关键源区识别:农业非点源污染控制方法

非点源污染的控制难度大、成本高,必须首先识别流域内的关键源区。对国内外应用的关键源区识别方法从指标筛选、指标体系建立到关键源识别等关键技术环节进行了系统的评述,以促进该方法在我国农业非点源污染控制中的应用。     

非点源污染模型研究进展

随着水环境污染问题日益突出,非点源污染研究越来越受到重视.3S技术的出现使非点源污染模型得以快速发展.本文简要介绍了模型的分类和非点源污染模型的发展历程,并且比较了国外常用的10个非点源污染模型,对各模型的开发提供者、模型的主要输入和输出数据、模拟的主要过程和特点、模型类型、时间尺度和污染物类型等7个方面做了详细介绍.在此基础上,总结了如何选用合适的非点源污染模型来进行水污染管理,分析了当前模型的不足之处,概括了其研究和发展趋势.     

流域单元景观格局与农业非点源污染的关系

农业非点源污染日益成为影响地表环境的主要污染方式之一,正确理解景观格局和农业非点源污染过程的关系是进一步认识农业非点源污染发生机制的关键。本文应用去趋势典范对应分析方法（DCCA）对石头口门水库控制流域13个流域单元的景观格局与农业非点源污染关系进行定量分析。结果表明:DCCA排序前2轴分别与森林比率、植被指数、景观聚集度指数、多样性指数和耕地及居民建设用地比率显著相关,累计解释了景观格局与农业非点源污染关系的92%,证明此方法对研究目标具有较高显示度。各流域单元农业非点源污染养分径流输出特征沿景观因子梯度具有明显空间变异。     

基于模型的农业非点源污染最佳管理措施效率评估研究进展

随着点源污染的逐步控制,农业非点源污染已成为世界范围内关注的热点,由于其特有的时空异质性特点导致对其进行有效控制较为困难,最佳管理措施(BMPs,Best Management Practices)是实现流域农业非点源污染控制的有效手段,对拟实施的BMPs效率进行评估是实施流域非点源污染BMPs配置的前提。通过模型模拟的方法可对拟采用的不同措施的削减效率及经济成本进行评估以获取最具成本-效益的BMPs空间配置方案,为措施有效选择提供依据。通过对多种模型在工程型和管理型BMPs评估方面的研究进行论述表明,通常概念化模型多用于对污染源控制类措施进行评估,而机制类模型则可用于对不同时空尺度下的过程控制类BMPs进行评估;措施效率发挥的时间滞后性及模型模拟不确定性是模型模拟过程中需要重点考虑的问题,可通过增加野外监测点数量、监测频率、优化监测点位置并选择合适的评估指标以降低模型评估BMPs过程中滞后效应的影响;此外BMPs实施时间与空间位置的不匹配、时空尺度异质性、污染物形态及生态系统服务功能转换风险均需在BMPs评估过程中加以考虑。模型模拟是BMPs效率评估(包括非点源污染关键源区的时空识别)、污染物迁移转化以及成本效益分析的有效工具,同时对于流域非点源污染管理控制及BMPs实施利益相关者有效参与问题的分析也具有重要意义。     

基于“源-汇”理论的资江下游地区非点源污染风险区划

开展非点源污染风险评估及区划研究对流域生态环境保护、土地利用结构调整和优化具有重要意义。以2010、2018年两期资江下游地区土地利用覆盖数据为基础,基于“源-汇”景观格局理论识别“源”、“汇”景观,综合考虑非点源污染发生和迁移因子的前提下,借助景观空间负荷对比指数(LCI)、非点源污染负荷指数(NPPRI),分析非点源污染风险的时空变化特征;通过识别非点源污染风险中的关键因子,对资江下游非点源污染区划进行分析。结果表明: 研究区非点源污染发生风险总体较低,“汇”景观为主的子流域占61.2%;非点源污染风险呈现西南低,东北平原区以及资江干流、志溪河、桃花江沿岸偏高的空间特征;2010—2018年,非点源污染风险呈现升高趋势,农村居民点、耕地的扩张及林地缩减对非点源污染发生风险分别具有正向与负向的响应关系;LCI、坡度、距离是影响非点源污染风险指数变化的关键因子。在此基础上,将资江下游地区划分为4个控制区,即近河道污染治理区、低坡地污染控制区、生态恢复-风险防控区、生态优先保护区。     

