基于SWAT模型的植草河道对非点源污染控制效果的模拟研究

以三峡库区香溪河流域为研究区,基于SWAT模型,通过收集整理香溪河流域2011年DEM、土壤、土地利用数据和1970—2011年的气象数据,在模型得到满意的率定和验证的基础上,模拟分析了流域内农业非点源污染的空间分布特征,评价了植草河道措施对于农业非点源污染的削减效果。模拟结果表明,SWAT模型能够较好地模拟研究区非点源污染,研究区TN和TP污染负荷集中分布在南阳水系,以及古夫、高岚水系的下游区域。全流域TN和TP污染总负荷分别高达1388t和239t。实施植草河道措施之后,TN和TP污染负荷分别降到1120t和157t,共削减了16.7%的TN负荷和34%的TP负荷。因此,从控制效果来看,植草河道能够很好地控制三峡库区香溪河流域的农业非点源污染,尤其是对TP污染控制效果更加明显。     

朱溪小流域土地利用/覆盖变化水文响应分析

定量模拟土地利用/覆盖对流域径流的影响,对于揭示水文循环规律和水土流失治理等具有重要意义。以福建省长汀县朱溪小流域为研究区域,在2011年土地利用/覆盖(S_0)基础上,设置林地S_1、耕地S_2、园地S_3和退耕还林S_4共4种土地利用/覆盖情景。利用SWAT模型,定量模拟朱溪小流域月平均径流在不同土地利用/覆盖情景下的变化情况。研究表明,不同情景下朱溪小流域月平均径流量的变化规律一致,但变化幅度不同,径流量从大到小依次为S_2、S_0、S_3、S_4、S_1。说明在现有土地利用/覆盖条件下,大量开垦耕地将使径流量大幅度增加,增加林地的面积能有效地减少径流量。径流量大小主要由降雨量决定,土地利用/覆盖对其起调节作用。在不改变土地利用/覆盖基本格局的前提下,退耕还林是最为可行的径流量减少方案。     

基于SWAT模型的流域非点源污染模拟——以密云水库北部流域为例

本文利用SWAT(Soil and Water Assessment Tools)模型,在GIS技术和流域数字高程模型的支持下,对北京密云水库北部区域进行了流域非点源污染模拟研究,建立了一套适用于SWAT模型的研究区非点源污染基础信息库;根据2000-2002年的气象、水文、水质等监测数据,对研究区非点源污染负荷的时空变化进行模拟.结果表明,在空间尺度上,白河流域产流(占总流域的47.75%)、产沙(占总流域的53.65%)最大,但潮河水系含沙量(占总流域的62.55%)最大;单位面积氮磷流失量最高区域在潮河水系的东部丘陵区安达木河控制流域,其次为西部山地区的白河水系控制流域, 流失量最低的区域出现在潮河水系中部冲积扇区主河道控制流域.在时间尺度上,8月份流量最大,占雨季总流量的51.48%;而硝态氮和矿物质磷在9月份输出最大, 分别占雨季总输出83.64%和50.55%.不同土地利用类型非点源污染流失负荷不同,不同土地利用类型非点源污染流失负荷不同,耕地负荷贡献最大,其次是农村居民点,林地的污染负荷贡献最小.     

