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SWAT模型的石汶河流域农业非点源氮污染时空分布特征研究

农业非点源污染是影响水资源质量的重要原因之一。基于SWAT模型,结合野外实地调查,选取总氮作为污染物指标,构建了黄前水库上游石汶河流域农业非点源污染基础数据库,并根据实测值对模型参数进行了率定和验证,在确定模型适用性的基础上分析了流域内农业非点源污染负荷的时空分布特征,并基于对山区实施的退耕还林还草措施,采用3种退耕情景对黄前水库上游石汶河流域的农业非点源污染进行了情景模拟计算。结果表明:①经过参数率定后的SWAT模型对研究区径流和总氮的模拟效果较好;②典型农业非点源污染物负荷在时间分布上多集中在雨季4—9月份,流域汛期集中了全年80%以上的污染负荷,在空间分布上表现出明显的区域性,流域中上游产生的负荷较小,下游较大,靠近流域主河道区域的污染负荷高于远离主河道区域;③3种退耕情景均可消减农业非点源污染物(以氮的输出为标准)的输出总量,最高可消减近50%,因此在流域内实施一定强度的退耕还林措施可有效降低典型农业非点源污染物的输出量。     

基于输出系数模型的红枫湖保护区非点源污染负荷研究

[目的]探究红枫湖保护区非点源污染及其与水质的关系,了解红枫湖非点源污染负荷现状,为红枫湖保护区非点源污染的防控提供科学依据。[方法]通过改进的输出系数模型(IECM)研究红枫湖总氮(TN)和总磷(TP)污染负荷。[结果] 2016年TN,TP的非点源污染排放量为863.78和77.14 t,用经验系数计算的非点源污染排放量TN为701.19 t,TP为232.99 t,改进的输出系数模型加入了地形影响因子,具有更高的准确性。2016年非点源排放的TN,TP占总污染负荷的73.54%和82.54%,相较于2008年非点源污染负荷TN,TP占比分别增加了27.03%和19.69%,但水质总体为Ⅱ类。[结论]目前非点源污染是红枫湖的主要污染源,但对水质的影响较小。     

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。     

丹江口库区典型小流域农业非点源污染物输出特征

非点源污染是影响水源地水质的重要原因。研究以丹江口库区五龙池小流域为研究区,基于2014年相关数据,利用输出系数模型,借助地理信息技术,对该小流域农业非点源污染进行模拟,分析流域非点源污染的空间分布特征,解析其主要污染源,以深入理解丹江口水源地农业小流域的非点源输出特征。研究表明,2014年流域内农业非点源总氮污染负荷为5.674 t,流域内平均负荷强度为2.96 t km-2;农业非点源总氮负荷总量主要分布在耕地和居民地,农业用地是主要污染源,贡献率为47.9;人畜粪便农业非点源总氮负荷强度为39.2 t km-2,是流域平均负荷强度的13倍;缓坡区具有较高的非点源输出风险;改变粗放的农业管理模式,合理处理畜禽排泄物和农村生活污水是流域非点源治理的有效措施。     

红枫湖流域非点源污染控制区划

非点源污染发生的广域性、分散性、随机性等特征使得对其进行效管控难度较大。以非点源污染关键源区识别为基础,对流域进行分区管控是实现非点源污染控制的有效途径。基于源头削减和过程管控协同管理的思路,将GIS技术、ArcSWAT模型、非参数检验和因子分析技术相结合,以农耕养殖程度较高的贵州红枫湖上游羊昌河流域为研究区,通过对流域近5 a非点源污染负荷特征进行模拟,识别影响非点源污染流失的关键因素,在此基础进行污染控制区划。结果表明：1）总氮和总磷负荷高风险区主要集中于地势较高且农业耕作活动频繁区域,刘官乡、黄腊乡、旧州镇及白云镇是非点源污染控制的重点乡镇;2）采用多因素方差分析7种不同因素对流域非点源污染负荷的影响程度表明,施肥量是影响总氮、总磷输出的最主要的因子,坡长、坡度及土地利用方式是次重要因子。针对羊昌河流域长期传统耕作以及化肥过量施用的现实特征来看,土壤有机磷的含量也会对总磷的输出产生一定的影响;3）羊昌河流域可划分为3个污染控制区,第1类：生态农业综合整治区（以近河道耕种区为主,面积254.4 km2）;第2类：污染治理区（农村生活及畜禽养殖区为主,面积405.74 km2）;第3类：生态修复区（高坡度强降雨区为主,面积464.47 km2）。研究结果可有效提升羊昌河流域非点源污染治理的效率,为水源地环境保护提供参考。     

