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。     

流域水环境污染模型及其应用研究综述

流域水环境污染模型是研究流域水环境问题的重要工具,通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过程定量化描述,识别污染物主要来源和迁移途径,估算污染负荷,评价其对流域水环境的影响,可为流域规划与管理提供决策依据.本文对当前国内外广泛应用的流域水环境模型,尤其是模拟污染负荷的模型进行了系统总结,主要包括污染负荷模型(GWLF与PLOAD)、受纳水体水质模型(QUAL2E与WASP)、以及集成污染负荷与水体水质的综合流域模型(HSPF、SWAT、AGNPS、AnnAGNPS、SWMM),着重介绍各模型的结构原理与主要特点,讨论模型实际应用的局限性.此外,还对其他水质模型(CE-QUAL-W2、EFDC和AQUATOX)与综合流域模型(GLEAMS和MIKE SHE)进行了简要的总结.最后,通过对单个模型独立运用和多个模型联合运用的案例分析,探讨了流域水环境污染模型的发展趋势与应用前景.     

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.     

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。     

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％．     

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%.     

西藏羊湖地区及近1.4万年以来孢粉植物群及古气候研究

通过对西藏羊湖地区ZK1和卡拉苏代牙剖面(IP16)的孢粉分析和总有机碳(TOC)、元素含量分析等,建立了羊湖地区近1．4万年以来的孢粉组合带、重建当时的植被类型及古气候演变序列。结果显示：该时期经历了5次植被类型的更替,即草原型→疏林草原型→草原型→疏林草原型→草原型,与之相对应的气候经历了5次波动(2个半旋回),即11220a．B．P．左右的第一气候旋回：由干旱→半干旱半湿润转化;8970a．B．P．左右的第二气候旋回,同样由干旱→半干旱半湿润转化,然后进入半个气候旋回,即干旱气候期,推测今后有可能进入半干旱半湿润气候期。     

西藏羊湖地区近1.4万年以来孢粉植物群及古气候研究

通过对西藏羊湖地区ZK1和卡拉苏代牙剖面(IP16)的孢粉分析和总有机碳(TOC)、元素含量分析等,建立了羊湖地区近1.4万年以来的孢粉组合带、重建当时的植被类型及古气候演变序列.结果显示:该时期经历了5次植被类型的更替,即草原型→疏林草原型→草原型→疏林草原型→草原型,与之相对应的气候经历了5次波动(2个半旋回),即11220a.B.P.左右的第一气候旋回:由干旱→半干旱半湿润转化;8970a.B.P.左右的第二气候旋回,同样由干旱→半干旱半湿润转化,然后进入半个气候旋回,即干旱气候期,推测今后有可能进入半干旱半湿润气候期.     

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）.     

极地大气汞亏损研究进展

汞是唯一以气态单质形态随大气循环参与全球迁移的重金属元素,大气汞的长距离传输是汞的生物地球化学循环的重要特性之一,对全球汞循环有着重要的影响.由于汞的全球传输与沉降,汞在极地的污染不容忽视.科学工作者分别于1995年、2000年在北极和南极地区发现了大气汞亏损现象,并提出了对大气汞迁移转化的新认识,促进了对特殊气候、环境下汞在大气中的形态转化及其对陆地生态系统的影响研究.目前对极地大气汞亏损过程及其影响了解仍不够深入.本文从极地大气汞的分布、大气汞亏损的发生机制、沉降汞的归趋以及生物响应等综述了近年来对极地大气汞亏损的研究工作,并对极地大气汞亏损今后的研究方向作了展望,为特殊气候环境下大气汞的迁移转化机理研究提供借鉴.     

Development and application of watershed-scale indicator to quantify non-point source P losses in semi-humid and semi-arid watershed,China

Quantifying non-point source (NPS) phosphorus (P) pollution loads is essential for watershed nutrients management. This study intended to develop a NPS P indicator which (1) was suitable in semi-humid and semi-arid watersheds of Northern China; (2) integrated the key NPS P loss factors and constructed them in a simple and physically understandable way and (3) kept P loss forms distinctively separate. An inverse distance-based delivery ratio was proposed to count for the P delivery efficiency from source to watercourses. We applied this P indicator in Luan River Watershed (LRW) of northern China under typical hydrological years and seasons. Results demonstrated that this NPS P indicator predicted reasonable NPS TP loads using simple methods and readily obtainable inputs. The sub-watersheds located in the south of LRW were recognized as the high risk areas of NPS P loss to Panjiakou reservoir. The upland and paddy fields near the river channels were particularly posing high risk and thus should be treated with prioritized management practices such as soil conservation and recommended fertilization. Rainfall-runoff related variables rather than P source variables explained more of the spatial variation in NPS P load and percentages. Using this tool could give policy makers insight into the component and location of NPS P pollution that needs to be the focus of policy at watershed scales before sophisticated studies were conducted in smaller scales.     