基于SWAT模型的岷江上游流域土地利用变化对径流的影响

定量评估土地利用对水文过程的影响,对水资源规划和管理具有重要意义。本研究的主要目的是定量评估成都岷江流域径流对土地利用变化的响应机制。以成都岷江流域作为研究对象,基于GIS技术构建CMADS驱动下的SWAT模型来展开逐月径流模拟,并结合情景设置法,分别模拟研究区内不同土地利用情景下的径流过程,定量分析不同土地利用变化对流域径流产生的影响。结果表明：（1）林地、草地、耕地是成都岷江河流域的主要土地利用类型,随时间推移,仅有林地呈少量下降,草地面积保持不变,其余土地利用类型均有少量提高,其中建设用地、未利用地的年变化速率最快;（2）构建了适用于成都岷江流域的SWAT模型,率定期和验证期R2和NSE系数均在0.7以上,经过参数率定后的SWAT模型径流模拟效果较好,适用性高;（3）以2020年的土地利用现状为基准年,排除其他干扰因素,采用极端土地利用情景法,结果表明耕地具有增加径流的作用,林地和草地均具有拦截径流的作用,其中林地的截流作用更为明显。本研究可为指导该流域和类似流域的管理决策提供参考。     

SWAT模型非点源污染模拟对空间单元划分的响应

流域空间离散化是SWAT等分布式非点源污染模型的基础,不同的空间单元划分方案会对模型模拟结果产生影响。为合理配置SWAT模型非点源污染模拟中的空间单元划分方案,以太湖地区中田舍流域(42km2)为研究区开展研究:根据汇流累积量阈值和土地利用-土壤-坡度分级面积阈值设计25种子流域(SUB)-空间响应单元(HRU)划分方案,其中以真实河网提取阈值、HRU面积阈值为0%-0%-0%作为基准方案进行日尺度模型率定,并利用该套模型率定参数探讨SWAT非点源污染模拟对空间单元划分的响应。结果表明:模型率定期径流、泥沙、总氮和总磷Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.575,0.671,0.483和0.758,模型可以较好表达流域过程;不同的空间单元划分通过对土地利用类型的筛选以及流域过程相关参数的改变影响污染物模拟结果,且模拟结果对HRU划分的敏感性高于子流域划分。因此,利用SWAT进行非点源污染模拟时,应在保证径流、泥沙模拟精度的基础上,进行尽可能详尽的HRU划分(如土地利用-土壤-坡度分级面积阈值分别为0%-0%-0%或0-5%-5%),以更好体现流域空间异质性,避免过粗的HRU集总带来模拟结果的失真,而子流域划分则选取能体现真实河网的适中阈值以体现子流域空间异质性即可。     

AnnAGNPS和SWAT模型对非点源污染的适用性研究——以中国科学院盐亭紫色土生态试验站为例

为了选取适合于紫色土流域的机理模型。同时为控制紫色土丘陵区的农业非点源污染。以及为三峡库区内非点源污染物输出与控制提供科学依据,本文将2种机理参数模型AnnAGNPS与SWAT运用到不同土地利用方式下的紫色土小流域,对地表径流和非点源污染物的输出模拟进行研究。通过适用性研究发现：2种模型对紫色土流域的径流量模拟效果最为理想,平均误差为-7.5％和2.9％;而模型对流域的泥沙模拟效果均不理想,误差较大;对于养分迁移的模拟,AnnAGNPS模型的模拟效果要好于SWAT模型。平均误差控制在10％左右。因此,AnnAGNPS模型更适合在紫色土典型流域进行模拟运用,可获得可信度较高的模拟结果。     

天目湖流域茶园非点源污染多尺度模拟

为定量评估茶园开发非点源污染产出对流域水环境的影响,本研究利用遥感手段揭示天目湖流域2000—2019年土地利用的时空变化特征,解析土地利用的数量结构和空间格局,并集成SWAT模型与APEX模型构建基于“源-汇”的一系列要素和过程的多尺度集成模拟方法。天目湖流域土地利用变化分析结果显示,规模化开发茶园后,该地呈现水源涵养区茶园集中成片、水库周边茶园向上游持续蔓延的特征。APEX-SWAT集成模型在天目湖流域取得了较好的模拟精度,模拟结果表明：规模化茶园开发后,茶园用地类型对天目湖流域的氮磷负荷贡献持续上升,至2019年,茶园总氮产出贡献超出其他土地利用类型成为第一贡献者,总磷产出仅次于耕地成为第二贡献者,洙漕河流域和平桥河流域成为两大重点氮磷产出的茶园聚集区。针对茶园的施肥削减、过滤带设置和退茶还林3种减污措施的情景模拟结果显示,退茶还林措施的氮磷削减效果最佳,其次为10 m过滤带设置,最后为20%施肥量削减。研究建议根据当地实际情况与经济效益,将水源涵养区高氮磷流失的茶园区转换为林地,并结合过滤带设置与避免雨前施肥等措施,实现丘陵山区茶园开发影响下的水源地水生态保护调控。     

