMsg->Message) { caseOSM_TOUCH_SCREEN://觸摸屏的控制 switch(pMsg->LParam) { caseTCHSCR_ACTION_CLICK://響應觸摸屏單擊控制 disp_en=TRUE;//單擊觸發(fā)文本框電壓顯示 break; caseTCHSCR_ACTION_DBCLICK://響應觸摸屏雙擊控制 disp_en=FALSE; break; } break; caseOSM_KEY://按鍵響應 pCtrl=GetCtrlfromID(NULL,GetWndCtrlFocus(NULL)); if(pCtrl->CtrlType==CTRLTYPE_WINDOW) { if((((PWnd)pCtrl)->style&WND_STYLE_MODE)==WND_STYLE_MODE) { //焦點是有模式窗口，消息直接傳遞過去 OSOnSysMessage(pMsg); break; } } if(onKey(pMsg->WParam,pMsg->LParam)) break; Uart_Printf("key=%d\n",pMsg->WParam); if(flag){//變量flag在之前的觸摸屏單雙擊控制時響應是否成立 switch(pMsg->WParam) { case15:Key_val=0;break; case11:Key_val=1;break; case12:Key_val=2;break; case13:Key_val=3;break; case8:Key_val=4;break; } } default: OSOnSysMessage(pMsg); break; } } DeleteMessage(pMsg); OSTimeDly(200); }}實驗結(jié)果將生成的文件編輯下載到開發(fā)平臺并運行，通過四個旋鈕來改變相應通道的電壓值，當輸入的電壓值超過警戒值時，對應的數(shù)碼管顯示的數(shù)值也會閃爍顯示，同時在LCD屏上的條形圖的超過部分也會閃爍，條形圖的頂端會顯示相應的電壓值（數(shù)值與數(shù)碼管顯示的值相同）。也可在通過按鍵來直接控制是否閃爍顯示。哪怕電壓值再高，超過警告值也不閃爍。在LCD屏上設置了兩個文本框，一個是控制的通道的，另一個是改變警戒值的。當enter鍵按下時，選中了通道文本框，按鍵響應后，在文本框內(nèi)顯示所按下的值，再按下enter后，柱狀圖跳到該值對應的通道。并且在觸摸屏上單擊就可以顯示柱狀圖上的電壓值，雙擊后，電壓值消失。實驗結(jié)果實物圖如下：實驗總結(jié)嵌入式實驗，從第一次到最后一次，我?guī)缀醵际沁x擇的ARM7的實驗，所以對ADS實驗比較熟悉，可是在實驗中還是遇到了形形色色的問題，因為一個人想把一個設計性的實驗完全做完,是不太容易的,之前的實驗都是按照老師的視頻做的，而且也是最多實現(xiàn)一個現(xiàn)象而已，沒有什么要細細斟酌考慮要實現(xiàn)的話該怎么做？而這次是自己想實現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象，什么樣的特色都要自己去發(fā)現(xiàn)、去理解，所以面對一大堆代碼時，很是傷腦筋。所以我必須要將前面所掌握的知識融會貫通，并靈活運用，這樣才能把這次實驗做完。首先按照的實驗要求，我開始在網(wǎng)上找資料，以及結(jié)合之前老師講的實驗資料，然后和做這個實驗的同學討論，終于有了一個比較的明確的思路，也想出了自己想要的效果?？墒钦嬲龅臅r候并不是那么簡單的，總是遇到這樣那樣的問題，遇到問題就要解決，這就要自己的實力，終于經(jīng)過自己不懈的努力，終于把程序中的錯誤都改正過來了。這次實驗使我明白了很多，光會有理論知識是不行的，我們要把理論知識和實踐結(jié)合起來，這樣才發(fā)揮了理論知識的用途。雖然這次實驗我經(jīng)歷了整整七個小時的艱苦奮斗，這樣的堅持不懈終于最后有了自己想要的成效。所以我知道也深深地體會到做實驗的時候不能太急躁，要慢慢來，凡事都不能一氣呵成的，都要經(jīng)歷一定的過程，途中總會遇到一些問題，遇到問題我們不能退縮，要勇敢面對，用自己的實力解決他，這樣我們才會成長。