土地利用和农业管理对丹江流域非点源氮污染的影响

为研究土地利用和农业管理对流域非点源氮污染的影响,选择南水北调中线的重要水源地丹江流域作为研究区,应用SWAT模型模拟了流域地表水硝酸盐氮和氨氮负荷,揭示了土地利用变化和不同施肥灌溉措施对氮污染负荷的贡献。结果表明:(1)流域内全年氮污染分布不均,硝酸盐氮和氨氮污染较为严重的时段集中在每年7—9月,输出量分别为734.32,735.36 t,占全年硝酸盐氮和氨氮输出量的50%以上;(2)硝酸盐氮和氨氮的输出量具有较大的空间差异,自上游至下游逐渐加重,污染较为严重的子流域主要集中在丹凤县和商南县;(3)通过设置情景模拟,当坡度大于15°和25°的耕地退耕还林时,流域硝酸盐氮负荷分别减少59.83%和45.89%,氨氮负荷分别减少48.91%和35.78%。当流域内施肥量和灌溉量分别降低20%时,流域硝酸盐氮负荷分别减少3.63%和13.26%,氨氮负荷分别减少0.12%和15.65%;(4)耕地是流域氮污染的主要来源,降低流域施肥灌溉量和陡坡地退耕还林是控制流域非点源氮污染的关键。     

川中紫色土区旱坡地非点源氮输出特征与污染负荷

通过在中国科学院盐亭农业生态站进行定位监测研究,探讨了川中紫色土区旱坡地氮素的农业非点源输出规律。研究表明:紫色土早坡地非点源氮输出以无机氮和颗粒态为主,全氮输出量不高。川中丘陵农田生态系统的旱地径流中,颗粒态氮占比例最大,达到35%,硝态氮和氨态氮的输出水平相反,各径流场的NH4 -N浓度略高于NO3--N的浓度。旱地径流全年总氮污染输出为0.95 kg/(hm2.a),全年通过径流输出的氮素占化肥施用量的0.56%。旱地地表径流中总氮平均浓度顺坡种植>平板种植>聚土垄作。小流域非点源氮污染负荷的季节变化与流域降水的季节变化基本一致,非点源氮污染约从6月开始上升,一直持续到10月,集中在降雨丰富的时段。夏季2个月(7~8月)是非点源污染的高发季节,非点源氮污染负荷的绝大部分发生于该时期,这与年雨量的60%集中于该季节而降水多以暴雨形式出现有关。通过土地利用类型的优化配置,合理采用水土保持耕作法,控制施肥量和适宜的农田耕作方式,可减少地表径流和地下淋洗中氮的含量,减轻农业非点源物质对环境的压力,保护农业生态环境。     

松花江流域非点源氮磷负荷及其差异特征

为了研究松花江流域非点源氮磷污染负荷和差异,为水环境管理提供参考,该文运用数字高程模型（DEM）、2008年县级统计年鉴和土地利用等数据,基于遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术,利用输出系数模型（ECM）,对松花江流域非点源污染进行了空间模拟和负荷估算,并对流域内非点源污染差异特征进行了分析。结果表明,2008年松花江流域的总氮（TN）负荷为112.99×104 t,总磷（TP）负荷为4.05×104 t。其中,嫩江子流域TN和TP负荷最高,分别为52.08×104 t和1.79×104 t,分别占总量的46.09%和44.14%;第二松花江流域TN和TP负荷强度最高,TN负荷强度2.96 t/(km2·a),TP负荷强度 0.11 t/(km2·a)。从非点源成因角度分析,人为原因产生的非点源TN和TP负荷分别为95.92×104 t和3.40×104 t,分别占总量的83.90%和83.94%。人为原因是松花江流域非点源TN和TP产生的关键,天然原因也不容忽视。研究结果为总体上了解松花江流域非点源污染和水环境管理提供参考。     