晋江西溪流域土地利用变化对非点源污染影响的SWAT模拟

运用SWAT模型,对晋江西溪流域土地利用变化的非点源污染响应进行了研究.结果表明,土地利用变化造成的非点源总氮、总磷污染总量分别从20世纪70年代的年均1 530 t、266 t,上升为2001年的2 641 t、542 t;单位面积非点源污染最严重的区域越来越集中于流域中部地区;就非点源污染总量而言,除坑仔口溪区的污染总鼍仍较小外,其余4个水系区中的分布趋于均衡;由于耕地减少、园地猛增等原因,非点源污染由20世纪70年代的以耕地产污为主变为2001年的以园地产污为主,园地成为非点源污染重点治理的用地类型.     

基于GIS与SWAT的洱海流域农业非点源污染模拟研究

农业非点源污染是造成我国流域污染的主要原因之一,而数学模型是研究流域污染、水质分析与预测的主要技术手段。在综合分析目前非点源污染模型的优缺点后,选取当前较为先进和完善的分布式水文模型——SWAT模型,借助GIS、RS技术,开展洱海流域农业非点源污染模拟研究,了解洱海流域农业非点源污染状况,为洱海流域的综合治理和规划提供合理的参考和依据。     

基于时间序列的农业非点源污染产出预测研究

选取三江平原蛤蟆通河流域作为研究区,利用SWAT模型农业非点源污染模拟结果,建立了农业非点源污染的季节性ARIMA模型,对未来3年农业非点源污染进行了预测,为非点源污染防治提供一定的理论依据。     

密云水库流域农业非点源污染基本特征分析

通过对密云水库上游流域8个乡镇化学肥料、畜禽粪便、水产养殖等农业非点源污染的调查统计和监测,初步明确了该区域农业非点源污染的基本特征：（1）化肥的不合理使用和坡耕地耕作为该区域农田养分流失的主要原因,区域内农用坡耕地2005年流失氮素19.2 t,流失磷素5.5 t,流失养分的主要来源为施用的化肥;（2）流域内畜禽粪便污染负荷区域间差异明显,部分乡镇畜禽粪便环境污染风险大;（3）流域内水产养殖排放水体水质50%不达标,加剧了下游水体的富营养化.     

水文响应单元划分对SWAT模型总氮模拟效果的影响

为分析水文响应单元(HRU)划定要素的阈值选取对SWAT模型模拟的影响,以东苕溪上游区域为研究对象,对土地利用、土壤类型和坡度三要素设置5%～30%阈值范围,以5%为梯度形成18种方案,以纳什系数(NSE)和均方根差与标准偏差的比值(RSR)为主要评判指标,探究三要素划分阈值对SWAT模型总氮负荷模拟效果的影响。研究结果显示:较为粗放的坡度分级有利于缩小总氮模拟值与实测值的偏差,而土地利用和土壤类型在阈值较小的情况下,总氮模拟的效果较好;各种方案对总氮模拟的结果表明土地利用阈值变化对其影响最大,而耕地面积占比是主要的影响因素,土壤类型阈值的影响相对较小。综合18种方案的总氮模拟结果,土地利用阈值5%、土壤类型阈值5%、坡度分级阈值20%是相对最合适的HRU划分方案。     