參考文獻[1]田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.3[2]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.[3]吳明暉.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用[M].北京:人民郵電出版社,2004.[4]金建設.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用[M].大連:大連理工大學出版社,2009.9設計性實驗報告成績：___________指導老師簽名：_____________基于AnnAGNPS模型的農(nóng)業(yè)非點源污染模擬摘要：本文以大沽河典型小流域為研究區(qū)，借助GIS和相關資料率定參數(shù)，完成模型數(shù)據(jù)庫的建立。在此基礎上，采用流域出口2001～2002年徑流量、泥沙和總氮監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化參數(shù)、校準和驗證模型，分析AnnAGNPS模型在大沽河典型小流域應用的可行性。2000～2001年，地表徑流的年均模擬偏差分別為12.7%和7%，豐水期的月模擬偏差都在±30%以內(nèi)，日模擬值與實測值相關系數(shù)分別是0.98和0.91，模擬結(jié)果理想；年均泥沙輸出模擬誤差分別為19.1％和15%，月均泥沙估算的相關系數(shù)分別為0.78和0.73，模擬結(jié)果基本可接受；年均模擬誤差為50%左右，月均估計及降雨場次模擬的相關系數(shù)分別低于0.7和0.6，總氮污染負荷估算有很大的不確定性。結(jié)果表明，如何提高模型的營養(yǎng)鹽模擬精度將是未來AnnAGNPS模型在大沽河流域應用的前提與基礎。本研究成果對于AnnAGNPS模型在國內(nèi)的應用和推廣，具有很好的示范性，并為大沽河全流域分布式水文模型的構(gòu)建奠定了基礎。關鍵詞:非點源AnnAGNPS模型大沽河典型小流域適用性

Simulationofagriculturalnon-pointpollutionbasedonAnnAGNPSmodelZOUGui-hong1,CuiJian-yong2(1.Collageofenvironmentalscienceandengineering,OceanUniversityofChina,QingdaoChina,2660032.CollegeofEarthResourcesandInformation，ChinaUniversityofPetroleum,DongyingChina,257061)Abstract:GIS(GeographicInformationSystem)wasintegratedwithAnnAGNPS(AnnualizedAgriculturalNon-PointSourceModel),whichwasusedtoinput,analyze,andvisualizespatialdatathatagriculturalNon-pointsourcepollutionconcerned.Onthisbasis,theperformanceofAnnAGNPS,insimulatingrunoff,siltandtotalnitrogenintypicalsub-watershedsofDagucatchmentwasevaluated.Themodelwascalibratedandvalidatedusingobservedstreamflow,sedimentloadandtotalnitrogendataduring2000and2001insub-watershedsoutlet.Theannuallyrelativeerrorofsurfacerunoffwasseparately12.7%and7%,thedifferenceduringthewetmonthswasunder30%,andR2of0