古蔺河流域古蔺县段农业非点源污染综合评价

为了能准确估算古蔺河流域古蔺县境内农业非点源污染的输出负荷,确定出农田地表径流、畜禽养殖和农村居民生活污染中TN,TP输出量对水环境不同程度的影响。基于输出系数法,对研究区内三种污染源和两种污染物进行农业非点源污染综合评价,得到以下结果:研究区内农业非点源污染的输出总量为4 051.14t/a。其中TN负荷量为3 738.50t/a,TP为312.64t/a。从污染源角度分析,农田地表径流、畜禽养殖和农村居民生活三种污染源的总等标污染负荷比分别为16.57%,37.97%,45.45%。从污染物角度分析,TN,TP两种污染物的总等标污染负荷比分别为70.51%和29.49%。结果表明,农村居民生活和畜禽养殖污染是研究区内最主要的污染源,TN负荷量远大于TP为主要污染物,根据研究区的水污染情况,有针对性地提出农业非点源污染的防控措施。     

基于SWAT模型的小流域非点源氮磷迁移规律研究

非点源污染是影响农业水土环境的重要因素。在GIS平台的支持下,运用SWAT模型,以长江下游岔河小流域为研究对象,分析了氮磷流失时空分布规律,并模拟不同灌溉方式下非点源氮磷流失变化。结果表明:率定后的模型适用于小流域非点源污染的模拟;降雨量与径流及有机氮磷流失具有明显的相关关系,汛期(6-9月)的径流量占全年径流量的56.40%,有机氮磷流失量分别占到64.89%和59.70%;在空间尺度上,有机氮与有机磷负荷空间分布相似,呈现出随地表径流向岔河主河道逐渐汇聚的分布特征,大豆和水稻田是非点源污染的主要贡献地区;通过情景模拟发现,不同灌溉方式对小流域氮磷流失影响显著,对水稻田实行优化灌溉,采取浅灌高蓄的控制方法,可以有效改善小流域农业水土环境。     

三峡库区典型小流域非点源氮磷污染的来源与负荷

选择三峡库区典型小流域——忠县石宝镇石盘丘小流域,通过对其2007—2009年主要土地利用类型降雨径流中氮磷流失形态与含量进行连续监测,研究三峡库区非点源氮磷污染的来源与负荷。结果表明,三峡库区非点源氮磷污染的来源主要是居民点、柑橘果园和坡耕地,三者累计贡献了76%以上的小流域氮磷污染负荷,因此非点源污染控制的关键是拦截居民点、柑橘果园和坡耕地的暴雨径流。水稻田作为三峡库区主要的农耕地,对径流、泥沙和养分具有显著的截留和净化作用,对来自居民点的氮磷去除效率都在56%~98%之间,因此水稻田合理管理与化肥高效利用是三峡库区非点源污染负荷减控的重要途径。     

基于SWAT模型的武强溪流域非点源污染关键源区界定与控制策略

随着点源污染的控制与处理技术日趋完善,非点源污染成为重要的水污染源。武强溪作为流入千岛湖的第二大支流,量化武强溪流域非点源污染负荷,解析非点源污染时空分布特征,提出适合削减武强溪流域污染物的最佳管理措施（best management practices,BMPs）对千岛湖水污染高效治理至关重要。该研究基于土壤水分评估工具（Soil and Water Assessment Tool,SWAT）分析了武强溪流域径流量、总氮输出负荷量的时空分布特征,探究了不同管理措施及组合的削减效果,提出了武强溪流域非点源污染针对性的治理措施。结果表明：1）SWAT模型对于武强溪流域径流量和总氮输出负荷量的模拟具有较好的适用性,径流量校准期和验证期的决定系数（coefficient of determination,R²）分别为0.86、0.97,纳什系数（nash-sutcliffe coefficient,NSE）分别为0.83、0.96,百分比偏差（percent bias,PBIAS）分别为15.8%、?6.3%,总氮校准期和验证期的决定系数分别为0.87、0.74,纳什系数分别为0.63、0.66,百分比偏差分别为31.6%、21.2%;2）该流域径流量和总氮负荷主要集中在3—7月,分别占全年输出量的71.67%和75.76%。综合考虑氮的来源和流失途径,将耕地和林地面积占比大、坡度陡的子流域设置为总氮的关键污染源区。考虑调整化肥施用量/配方、改变耕作方式和设置植被缓冲带等削减非点源污染的手段,进行总氮输出负荷削减效率的情景模拟,表明10 m植被缓冲带是减少总氮输出负荷的最佳单一控制策略,总氮削减率可达到69.90%;实施综合管理措施对总氮的污染削减效果更佳,10 m植被缓冲带与施肥量减少20%可使总氮削减率达到74.79%。研究结果可为千岛湖水质管理与控制提供理论基础。     

