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。     

三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响

以三峡库区秭归县25个典型农林复合小流域作为研究对象,斑块类型水平上选取斑块面积比例指数(PLAND),景观水平上选取斑块丰富度密度(PRD)、双对数回归分维数(DLFD)、Shannon-Weaver多样性指数(SHDI)、聚集度(CONT)等5类景观指数,基于遥感和GIS技术,应用AnnAGNPS(Annualized AGricultural Non-Point Source)模型模拟流域径流和泥沙输出,FRAGSTATS软件计算流域景观格局指数,SPSS19.0分析景观指数和径流、泥沙的相关回归关系,从景观水平探讨景观格局特征对径流、泥沙输出的影响。结果表明：流域径流量与农坡地PLAND、农梯地PLAND、农林梯地PLAND、居民地PLAND、CONT等指数显著正相关,林地PLAND、灌木地PLAND与径流量显著负相关;农坡地PLAND、农林梯地PLAND、居民地PLAND、CONT等与泥沙输出量显著正相关,林地PLAND、灌木地PLAND、SHDI等与泥沙显著负相关。景观指数(因子)与径流和泥沙输出量复相关系数R为0.856和0.962(均高度相关),复相关系数R均大于相对应的单因子相关系数。流域景观水平上,景观格局对径流和泥沙输出影响均显著,景观空间格局是景观功能多样性的反馈,本文是景观格局影响生态过程(径流、泥沙输出)的又一例证。     

农业管理措施对三峡库区流域非点源污染削减效果评价

选取三峡库区典型流域,利用已校准的连续非点源污染模型AnnAGNPS,评价作物种植、化肥施用水平和3组农业管理措施（保护性耕作措施,CTP;保护性工程措施,CRP;退耕还林措施,CCFP)对农业非点源污染（NSP）输出的削减效果.模拟结果表明：作物种植类型对泥沙削减的效果差异不显著,对磷输出削减的效果差异显著;化肥施用量对总氮和总磷输出影响极显著;CTP可以显著削减泥沙输出,增加养分输出;CRP能削减泥沙输出,对养分输出削减的效果不显著;CCFP对泥沙和养分输出削减效果均显著,坡度>10°农田实施CCFP后,流域泥沙输出<5 t·hm^-2,氮、磷等养分输出量可降低至容许范围.     

基于AnnAGNPS模型的三峡库区黑沟小流域退耕还林生态服务价值

利用三峡库区黑沟小流域退耕还林工程实施前后监测资料,并基于AnnAGNPS模型获取该流域径流、土壤侵蚀和养分流失等数据,客观计量流域10种情景(A～J)生态服务物质量,进而估算各情景生态服务价值量.结果表明:退耕还林实施的10种情景中,流域生态服务物质量均发生了变化.情景B之径流、泥沙、总氮、总磷和有机碳的年输出量最高,分别为455 mm、56.8 t·hm-2、132 kg·hm-2、33 kg·hm-2和678 kg·hm-2,而情景J中上述指标最低,分别为303 mm、4.8 t·hm-2、75 kg·hm-2、18 kg·hm-2和383 kg·hm-2,分别下降了33.4%、91.5%、43.1%、45.4%和43.5%;退耕还林工程不同阶段流域生态服务价值也发生了变化,情景B最低,为225万元,情景J最高,为291万元,增加了29.3%.利用实地监测和模型输出的方法进行流域生态服务价值量的计量较为客观,避免了一些生态效益计算上的盲目性,但该方法所需数据量庞大,过程繁杂,限制了其推广应用.     

耦合过程和景观格局的土壤侵蚀水环境影响评价

将景观格局的作用纳入到土壤侵蚀的生态环境影响评估中,具有方法上的实用意义,可为水体泥沙源区识别、评价立地侵蚀对目标水体的泥沙输出风险和流域景观格局对土壤流失抑制潜力提供一种途径.本文将RUSLE模型作为模拟立地土壤侵蚀强度的工具,考虑植被覆盖和地形对泥沙输送的阻滞作用,从点(栅格)和子流域两个尺度,采用景观格局表征方法定量评估南水北调中线水源区土壤侵蚀对河流、水库的影响.在点(栅格)尺度提出土壤侵蚀影响强度(I)指标表征土壤侵蚀对水体的泥沙输出风险;在流域尺度利用反映流域景观格局留滞泥沙能力的渗透指数(LI)指示泥沙进入水体的风险.结果表明： 耦合景观格局信息和侵蚀过程的指标能空间分布式地有效反映立地土壤侵蚀对水体泥沙输入的影响强度;LI与流域平均景观阻滞、平均植被覆盖度呈显著的指数关系, 子流域输沙模数与LI呈显著的指数回归关系.说明基于土壤侵蚀过程表征景观格局、将景观格局信息与景观土壤保持功能结合起来的评价方法,可为土壤侵蚀风险评价提供新途径.     