.98and0.91wasseparatelyforevent-basedrunoff,whichshowedthemodelperformedwellforrunoffsimulation.Moderateaccuracyofpredictionforsedimentwasobtainedwithannuallyrelativeerrorof19.1%and15%,andR2of0.78and0.73duringcalibrationandvalidation.Astherelativeerrorof50%forannualoutputoftotalnitrogen,however,AnnAGNPSfailedtocalculatethetotalnitrogenwithR2separatelydownto0.7and0.6formonthlyanddailysimulation.Itisobservedthatthereisaneedtomodifyorimprovetheestimationmethodsofthetotalnitrogentoincreasetheperformanceofthemodelwhichcanaidwatershedmanagementinlocalconditions.ThestudyresultsinthispapermakeagooddemonstrationforapplyingAnnAGNPSmodelinChina,andlayagoodfoundationforestablishmentofwholeDagubasinKeywords:non-pointsource,AnnAGNNPSmodel,Dagutypicalsub-watersheds,evaluation

0引言隨著點源污染的有效控制，非點源污染已成為水體污染的主要因素之一，受到越來越多的關注和研究[1-2]。研究表明，非點源污染負荷有逐漸超過點源污染負荷，成為地表和地下水體首要污染源的趨勢[3-4]。非點源污染模型是實現(xiàn)非點源污染定量評價的有效工具之一。它通過對整個流域系統(tǒng)及其內(nèi)部復雜污染過程的定量描述，幫助我們分析非點源污染產(chǎn)生的時間和空間分布特征，識別其主要來源和遷移途徑，預報污染負荷量及其對水體的影響，并評價土地利用變換以及不同管理措施對非點源污染和水質(zhì)的影響，為流域規(guī)劃和管理提供決策支持[5]。在國外，尤其是美國已經(jīng)開發(fā)了許多流域非點源污染模型并且將其應用到了流域污染負荷模擬及其管理措施的制定和評價中[1]。我國由于基礎資料的缺乏，適合我國情況的流域非點源污染模型開發(fā)較少，因此將國外成熟的流域非點源污染模型引入我國流域非點源污染及流域管理中具有一定的研究意義[5-6]。由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的AnnAGNPS模型作為農(nóng)業(yè)非點源污染研究的主要手段，被廣泛應用于計算非點源污染負荷、關鍵源區(qū)識別、模擬非點源管理方案中[7]。模型在中國的應用集中在東南沿海的浙江和福建[8],對于受非點源污染嚴重影響的東部沿海地區(qū)，此類研究鮮見報道。本文以大沽河典型小流域為例，在劃分集水單元，提取模型參數(shù)的基礎上，通過小流域出口2001～2002年降雨徑流、泥沙及總氮監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別檢驗AnnAGNPS模型在大沽河典型小流域日、月及年尺度上的適用性，為大沽河流域水資源與水環(huán)境提供重要的水文基礎支持。1.材料與方法1.1研究區(qū)概括大沽河是膠東半島最大的河流，流域面積7511.5km2，流域水資源豐富，多年平均河川徑流量為6.3×108m3。大沽河流域是魯東低山丘陵區(qū)的一部分，地形變化的總趨勢是北高南低。處于北暖溫帶季風氣候區(qū)，降水年際變化懸殊，主要集中于5～本研究選取以張家院水文站為出口的小流域為研究區(qū)（圖1）。研究區(qū)分布于河流的上游地段，其面積為610.81km2。