A Modeling Approach to Water Quality Management of an Agriculturally Dominated Watershed, Kansas, USA

Impairment of water quality is a major concern for streams and rivers in the central USA. Total maximum daily loads (TMDLs) establish a watershed framework and set management targets to alleviate pollution from both point and nonpoint sources. For this study, we have used a hydrologic modeling approach to holistically examine the effect of land use management, urban development, and agricultural practices on sediment and nutrient loadings in an agricultural watershed. Annualized Agricultural Nonpoint Source (AnnAGNPS) simulation indicates that while point source dischargers contribute 8% of total nitrogen (TN) and 24% of total phosphorus (TP) loadings to the Marmaton River, agricultural nonpoint sources are the leading pollution source contributing 55% of TN and 49% of TP loading. Based on TMDL analysis and model simulation, 3% of the watershed area (3,244 ha) needs to be targeted to control TN loading whereas 1% of the total area (1,319 ha) is required for TP reduction management. Managing the TN areas alone can achieve a 57% reduction in the TP load required for the TMDL, whereas managing the targeted TP areas can only provide 30% of the required TN reduction. Areas required both TN and TP management comprise 469 ha. Targeting these areas can achieve approximately 22% of the required TN reduction and 29% of the required TP reduction. Overall, 4,094 ha will require management to achieve water quality goals. This study demonstrates that a modeling approach is needed to effectively address TMDL issues and help identify targeted areas for management.     

浙江省安吉县西苕溪流域非点源污染负荷研究

为探究浙江省安吉县西苕溪流域非点源污染现状,运用污染输出系数法对非点源污染负荷进行估算,并应用地理信息系统（GIS）技术对非点源污染负荷的空间分布特征进行分析。结果表明,2007年浙江省安吉县西苕溪流域非点源污染COD、TN、TP、NH3-N输出总量分别为2236.12t、1007.22t、78.11t、82.90t,分别占西苕溪流域污染物总量的71.91%、70.05%、83.52%、23.64%,其中农村生活污水、农林用地和村镇工业废水是COD的主要污染源,农林用地是TN的主要污染源,农村生活垃圾、畜禽养殖和农林用地是TP的主要污染源,畜禽养殖和村镇工业废水是NH3-N的主要污染源。在空间尺度上,非点源污染负荷主要集中在西苕溪流域中下游地区,COD、TP、NH3-N输出量从上游至下游逐渐增加,但TN输出量相近。     

太湖上游大溪水库流域营养盐输移时空特征分析

大溪水库位于太湖上游地区,是溧阳市的重要饮用水源地之一,近年来流域内湖（库）体水质有下降趋势。基于2008—2009年对入湖主要支流水质营养盐浓度监测数据,实地考察流域内的主要污染源以及耕作制度等因素,并以2009年航空遥感影像解译获得的土地利用数据为基础,结合季节气候变化以及农业活动等环境影响因子,分析流域内营养盐时空分异特征及原因,为改善和治理饮用水源地水质工作提供科学依据和保障。结果表明,大溪水库流域不同支流水质营养盐浓度空间差异显著,表现为临湖东岸的氮磷营养盐浓度普遍高于西岸及上游的洙漕河流域,是大溪水库流域氮磷营养盐主要的源;各流域的TN、DTN、NO3--N浓度逐月变化趋势基本一致,TP、DTP季节间浓度变化趋势不明显。进入大溪水库流域的氮素主要以可溶性氮素为主,TN平均浓度为1.82mg·L^-1;磷素主要以非溶解态磷素的形式输移,TP平均浓度为0.116mg·L^-1;总体水质属于Ⅳ水质。营养盐输移时空差异的原因与各小流域土地利用状况、农业活动及降雨季节变化关系密切。     

考虑降水和地形的京津冀水库流域非点源污染负荷估算

为了研究京津冀地区水库流域非点源污染现状,该文选取京津冀地区17座重要的水源地水库,运用修正的输出系数模型对水库流域非点源总氮(TN,total nitrogen)、总磷(TP,total phosphorus)输出负荷进行估算,结果表明:1)TN与TP负荷量空间分布具有一致性,TN负荷量较大的水库流域,TP负荷量也较大。TN与TP负荷量的平均比值为6.73。2)TN、TP负荷强度具有空间异质性。TN负荷强度为1.04~24.91 t/km~2·a,TP负荷强度为0.11~3.89 t/km~2·a。唐山、秦皇岛地区水库面临着更大的氮磷污染风险。3)不同污染源对TN负荷贡献率的顺序是土地利用农村生活牲畜养殖,对TP负荷贡献率的顺序是农村生活土地利用牲畜养殖。4)运用水库营养状态指数(EI,eutrophication index)对模拟结果进行验证。EI指数分别与TN、TP负荷强度呈显著相关关系(r=0.562,P0.05;r=0.558,P0.05),表明模拟出的TN、TP负荷与实际情况较符合,模型具有应用潜力。     