反坡水平阶对坡耕地径流和泥沙的调控作用

基于天然降雨径流小区,动态监测了澄江抚仙湖一级支流尖山河小流域坡耕地降雨-径流过程及水土流失量,研究了反坡水平阶对云南红壤坡耕地水土流失的调控作用.结果表明：反坡水平阶对研究区地表径流调控率在49.5%～87.7%,产沙调控率在56.7%～96.1%,平均可削减地表径流65.3%、减少泥沙流失80.7%,产流产沙调控作用显著,且产沙调控作用更明显;原状坡面和反坡水平阶处理中各参数的变异系数均依次为：泥沙流失量>径流量>产径流降雨量.与原状坡面相比,反坡水平阶处理下径流量、泥沙量的相对偏离程度较小,说明反坡水平阶对研究区坡耕地水土流失调控作用显著.     

苕溪流域非点源污染特征及其影响因子

应用土壤水体评价模型（SWAT）对苕溪流域径流量、泥沙、营养盐负荷进行模拟计算,分析了2008年苕溪流域非点源污染的时空分布特性.结果表明：苕溪流域非点源污染单位面积产生量表现为北部高于南部、东部高于西部、中部地区最少;耕地是泥沙和污染物产生的主要来源,其单位面积负荷远大于其他土地利用类型;产流量、产沙量与降水量呈显著正相关关系（P<0.05）,雨季(6-9月)的营养盐输出大于旱季(12月至次年3月);平均坡度与泥沙负荷、有机氮负荷及硝态氮负荷呈显著相关关系（P<0.05）.     

小兴安岭森林采伐对河川径流的影响

采用大流域径流测定与小流域对比实验相结合的方法,利用35年的径流和森林资源变化资料,对小兴安岭林区森林采伐后河川径流发生的一系列变化进行了全面系统的研究.结果表明,森林采伐后营造落叶松人工林,造林初期10年内,河川径流量表现为增加趋势;随着落叶松人工林的不断生长和郁闭成林,采伐流域的径流量逐渐减少,并趋于采伐前水平或低于采伐前水平（与对照流域相比）.河川年径流量与年降水量、森林采伐面积及更新造林面积密切相关.森林采伐面积与年径流量呈正相关,森林采伐能增加河川年径流量;更新造林面积与年径流量呈负相关,更新造林能减少年径流量.而森林采伐对洪峰流量和融雪径流量均有显著增加作用.     

基于SWAT模型的祁连山区最佳水源涵养植被模式研究——以石羊河上游杂木河流域为例

以西北干旱区祁连山系杂木河流域为研究区,应用分布式水文模型(SWAT)对该流域的径流进行模拟研究,探讨了流域尺度和微地形尺度7种不同植被组合模式下水文响应特征。结果表明:流域尺度上,单一植被模式在水分收支各分支中能够明显加大流域总蒸散发量,减少流域出山径流量,增加流域的水分蓄变量,为水资源的可持续供给带来时间变异;组合模式明显改善流域水分收支比例,适度减弱流域蒸散发量,增加流域出山径流,为水资源可持续供给提供恒量保证,减弱局地的水资源时间变异程度;微地形尺度上,各种景观类型的水文效应随着海拔高度变化基本一致,径流深随着海拔高度的增加而减小,蒸散发随着海拔高度的增加而增加。不同高度分级中,植被组合模式的不同导致在不同坡度条件下水文效应差异显著,40°坡度是水文效应变化规律发生变化的一个拐点。基于上述分析,提出祁连山区最佳水源涵养效应的生态模式。     

黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响

根据晋西离石试验站的观测结果和相关文献的数据,研究了黄土丘陵沟壑区植被对坡面小区、全坡面、小流域及中大流域4个空间尺度水沙关系的影响。对梁峁坡坡面小区言,由于植被提高了土壤抗蚀性,因此植被不仅通过减水来减沙,也通过改变水沙关系来减沙。但在全坡面尺度,土壤侵蚀以沟蚀为主,由于植被措施难以改变沟道的各种水利参数,也难以有效控制切沟沟壁的重力侵蚀,导致水流进入沟道后仍然可以获取充足的泥沙,因此认为植被不会改变全坡面尺度的水沙关系。同样对于各级流域,由于植被措施难以改变沟道的输沙能力和黄土丘陵沟壑区流域泥沙来源充沛的特点,因此植被措施也不会改变其水沙关系,植被的减沙效应仅通过减水来实现。对离石试验站的一对水土保持对比沟的研究表明,即使在沟道已有茂密植被生长的情况下,高含沙水流的输沙能力也没有改变,这使得两者的水沙关系统计上可以认为完全一致。由于大流域水沙关系主要取决于沟道或河道的特性,而植被等坡面措施很难改变沟道或河道特性,因此认为流域尺度越大,植被越难以改变其水沙关系。     