土地利用類型主要為耕地、林地、草地、水體，其中耕地面積占總面積的60%左右，草地占27%。土壤類型主要圖1.研究區(qū)、站點位置圖Fig.1Thelocationofstudyregionandstation1.2AnnAGNPS模型AnnAGNPS模型（AnnualizedAgriculturalNon-pointSourcePollutionModel）是由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)研究而成的用于模擬評估流域地表徑流、泥沙侵蝕和氮磷營養(yǎng)鹽流失的連續(xù)型分布式參數(shù)模型[9],與其前期版本AGNPS相比，AnnAGNPS模型的改進之處在于：以日為基礎連續(xù)模擬一個時段內(nèi)每天及累計的徑流、泥沙、養(yǎng)分、農(nóng)藥等輸出結(jié)果，可用于評價流域內(nèi)非點源污染的長期影響；根據(jù)地形水文特征進行流域集水單元的劃分，且模擬的流域尺度更大；與GIS的緊密集成，模型參數(shù)大多可自動提取，模擬結(jié)果的顯示度得以顯著提高[10]。該模型采用SCS-CN徑流曲線方程計算地表徑流量，并按每日的耕作、土壤水分和作物情況，相應地調(diào)整曲線數(shù)。其中前期土壤水分條件由SWRRB和EPIC模型計算，滲漏計算采用了Brooks-Corey方程，流量峰值計算采用了TR-55模型。采用校正的通用土壤流失方程計算地表泥沙侵蝕量。模型逐日計算各集水單元內(nèi)氮、磷和有機碳的營養(yǎng)鹽狀況，包括作物對氮磷的吸收、施肥、殘留的降解和氮磷的遷移等。氮磷和有機物的輸出按可溶態(tài)和顆粒吸附態(tài)分別計算，并采用了一組動力學方程計算平衡濃度。作物對可溶態(tài)營養(yǎng)鹽的吸收計算，則采用了簡單的作物生長階段指數(shù)。采用與CREAMS模型相同的公式計算氮、磷的可溶態(tài)濃度和顆粒態(tài)濃度[9]。1.3參數(shù)率定1.3.1集水單元以流域1:50000地形圖為數(shù)據(jù)源，利用ARCGIS軟件建立數(shù)字高程模型（DEM）。在此基礎上，利用AnnAGNPS-Arcview集成界面，運行地形參數(shù)模塊（TOPAGNPS）自動劃分集水單元（cell），勾劃地表排水溝道（reach），生成集水單元文件AnnAGNPS_cell.dat和溝道參數(shù)文件AnnAGNPS_reach.dat,分別包括各集水單元和溝道的面積、高程、坡度、坡長等參數(shù)。由定義的臨界源面積（thecriticalsourcearea,CSA）和最小初始溝道長度(theminimumchannellength,MSCL)來反映流域下墊面的空間變異性。根據(jù)研究區(qū)地形、土地覆被的差異將小流域劃分為104個集水單元和142條河道。同時，利用該界面將集水單元文件與流域2000年的1:10萬土地利用圖和1:100萬土壤圖分別進行空間疊加運算，確定各集水單元的主要土地利用類型和土壤類型。1.3.CN值是一個反映降雨前流域特征的綜合參數(shù)，與流域前期土壤濕潤狀況（Antecedentmoisturecondition,AMC）、土壤、覆蓋類型及水文狀況密切相關。為了確定和區(qū)分CN值，美國土壤保持局按照不同的土壤滲透性能和產(chǎn)流能力的大小，劃分了4種土壤水文類型：A類（透水）、B類（較透水）、C（較不透水）、D（接近不透水）。根據(jù)大沽河上游的土壤、植被、水文狀況和土地利用類型等，參照CN值的取值條件[11]，確定各土地覆被類型的CN值（表1）。林地和草地的水文條件依據(jù)植被密度來估計，耕地的則依據(jù)作物生長季節(jié)為依據(jù)來調(diào)整。表1研究區(qū)不同土地覆蓋CN值Table1CNvaluesofdifferentland-coversinthestudyregion土地覆蓋類型管理措施水文條件不同水文土壤組CN值ABCD休耕地裸地差76859093好74838890行播作物直行耕作差72818891好67788589等高種植差70798488好64758286小粒作物直行耕作差65768488好63758387等高種植差63748285好60738184林地—差45667783好30557077草地—差49587178好39617480表1表征的是中等含水量（）的CN值，模型依據(jù)土壤水分條件，每日自動調(diào)整各用地類型的CN值。