基于SWAT模型的图们江流域氮磷营养物非点源污染研究

运用数学模型模拟非点源污染物的空间分布及其输移转化机制,是当前农业非点源污染研究中的重要手段和途径之一。流域尺度长时段分布式水文模型SWAT（soil and water assessment tool）应用于我国南方许多流域的非点源污染模拟上都取得了较好的结果。利用SWAT模型建立了东北图们江流域非点源污染数据库,对该流域（中国一侧）划分为5个小流域46个水文单元,分别进行了水文模拟、降雨径流和土壤侵蚀量计算。结果表明,图们江流域农业非点源污染主要的发生区在流域中部,海兰河和布尔哈通河交界的区域内。该区内有机氮和有机磷的非点源污染负荷明显高于其他地区,推测认为该区域为延边州首府延吉市所在地,城市建设和经济发展带来了繁荣,也造成了局部地区的植被破坏、土地裸露,水保能力下降,因此水土流失现象比较严重。另外,通过分析流域内有机氮和有机磷的时空变化特征发现,2007年延吉、龙井地区为氮磷营养物非点源污染最大发生区（有机氮9.76t.a-1,有机磷1.24t.a-1）,而2008年除延吉、龙井地区外,珲春地区有机氮和有机磷非点源污染均有加重的趋势（分别由1.39t.a-1上升到3.82t.a-1,0.17t.a-1上升到0.48t.a-1）;氮磷营养物的空间分布特征表明,2007年与2008年除了延吉、龙井一带为最大发生区外,珲春地区有机氮流失有所加重（从1.39t.a-1上升到3.81t.a-1）,有机磷流失也有所加重（0.17t.a-1上升到0.48t.a-1）,而安图等地区则有所减轻。     

稻田消解沼液工程措施的水环境风险分析

为研究稻田消解沼液的能力及消解沼液过程中潜在的水体环境污染风险,该文通过田间定位试验,采取工程措施,监测并分析了稻田主要生育期消解沼液过程中田面水及不同深度下渗水总氮、铵态氮和硝态氮质量浓度变化情况。结果表明:1)稻田消解沼液的关键时期是施灌后的前3 d,总氮降解幅度达46.67%~78.36%,铵态氮降解幅度达47.52%~85.27%,且穗肥期消解速率大于基蘖期。施灌后3 d内若产生径流造成周边水体富营养化的环境风险较大,可采取封闭大田排水口或增加小区田埂高度5~10 cm等田间工程措施,控制地表径流产生量和产生时间,确保安全消解,实现农业面源污染源头减量减排。2)沼液消解量在200%BS处理(沼液氮量为常规施肥氮量的2倍,即沼液量705.88 t/hm2)以上,基蘖期和穂肥期对周边水体潜在的污染风险均高于常规施肥处理,100%BS处理(沼液氮量为常规施肥氮量的1倍,即沼液量352.94 t/hm2)与常规施肥处理相比潜在的环境污染风险稍低。因此,稻田工程措施消解沼液应采取少量多次的消解方式。3)稻田工程措施消解沼液对下渗水的污染风险主要集中在基蘖期,以铵态氮污染风险为主,硝态氮污染风险较小,污染程度因下渗水深度不同而有所差异。研究表明基蘖期稻田每次沼液消解量应控制在211.76 t/hm2以内,穗肥期稻田消解沼液能力较强,污染风险较小,单次消解量低于423.53 t/hm2在该试验的一个稻米生长周期内可视为安全的。该研究结果可为稻田沼液安全消解技术及农业面源污染源头减量减排技术提供理论支撑。     

