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5t.hm-2,氮、磷等养分输出量可降低至容许范围.     

三峡库区黑沟流域AnnAGNPS参数空间聚合效应

农业非点源污染物是长江三峡库区主要污染源之一,已造成令人关注的生态、环境和健康等问题,流域模型(AnnAGNPS)与GIS结合,为空间数据组织和模型参数空间聚合提供技术基础,是其预测和流域规划与管理的有效途径.三峡库区小流域条件下,基于临界源面积(CSA)和最小初始沟道长度(MSCL)值域设定,形成不同流域划分方案,空间离散单元(SDU)水平,即SDU大小及数量,影响输入参数空间聚合效应及模型输出结果.在黑沟小流域(144.4 hm~2)应用已校准AnnAGNPS模型,设定CSA和 MSCL值域为0.5～15hm~2及7.5～200m,10种SDU水平、流域尺度和条件下,结果表明:空间参数聚合程度和模型输出结果均随SDU尺度改变而发生变化.土地利用与土壤类型等参数具有明显的聚合效应,径流、泥沙和养分输出具有不同的SDU适宜水平和范围.SDU尺度聚合效应对径流量影响较小,而对泥沙、总N、总P模拟影响较大;径流量、泥沙、总N、总P模拟输出误差可接受SDU尺度范围分别为0.5～18、2～6、0.5～6 hm~2.因此,应用AnnAGNPS模型,更需要注意不同子模型所需要适宜的SDU尺度水平.     

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。     

遥感和GIS辅助下流域养分迁移过程的计算机模拟

农业非点源污染问题已成为我国重要的环境污染类型之一.利用空间模型对流域N、P的迁移过程进行计算机模拟,是研究非点源污染控制方法的一个有效手段.设计了遥感和GIS技术辅助下的流域水分和养分迁移过程分布式的模拟方法,包括模型选择、流域的空间离散化和参数化、模型模拟和结果验证3个步骤,为控制流域水肥流失提供了思路.以江西兴国潋水河流域(579km²)为研究区域,选择美国农业部设计的SWAT模型,设计了流域-子流域-水文响应单元的空间离散方案和实现步骤.首先依据地形特征,将整个流域分割成多个子流域,每个子流域内部通过叠加统计分析,生成单一土地利用类型和土壤类型组合的水文响应单元.土地利用参数用TM遥感图像进行监督分类获得,土壤参数化利用地统计学采样和插值分析获得.对1991～2000年的初步预测结果表明,SWAT模型能够较好地模拟潋水河流域的径流水量和泥沙的变化,产水和产沙10年平均预测精度分别为89.9%和70.2%.     

辽宁中部城市群城市非点源污染负荷评估

过去几十年我国经历了快速城市化过程,这使得不透水面大幅度增加,导致地表径流和洪峰流量增加,进入水体的污染物增多。城市非点源污染已成为河流水体恶化、生态系统退化的重要原因。在快速城市化过程中,城市群已成为城市化发展的新阶段。位于同一流域的各城市所产生的城市非点源污染导致城市群流域水环境问题越来越突出,成为制约城市群流域可持续发展的关键因素之一。现有的关于城市非点源的研究多集中于城市内部小尺度,对城市群大尺度的研究亟需发展。以位于浑河太子河流域的辽宁中部城市群为例,在沈阳市不同功能区和不同下垫面进行降雨径流采样,基于事件平均浓度（Event Mean Concentration, EMC）法和SWMM（Storm Water Management Model）模型相结合的方式,定量评估城市群流域城市非点源污染负荷。研究结果表明：路面径流中城市非点源污染物浓度、负荷量及其单位面积负荷要高于屋面径流和透水面径流。辽宁中部城市群TP、TN、COD、TSS的年均城市非点源污染负荷分别为265.52、852.89、2249.71、192496.74 t/a,重金属Cd、Ni、Pb、Cr、Cu、Zn的年均城市非点源污染负荷分别为347.99、9932.62、25861.29、28360.41、36068.30、138840.42 kg/a。沈阳市城市非点源污染负荷最高,但其单位面积负荷最低。本研究基于更为精细的城市下垫面划分,综合考虑城市功能区划、下垫面类型和降雨强度,更为准确的评估了辽宁中部城市群流域的城市非点源污染负荷。该研究能够为高度城市化流域城市非点源污染防控和水环境综合治理提供科学依据。     

遥感和GIS辅助下流域养分迁移过程的计算机模拟

农业非点源污染问题已成为我国重要的环境污染类型之一．利用空间模型对流域N、P的迁移过程进行计算机模拟,是研究非点源污染控制方法的一个有效手段．设计了遥感和GIS技术辅助下的流域水分和养分迁移过程分布式的模拟方法,包括模型选择、流域的空间离散化和参数化、模型模拟和结果验证3个步骤,为控制流域水肥流失提供了思路．以江西兴国潋水河流域(579km^2)为研究区域,选择美国农业部设计的SWAT模型,设计了流域．子流域-水文响应单元的空间离散方案和实现步骤．首先依据地形特征,将整个流域分割成多个子流域,每个子流域内部通过叠加统计分析,生成单一土地利用类型和土壤类型组合的水文响应单元．土地利用参数用TM遥感图像进行监督分类获得,土壤参数化利用地统计学采样和插值分析获得．对1991～2000年的初步预测结果表明,SWAT模型能够较好地模拟潋水河流域的径流水量和泥沙的变化,产水和产沙10年平均预测精度分别为89．9％和70．2％．     