西笤溪流域不同土地利用类型营养盐输出系数估算

各种土地利用类型营养盐输出系数是建立非点源污染模型的重要参数。以位于太湖地区的西苕溪流域为研究区,利用G IS技术进行子流域划分并选择了11个典型小流域,通过对2004年Spot遥感影像解译获得流域土地利用数据,于2004年分3次监测了各个小流域出口的TN、TP浓度。基于以上数据,定性分析了小流域土地利用结构与营养盐输出关系,表明随着耕地面积比例增大或林地面积比例减小,营养盐输出水平增大;在此分析基础上,建立了小流域不同土地利用类型（耕地、林地）面积比例与TN、TP浓度的定量关系,并进而计算获得西苕溪流域耕地的TN、TP输出系数分别为4.747 3 m g/L,0.089 6 m g/L,林地的TN、TP输出系数分别为0.271 3m g/L,0.007 5 m g/L,为流域尺度的营养盐输出负荷估算提供重要参数。     

三峡库区典型流域水质时空特征及污染防控策略

为了解三峡库区典型小流域不同土地利用类型下水质的变化特征,于2015-2020年对三峡库区长坪小流域开展水质监测,对不同土地利用类型下水体中的总氮（Total Nitrogen,TN）、硝态氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、总磷（Total Phosphorus,TP）、可溶态总磷（Dissolved Total Phosphorus,DTP）和颗粒态总磷（Particulate Phosphorus,PP）浓度的时空变化规律进行研究,识别流域内主要氮磷污染源,从而提出针对性的污染防控策略。结果表明：1）不同土地利用类型氮磷输出浓度从大到小依次为村庄、坡耕地、林地和水库,其TN平均浓度分别为8.29、2.88、1.57和1.43 mg/L,TP平均浓度分别为0.25、0.13、0.09和0.07 mg/L。2）不同土地利用类型的水质在汛期和非汛期存在差异,村庄氮磷输出浓度为非汛期高于汛期,坡耕地、林地和水库则表现为汛期高于非汛期。3）内梅罗综合污染指数评价结果表明林地和水库的污染程度均为清洁水平,坡耕地污染程度为轻污染水平,村庄受散养生猪数量的影响,污染程度从污染水平转变为重污染水平。4）长坪小流域TN和TP年输出负荷总量分别为4 278.59和364.93 kg/a。畜禽养殖源是小流域氮磷最主要的污染源,其TN和TP的输出负荷分别占流域总负荷的45.69%和71.77%。坡耕地的TN和TP单位面积污染负荷分别是村庄的7.58%和1.79%,与村庄相比,坡耕地具有显著的低污染特征,因此,以坡耕地消纳村庄污水和畜禽粪便,可促进流域内粪污的就地消纳,达到多源共治的效果。基于小流域不同土地利用类型的水质特征和生态系统服务功能,将流域划分为林草水源涵养区、村庄污染控制区和坡耕地水土保持区,并进行分区协同防控,促进流域农业面源污染系统高效治理。     

基于SWAT模型的三峡库区大流域不同土地利用情景对非点源污染的影响研究

非点源污染对三峡库区流域的水环境污染起到主导作用。本文将SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型应用于库区大尺度流域的污染模拟研究中,以2005年土地利用现状为基准设定了6种土地利用情景,定量分析了不同土地利用措施对非点源污染的控制效果。首先采用三峡库区流域2002—2008年的水文、水质实测数据对建立的SWAT模型进行率定与验证,径流、泥沙、营养盐的评价指标ENS均达到令人满意的效果,表明SWAT模型应用于三峡库区流域是可行的。不同土地利用情景的非点源影响模拟结果表明,通过退耕还林措施将25°、15°、6°以上的耕地转化为林地可达到较好的非点源污染消减效果,考虑库区地处贫困山区,25°以上耕地退耕还林更为经济、可行;相同区域的草地转化为林地所产生的非点源污染要远远小于转化为耕地而产生的污染物,因此应严格控制自然植被退化为耕地的现象发生,否则会严重加剧库区污染状况;库区扩大林地范围的方案要有计划性、针对性,可在减少坡耕地的基础上进行,该措施能最大限度地减少库区非点源污染。本研究所得结论为政府科学合理的制定三峡库区流域非点源污染控制方案提供了重要科技支撑。     