1.采用萊陽站1996－2001年日氣象數(shù)據(jù)（雨量、最高與最低氣溫、露點溫度、云量、風速），依據(jù)氣象文件的格式說明，編譯FORTRAN程序，建立日氣象輸入文件（Dayclim.inp）。降雨量和降雨侵蝕力(R)一般表現(xiàn)為冪函數(shù)關系[12]，利用2000-2001年日降雨量[13]，計算每隔15d的R值，并將其累積以獲得年降雨侵蝕力。土壤數(shù)據(jù)包括空間分布數(shù)據(jù)，物理、化學屬性數(shù)據(jù)。根據(jù)各集水單元的土壤類型，查閱山東省第二次土壤普查結(jié)果，獲得土壤質(zhì)地、分層厚度、容重、總氮及總磷數(shù)據(jù)。將小流域土壤質(zhì)地由卡欽斯基粒級制轉(zhuǎn)換為模型要求的美制[14]，依此間接獲得土壤水文土壤組,凋萎系數(shù)，有效田間持水量、飽和導水率參數(shù)值[15]。土壤氮磷養(yǎng)分分別按照96%，4%，15%，85%的比例轉(zhuǎn)換[16]以獲得有機氮、無機氮、有機磷、無機磷的含量。作物數(shù)據(jù)從3個方面考慮:首先是作物的產(chǎn)量、殘留物、分解等基本參數(shù),其次是發(fā)芽、生長、成熟和衰老4個生長階段的劃分和各階段的N、P吸收率；第三是從作物生長開始后，每隔15d的根系、覆蓋和高度累積值。作物產(chǎn)量通過《2000年青島統(tǒng)計年鑒》獲得，其它參數(shù)主要利用模型提供的作物數(shù)據(jù)庫文件Crop.xls和美國農(nóng)業(yè)手冊703號[17]獲得。由農(nóng)田施肥調(diào)查獲得施肥量、施肥深度、各種養(yǎng)分含量比例。1.4校準與驗證模型的校準是將模擬值與監(jiān)測值進行對照，并在一定的、合理取值范圍內(nèi)不斷調(diào)整輸入?yún)?shù)，使模擬結(jié)果與實測值之間的誤差可以接受。利用來自水文年鑒的2000~2001年張家院水文站（圖1）日流量、月泥沙輸出數(shù)據(jù)，青島市環(huán)保局提供的2000~2001年東丁家、西巨家及張家院水質(zhì)監(jiān)測斷面的日總氮負荷來校準和驗證模型。在典型的河川徑流過程中，流量過程線可以很直觀的區(qū)分為兩部分：基流與地表徑流。因AnnAGNPS模型僅模擬地表徑流部分，在模型校準之前，利用Pettyjohn&Henning[18]編寫的HYSERP程序?qū)⒒鞣指畛鋈ァ?000～2001年日徑流范圍為2.1×104～2.8×106m3/d，其均值為2.39×102m3/d，日均基流量為1.19×102m3/d20002001圖22000-2001年研究區(qū)流量過程線和基流Fig.2.Hydrographandbaseflowforstudyregion為評價模型計算的質(zhì)量，方便模型參數(shù)校正，本文采用兩個指標來表征模型實測值與模擬值的擬合度。1)模擬偏差：（1）式中,V為模型模擬值，V’為實測值，為模擬偏差，值越趨于0，模擬精度越高。2）繪制1:1連線圖和回歸曲線，反映徑流、泥沙及總氮的擬合度，在1:1連線圖上，數(shù)據(jù)點越接近于1:1連線，則擬合度越高。決定系數(shù)R2越大，則表示實則值與模擬值的擬合度越好。研究認為，當R2大于0.8，相對誤差在15%以內(nèi)，模擬結(jié)果理想；R2在0.6～0.8之間，相對誤差在30%以內(nèi)，模擬結(jié)果基本可接受；R2小于0.6，相對誤差大于30%時，模擬結(jié)果不理想[19]。2結(jié)果2.1模擬精度檢驗2.1.1由于地表徑流影響了泥沙和氮磷輸出，泥沙輸出影響顆粒態(tài)氮磷輸出，因此，模型模塊的參數(shù)校正存在先后順序，首先對水文模塊進行校正，其次是對泥沙侵蝕模塊，最后是氮磷營養(yǎng)鹽流失模塊[7]。