基于SWMM模型的沈阳典型小区非点源污染情景模拟

随着城市化发展,城市非点源污染占流域非点源污染比例不断增加,正成为研究的热点和难点。本研究基于实测和分布式水文模型SWMM结合方法,在3S技术的支撑下,以沈阳市典型居民小区为例,构建城市非点源污染负荷计算模型,并分析了不同降雨事件重现期和雨型条件下降雨径流及非点源污染负荷变化特征。结果表明,构建的SWWM模型精度较高,纳什效率系数(NSE)达到了0.7以上;TSS、TN、TP和COD的模拟精度较好,对重金属的模拟效果较差。降雨量增加对污染排放影响显著,降雨量由0.25年一遇增加到5年一遇,径流量增加了274.13%,同时TSS、TN、TP和COD分别增加了83.18%、119.37%、103.15%和78.07%;不同雨型降雨对污染浓度峰值产生过程存在影响,雨峰越靠前,污染物的峰值浓度越大。本研究结果能够对城市非点源污染负荷核算和海绵城市建设提供科学依据。     

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.     

模拟降雨下喀斯特坡耕地土壤养分输出机制

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素。为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征。结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程。(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显。(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6%—46.2%,TN在7.0%—48.5%之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5%—57.0%之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5%以上。研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据。     

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。     

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。     

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).     

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.     

非点源污染输出对土地利用和社会经济变化响应的案例研究

为研究三峡库区(重庆段)自2006年10月蓄水(156m)以来,非点源污染输出对土地利用及社会经济背景变化响应的时空分异特征,综合考虑库区典型土地利用变化模式及社会经济背景,选取三峡库区腹地奉节县、忠县、库尾江津区及主城沙坪坝区为研究对象,使用动态输出系数模型法,以2007年、2010年和2013年3期遥感影像为数据源,分析了研究区2007年到2013年非点源污染TN、TP负荷量随土地利用类型改变及社会经济的发展而产生的时空变化特征。研究表明,6年间,研究区污染物TN从2007年的12126.9t上升到2013年的12692.3t,TP从2007年的394.6t上升到2013年的407.2t。就各典型区县而言,城市发展新区江津区非点源污染负荷呈上升趋势,TN、TP负荷量涨幅分别达到了28.6%和24.1%;而库尾城市快速扩展的沙坪坝区则呈现下降趋势,非点源污染TN、TP负荷量分别下降了48.8%和68.9%;仍保持传统农业的奉节县和忠县变化不大。     

土地利用变化情景下浑河-太子河流域的非点源污染模拟

近年来非点源污染已经成为水污染的主要来源,对非点源污染发生机理和控制方法的研究有着重要的科学和现实意义.为了研究不同土地利用方式对非点源污染的影响,本文基于土地利用变化模型CLUE-S模拟了城市规划、历史趋势和生态保护3个预案下浑河-太子河流域土地利用未来变化.应用SWAT模型对非点源污染进行了模拟研究,并结合实测数据对模拟结果进行了评价.结合两个模型研究了3个土地利用预案下非点源污染对土地利用和景观格局变化的响应.结果表明: SWAT模型在浑河-太子河流域模拟精度较高,该模型在研究区具有适用性.城市规划和历史趋势预案下非点源污染负荷不断增加,城市规划方案下最高,生态保护预案下非点源污染负荷呈不断下降趋势.不同土地利用和景观格局对非点源污染有一定的影响,科学合理的生态建设能够有效减少非点源污染负荷.研究结果可以为流域的非点源污染研究提供案例,为非点源污染防治和最佳管理措施的制定提供科学依据,为相关政策制定提供参考.     

农业政策环境扩展模型在我国农业面源污染研究中的应用

我国的面源污染问题逐渐受到政府和科学界的重视,然而面源污染是一个复杂的系统过程,涉及多种因素和多个过程。面源(NPS)污染模型作为解决面源污染相关问题的研究和管理工具,在进行面源污染总量估算和严重程度评价、污染物流失路径和影响因素分析、治理策略制定等方面都有重要的作用。在我国,虽然针对面源污染模型进行了大量相关研究,既包含对基于国外模型的应用与验证,也包含基于观测数据自主研发的模型,但仍然存在模型应用和验证案例不足、已有的模型应用同中国面源污染特征结合不足、模型发展同面源污染机理研究结合不足等问题,而农业政策环境扩展(APEX)模型在应对这些问题上具有一定的优势。结合我国面源污染模型相关研究存在的问题、APEX模型模块和研究进展进行了介绍,对APEX模型在我国面源污染相关问题的研究中涉及的畜禽养殖、复杂耕作系统、特定BMP和水稻田的模拟等相关问题的应用前景进行了探讨,以期能够促进我国农业面源污染模型的发展。