洞庭湖流域水体污染物变化趋势及风险分析

通过对洞庭湖流域1989,1997,1999年水质监测数据进行分析,结果表明:(1)洞庭湖流域磷污染十分严重而重金属浓度较低,除Cu外,其它重金属多年最高浓度均低于国家II类水质标准;(2)水体污染情况有逐年上升趋势,除TN外,其它各污染物数量的增长速度都非常大;(3)点源污染对洞庭湖流域水污染贡献较大,枯水期各污染物浓度均较丰、平水期高。结合国外研究得到的重金属毒性系数,引入外推法得到TN,TP的毒性危害系数,将之应用到洞庭湖流域水体污染物的风险分析中,得出TP风险仍是对洞庭湖流域的污染风险贡献率最大的污染物,而TN,Zn的污染风险相对较小;君山处的污染风险较大,已对其周边生态系统产生了潜在的生态风险,而流域内其它各监测点的风险值偏低。     

丹江口库区典型小流域面源污染生态阻控系统效果评估

小流域面源生态阻控是控制农业面源的重要手段。选择丹江口库区典型小流域钱家沟为对象,通过小流域出口水质监测,阻控措施进出水监测,以及负荷削减核算,对面源生态阻控系统进行效果评估。结果表明:钱家沟生态阻控系统稳定半年后,小流域出口总氮(TN)、硝态氮(NO_3-N)、铵态氮(NH_3-N)、高锰酸盐指数(COD_(Mn))、总磷(TP)下降比例分别为38%,23%,63%,49%和16%。各阻控措施中,表面流湿地对NH_3-N(54%)、TP(70%)和TSS(78%)去除率较高,生态塘、生态沟渠对TN(36%,39%)、NO_3-N(43%,37%)、COD_(Mn)(63%,56%)去除率较高,小型人工湿地对TN(56%)、NH_3-N(85%)、COD_(Mn)(84%)、TP(57%)和TSS(87%)均具有较高的去除率,生态滤墙主要对TSS(81%)去除率较高。阻控系统对COD_(Mn)、NH_3-N、TN、TP负荷的总体削减率分别为56%,73%,63%和59%。总体来看,小流域面源生态阻控系统能够有效降低主要污染物输出浓度,对面源污染阻控效果较好。     

汉江流域荆门段面源污染负荷时空分布与污染现状评价

[目的]对汉江流域荆门段面源污染负荷时空分布与污染现状进行分析和评价,为汉江水污染的治理提供科学依据。[方法]利用输出系数模型和等标负荷估算法,对汉江流域荆门段的面源污染负荷进行了空间分析和负荷估算,包括总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N),得出了汉江流域荆门段面源污染负荷及其空间分布状况。[结果]在所有污染源中,农村生活、畜禽养殖、降雨、土地利用和城镇径流是5个主要的面源污染源;该地区各市县总氮和总磷污染负荷与COD和氨氮污染负荷的输出量的排序均表现为:钟祥市沙洋县东宝区掇刀区;各类污染源总氮贡献率排序为:农村生活农业用地畜禽养殖降雨非农业用地;各类污染物总磷贡献率排序为:畜禽养殖农村生活农业用地非农业用地降雨。[结论]总体来说,河流富营养化主要是由于农村污染物未经处理排放或处理措施不当引起的。     