基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型

灌溉农田产生的非点源磷是造成水体富营养化的主要原因之一,但是目前国内外的磷污染模型对于平原灌区灌溉和排水管理下的水分运动过程和氧化还原条件下的磷转化过程的定量表征还比较欠缺。该研究构建了适用于平原水稻灌区水分运动和磷转化迁移的机理性磷污染模型,模型根据稻田水量平衡和沟道运动波方程模拟灌区产汇流,采用考虑土壤微环境分层的磷转化模型和对流扩散方程模拟灌区产汇污。模型中将耕作层分为有氧层和无氧层,定量表征了由于水田干湿交替导致的土壤分层溶解氧变化和磷的转化过程。为了验证模型的可靠性,利用黑龙江省和平灌区2018年试验田实测田间土壤水、积水及排水和2条支沟实测排水的水量和水质数据对模型进行了率定和验证。验证结果显示试验田、一排和七排排水的径流流量、磷浓度的模拟结果与实测结果都吻合较好。模拟排水流量的Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）和决定系数（R2）分别大于0.820和0.815;模拟总磷浓度的NSE和R2分别大于0.811和0.821;考虑土壤微环境分层后得到的土壤可溶磷垂向分布结果比不考虑分层时与原位实测结果更接近。该磷污染模型被用于模拟和平水稻灌区的非点源磷污染。灌区磷污染浓度过程统计结果显示,2018年水稻生育期内通过排水和渗漏流失的磷为1.88 kg/hm2,约占施肥和灌溉磷输入的5.7%。其中分蘖期和拔节孕穗期径流磷输出负荷最大,分别为0.85和0.60 kg/hm2;泡田期和分蘖期渗漏输出负荷最大,分别为0.11和0.16 kg/hm2。灌区一排和四排由于控制面积大,输出磷污染物总量大于其他排水沟。该研究所构建的磷污染模型包含稻田灌溉和排水过程的水分运动及稻田干湿交替引起的氧化还原变化条件下的磷转化和运移,可为平原灌区水肥运筹管理下的磷运移模拟提供更准确的方法。     

晋江流域非点源氮磷负荷及污染源解析

计算流域非点源氮磷负荷并以此开展源解析对于水体污染控制具有重要意义。基于DEM数据,运用GIS工具划分子流域,提取土地利用和土壤类型等空间相关资料,通过调查及小区试验获取模型参数,建立晋江流域非点源氮磷污染负荷模型;利用SLURP模型和输出系数模型分别核算流域内不同景观类型土地输出径流和农村污染溶解态氮磷负荷,利用修正的USLE土壤侵蚀通用方程核算吸附态氮磷负荷,并进行污染源解析。结果表明:晋江流域非点源氮负荷为12298.95t/a,大部分为溶解态氮,占到了94.13%,主要来自畜禽养殖、农田径流和农村生活污水,其源贡献率分别为31.72%、26.38%和17.44%;非点源磷负荷为667.04t/a,溶解态磷和吸附态磷对流域总磷负荷贡献比例相当,分别为56.73%和43.27%,主要来自土壤侵蚀、农田径流和农村生活污水,其贡献率分别为43.27%、21.10%和12.25%。总体分析表明,土壤侵蚀、农田径流和畜禽养殖是影响晋江流域非点源氮磷负荷的主要污染源,亟待优先控制。     

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。     

节水防污型农田水利系统构建及其效果分析

不合理的农田水肥管理是造成农业面源污染的主要原因之一。为了探寻灌区水稻节水、增产和减污相统一的措施,提出运用由田间、草沟、塘堰湿地和骨干沟"四道防线"组成的系统净化农田排水,并在广西桂林市青狮潭灌区及广西灌溉试验中心站开展了系统的试验研究。通过站内不同水肥处理下对田间节水、水稻增产、氮磷流失减少指标的分析,优选水稻田间最优水肥管理模式,即采用间歇灌溉模式、施氮肥总量不变、适当减少氮肥基肥增加追肥用量;在站外根据现有的水系分布构建"四道防线"系统,分析了各道防线对农田排水的净化效果以及提高净化效果的主要措施。由"四道防线"构成的节水防污型农田水利系统对农田氮磷排放具有良好的净化效果,实现了减少农田面源污染和修复农田水环境的目的。