基于“源-汇”生态过程的长江上游农业非点源污染

景观空间格局是农业非点源污染的主要影响因素之一,关于二者的相互关系缺乏定量研究.针对长江上游的农业非点源污染问题,应用基于"源-汇"生态过程理论提出的景观空间负荷对比指数,选取9个典型的行政单元,探讨了长江上游流域景观空间格局和非点源污染之间的定量关系.结果表明,景观空间负荷对比指数对非点源污染负荷有显著的响应关系,说明景观空间负荷对比指数可作为非点源污染空间风险评价的有用方法之一.在此基础上,进一步分析了长江上游典型行政单元景观空间负荷对比指数时空演变规律.探讨了指数演变时空差异原因,认为该指数主要受到区域景观的坡度、与污染出口相对距离、高程、土地利用类型比重和农业与农村经济政策的影响.最后提出了长江上游非点源污染空间风险控制与管理的对策.     

流域尺度农业磷流失危险性评价与关键源区识别方法

农业非点源磷污染是我国农村水环境面临的严重问题之一,由于非点源污染治理难度大,所以识别流域内磷流失的关键源区成为非点源磷污染评价的主要目的.本文在分析流域尺度磷流失危险与分级方案的基础上,根据Gburek等提出的方法,建立了适合我国北方农业区流域尺度磷流失危险评价、分级与关键源区识别的方法.修正的流域尺度磷分级方案重点选取了8个评价因子,分别赋予不同的权重;每个因子的危险性等级根据我国的行业标准和实际情况进行了调整.评价得到的"高"危险性区域就是流域内磷流失的关键源区.这一分级评价方案考虑了数据的可获得性和评价的定量性,在确定各因子时注重与GIS技术、地统计学等方法的结合,具有较强的可操作性和实用性.     

基于AnnAGNPS模型的三峡库区秭归县非点源污染输出评价

非点源(NPS)污染已成为全球关注的环境问题。由于NPS特点、实验手段和监测数据的局限,其研究多采用数学模型进行时间和空间模拟。模型模拟提供了一种成本低效率高的手段来评定区域非点源污染。选择连续农业非点源污染AnnAGNPS(Annualized AGricultural Non-Point Source)模型,构建该模型数据库,模拟秭归县黑沟、兰陵溪、杉木溪等3条典型流域和县域径流、泥沙和营养物质的输出。结果表明：AnnAGNPS模型对3条典型流域的径流模拟能力高于对泥沙和养分的模拟,径流模拟误差均在可接受范围之内,说明模型中采用的径流预测(SCS曲线)法对研究区的地理气候条件是适用的;对3条典型流域泥沙输出模拟误差较高,对氮磷等养分输出模拟的误差最高,通过调整RUSLE和HUSLE等子模型的输入参数来减小泥沙模拟误差;对小型降雨径流事件,模型泥沙、养分模拟误差有偏大趋势,对较大降雨径流事件,模型泥沙和养分模拟误差有偏小趋势;2006年秭归县县域模型模拟的地表径流量为363 mm,泥沙输出为19.6 t/hm2,总氮输出为122 kg/hm2,总磷输出为28 kg/hm2,有机碳输出为581 kg/hm2,模拟结果与相关文献研究和政府统计数据较为相符;AnnAGNPS模型对NPS污染物输出模拟具有一定的不确定性,但作为一个较好的高级农业流域管理工具,该模型可以在三峡库区地理气候条件下使用。     

流域非点源氮素流失空间分异特征的多时间尺度分析

流域非点源污染关键源区的定位是控制和治理流域非点源污染的重要问题,为进一步揭示时间尺度对流域非点源氮素流失空间分异特征的影响,通过构建山美水库流域SWAT模型,在对各个子流域的总氮(TN)流失强度进行模拟的基础上,从多年平均、多年月平均、场次暴雨洪水过程等3种时间尺度,对氮素流失的空间分异特征和关键源区进行分析,并通过多元线性相关分析,对自然和人为因素的影响进行研究.结果表明： 不同时间尺度下流域氮素流失空间差异均十分显著,氮素流失空间分异程度以多年月平均最高,场次暴雨洪水过程最低;桃溪亚流域氮素流失量最大,是非点源氮污染关键源区.不同时间尺度下,土地利用类型均是影响流域非点源氮素流失空间分布的主要因素,而降雨、径流等自然因子对氮素流失空间分异的影响仅表现在不施肥月份和部分不施肥场次的暴雨洪水过程,这种规律与土地利用及施肥具有显著空间变化、而降雨径流的空间变异程度低有关.     