近三十年非点源污染研究发展趋势分析

分析近三十年非点源污染研究发展趋势特征,旨在为下一阶段非点源污染研究提供技术参考。从Web of Science核心合集得到1990—2016年所有非点源污染研究文献,然后进行聚焦分析,确定主要文献来源,对比中外学者H指数。通过CiteSpace的关键词共现网络分析和文献共被引网络分析功能,识别了1990—2016年间三个主要阶段的核心关键词(作者关键词与扩展关键词)的变化,梳理了主要的共被引参考文献,得到非点源污染研究领域发展趋势和知识基础特征。国外和国内非点源污染的最早文献分别在1975年和1992年,1990年后全球范围内非点源相关研究快速发展,中国学者的研究在2005年后发展迅速。中外学者的H指数差距有减小趋势,中国学者在全球非点源污染研究领域的相对影响力不断提升。关键词分布中"流域"与"管理"逐渐凸显,"SWAT(Soil and Water Assessment Tool)"、"中国"、"气候变化"词频进入前30位。研究内容方面,非点源污染研究从点位尺度的观测过渡到流域尺度水质变化、氮磷污染输出规律、模型应用,基于GIS(Geographic information system)空间分析的水文模型在流域尺度的模拟、优化和运用,是非点源污染控制与评估的基础。随着研究的深入,流域尺度的精细管理、非点源污染模型开发与耦合、气候变化效应近期受到更多关注。对1990—2016年间高被引文献特征进行梳理分析可知,高被引文献涉及主题广泛,其中中国学者也有明显贡献,表明中国学者逐步成为非点源污染研究的主力。     

SWAT模型在新蔡河流域面源污染研究中的应用

[目的]应用SWAT模型对新蔡河流域的径流、泥沙及面源污染负荷的产输出过程进行模拟计算。[方法]首先介绍了SWAT模型的原理,然后对模型径流参数和水质参数进行率定和验证,最后利用SWAT模型研究新蔡河流域的泥沙及面源污染负荷的产输出特性。[结果]SWAT模型基本合理可行,可用于新蔡河流域面源污染的模拟计算。模拟结果表明,丰水年泥沙和各种面源污染物负荷都比较大,平水年次之,枯水年最小,这说明泥沙和面源污染的产输出与当年的降雨径流量有关。[结论]该研究为流域面源污染的防治提供了科学依据。     

北运河下游不同土地利用非点源污染负荷估算

选取我国北方地区以圩区为主要形式的北运河下游农业灌溉区——天津武清区和北辰区作为研究对象,针对不同土地利用类型进行降雨径流污染物浓度监测,采用美国土壤通用流失方程(USLE)、降雨径流模型(SCS-CN)、综合径流系数法等,结合GIS技术,分别估算了透水地面和不透水地面的氮磷负荷量。结果表明,非点源污染总氮、总磷的年负荷量分别为2865.04t.a-1和101.22t.a-1,不透水地面所产生的TN、TP负荷量分别占研究区污染负荷总量的81%和67%,透水地面所产生的TN、TP负荷量分别占研究区污染负荷总量的19%和33%(且污染物形态以溶解态为主,分别达到了81%和74%)。对于不同土地利用类型,总氮流失主要来源于村庄(贡献率为49%)、城镇(贡献率为17%)和耕地(贡献率为16%),而总磷主要来源于村庄(贡献率为31%)、耕地(贡献率为23%)和城镇(贡献率为19%)。从产污强度来看,城镇用地是最高的,是其他土地利用类型的10倍以上。     

