海河流域农业面源污染潜在风险识别方法

在综合分析农业面源污染风险源汇因子的基础上,筛选出影响海河流域农业面源污染的8个主要因子（年降水量、溶解态面源污染物入河系数、吸附态面源污染物入河系数、年植被覆盖度、坡度、土壤可侵蚀性因子、农田氮表观平衡量和农田磷表观平衡量）,建立了农业面源污染潜在风险识别指标体系,采用多因子综合分析法对海河流域农业面源污染潜在风险等级进行评价,并与DPeRS模型风险识别结果进行偏差分析.结果表明,海河流域有61.91%的区域存在农业面源污染潜在风险,集中分布在流域的中部和南部地区,高风险区主要分布在北京市东南部、天津市中部、流域山东段东北部和河南段南部等区域;与DPeRS模型识别结果对比验证,显示同一风险等级面积相差不超过12%,且高风险级别面积相差仅为0.12%,97.17%以上的区域均为偏差小或无偏差,表明该识别方法具有与DPeRS模型法同等水平的农业面源污染潜在风险识别精准度,可实现区域农业面源污染潜在风险的快速、高效识别.     

象山港流域入湾河流水体中重金属风险评价及其来源解析

本文根据丰水期象山港8种溶解态重金属的浓度调查,通过单因子污染指数(P_i)、内梅罗综合污染指数(P_n)和重金属污染指数(HPI)评价方法研究了重金属流域内入湾河流中重金属的污染.基于流域内土地利用类型与重金属浓度的相关性,结合实地走访调查,对重金属的来源进行了解析.结果表明,区域内重金属平均浓度大小表现为:FeMnZnCuAsCrPbCd;除Mn和Fe外,其余6种重金属浓度均符合《地表水环境质量标准》中的Ⅰ类水标准;区域内重金属风险较低,无污染现象,但存在沾污情况;以水产养殖为代表的农业面源污染是区域内重金属出现沾污的主要因素.为了合理规避区域内城镇化发展进程中的重金属风险,重点在于加强以农业面源为主的污染源监管.     

基于DPeRS模型的海河流域面源污染潜在风险评估

运用DPeRS（diffuse pollution estimation with remote sensing）模型对海河流域面源污染物的空间分布特征和污染来源进行遥感像元尺度解析,结合地表水质评价标准,构建了面源污染潜在风险分级方法,评估了海河流域面源污染潜在风险.结果表明：污染量上,海河流域总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH₄⁺-N）和化学需氧量（COD）面源污染排放负荷分别为429.2、25.7、288.3和1017.0 kg ·km^-2,入河量分别为2.5万t、1597.2 t、1.7万t和6.6万t;污染类型上,农田径流是海河流域最主要的氮磷型（TN、TP和NH₄⁺-N）面源污染源,对于COD指标,城镇生活是首要污染类型,其次为畜禽养殖;空间分布上,海河流域中部和南部地区面源污染负荷较高,此区域也是该流域面源污染高风险集中分布区,氮磷型面源污染高风险区域分布相对较为集中,化学需氧量型则较为零散;海河流域有36%以上的区域存在氮磷型面源污染风险,有2.94%的区域存在化学需氧量型面源污染风险.     

基于多准则分析的非点源污染评价和分区——以北京怀柔区北宅小流域为例

非点源污染控制难度大、成本高,因此有必要对污染源划分等级,从而分别进行管理与规划.本研究提出了“风险评价-规划分区-分别管理”的非点源污染规划思路.“风险评价”在借鉴已有的非点源风险评价模型基础上,提出了基于多准则分析的非点源污染评价方法.该评价方法以土地利用因子、径流因子和距离因子为参评指标,采用改进的理想解法(Technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)确定因子权重,减少了人为主观性;“规划分区”依据“适度保护、优先规划、重点管理”的原则,结合风险评价结果,可将流域划分为5类管理分区;“分别管理”是对各类管理区分别配以针对性的BMPs和生态工程措施.“风险评价-规划分区-分别管理”这套方法层层递进不仅能评价流域非点源污染,也能定量为流域内非点源污染源的管理提供科学方案.最后将该方法在北宅小流域进行了应用,结果表明,该方法克服了传统方法的过于主观、局限性大的缺陷,可为类似流域非点源污染评价和管理提供参考.     