不同气候模式对密云水库流域非点源污染负荷的影响

以密云水库流域内4个气象站1961-2000年40 a的气象特征分析结果为基础,采用统计分析和线性回归的方法,预测流域气候变化趋势,采用任意情景设置法设定25种气候情景(5种温度变化和5种降雨变化的组合情景)和3个水文情景年(丰、平、枯水年)。利用HSPF(hydrologic simulation program-fortran)模型模拟密云水库流域不同气候变化情景下径流量和非点源污染物负荷量的变化情况。结果表明:1)增加20%降雨,能增加73.4%的径流量,而减少20%降雨会减少56.3%的径流,而气温变化对径流和水质负荷影响不是很明显;2)总氮和总磷负荷随径流增加而增大,总磷负荷对径流变化更加敏感,降雨增加20%,总氮和总磷负荷分别增加约70.8%和78.3%;而减少20%降雨,会使得总氮和总磷负荷分别减少约55.3%和57.2%;3)从水文年对比来看,潮河流域丰水年径流量是枯水年的3.1倍,总氮、总磷负荷则分别是枯水年的2.9倍、3.5倍,白河流域丰水年径流量是枯水年的4.6倍,总氮、总磷负荷则分别是枯水年的5.6倍、8.5倍,且年内非点源污染负荷主要集中在汛期,高风险区主要分布在怀柔区、延庆县、滦平县以及密云县,需要对其采取对应的措施来控制非点源污染的影响。     

基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算

面源污染是导致环境恶化的主要原因之一,由其所引起的水体富营养化现象,已严重威胁着水环境生态安全。该文以长春市水源地新立城水库汇水区为研究对象,选用输出系数模型对其农业非点源污染负荷进行估算,得到结果如下:1)汇水区内农业非点源污染总氮、总磷负荷量分别为2 822.485、471.123 t/a,且二者空间分布较一致;2)总氮负荷量的贡献率大小顺序为:土地利用畜禽养殖农村人口,总磷的污染负荷贡献率大小为:畜禽养殖土地利用农村人口;3)选取水库2004-2013年水质监测数据计算营养盐输出负荷,与模型估算的输出负荷进行对比,得到模型模拟具有较高精度,系数选取合理可靠,可信度高,可在研究区范围内进行推广,能够为长春市水源地综合整治及水利规划提供了数据支撑及科学依据。     

流域管理模型的参数灵敏度分析——以WARMF在巢湖地区的应用为例

水质模型参数灵敏度分析不仅是模型率定的必要前提,也为水质管理提供参考。WARMF模型是大型流域管理分布式机理模型,选定巢湖流域杭埠-丰乐河子流域为研究区域,通过流域概化将杭埠-丰乐河流域划分为37个汇流区单元、36个河段单元和1个湖泊单元。之后,以杭埠-丰乐河流域4号子流域及其河段为例,采用局部灵敏度分析方法对模型水文、泥沙、水质主要参数进行了灵敏度分析。根据灵敏度分析结果进行调参,可以大大节省模型参数的校核时间,并且提高精度。     

内蒙古自治区呼伦湖水质变化特征及其影响因素

[目的]对内蒙古呼伦湖水质变化特征及其影响因素进行分析,为呼伦湖富营养化机理研究提供理论基础。[方法]采用2012—2014年的水质监测数据,对水体中TN,TP和叶绿素a(Chla)浓度的时空分布进行分析,采用综合营养状态指数法对水质进行富营养化评价,并对影响水质变化的因素进行探讨。[结果]在时间上,Chla,TN,TP浓度均表现为:7,8月9月1月;在空间上,TN的浓度的范围为1.70~2.31mg/L,均值为1.94mg/L。TP的浓度的范围为0.15~0.25mg/L,均值为0.19mg/L。呼伦湖水质已经达到地表水环境质量Ⅳ,Ⅴ类水体标准,是磷限制性湖泊。叶绿素a与总氮表现为:西南、东北两端中部,总磷浓度除一个水质观测点较高外,其他各观测点变化不大。呼伦湖水体夏季已经呈现中度富营养化水平,而冬季和秋季呈轻度富营养化水平。[结论]呼伦湖已经处于富营养化状态,丰富的外源输入为非冰封期呼伦湖发生富营养化提供了一定的物质基础。     

高泉小流域的环境治理

甘肃省定西县关川河流域内的高泉小流域,以“全部降雨就地入渗拦蓄”为指导思想,分区建立了环境治理改造利用技术体系:荒山沟坡运用工程措施与生物措施的综合配置,拦截坡面径流,扩大林草覆盖,改善流域自然环境;坡耕地修建水平梯田,使降水就地拦蓄入渗,改善粮油作物的生产环境;村庄道路以营造小型拦水工程为主,发展“四旁”林果业,改善人们的生活环境。以上三区系统有序治理,使全流域生态环境发生重大改变,收到日益显著的社会效益、生态效益和经济效益。     

