基于SWAT模型的渭河咸阳-西安段非点源污染削减措施研究

【目的】针对渭河流域咸阳-西安段的非点源污染状况,模拟分析不同管理措施下非点源污染负荷的削减效果,为渭河流域的非点源污染控制与治理提供科学依据。【方法】构建渭河流域咸阳-西安段的非点源污染SWAT模型,利用2008-2016年逐月径流、水质及CMADS气象数据集等资料,对SWAT模型进行率定及验证,分析研究区内非点源污染特征;针对2016年研究区内非点源污染状况,设定4种管理措施,模拟验证不同管理措施在渭河流域咸阳-西安段对非点源污染负荷的削减效果。【结果】构建了渭河流域咸阳-西安段的非点源污染SWAT模型,该模型对研究区域具有较好的适用性和可靠性;2016年研究区域非点源总氮(TN)和总磷(TP)负荷的入河量分别为7 654.0和626.5 t,主要集中在蓝田县、长安区、临潼区、鄠邑区、旬邑县以及彬县部分子流域;通过实施化肥减量、集中设置沼气池和加强水土保持等3项措施,可分别削减7.57%～29.11%、0.54%～32.85%和0.4%～23.12%的非点源TN负荷以及2.59%～15.99%、0.45%～28.65%和0%～39.79%的非点源TP负荷;将上述3种管理措施整合在一起的综合管理措施的削减效果较单一措施明显提高,其可削减9.98%～50.68%的非点源TN负荷和5.25%～52.84%的非点源TP负荷。【结论】渭河流域咸阳-西安段非点源污染的重点控制时段在汛期(6-10月),重点控制区域是蓝田县、长安区、临潼区、鄠邑区、旬邑县以及彬县部分子流域;加强水土保持和化肥减量是有效控制该研究区域非点源污染的重要措施。     

不同覆沙方式下的坡面侵蚀产沙特性研究

文中利用室内模拟降雨技术,通过不同覆沙方式和不同降雨强度的组合试验,对坡面侵蚀产沙特性进行了研究。得到结果：坡面初始产流时间基本随雨强的增大而提前。坡面覆沙后侵蚀量增多,且侵蚀量随雨强的增大而增大,半覆沙坡面的产沙量是全覆沙坡面的1.06～2.48倍。0.5、1.0mm/min雨强时半覆沙坡面产沙高于无覆沙坡面,1.5mm/min雨强时低于无覆沙坡面,而半覆沙坡面产沙则均高于全覆沙坡面。全覆沙破面含沙量受雨强影响较小,减沙效果较稳定。试验结果表明,坡面覆沙可以有效延迟初始产流时间;坡面覆沙后侵蚀程度增强,且随降雨强度的增大而增大,半覆沙坡面侵蚀程度高于全覆沙坡面;无覆沙坡面受降雨强度影响较大。文中为研究风水复合侵蚀提供了数据支撑,以期为揭示黄土坡面侵蚀发生机理和水土流失规律提供一些参考。     

灌溉和生草对猕猴桃园土壤质量的影响

为探明灌溉和生草对猕猴桃园土壤质量的影响,于2016—2017年在陕西省眉县猕猴桃园试验地分别布设地面灌溉+除草(Ⅰ)、地面灌溉+自然生草(Ⅱ)、滴灌+除草(Ⅲ)和滴灌+自然生草(Ⅳ)4种处理,对试验地0～50 cm土层的土壤机械组成、物理和化学性质进行了统计分析,并利用土壤质量综合指数对土壤质量进行了评价,结果表明:与其他处理相比,Ⅲ处理使0～30 cm土层土壤容重和砂粒质量分数分别降低了0.02～0.24g·cm~(-3)和0.36%～5.25%,使土壤孔隙度、田间持水量、黏粒质量分数和土壤粒径分形维数分别增大了0.17%～7.17%、0.59%～2.53%、0.99%～7.15%和0.01～0.13;Ⅳ处理在0～30 cm土层中的速效磷和碱解氮与Ⅰ、Ⅱ处理无差异,显著高于Ⅲ处理10.75～109.55 mg·kg~(-1)和20.74～78.91 mg·kg~(-1)(P0.05),可使0～50 cm土层的速效钾、速效磷和碱解氮分别达到猕猴桃施肥标准的丰富、中等及中等水平;与其他处理相比,Ⅳ处理可使0～50 cm土层土壤黏粒质量分数增加了1.21%～2.66%,土壤粉粒质量分数减少了0.81%～1.41%,使土壤分形维数显著增加(P0.05),土壤质量综合指数最大,达0.619。因此,滴灌+自然生草(Ⅳ)的管理方式是猕猴桃园土地可持续性利用的有效措施。     