因缺少日泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)，僅模擬泥沙年均、月均輸出負荷，而水文、營養(yǎng)鹽模擬都是在年、月、日3個層次上完成。SCS的徑流曲線數(shù)CN是影響地表徑流的主要參數(shù)，土壤供水能力對地表徑流量的模擬結(jié)果也產(chǎn)生一定的影響。對比監(jiān)測值和模擬值的差異程度，依據(jù)小流域的地形特征、AnnAGNPS說明書中CN的取值范圍、經(jīng)驗值及其它流域的取值作為參考，反復調(diào)試CN值來校準徑流量。在此基礎上微調(diào)土壤供水能力，使實測值最大程度與模擬值接近。利用SCS徑流曲線數(shù)CN模擬地表徑流量，特大暴雨時模擬值往往遠高于實測值[20-22]。鑒于此，參考各地表覆蓋類型CN值的取值范圍，首先將CN值設為最低值，在此基礎上將CN值升高一定比例，直到得到令人滿意的統(tǒng)計評估結(jié)果。模型對CN值的改變很敏感，且當CN值比原來升高6%時模擬結(jié)果最理想。在水文模擬參數(shù)調(diào)整中，首先實現(xiàn)的是年水量平衡。2000和2001年實測的地表徑流分別為57.6×106m3和21.73×106m3，對應的模擬值各為65.9×106m3和23.15×106m3,模擬偏差分別為12.7%和－7%，模擬結(jié)果較為理想。對于月降雨量小于10mm的枯水期（12－3月），模擬值都為0，模擬偏差高達－100％，說明水文模塊對降雨量反應相當敏感。在平水期和豐水期，除個別月模擬值與實測值存在較大誤差外（2001年10月），模擬偏差都在±表22000-2001月徑流量實測值與模擬值對比Table2Themonthlyrunoffamountsofmeasuredandpredictedforthestudyregion月份20002001實測值模擬值降雨量模擬偏差(%)實測值模擬值降雨量模擬偏差(%)（106（106mm（106（106mm10.1800-1000.2103.4-10020.1300-1000.2700-10030.0600.3-1000.200.5-10040.460.3866.2-170.64026.2-10050.280.27.5-290.510.3963.6-2462.071.7751.7-140.550.423.7-2774.685.66213.3219.0411.14165.623840.2447.42279.4188.8410.19194.91598.096.727.6-170.640.4919.4-23102.042.6679.2300.530.3641.4-32111.171.1443.8-30.240.1817.8-25120.2305.8-1000.04013.8-100合計57.6465.93774.8-41121.7323.15570.3-593校準檢驗圖4研究區(qū)2000-2001年日徑流量實測值與模擬值擬合圖Fig.4Comparisonofsimulatedandobservedsurfacerunofffrom2000to2001instudyregion2.1.2AnnAGNPS模型使用修正的通用土壤流失方程RUSLE計算坡面侵蝕，產(chǎn)沙量主要受RUSLE中的幾個關鍵性因子影響，其中作物經(jīng)營管理因子C最敏感，土壤可侵蝕因子K次之。作物經(jīng)營管理因子C與地表覆蓋度、葉冠覆蓋率關系密切，為本文的主要調(diào)整對象。根據(jù)土地利用性質(zhì)、作物生長狀況、模型中的參數(shù)取值范圍以及文獻中的參數(shù)取值[23]調(diào)整地表覆蓋度和葉冠覆蓋率的大小，來校準模型。在此基礎上，根據(jù)土壤性質(zhì)微調(diào)K值，使泥沙的模型輸出值與實測值最大程度的接近。泥沙作為一種載體，吸附了大量的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)進入水體，水質(zhì)校正首先從泥沙開始。