DEM栅格分辨率和子流域划分对杏子河流域水文模拟的影响

以黄土丘陵沟壑区杏子河流域为研究区,采用数字滤波法分割了杏子河招安水文站1958—1974年的基流量,评价了SWAT模型在该流域水文模拟的适用性,并分析了DEM栅格分辨率和子流域划分对SWAT水文模拟的影响。结果表明,SWAT模型适用于该流域年河川径流、地表径流、基流及产沙量的模拟。当DEM栅格分辨率在20—150 m之间时,SWAT能有效地模拟年河川径流、地表径流、基流及产沙量,各水文要素模拟结果的R2和NSE分别在0.93和0.51以上,RSR在0.43以下;而当栅格分辨率大于150 m时,各水文要素的模拟效果存在差异。子流域划分对流域产流模拟影响较小,而对产沙模拟影响较大。当子流域提取阈值在12—100 km2之间时,不同的子流域划分对产沙量几乎没有影响,若超出该阈值范围,模型会低估产沙量。因此,可针对不同的水文要素选择合适的DEM和子流域提取阈值,以提高模拟精度和运行效率。     

用生态工程技术控制农村非点源水污染

非点源污染的本质是农村生态系统的严重失调,生态工程技术是进行流域生态修复,强化物质循环的有效方法,非点源污染的治理策略有控制径流污染和控制源头污染两个方面。本文介绍了多水塘系统,植被缓冲带,湿地系统,生态农业、坡面生态工程和污染物生态处理6种生态治理技术,它们的有机结合可形成控制非点源污染的流域生态工程,执行时,应该因地制宜,还要加强资金、管理和教育的投入。     

尖峰岭热带山地雨林生态系统的水文生态效应

根据尖峰岭热带山地雨林３个对比集水区的研究,天然更新４０ａ山地雨林生态系统在５￣９月份,蓄养降水资源的５１．８％;１０￣翌年２月份,补枯径流水量１４３．５ｍｍ;特大暴雨的径流响应从３２．７％￣６２．５％、随系统蓄满程度变化。集水区降雨、径流水体ＣＯＤ、氨氮、酚、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｎｉ的浓度含量远低于地面水环境质量Ⅰ类标准;山地雨林系统对降雨中氨氮、酚、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｚｎ浓度贮滤强度分别达２３．     

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。     

Simulation of watershed hydrology and stream water quality under land use and climate change scenarios in Teshio River watershed,northern Japan

Quantitative prediction of environmental impacts of land-use and climate change scenarios in a watershed can serve as a basis for developing sound watershed management schemes. Water quantity and quality are key environmental indicators which are sensitive to various external perturbations. The aim of this study is to evaluate the impacts of land-use and climate changes on water quantity and quality at watershed scale and to understand relationships between hydrologic components and water quality at that scale under different climate and land-use scenarios. We developed an approach for modeling and examining impacts of land-use and climate change scenarios on the water and nutrient cycles. We used an empirical land-use change model (Conversion of Land Use and its Effects, CLUE) and a watershed hydrology and nutrient model (Soil and Water Assessment Tool, SWAT) for the Teshio River watershed in northern Hokkaido, Japan. Predicted future land-use change (from paddy field to farmland) under baseline climate conditions reduced loads of sediment, total nitrogen (N) and total phosphorous (P) from the watershed to the river. This was attributable to higher nutrient uptake by crops and less nutrient mineralization by microbes, reduced nutrient leaching from soil, and lower water yields on farmland. The climate changes (precipitation and temperature) were projected to have greater impact in increasing surface runoff, lateral flow, groundwater discharge and water yield than would land-use change. Surface runoff especially decreased in April and May and increased in March and September with rising temperature. Under the climate change scenarios, the sediment and nutrient loads increased during the snowmelt and rainy seasons, while N and P uptakes by crops increased during the period when fertilizer is normally applied (May through August). The sediment and nutrient loads also increased with increasing winter rainfall because of warming in that season. Organic nutrient mineralization and nutrient leaching increased as well under climate change scenarios. Therefore, we predicted annual water yield, sediment and nutrient loads to increase under climate change scenarios. The sediment and nutrient loads were mainly supplied from agricultural land under land use in each climate change scenario, suggesting that riparian zones and adequate fertilizer management would be a potential mitigation strategy for reducing these negative impacts of land-use and climate changes on water quality. The proposed approach provides a useful source of information for assessing the consequences of hydrology processes and water quality in future land-use and climate change scenarios.     

山美水库流域水量水质模拟的SWAT与CE-QUAL-W2联合模型

为更好地模拟分析流域非点源污染对山美水库水质的影响,联合运用流域日尺度分布式水文模型SWAT和二维垂向水动力水质模型CE-QUAL-W2,将SWAT模型的时序输出作为CE-QUAL-W2模型的输入条件,构建了山美水库流域水量水质模拟联合模型,并对流域径流、输沙和污染物以及水库的水位、水温和无机氮等变量进行了率定.结果表明: 尽管受流域部分计算结果的影响,误差会累积到对下游水库水体的计算,但模型的模拟结果与实测数据的吻合程度仍较高,说明联合模型可以较好地反映山美水库流域及库区水体的水动力和污染过程.模型的使用可以为定位流域关键污染源区及控制水库富营养化提供科学依据.