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。     

近40年来辽宁地区气候干湿界线年代际波动及其成因

应用1961～2004年辽宁省内52个气象站的温度、降水、湿度、风和日照等气候资料,采用改进的Penman模型计算了辽宁地区近40年的潜在蒸发量,讨论了其时空代表性及分布特征;以干燥度指数为干湿气候区的划分标准,通过对该地区近40年干湿气候界线波动状况的对比,在10年际尺度上详细分析了其干湿气候界线波动及变化规律.结果表明,20世纪60年代以来,辽宁省干湿气候界线波动显著,呈现出整体移动的特征,但半湿润与湿润、半干旱与半湿润两条界线并未表现出同进、同退的年际变化特征.20世纪90年代辽宁省干湿气候存在一次突变,半湿润与湿润界限明显东移,半干旱与半湿润界线明显西移,半干旱和湿润区面积都显著缩小,半湿润区面积显著扩大.辽宁西部的气候干湿状况主要由西太平洋副热带高压和东南季风控制,辽宁东部的气候干湿状况除受西太平洋副热带高压和东南季风的影响外,还应考虑到地形降水的作用.     

青藏高原植被生长季NDVI时空变化与影响因素

青藏高原是中国乃至亚洲的生态屏障,研究其植被对气候变化的响应对区域生态保护具有重要的现实意义.基于MOD09A1数据反演的生长季归一化植被指数(NDVI),分析2001-2018年青藏高原植被生长季NDVI时空特征和变化趋势,结合气象站点数据阐释NDVI与气候因子的关系.结果 表明:研究期间,青藏高原植被生长季NDVI...     

基于“源-汇”景观的饮用水源地非点源污染风险遥感识别与评价

非点源污染因分布广泛、产生过程复杂、防治困难,近年成为影响饮用水源地水环境的重要污染源。以海南三亚赤田水库为例,开展了基于"源-汇"景观的非点源污染风险遥感识别与评价分析。首先,采用高分辨率遥感影像分类提取水源地不同类型景观分布信息;结合"源-汇"对污染的促进\\阻碍作用,在考虑影响污染物迁移的"河道距离"因子、坡度因子情况下,利用非点源污染风险指数的计算实现对区域非点源污染风险的快速识别;并基于洛伦兹曲线分析水源地景观空间分布对非点源污染的影响。结果表明:一方面,流域非点源污染风险总体较低,"汇"景观占主导作用的子流域占整个区域的76.50%;污染风险呈现东高西低的特点,极高风险区主要分布于以居住用地、建设用地等"源"景观类型为主的流域东南部区域,占整体区域面积的1.28%,而西部以林地为主污染风险小;另一方面,基于坡度因子的"源""汇"景观污染负荷之比值大于1,"源"景观在低坡度区域分布范围广,景观布局较合理;基于"河道距离"因子的"源""汇"景观污染负荷之比值为2.30,"源"景观在距河道近的区域分布范围大,对污染影响大,近河道区域需进一步调整景观格局以降低对非点源污染的影响。基...     

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。     

黄土高原不同降水区休闲期土壤贮水效率及其对冬小麦水分利用的影响

土壤贮水是影响黄土高原冬小麦生产力的最重要因素,分析休闲期贮水效率对有效利用水资源具有重要意义。利用黄土高原旱作区4个农业气象观测站土壤水分长期观测资料和冬小麦产量资料,探讨了不同气候区休闲期土壤贮水和耗水特征及对冬小麦水分利用的影响。结果表明:(1)黄土高原旱作区休闲期1 m土层多年平均贮水量半湿润区为9 1mm,贮水效率为30.7%,半干旱区为32 mm,贮水效率为16.5%,且不同降水年型、不同气候区休闲期贮水量和贮水效率差别较大;(2)黄土高原旱作区1 m土层贮水量从土壤解冻至封冻期间基本呈波谷型分布,休闲期为主要贮水阶段,冬小麦返青—开花期为休闲期贮水的主要消耗阶段。半湿润区休闲期土壤贮水量主要消耗在起身至开花期,半干旱区主要消耗在越冬至拔节期;(3)黄土高原旱作区播种—越冬前消耗0—40 cm土层贮水,越冬-起身期各土层贮水量都有消耗,起身—开花期半湿润区主要消耗0—40 cm土层贮水量、半干旱区主要消耗0—60 cm土层贮水量,开花—成熟期半湿润区主要消耗40 mm以下土层贮水量、半干旱区主要消耗60 cm以下土层贮水量;(4)黄土高原休闲期贮水效率与冬小麦产量显著相关,半湿润区水分利用效率远高于半干旱区。黄土高原不同区域降水时空分布不均和土壤贮水能力的差异是造成不同气候区休闲期水分贮存差异的主要原因,通过调整耕作方式、水肥管理、种植结构进一步实现冬小麦增产和水分高效利用。     

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。     

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。