分布式水土流失型面源污染模型初探

为研究丘陵山区水土流失与面源污染协同过程机理对丘陵山区环境改善的作用,本研究研发出一种分布式水土流失型面源污染模型,该模型通过耦合多个水土流失型面源污染关键过程模块,从源、流、汇等角度精准刻画水土流失型面源污染过程机理;进而开发了基于优化算法的汇流模块,解决了分布式模型运算效率低等技术问题。本研究利用新模型评价了三峡库区菁林溪流域水土流失型面源污染时空演变规律,并模拟了退耕还林、化肥减量、坡改梯和滨岸缓冲带对水土流失型面源污染的防治效果。结果表明：菁林溪流域年均泥沙、吸附态磷、溶解态磷的负荷量分别为17.23 t·hm^-2、1.22 kg·hm^-2和0.56 kg·hm^-2,入河量分别为9 032.2 t·a^-1、601.3 kg·a^-1和541.7 kg·a^-1,分别占负荷量的54.32%、50.87%和72.99%。不同土地利用类型的吸附态磷负荷强度为坡耕地>林地>水田,溶解态磷负荷强度为坡耕地>水田>林地,表明水土流失型面源污染优先控制区与传统农业面源有所差异。同时,滨岸缓冲带的防控效果最好,可减少25.01%的泥沙量和26.22%的吸附态磷。本模型较好地模拟了水土流失型面源污染及防控措施效果,可为水土流失型面源污染过程机理精准解析和优化防控提供依据。     

资江尾闾集水区景观格局与非点源污染过程关系研究

为识别资江尾闾集水区非点源污染的关键源区并探究非点源污染过程与景观格局之间的关系,利用SWAT模型模拟非点源污染总氮、总磷的时空输出特征,选取景观格局指数定量描述景观格局特征,通过冗余分析(RDA)方法分别从景观、类型两个层次分析子流域尺度上非点源污染过程与景观格局的关系。结果表明:在率定期与验证期径流量、总氮、总磷的R2与ENS均大于0.66,表明SWAT模型在研究区的适用性较好;总氮、总磷的关键源区空间分布上不完全一致,在非点源污染输出的关键时期,关键源区分别贡献了研究区非点源总污染的31.64%、43.73%。景观格局与非点源污染过程的联系密切,景观水平上,流域内景观越破碎、景观类型越复杂、人类活动对其影响越大,非点源污染负荷输出值越高;类型水平上,聚集度指数(AI)、最大斑块指数(LPI)、斑块平均面积(AREA-MN)、斑块边缘密度(ED)是对"源""汇"景观具有显著影响的共性指标,其中"源"景观破碎度越大、斑块面积越大、聚集度越高越会加剧非点源污染负荷的输出,而破碎度小、景观形状复杂、斑块连通度高的"汇"景观则有利于阻截非点源污染物。研究表明,非点源污染过程与"源""汇"景观格局存在明显的内在联系,合理布设"源""汇"景观可以降低非点源污染风险,从土地利用角度为非点源污染防治提供了借鉴。     

川中丘陵区不同坡地利用方式的土壤肥力特征

[目的]为了探讨紫色土坡地典型利用方式(旱地、柑橘园、林地)对土壤肥力的影响特征。[方法]采用野外调查、取样和室内实验分析相结合的方法,对乐至县童家小流域的土壤理化性状进行了对比分析。[结果]林地受人为扰动少,土壤肥力高;柑橘园、旱地受人类耕作活动影响大,因经济产出效益不同,农户对土地的劳力与经济投入不同,使得柑橘园土壤肥力高于旱地土壤。[结论]不同坡地利用方式对土壤肥力具有较明显的影响。     

基于Markov的山西岔口小流域土地利用变化预测

为了探究验证土地利用覆被变化是山西岔口小流域水土流失的主要风险源,以流域2008和2010两年的矢量化土地利用现状图为数据,提取分析土地覆被变化数据构建马尔科夫模型,利用转移概率矩阵对流域2020年的土地利用覆被变化做出了预测。结果表明,按照目前趋势发展,坡耕地和裸地面积会不断减少,到2020年分别减少至1348.81hm2和763.54hm2;乔木林和梯田的面积则会逐步增加到3985.74hm2和1339.65hm2。耕地改良和退耕还林还草工程将取得实质性成果,流域生态将得到逐步恢复,水土流失将有效减少。