基于盲数理论与GIS的小江流域吸附态磷污染负荷模拟研究

根据三峡库区小江流域水文、地理和非点源污染等特点,通过分析引起流域吸附念污染负荷年际变化的主要因素,提出了流域土壤侵蚀模数、输沙模数的动态计算方法.鉴丁与吸附态污染负荷有关的流域降雨、土壤、地形、植被、水土保持、泥沙输移比等因素具有空间不确定性的特点,构建了基于盲数理论的非点源吸附态磷污染负荷动态分布模型.应用所构建的模型,借助GIS技术,模拟和定量计算了小江流域1997-2007年各年的土壤侵蚀模数和吸附态磷负荷量.模拟结果表明,降雨侵蚀力因子和地表径流量是流域内吸附态磷负荷年际变化的重要因素;而吸附态非点源磷负荷的空间变化与土地利用类型关系密切,不同土地利用类型输出磷负荷的大小依次为:旱田及混合地、草地、水田、林地和城镇用地.通过验证表明,所建模型合理,运用盲数理论来研究流域非点源吸附态负荷可行.     

嘉陵江流域非点源溶解态氮污染负荷模拟研究

嘉陵江流域是三峡水库最大的支流,为研究嘉陵江流域非点源溶解态氮污染负荷的年际变化规律及其来源的空间分布情况,以流域土地利用类型为研究单元,通过引入具有物理机制的半分布式水文模型--_SLURP水文模型,并推导溶解态氮的流域输移损失系数,建立了流域非点源溶解态氮污染年负荷模型.借助GIS技术,应用所建模型,对嘉陵江流域各土地利用类型上的年地表径流量和溶解态氮污染负荷进行了模拟.模拟结果表明,以旱地和水田为主的涪江流域的溶解态氮流失情况最为严重,其次是渠江下游流域和西汉水流域,1990-2005年嘉陵江流域各土地利用类型上产生的非点源溶解态氮年均负荷为35 726 t·a-1,约占流域出口总氮负倚的32%.     

巢湖流域非点源颗粒态磷负荷的空间差异及关键影响因子研究

首先选取巢湖流域内的7个二级流域作为研究区,同时为了使研究结果更具可靠性,利用县级行政区划数据对研究区进行细化;然后构建泥沙输移分布模型,定量估算2015年巢湖流域颗粒态磷负荷模数;最后在不同土地利用模式下,综合考虑地理位置、资源条件、社会经济等影响因子,剖析产生颗粒态磷流失的差异并分析其原因。结果表明:巢湖流域平均颗粒态磷负荷模数为0.308 t·km~(-2)·a~(-1),主要用地类型为林地0.759 t·km~(-2)·a~(-1)耕地0.256 t·km~(-2)·a~(-1)建设用地0.138 t·km~(-2)·a~(-1),细分研究区使研究结果更具可靠性。颗粒态磷负荷模数具有空间差异,高值区集中在坡度较大、降水充沛的杭埠河流域(岳西县、霍山县、舒城县);低值区分布在地势平缓、经济发展水平较高的派河流域(肥西县)、南淝河流域(合肥市、长丰县)。坡度大、降水丰沛是造成林地、耕地颗粒态磷负荷模数较高的主要原因;化肥、农药不合理施用、地膜污染等导致耕地负荷较高;畜禽养殖提高建设用地负荷;磷矿的分布也会增加磷背景值。     

三峡库区季节性吸附态磷负荷的空间分布特征

降雨引起土壤流失和非点源污染的产生。依据三峡库区内部和周边23个气象站点的日降雨资料,采用日降雨量模型和Kriging插值法得到库区各季及各年降雨侵蚀力的空间分布,在此基础上,结合改进的通用土壤流失方程(RUSLE)和由地形指数形成的具有空间分布的入河系数,构建吸附态磷负荷的时空分布模型,并验证模型的合理性。应用所构建的模型,对三峡库区2001—2010年各季及年的吸附态磷负荷的空间分布进行模拟,结果表明吸附态磷负荷的季节性变化和空间变化都十分明显。季节性变化与降雨侵蚀力一致,夏季最大,冬季最小,春秋两季相差不大;在空间变化上,坡度较小、土地利用类型主要为林地、城乡工矿居民用地的夷陵、重庆和江津西南等地区负荷较低,而坡度较大、土地利用类型主要为水田、旱地和草地的巫溪、开县和秭归等地负荷较高。     