2000～2001年實測泥沙年均輸出量分別為10.99×104t和46.59×103t，對應的模擬值為13.09×104t和53.6×103t，泥沙輸出量分別被高估了19.1％和15%。這主要是模型采用Bagnold方程計算河道輸沙量，沒有考慮水流對河床的摩擦，增大了河床泥沙能量的損失，造成渠道泥沙的有效遷移力遠大于由侵蝕提供的泥沙量，系統(tǒng)地高估泥沙遷移力[24]。2000年和2001年月均泥沙模擬值與實測值的相關系數(shù)分別為0.78和0.73（圖5）。由于缺少數(shù)據(jù)，不能確定日泥沙的模擬精度。因與月泥沙輸出相比，日泥沙估算對輸入?yún)?shù)要求將更加嚴格，且RUSLE適于模擬年均土壤侵蝕，可以預測日均泥沙模擬精度低于月均泥沙輸出。校準檢驗圖52000-2001年泥沙輸出量實測值與模擬值擬合圖Fig.5Comparisonofsimulatedandobservedsedimentfrom2000to2001instudyregion2.1.3對于氮營養(yǎng)鹽的輸出，氮的衰減系數(shù)和河道曼寧系數(shù)比較敏感，化肥施用量、土壤中氮的本底值也對氮的輸出產(chǎn)生一定程度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，將曼寧系數(shù)由模型默認的0.04調(diào)整為0.05，氮的衰減系數(shù)由0.75增加到0.1，模擬結(jié)果最理想。在此基礎上，分別根據(jù)作物生長周期、土壤類型微調(diào)化肥施用量和土壤含氮量，使模擬值與實測值最大程度吻合?；适┯昧亢屯寥篮康c模型的氮營養(yǎng)鹽輸出基本成線性關系，表現(xiàn)出化肥施用量、土壤含氮量較高時，總氮輸出值也較高的特征。2000～2001年東丁家、西巨家及張家院站總氮監(jiān)測值較少。鑒于此，利用張家院站降雨場次總氮監(jiān)測值來校準模型，東丁家、西巨家站的相應數(shù)據(jù)來驗證模型。西巨家、東丁家及張家院年均總氮負荷分別為79.96t,126.01t和137.31t，實測值各為142.43t，195.19t和237.77t，其模擬偏差分別為－43.86%，－35.44%和－49.85％。從以上結(jié)果可以看出，各小流域總氮輸出量明顯被低估，這可能是本文為了避免誤差累積，未將基流中總氮含量分割出去所致。年均總氮輸出的相對誤差大于30%，模擬結(jié)果不理想。張家院、東丁家及西巨家，月均總氮實測值與模擬值的相關系數(shù)分別為0.64，0.68和0.72。與年、月總氮輸出相比，降雨場次總氮模擬精度很差，張家院、東丁家及西巨家實測值與模擬值的相關系數(shù)分別為0.49，0.48和0.55（圖6）。張家院斷面，日總氮模擬偏差變幅很大，為2.88%～244.25%；東丁家小流域出現(xiàn)日總氮含量被高估三倍的情況；相比較而言，西巨家斷面模擬精度稍有提高,模擬偏差在－85.38％～5.35％之間，主要是該小流域匯水面積最小，受外界干擾最少。與徑流與泥沙模擬相比，研究區(qū)總氮模擬輸出表現(xiàn)出很大的不確定性。模型的水文模塊模擬精度較高，對總氮輸出的模擬情況較差。主要是因為在水文部分或者侵蝕部分出現(xiàn)的誤差，會轉(zhuǎn)移并且擴大到營養(yǎng)鹽部分。由于數(shù)據(jù)精度的限制，本文未能嚴格區(qū)分徑流中的氮和泥沙攜帶氮，這可能也是總氮輸出模擬精度較差的原因之一。校準檢驗圖62000-2001年總氮實測值與模擬值擬合圖Fig.6Comparisonofsimulatedandobservedtotalnitrogenfrom2000to2001instudyregion以上結(jié)論與國外學者的研究結(jié)果比較一致。在VirginiaPiedmont流域，AnnAGNPS模型的降雨場次地表徑流，泥沙，總氮輸出實測值與模擬值的相關系數(shù)分別為0.97，0.76和0.4[24]。Hanalei流域的日徑流量實測值與模擬值的相關系數(shù)為0.55，月均徑流相關系數(shù)增為0.9，日均、月均沉積物實測值與模擬值的相關系數(shù)分別為0.5和0.85[22]。