羧甲基纤维素钠对土壤团粒结构及水分运动特性的影响

土壤改良剂的应用研究对改善土壤环境,促进作物生长有着重要意义。该文通过向土壤中添加不同质量的羧甲基纤维素钠(sodium carboxyl methyl cellulose,简称CMC),研究了不同含量的CMC对土壤团粒结构及水分运动的影响。结果表明:随着CMC含量的增大,土壤水稳性团聚体含量增大,土壤分形维数减小,土壤黏粒和粉粒比例减少,砂粒比例增多,黏粒和粉粒均与土壤分形维数呈正相关关系,砂粒与分形维数呈负相关关系,黏粒含量对土壤分形维数影响最为显著,土壤中0.1 mm的颗粒含量减少,而≥0.1 mm的颗粒含量均有不同程度的增加;随CMC含量的增大,土壤的入渗能力减弱,稳定入渗率显著减小,Philip公式中吸渗率减小,Kostiakov公式中的经验系数减小,经验指数增大;随着CMC含量的增大,土壤的持水能力增强,van Genuchten公式中土壤滞留含水率、饱和含水率及与进气值相关的系数均有所增大,形状系数逐渐减小。该研究对可为CMC的田间土壤改良应用提供理论依据。     

添加γ-聚谷氨酸减少土壤水分深层渗漏提高持水能力

γ-聚谷氨酸(Poly-γ-glutamic acid,γ-PGA)是一种高分子聚合物,具有超强的吸水能力和生物降解性。为探明γ-PGA在土壤改良方面的应用及对土壤水分运动的影响,该文基于室内垂直一维入渗土柱试验,研究了不同γ-PGA施量配比(0、0.5%、1%、2%、4%)对土壤水分入渗及持水特性的影响。结果表明:与对照组相比,添加4%的γ-PGA的累积入渗量、入渗率和湿润锋分别减少了57.95%、53.89%、59.58%;四种入渗模型参数的模拟结果显示,与对照组相比,随着γ-PGA施量的增加,Kostiakov公式中的经验系数从0.808减小到0.538,经验指数从0.530增大到0.623;Philip入渗公式中的吸渗率从0.704减小到0.292;Green-Ampt公式中,饱和导水率从0.0043减小到0.0011 cm/min,湿润区有效的土壤水扩散率从1.19减小到0.16 cm~2/min,湿润锋处的土壤水吸力无明显变化;垂直一维入渗代数模型中,饱和导水率从0.0044减小到0.001 cm/min,非饱和土壤吸力分配系数和土壤水分特征曲线和非饱和导水率综合形状系数均无明显变化趋势。土壤的持水特性结果表明:随着γ-PGA施量的增加,土壤饱和含水率增加,且与对照相比,表层土壤(0~10 cm土层)的含水率呈显著增加趋势,深层土壤(≥10~40 cm土层)的含水率则呈减小趋势。同时,湿润土层的厚度逐渐减小,说明γ-PGA不仅可增强土壤的持水能力,而且还可改变土壤剖面水分的分布形态,使更多水分蓄积在作物根区土层区域。该研究为γ-PGA的田间土壤改良及应用提供了理论支撑。     

不同类型水库对库区及河道水温的影响

水库运行方式是引起河流水文情势和水体热量变化的人为可控因素。选取两个不同类型的调节型水库,通过对比它们的水温实测资料和水温模型模拟结果,分析了不同类型水库对水温的影响特征。研究表明,对多年调节水库而言,在枯水年高水位时,汛期库区垂向水温呈稳定的3层分布,底层水温变幅较小,受水库调节,下泄水体水温过程相比天然河道坦化作用明显,彻底改变了天然水温季节性高低分明的正弦分布规律;在平水年低水位时,非汛期水库垂向水温分布为混合型分布,汛期为两分层分布,底部没有恒温层,下泄水体对河道水温影响较小;丰水年中水位运行对水温的影响介于前两者之间;对于年调节水库而言,在丰水年和平水年对水温的影响基本一致,而在枯水年升温期下泄水体升温与前两者相比明显滞后。因此,应关注不同类型水库运行方式对水温的影响差异,通过设置合理的水库运行方式可以避免对下泄低温水的负面影响。     