农业非点源污染模拟不确定性研究进展

随着点源污染控制水平的提高,非点源污染问题日益突出.农业非点源污染由于具有涉及范围广、控制难度大、模拟过程不确定因素多等特点,已成为当前水环境污染防治研究的热点与难点.本文围绕农业非点源污染模拟的不确定性问题,介绍了国内外常用的农业非点源污染模型及其不确定性来源,着重讨论了模型结构、参数和输入信息不确定性的研究方法及其应用进展;提出了今后的研究趋势,指出定量分析非点源污染的不确定性,获取影响非点源污染负荷的关键因子,可以有针对性地进行非点源污染的预防和管理,对于提高非点源污染研究水平和制定有效的污染防治措施均具有重要意义.     

城市非点源污染控制的景观生态学途径

城市非点源污染是伴随城市快速发展而出现的新问题.城市土地利用的特殊性、不透水层面积的增加,使城市非点源污染不同于农业非点源污染,而控制难度更大.治理城市非点源污染的常用方法是最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs),主要采取一些局部修复措施在地表径流迁移过程中控制污染物.但城市土地利用格局的改变对非点源污染的影响十分显著,结合局部的BMPs和区域的景观规划是控制城市非点源污染的一个理想途径.城市非点源污染控制的景观生态学途径首先需要了解城市景观格局对非点源污染源、污染物迁移过程和受纳水体的影响,明确非点源污染与景观格局的关系,判定造成非点源污染的主要原因和关键环节.在此基础上,根据城市非点源污染控制要求,针对性地重新组合原有景观格局或引入新的景观要素以构建新的景观格局,并将BMPs融入规划之中,将景观规划与管理有机结合,增强城市景观异质性,实现对城市非点源污染的有效控制.     

海河流域面源污染风险格局识别与模拟优化

面源污染是海河流域面临的主要水生态环境问题,如何通过流域景观格局优化实现对面源污染的控制一直是研究的热点问题。通过最小累积阻力模型,以海河流域为研究对象,将流域景观要素及影响流域景观过程的外部因子相结合,对海河流域面源污染风险格局进行了识别,并将阻力格局与海河流域实测水环境指标进行相关性分析及验证,在此基础上对流域污染风险进行识别与优化模拟。结果表明海河流域有40%以上(130380 km2)区域面临高污染风险,集中分布在中南部平原地区以及山区河谷地带;对此设置河流植被缓冲带进行格局优化模拟分析,通过比较不同措施格局优化阻力值变化趋势表明,对于二级河流水系,加强河流两岸600—1600 m范围的人类活动管控,可以有效降低污染物输出,显著降低流域面源污染发生的风险。在面源污染风险等级较高的平原地区,设置300—400 m植被缓冲带,可将风险等级降低50%,设置700—800 m岸边植被缓冲带即可达到最佳效果;而在山区地区因风险较低,设置400—500 m的植被缓冲带即可达到最佳效果,能够将污染风险在现有基础上降低30%—40%。这一研究结果对海河流域景观格局优化和面源污染风险控制提供科学参考。     

基于“源-汇”景观的典型半城市化小流域非点源污染风险评价

小流域的水质恶化主要由点源污染和非点源污染引起，随着点源污染控制水平达到一定程度后，非点源污染已成为首要污染源。当前对非点源污染的管控仍存在难监测和难治理的问题，明晰非点源污染发生风险以及背后的原因是亟需解决的问题，因此开展非点源污染风险分析和评价具有重要意义。采用高分辨率影像解译了2010年、2015年和2020年三期厦门市后溪流域土地利用数据；基于"源-汇"景观格局方法计算研究区网格单元的网格污染指数（GPI）；结合土地利用变化数据分析非点源污染风险的时空变异，对风险区成因进行了分析。研究结果表明：当前，"汇"景观占流域面积的67.86%，非点源污染发生风险分布呈现北低南高；十年中，非点源污染风险呈现上升趋势，目前非点源污染发生风险处于低风险水平（GPI=0.27）。通过分析风险区的土地利用构成发现耕地面积的缩减（减少67.08%）和建设用地面积扩张（增加43.02%）是污染风险发生变动的主要原因。计算了风险区转移矩阵，发现非点源污染发生风险区呈现出中高风险区向低风险区和"汇"景观区域转移的趋势。基于"源-汇"景观格局理论计算的网格污染指数（GPI）可以有效地对流域非点源污染风险值进行表征，是评价和分析流域非点源污染发生风险的可用方法。     