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USLE的黑河流域非点源污染定量研究

为有效控制黑河流域因土壤侵蚀而产生的氮、磷非点源污染,改善黑河水库水质,以流域的行政单元作为估算非点源污染的响应单元,利用通用土壤流失方程(USLE)并选取合适的方法进行了参数选取和率定,在 GIS软件辅助下,估算了各单元的土壤侵蚀量,计算了流域吸附态氮磷的污染负荷。结果表明:(1)文中所用估算方法较为合理,全流域的平均侵蚀模数为315．06 t/(km2·年);(2)流域每年由土壤流失所引起的吸附态氮磷总负荷量分别达到15．702和3．866 t,对流域水环境造成了严重的污染和破坏;(3)马召乡、甘浴湾乡、板房子乡、安家岐乡、厚畛子乡以及小王涧乡对流域氮磷污染负荷贡献较高,是流域非点源污染控制的主要源区;(4)退耕还林还草, 增加植被覆盖度,减少农事活动是削减和控制流域非点源污染的主要措施。     

估算紫色土流域地下水非点源污染负荷的降雨量参数法

非点源污染是生态环境建设中遇到的关键问题之一,本文以四川省盐亭农业生态试验站流域的地下水为例,通过设定降雨量参数,将降雨量与地下水非点源污染负荷联系起来,分别研究了地下水磷素与地下水氮素随降雨量的变化情况。研究发现两个研究区的TP、TN浓度与降雨量的相关性十分明显,相关系数R2分别为0.987、0.9475、0.9331和0.9018,而其他形态的氮和磷与降雨量的相关性并不明显;另外,研究发现地下水非点源TN污染主要是由于NO3-N浓度变化引起的,地下水非点源磷污染主要是由于颗粒态磷浓度变化引起的。     

珠江三角洲典型流域颗粒态氮磷负荷估算研究

珠江三角洲地区菜果花农业发达,农业化学物质投入量大,区域N、P等养分流失迅速,水环境问题尤为突出.选取广州流溪河为研究对象,应用GIS和USLE模型结合土壤污染实测数据,采用源类型法估算流溪河流域的颗粒态N、P污染负荷.结果表明:(1)流溪河流域的颗粒态N、P总流失量分别为582.49 t·a-1和424.74t·a-1,其中N流失量中水田贡献最大占40.02%,其次为林地占26.31%;P流失量中旱地贡献最大占28.75%,其次为水田占26.94%.(2)流域不同源类型单位面积颗粒态N、P流火量差异显著,旱地的N、P单位面积流失量均为最高,分别是7.72 kg·hm-2和9.50 kg·hm-2;其次为果园,N、P分别是7.20 kg·hm-2和6.56 kg·hm-2.(3)流域颗粒态N、P流失总量及其单位负荷受农业施肥影响,农业生产过程产生的过量N、P物质是流溪河流域重要的N、P负荷污染来源.     

长湖流域农田地表径流氮磷流失特征分析——以荆州市沙市区为例

为明确长湖流域农田地表径流氮磷流失特征,了解高风险种植模式,以荆州市沙市区为例,采用流失系数法和遥感数据分析相结合进行了研究。结果表明,研究区7个乡镇农场农田地表径流氮、磷总流失量分别为539 023、19 850 kg,其中岑河镇最高,分别占沙市区氮、磷流失总量的45%、43%;沙市农场氮流失强度最高,立新乡磷流失强度最高。全区当季施肥造成的氮、磷流失分别占农田流失总量的28%、23%。15种种植模式中,氮、磷流失最大的模式分别为平地-旱地-大田、平地-水田,分别占农田流失总量的44%、46%。3种坡度中,平地的农田地表径流氮、磷流失量最大,分别占农田流失总量的91%、89%,陡坡地最小。4种土地利用类型中,旱地的农田地表径流氮、磷流失量分别占农田流失总量的49%、36%,水田分别占农田氮、磷流失总量的44%、53%。沙市农场和立新乡分别是氮、磷流失高风险区,平地-旱地-大田、平地-水田分别是氮、磷流失高风险种植模式。     

无锡市不同土地利用类型非点源污染负荷变化分析

以非点源污染严重的无锡市为研究区,在RS和GIS技术的支持下,采用SCS曲线方程和USLE方程估算了不同土地利用类型的非点源污染负荷,进而分析不同土地利用类型变化带来的非点源污染负荷贡献率的变化.结果表明:①无锡市2000 ～2008年总氮(TN)负荷增幅为4.75％,总磷(TP)负荷增幅为3.28％.②不同土地利用类型对非点源污染负荷总量和单位面积的贡献率存在差异,农用地和建设用地对污染负荷贡献率均在90％以上;从单位面积污染贡献上看,对TN贡献率较大的土地利用类型依次为农村建设用地、农用地及城镇建设用地,对TP贡献率较大的土地利用类型依次为农村建设用地、农用地和林地.③不同土地利用类型对非点源污染负荷的贡献率也在发生变化,城镇建设用地对TN和TP的贡献率变化最为突出,分别上升了21％和17.4％;农村建设用地的TN和TP贡献率分别下降了22.3％和19.9％;农用地贡献略为减少;林地、荒地和水域贡献率略为上升.     