南方山丘区水源地土地利用结构对河库水质的影响——以珊溪水库流域为例

[目的]探明珊溪水库流域土地利用结构与河库水质的相关性,为南方山丘区土地开发利用和水源地保护提供依据。[方法]在库区以及河流入库点设置23个监测断面,于2017年7月及2018年1月进行实地取样监测,利用2016年TM影像数据对研究区用地类型进行划分,并通过ArcGIS水文、空间分析功能将整个流域分为8个子流域,分析每个子流域土地利用结构。选取高锰酸盐指数(COD_(Mn))、总氮(TN)、总磷(TP)、溶解氧(DO)4个水质指标分析其时空变化特征,探讨子流域不同坡度下土地利用结构对河库水质的影响。[结果]珊溪水库流域土地以林草地、耕地为主,两者面积比例总和达到80%以上。枯水期河库水质整体优于丰水期。各水质指标与林草地比例呈现负相关,而与耕地、建设用地呈正相关,丰水期土地利用结构与水质相关性相比枯水期更为明显。河库水质与不同坡度土地利用类型的相关性有差异,低坡度带(15°)COD_(Mn)与耕地比例呈显著正相关;中坡度带(15°～25°)TN,TP与林草地比例呈显著负相关,TN与耕地比例呈显著正相关。[结论]库区水体质量良好。在流域尺度上林草地和耕地是影响水体污染物浓度的主要土地利用类型。丰水期耕地是氮磷元素的主要输出源,林草地在一定程度上削减了氮磷元素的入河量,具有一定的正效应。     

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。     

天目湖流域土地利用的动态变化及其景观响应

采用遥感、地理信息系统及景观分析的方法研究了天目湖流域1984年、1995年、2000年、2004年4个时段土地利用/覆盖变化及其景观响应。结果表明:20年来天目湖流域土地利用变化的阶段特征明显,2000~2004年这一时段的土地利用变化最为剧烈,共有14.75%的土地类型发生了变化,年均变化率为3.68%,且近期开发的空间范围广、强度大;各种景观指数对土地利用/土地覆盖变化呈明显的时空响应;迎湖地区景观格局指数的变化最为剧烈,背湖地区较为平缓;入湖河流流域的景观指数空间分异较为明显,下游地区变化较大,而其上游相对较小;土地利用变化剧烈的时段与近几年水质恶化的趋势相呼应。     

天目湖流域土地利用的动态变化及其景观响应

采用遥感、地理信息系统及景观分析的方法研究了天目湖流域1984年、1995年、2000年、2004年4个时段土地利用／覆盖变化及其景观响应。结果表明：20年来天目湖流域土地利用变化的阶段特征明显,2000-2004年这一时段的土地利用变化最为剧烈,共有14．75％的土地类型发生了变化,年均变化率为3．68％,且近期开发的空间范围广、强度大;各种景观指数对土地利用／土地覆盖变化呈明显的时空响应;迎湖地区景观格局指数的变化最为剧烈,背湖地区较为平缓;人湖河流流域的景观指数空间分异较为明显,下游地区变化较大,而其上游相对较小;土地利用变化剧烈的时段与近几年水质恶化的趋势相呼应。     

结合土地利用的城镇化流域土壤养分非函数空间插值

Integrating land use type and other geographic information within spatial interpolation has been proposed as a solution to improve the performance and accuracy of soil nutrient mapping at the regional scale.This study developed a non-algorithm approach,i.e.,applying inverse distance weighting (IDW) and ordinary kriging (OK),to individual land use types rather than to the whole watershed,to determine if this improved the performance in mapping soil total C (TC),total N (TN),and total P (TP) in a 200-km2 urbanizing watershed in Southeast China.Four land use types were identified by visual interpretation as forest land,agricultural land,green land,and urban land.One hundred and fifty soil samples (0 10 cm) were taken according to land use type and patch size.Results showed that the non-algorithm approach,interpolation based on individual land use types,substantially improved the performance of IDW and OK for mapping TC,TN,and TP in the watershed.Root mean square errors were reduced by 3.9％ for TC,10.7％ for TN,and 25.9％ for TP by the application of IDW,while the improvements by OK were slightly lower as 0.9％ for TC,7.7％ for TN,and 18.1％ for TP.Interpolations based on individual land use types visually improved depiction of spatial patterns for TC,TN,and TP in the watershed relative to interpolations by the whole watershed.Substantial improvements might be expected with denser sampling points.We suggest that this non-algorithm approach might provide an alternative to algorithm-based approaches to depict watershed-scale nutrient patterns.