2.2敏感度分析本文利用敏感性指數(shù)對輸入?yún)?shù)（徑流曲線數(shù)CN、地表殘茬覆蓋度、葉冠覆蓋率、土壤可侵蝕力K、氮的衰減系數(shù)、河道曼寧系數(shù)）進行敏感性分析，評價模型在參數(shù)輸入發(fā)生變化時的響應過程，識別出對模型結(jié)果影響最為敏感的參數(shù)。（2）式中S為敏感性指數(shù)，I1和I2是輸入?yún)?shù)的最小和最大值；I12為I1和I2的平均值；O1和O2分別為與I1和I2對應的模型輸出，O12為O1和O2的均值。研究發(fā)現(xiàn)影響地表徑流輸出最敏感的參數(shù)為CN值，敏感性指數(shù)S為2.37。對于泥沙輸出，地表殘茬覆蓋度和葉冠覆蓋率最敏感，降雨侵蝕力次之，S值分別為－2.9，－2.4和0.9。地表殘茬覆蓋度、葉冠覆蓋率與泥沙輸出呈負相關關系，即地表殘茬覆蓋度和葉冠覆蓋率越低，泥沙輸出量越大。對于氮磷營養(yǎng)鹽的輸出，最敏感的參數(shù)為氮的衰減系數(shù)和曼寧系數(shù)，S值分別為－0.272和－0.345。3.結(jié)論非點源污染模型AnnAGNPS具有強大的水循環(huán)模擬能力和對水資源綜合管理的支撐能力，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應用。本研究將其應用于受非點源污染嚴重的大沽河流域，分析其在大沽河流域應用的可靠性。研究表明：對地表徑流年均模擬偏差在15%以內(nèi)，月均偏差在±30%以內(nèi)，降雨場次模擬的R2在0.9以上，模型對該區(qū)域地表徑流的模擬較適宜；對泥沙輸出的年均模擬偏差在±20%以內(nèi)，月均R2高于0.7，模擬結(jié)果可接受；總氮模擬年均偏差高達50%，月均和降雨場次總氮負荷的相關系數(shù)分別在0.6和0.5附近波動，模擬結(jié)果表現(xiàn)了很大的不確定性。可見，如何提高模型在研究區(qū)的營養(yǎng)鹽模擬精度將是未來AnnAGNPS的重點研究方向之一。本研究對于AnnAGNPS模型在國內(nèi)的應用和推廣，具有很好的示范性，并為膠州灣入海全流域分布式水文模型的構(gòu)建奠定了基礎。[參考文獻][1]胡雪濤，陳吉寧，張?zhí)熘?非點源污染模型研究[J].環(huán)境科學，2002，23（3）：124－128[2]朱繼業(yè)，竇貽儉.城市水環(huán)境非點源污染總量控制研究與應用[J].環(huán)境科學學報，1999,19(4)：415－420[3]馬蔚純，陳立民，李建忠等.水環(huán)境非點源污染數(shù)學模型研究進展[J].地球科學進展，2003，18(3)：358－366[4]楊愛玲，朱顏明.地表水環(huán)境非點源污染研究[J].環(huán)境科學進展，1998，7（5）：60－66[5]邢可霞，郭懷成，孫延楓等.流域非點源污染模擬研究－以滇池流域為例[J].地理研究，2005，24（4）：549[6]李懷恩，沈晉，劉玉生.流域非點源污染模型的建立與應用實例[J].環(huán)境科學學報，1997，17（2）：141－147[7]黃金良，洪華生，杜鵬飛等.AnnAGNPS模型在九農(nóng)江典型小流域的適用性檢驗[J].環(huán)境科學學報，2005，25(8)：1136[8]賈寧風，段建南，李保國等.基于AnnAGNPS模型的黃土高原小流域土壤侵蝕定量評價[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2006,22(12):23[9]RonaldL，Bingner，F(xiàn)redD，etal.AnnAGNPSTechnicalProcessesDocumentVersion3.2[M].2005[10]洪華生，黃金良，張珞平等.AnnAGNPS模型在九農(nóng)江流域農(nóng)業(yè)非點源污染模擬引用[J].環(huán)境科學2005，4(26)：64[11]UnitedStatesDepartmentofAgriculture,NaturalResourcesConservationServiceandConservationEngineeringDivision.Ur