侵蚀作用对黄土丘陵沟壑区有机碳迁移-沉积的影响

土壤有机碳(SOC)作为陆地碳库的重要组成部分,不仅对土壤肥力产生重要影响,而且在一定程度上影响着全球变暖趋势,为了深入探究土壤侵蚀与有机碳的关系,利用137 Cs核示踪法,以黄土丘陵沟壑区典型流域王茂沟坡耕地、林地、草地和梯田四种土地利用为研究对象,分析了不同坡面下土壤侵蚀对SOC迁移和沉积的影响规律。结果表明:与该流域137 Cs面积浓度背景值相比(1237 Bq/m²),坡耕地平均137 Cs面积浓度最小,平均137 Cs流失率最大,达到95.86%。根据侵蚀速率,四种坡面景观侵蚀速率大小依次为:坡耕地>草地>林地>梯田。根据土壤有机碳空间分布特征发现,除坡耕地外,林地、草地和梯田土壤沉积与土壤侵蚀同时发生,并且土壤137 Cs面积浓度与有机碳面积浓度呈现显著相关关系(p<0.05)。研究结果表明采用137 Cs核示踪法可以较为科学的解释该区域土壤侵蚀作用对坡面有机碳迁移-沉积的影响规律。     

近50年博斯腾湖水位变化特征分析

以干旱区博斯腾湖为研究对象,依据博斯腾湖1956—2012年期间的水位监测数据,采用小波分析及MannKendall(M-K)趋势检验等统计学方法,揭示了近50a博斯腾湖水位变化趋势及规律。结果显示:博斯腾湖1956—2012年水位变化分为3个阶段下降(1956—1987年)—上升(1988—2002年)—下降(2003—2012年),其中1956—1987年水位下降了3.39m;1988—2002年上升了3.7m;2003—2012年再次下降了3.21m。水位总体上呈现出显著的下降趋势,且通过了α=0.05时的显著性检验。就其周期性变化规律而言,博斯腾湖水位存在18a的主周期,而38a的周期由于水位资料序列有限难以确定,需要更长的资料序列进行分析验证。     

渭河关中段水环境安全评价

为了对河流的水环境安全进行评价,评价出沿河城市对河流水环境安全的影响情况,以渭河关中段即渭河所流经宝鸡、咸阳、西安和渭南4个城市段为例,选取2000 ～ 2013年各市与水环境安全有关的14个指标为研究对象,基于压力-状态-响应模型(PSR模型),利用综合指数评价法,计算4城市段水环境综合安全指数及影响水环境安全程度的权重值,并以此评价渭河关中段的水环境安全,找到影响水环境安全的主要因素.结果表明,2000～ 2013年间渭河关中段的水环境安全状态基本在"较差"和"良好"两个安全等级间波动;2011年之后关中段水质呈逐步上升趋势;适当增加人均绿地面积、适当减少化肥的施用将有利于渭河关中段水环境的改善.     

改进RVA法在河流水文情势评价中的应用

【目的】研究改进变化范围法(Range of Variability Approach,RVA)中各水文指标对生态环境的响应程度,以有效避免RVA在评价河流整体水文情势时容易忽略低度、中度改变指标的不足,为河流生态系统的管理决策提供参考。【方法】基于改进的RVA算法充分考虑了5类33个水文指标与生态系统之间的响应程度,并将层次分析法(主观赋权法)与熵权法(客观赋权法)相结合赋予各指标生态权重,集结并累加各指标综合生态权重与单个水文指标改变度,综合评价河流水文情势的整体改变度。以渭河关中段为例,依据林家村、咸阳、华县水文站1960-2010年的日径流资料,借助Mann-Kendall非参数检验方法诊断径流序列突变点,采用RVA法计算单个水文指标的改变度,利用改进的RVA法对渭河关中段水文情势的整体改变度进行评价。【结果】利用未改进的RVA方法计算得到渭河关中段林家村、咸阳、华县控制断面的整体改变度分别为75%,69%,67%,均属于高度改变;而用改进RVA算法计算得到的林家村、咸阳控制断面的整体改变度分别为51%,40%,属于中度改变,华县控制断面的整体改变度为29%,属于低度改变。对比两种不同评价结果并进行合理性分析可知,基于改进RVA方法的评价结果更加贴近河道所提供的整体信息和指标改变度的分布特征,符合客观实际。【结论】通过赋予各水文指标生态权重,综合考虑各水文指标与生态系统之间的响应程度,能有效融合33个水文指标在评价河流整体改变度时的内涵,研究成果更加客观且符合实际。