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。     

香溪河流域土地利用变化过程对非点源氮磷输出的影响

选取三峡库区香溪河流域(3150 km~2),根据1990、2000、2010年Landsat TM/ETM遥感影像,在Arc GIS支持下,应用景观特征分析和氮磷输出系数模型方法,在分析流域景观格局转变过程的基础上,研究了土地利用变化对非点源氮磷输出的影响。结果表明:1990—2000年土地利用变化较为缓和,2000—2010年土地利用转变较为剧烈,变化面积占到总面积的4.3%,为前10年变化量占比的3倍之多。1990—2000年和2000—2010年,土地利用转变量最为明显的均为林地转旱地和旱地转林地;从单位时间土地利用变化率来看,1990—2000年旱地变化最为剧烈,2000—2010年居民地变化最为剧烈;从土地利用相对动态度来看,1990—2000年和2000—2010年旱地均最高。1990—2000年土地利用的变化对非点源总氮(TN)和总磷(TP)输出影响较小,TN增加1.57 t·a~(-1),TP减少0.073 t·a~(-1);2000—2010年土地利用的变化显著降低了TN、TP的输出量,净值分别为78.5、6.1 t·a~(-1)。土地利用转变方式对TN、TP的负荷影响不同,旱地转变为林地时TN负荷表现为消减,林地转变为旱地时TN负荷增加;水田转变为林地时TP负荷减少,旱地转变为水田时TP负荷增加。在输出系数与各土地利用类型面积关系的建立中,使用土地利用状态量变化面积不能真实计算出其对非点源氮磷负荷输出量的影响,通过土地利用过程量面积的变增才能真实反映土地利用变化导致的非点源氮磷负荷输出量。     

甬江流域土地利用方式对面源磷污染的影响:基于SWAT模型研究

为定量探讨SWAT模型在土地利用方式对面源磷污染影响研究中的适用性,以甬江流域为研究区,构建流域2010年至2014年的SWAT水文水质模型,从水文响应单元的空间尺度上进行了分析研究。结果表明:模型在开展大中流域尺度,长时间序列的土地利用方式对面源磷污染影响的研究中表现良好;流域内林地、建设用地、耕地、园地年均产流深度分别为588.05、729.52、624.26、608.05 mm,产沙年均单位负荷分别为10.09、0.90、44.68、13.29 t·hm-2;总磷年均单位负荷分别为1.42、0.35、9.81、1.82 kg·hm-2。产流深度、产沙单位负荷与总磷单位负荷之间的一元线性回归模型表明:产流、产沙和面源磷之间存在明显的线性关系,且各土地利用方式产沙和磷(R2=0.83～0.88,P0.001)之间的一元线性回归模型预测能力均高于产流和总磷(R2=0.63～0.68,P0.001),表明了面源磷流失的主要载体为泥沙。此外,不同类型土地利用方式下磷输出空间差异性也十分显著,林地在坡度级别为6级时磷流失是2级时的6.90倍;土壤类型RGd(不饱和疏松岩性土)在坡度2级下磷流失是ACu(腐殖质低活性强酸土)的1.15倍,而在6级下是1.42倍。     

长兴县北部地区的土地利用与水质响应研究

以长兴县北部地区为例,以氨氮作为污染评价指标,分别利用改进后的输出系数法和研究区社会污染普查资料合理估算了研究区全流域和各乡镇的非点源污染量及点源污染排放量。通过对比污染输出总量和国家地表水环境质量标准发现,研究区全流域整体达到二级水质标准,但夹浦镇水质严重超标,且主要贡献来自于点源污染,其余乡镇水质良好。进一步分析发现,长兴县北部地区不同的土地利用组合类型和比例对非点源污染输出有着重要影响,总体规律是耕地对非点源污染输出贡献比例最大,其次是居民地和裸地,并且随着林地比例的增加和耕地、居民地的减少,污染逐渐降低。     