基于非点源污染控制的景观格局优化方法与原则

对目前国内外较为常用的基于非点源污染控制的景观格局优化方法及其设计原则进行了系统的评述 ,以促进其推广应用并提高其污染控制效果。还通过分析这些方法在我国的应用前景 ,强调了探索适合我国国情的景观格局优化方法对于控制非点源污染的重要意义。     

基于农业面源污染分区的三峡库区生态农业园建设研究

在三峡库区建立生态农业园是解决库区农业、环境和生态问题的有效措施。以农业面源污染分区为基础,探讨三峡库区重庆段生态农业园的建设模式和对策。结果表明:(1)根据地形地貌特征,将生态农业园规划为三大生态农业区,低海拔平坝丘陵生态农业区适宜发展"粮果蔬-猪-沼气-粮果蔬+休闲旅游"复合型高效农业模式,中海拔低山生态农业区可采用"粮-林-畜-沼气-草"的生态农业园建立模式,高海拔高山生态农业区适宜发展林草牧药复合型高效生态农业发展模式。(2)结合农业产业发展,确定了生态种植园、生态养殖园和生态综合园为该区的生态农业园建设方向。划分归并后的五大农业面源污染产污区中,库首外围丘陵山地产污区适宜以生态种植园为主导发展方向;库尾丘陵山地产污区可主营生态养殖园;余下3个产污区的发展核心都宜放在生态综合园建设。(3)三大生态农业区中的中海拔低山生态农业区和五大产污区中的库中平行岭谷产污区是库区生态农业园的建设重点。(4)为保障生态农业园的建设,应积极促进国家、政府、企业和农户之间的合作关系,不断创新和提升农业面源污染防控和农业生产技术。     

基于“源-汇”理论的流域非点源污染控制景观格局调控框架——以厦门市马銮湾流域为例

基于“源-汇”理论对景观格局进行调控与优化是一种较为经济、有效的流域非点源污染控制新方法,目前尚处在探索阶段.在景观生态学及相关理论与前人已有研究的基础上,以流域整体为对象,从2个层次构建基于“源-汇”理论的流域非点源污染控制景观格局调控框架: 1)流域层次:在分析流域“源-汇”景观合理的基本组合与空间布局方式的基础上,建立了流域景观格局整体调控与优化方法;2)景观斑块类型层次:将关键“源”景观作为重点调控与优化对象,建立了包含景观单位面积污染负荷、景观坡度、起传输作用的狭长“源”景观、临河“源”景观单位岸线长度污染负荷等4项关键“源”景观识别准则,并遵循镶嵌“汇”景观、局部增补带型“汇”景观、提高原有“汇”景观消纳污染物的能力等3项调控与优化原则,针对农村地区与城区不同的关键“源”景观类型,制定了9类调控与优化方法.最后将该框架应用到厦门市马銮湾流域,基于GIS平台及研究区遥感图像与数字高程模型,制定了马銮湾流域景观格局整体调控与优化模式及3个片区关键“源”景观调控与优化方案.     

基于径流路径的分布式面源污染模型研发与应用进展

精准刻画地表径流的路径及其所携带的面源污染物随径流的输移过程是准确估算面源污染入水体量、污染关键源区辨识和高效防控的关键,在我国以小农户种植为主、景观特征复杂的地理条件下尤为重要。鉴于目前常用的面源污染模型大都起源于国外,往往对径流路径的空间差异性及污染物陆面输移过程进行概化,介绍了一个基于径流路径的分布式面源污染模型(STEM-NPS)及其研发与应用进展。阐述了该模型的研发背景、模型原理和结构,说明了STEM-NPS模型对地表径流汇流及其所携带的污染物输移过程的精细化表达方法;介绍了该模型在不同地理环境及尺度的应用进展,展示了其在地块尺度的面源污染关键源区辨识,关键过程和关键影响因素解析及面源污染监管决策支持等方面的功能;探讨了STEM-NPS模型与其他常用模型的异同,并结合生态学研究和面源污染精准防控的需求,提出模型的应用前景及进一步发展的方向。