查干湖汇水区面源污染风险识别及管控

面源污染是我国流域面临的主要水环境问题,为了识别面源污染高风险区和潜在风险路径,实现流域水环境保护,以查干湖水质目标为约束条件,构建4类关键“源”景观.选取高程、坡度、土地利用类型、污染强度、距居民点距离、距公路距离、距铁路距离、距水体距离等8个评价因子构建阻力面,对查干湖汇水区面源污染风险区和风险路径进行识别,提出管控分区和治理措施.结果表明:①查干湖汇水区关键“源”景观有4类,分别为面源污染单位面积高负荷区、坡度>3°区域、污染传输通道和临湖区域,面积共126.33 km2.②查干湖汇水区面源污染高风险区即面源污染重点管控区,占汇水区总面积的27.10%,主要位于乾安灌区有字泡区域、查干湖及周边泡沼沿岸.区内现有耕地不再增加,同时对坡度较大的区域退耕还湿、退耕还草,并设置污染降解设施.③查干湖汇水区面源污染较高风险区即面源污染一般管控区,占汇水区总面积的20.23%.该区鼓励开展有机农业,发展生态旅游.④查干湖北岸和东南岸、库里泡周边设置一定宽度的植被缓冲带,汇水区设置生态降解渠道333.41 km,生态湿地节点9个.研究显示,污染排放强度是查干湖汇水区面源污染风险的主要威胁因素,需要重点加强查干湖汇水区乾安灌区有字泡、湖区北岸及东南岸的面源污染管控.      

基于改进输出系数法的矿区重金属面源污染负荷核算模型

借鉴农业面源污染负荷核算研究成果,结合我国实际情况,以输出系数法为基础,提出矿区面源污染负荷核算模型.考虑重金属污染的来源和特点,将矿山地区的土地类型分为尾矿库区、降尘污染区、运输污染区和自然土地4类,分别计算各类型土地的输出系数.考虑到重金属在水中的溶出率影响,在模型中引入了溶出率因子,以构建适应矿区流域的重金属非点源污染负荷核算模型,并用该模型对浑河流域重金属面源负荷进行了估算.结果表明:矿山地区重金属污染主要来自运输污染区和自然土地,占总污染负荷的77%左右.从模拟过程和模拟结果可知,面源污染负荷核算模型所需原始资料较少,参数计算较方便,是计算矿山地区重金属面源污染负荷的可靠方法.      

巢湖流域氮磷面源污染与水华空间分布遥感解析

基于遥感监测手段,分别应用DPeRS模型和MODIS水华提取方法对巢湖流域氮磷面源污染特征和巢湖水体水华爆发规律进行遥感像元尺度解析,结果表明: 2010年巢湖流域总氮产生量为1900.3t,入河量为846.5t;总磷为244.1t,入河量为76t.巢湖流域农业面源污染对氮素污染贡献最大,而水土流失则对磷面源污染贡献最大;综合巢湖流域氮磷面源污染和水华爆发的时空特征分析,明确氮磷面源污染与巢湖水华具有相关性,并且时间上水华爆发频率较氮磷面源污染具有先滞后后同步的特征,且面源污染负荷与水华爆发面积的相关系数为0.45;在空间上,面源污染负荷较大区域与水华爆发频度较高区域也有较好的匹配性;基于这种相关性,应用DPeRS模型对巢湖流域进行氮磷减排情景分析,结果表明在施肥量减少30%,农村生活垃圾处理率提高到60%,畜禽粪便处理率和城市垃圾处理率提高到80%的情况下,氮磷面源污染平均削减率可以达到50%.     

流域尺度污染溯源模拟-优化防控方法:以铜陵市顺安河流域为例

长江经济带发展是我国重要国家战略,但面临着水环境保护难度大、污染来源不清和措施集成度低等问题.针对流域尺度多源污染协同治理面临的方法瓶颈,结合资料调研分析、机制模型模拟和智能算法优化,构建了"污染精准溯源-措施效果评价-措施整体优化"为主体的流域水环境保护框架,并以安徽省铜陵市顺安河流域为例进行了方案应用.结果表明,新框架可精准量化流域内种植业、农村生活、畜禽养殖、水产养殖、工业废水和生活污水的贡献,并评价多种防控措施及其集成的总体效果;多目标优化蛙跳算法通过系统对比多种方案的成本效益,提供了性价比高的流域多源污染协同治理方案,如通过合理投资可使顺安河流域总氮在丰、平和枯水年分别削减1274.24、855.24和381.96 t ·a^-1,总磷削减321.42、159.80和42.93 t ·a^-1,保障水质达到地表Ⅲ类水质标准.新框架可推广到其他流域,为流域高质量发展背景下的水环境保护提供模式参考.     