基于CLUE-S的香溪河土地利用变化预测与总磷污染负荷分析

本研究旨在比较不同土地利用数量预测方法的适用性,并结合空间分布预测模型对香溪河流域未来的土地利用进行预测,以期为该区域的土地利用规划提供决策支持,有效控制总磷污染负荷的产生。结合土地利用数量预测的3种算法(线性外推法、马尔科夫链模型以及遗传算法)与空间预测模型CLUE-S(Conversion of land use and its effect at small regional extent),对流域内的土地利用变化进行预测,通过输出系数法对流域内的总磷污染负荷进行估算。结果表明,基于线性外推与马尔科夫链两种无约束预测模型,2020年流域内林地面积将比2010年减少约1%,绝大多数林地转变为水田与旱地,且大多发生在流域中部坡度较平缓区域。而基于存在自然社会经济约束条件的遗传算法优化情景下,水田面积减少1060 hm2、旱地面积减少3370 hm2,其面积主要转化为林地,且大多发生在流域高海拔、较陡峭的北部区域。基于输出系数法分析得到的流域内总磷污染负荷在线性外推与马尔科夫链预测情景下相比于2010年均有所增加,分别增加11 000 kg和8000 kg,而在遗传算法情景下,总磷负荷相比于2010年减少约24 000kg。空间分布上,在线性外推与马尔科夫链情景下增加的负荷主要位于流域中部区域,而在遗传算法情景下流域北部区域总磷负荷减少量最为明显。研究结果表明,遗传算法在土地利用优化预测方面表现优异,结合CLUE-S模型,可以对未来土地利用规划起到一定的支持作用,有效控制非点源污染负荷的产生。     

东圳水库水质影响预测及对策

根据污染源现状调查结果与污染源预测方法,预测了水平年东圳水库流域污染负荷。结果表明,流域污染负荷主要来自农业面源、生活污水和生活垃圾,其中农业面源是流域最大污染源,而农业面源中主要是果园径流污染。在构建东圳水库水域二维水流水质数学模型的基础上,基于流域污染负荷预测结果,模拟分析库区水环境变化趋势,结果为库区总氮和总磷将难以满足Ⅲ类水质标准要求。根据污染源调查及水质影响预测结果,建议加强对东圳水库水环境保护,重点开展果园面源污染控制、生活污水收集处理及生活垃圾收集转运处置等项目。     

不同空间尺度河流水质与土地利用关系分析——以泰国蒙河流域为例

为分析不同空间尺度河流水质与土地利用的响应关系,认识水环境变化成因和趋势,以泰国蒙河流域为研究对象,采用GIS、莫兰指数(Moran′s I)和Spearman相关分析等方法,探究蒙河水质的空间分异及不同空间尺度下水质对土地利用格局的响应特征。结果显示,近20 a(1997—2017年)流域内溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、总磷(TP)、硝态氮(NO3--N)、氨氮(NH3-N)、固体悬浮物(SS)的Moran′s I值分别为0.86、0.38、0.35、0.40、0.45、0.50,表现出空间聚集性,而总大肠菌群(TCB)、粪大肠菌群(FCB)的Moran′s I值分别为-0.15、-0.10,具有空间离散特征。不同空间尺度下河流水质与土地利用的相关性大体一致,但相关程度存在差异,缓冲区尺度的土地利用格局能够更好地解释蒙河水质变化,其中水质指标与5 km缓冲区空间尺度下土地利用的关系最为显著。相关分析结果表明,蒙河流域农业用地、城镇建设用地对水质负荷起到"源"的作用,林地起到截留、吸附的作用。因此,蒙河流域水环境保护应以非点源污染控制为主,重点加强农业生产过程中化肥等管控,控制生活污水等污染物直排入河。     

嘉陵江营养盐分布特征及对三峡水库的影响

对嘉陵江不同断面营养盐分布进行了研究。结果表明:TN为1.11￣4.18 mg/L,年均值2.16 mg/L;TP为0.03￣0.67 mg/L,年均值0.14 mg/L。不同形态N、P营养盐浓度存在季节性差异,但变化规律不明显。NO3-N是无机氮的主要存在形式,占无机氮的80%￣90%,三态无机N处于较稳定的热力学平衡状态中;流量与TN、TP年输出量呈极显著的线性正相关,相关系数分别为0.997 6**(n=12)、0.996 3**(n=12),说明水体氮、磷主要来自于面源污染。对嘉陵江全年营养盐输出作了初步估算,对比三峡库区城市污水口营养盐排放量,表明嘉陵江全年TN、TP通量分别达到三峡库区67个主要城市污水口排放量的33.2、27.9倍。