考虑面源污染的农业开发流域生态安全评价研究

随着农业开发的进程,流域生态安全会发生相应变化,在考虑面源污染的基础上,以挠力河为例开展该研究.该流域14年来的土地利用类型发生较大变迁,耕作方式改变,破坏了流域的生态安全,同时大量农药化肥的使用,使得大量氮、磷为主的营养污染物引发农业面源污染,面源污染将成为生态安全评价的一项重要指标.为了对农业面源污染进行量化,对生境质量进行直观评价,考虑面源污染做出流域生态安全的变化评估,选取SWAT模型和InVEST模型（生态系统服务和交易的综合评估模型）,同时考虑面源污染及生境质量,对比挠力河流域2000年、2006年、2014年三个年份的生态安全变化.根据输出结果,分析时空变化模式,得到氮磷负荷、生态环境质量对时空变化的响应,讨论提出有效的防控建议.     

汉丰湖流域农业面源污染氮磷排放特征分析

为把握汉丰湖流域农业面源污染现状,探明其首要污染源和重点控制区域,应用排污系数法估算了汉丰湖流域2015年种植业源、畜禽养殖业源和农村生活源TN、TP污染物的贡献量,利用GIS空间分析法研究了其排放的空间分布特征.结果表明,2015年汉丰湖流域农业面源污染TN和TP的总负荷量分别为2721.42 t和492.04 t;等标污染负荷量以南河子流域最大,汉丰湖子流域最小;不同类型农业面源等标污染负荷总量差异很大,以肥料源和畜禽养殖源为主要来源,其中肥料源等标污染贡献率为76.92%,是汉丰湖流域首要污染源;各乡镇中,敦好镇、铁桥镇和白桥镇的等标污染负荷量较高,均高于350 m³·a^-1,为重点控制乡镇.等标污染负荷评价及聚类分析结果表明,汉丰湖流域农业面源有种植业源-畜禽养殖源复合主导型、肥料源-畜禽养殖源复合主导型、种植业源严重污染型和肥料源复合主导型这4种污染类型.     

巢湖流域非点源磷流失关键源区识别

农业非点源磷污染是水体富营养化的重要原因.识别流域内各类景观中土壤磷向水体流失风险最大的关键源区并加以重点控制是流域非点源磷污染治理的重要手段.以巢湖流域为研究区,尝试采用改进的磷指数法在较大的流域尺度开展非点源磷流失风险评价及关键源区识别.在影响磷流失的污染源因子中增加了土壤磷吸持指数和磷饱和度指标.以反映土壤磷在水土界面迁移能力的差异;在迁移因子中又考虑了污染源与巢湖的距离.以反映污染源对最终受纳水体的影响;同时根据研究区特征及研究尺度对磷指数各指标分级与等级值进行了修改.结果表明,流域土壤磷吸持指数空间差异较小,总体上偏低,具有较高的流失风险;而土壤磷饱和度空间差异较显著,饱和度>25%的高风险区域超过流域面积的40%.巢湖流域非点源磷污染风险指数空间差异显著,风险等级最高(占流域面积5%)的区域分布在主要入湖河流下游的两岸平原地区,应作为磷污染重点控制的关键源区.磷指数法能够快速而方便地识别非点源磷污染的关键源区,应用于较大尺度流域可以从宏观上掌握非点源磷污染的空间差异并实施有效治理.     

基于格局-过程理论的非点源污染实证研究:以黄土丘陵沟壑区水土流失为例

非点源污染是影响地表环境的主要污染方式之一.针对黄土高原丘陵沟壑区水土流失这一典型的非点源污染问题,应用非点源污染的空间识别方法———景观空间负荷对比指数和景观坡度指数,对黄土高原泾河流域12个子流域进行了实证研究.结果表明,耕地、低覆盖度草地和各种林地的景观坡度指数和景观空间负荷对比指数对流域土壤侵蚀模数有显著的响应关系,对径流深度存在着一定的响应关系,而对径流变异系数和侵蚀变异系数没有明显的响应.说明景观空间负荷对比指数和景观坡度指数对流域水土流失具有一定的指示作用,可作为水土流失等非点源污染空间风险评价的1个有用方法.     

北运河上游非点源污染风险空间分布特征研究

非点源污染是流域水环境污染的重要原因之一,非点源污染风险分区是有效治理水污染的重要前提.本文采用指数函数法改进潜在非点源污染指数（Potential Non-Point Pollution Index,PNPI）模型基于专家评价法主观赋权的不足,并采用改进后的PNPI模型解析北运河上游流域非点源污染风险空间分布特征.结果表明：①指数函数法通过构建土地利用指标、径流指标和距离指标的指数函数描述污染源因子与运输因子之间的关系,能够直观反映研究区内非点源污染风险的空间分布特征;②研究区2017年非点源污染风险呈现出东南高西北低的空间分布特征,极低、低、中等、高和极高风险区面积占比分别为52.4%、0.5%、12.4%、25.1%和9.6%;③研究区非点源污染极高风险区主要集中在人口密集的东南平原区河道两侧,主要土地利用方式为城镇用地;极低风险区则主要分布在人口稀疏且距离河道较远的西北山区,主要土地利用方式为有林地.PNPI模型模拟结果可为北运河上游流域非点源污染防治和生态清洁小流域分区治理提供科学参考.     

信息约束条件下的流域农业面源污染控制优化

我国广大小流域迫切需要开展农业面源污染控制,但却面临着水质、水文、气象、土地等监测资料不足的信息约束条件。为了应对此问题,本文以具有冻融变化特征的东北地区为例,开发了一套信息约束条件下的流域农业面源污染控制优化系统。首先,提出了农业面源污染负荷的计算方法。其次,分析了流域水质的影响因素。接着,建立了面源污染输入与流域出水口水质之间的响应关系,经验证该系统输出数据与实际污染状况相吻合,能够很好地模拟流域污染状况。最后通过各种削减策略的运用,模拟出农业面源污染削减率和削减后的总氮浓度。通过采用本研究制定的控制优化方案,改变种植类型和面积以及改善施肥配施比,将污染源数据进行量化作为输入数据,经系统输出得到模拟污染输出数据,可得到较好的污染削减效果。研究结果为信息约束条件下治理流域农业面源污染提供了决策支持。     

妫水河流域农耕区非点源磷污染危险性评价与关键源区识别

农业非点源磷污染是我国农村水环境面临的严重污染问题,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污染控制的重点.本文在Hughes等的流域尺度磷分级方案的基础上,提出了修正的流域尺度磷分级方案,并运用到官厅水库上游妫水河农耕区的磷元素危险性评价.提出的新方案中包括8个评价因子,每个因子都有3个磷流失危险性等级,各评价因子均确定了定量分析方法.结果表明,从作物的人为管理角度来看,蔬菜地的磷肥管理方式最不合理,发生磷流失的可能性最高.研究区内大部分区域的土壤有效磷含量较高,但土壤侵蚀程度较小.评价结果图显示,研究区内磷流失危险性低的区域所占面积较小.根据评价结果,确定了研究区内磷流失的关键源区,分析了其空间分布特点,并提出了相应的控制管理对策.研究表明修正的流域尺度磷分级方案具有较高的可操作性和实用性.     

丹江口水库水源区农业面源污染物流失量估算

丹江口水库是南水北调中线工程的水源地,也是我国规模最大的饮用水水源保护区,农业面源污染是影响其水质的首要因素,合理估算其水源区农业面源污染物的流失量对确保该水库水质有着重大意义.在实地调研的基础上,采用分形理论估算了丹江口水库水源区河南省所在区域2013年TN、TP的流失量,并与输出系数法的结果进行比较.结果表明:两种方法都显示该区域污染物的流失以氮为主,其中分形理论结果显示TN流失量是TP流失量的7.156倍（输出系数法为6.773）;禽畜养殖产生的污染物流失量最多,占总流失量的69.93%（输出系数法为70.28%）,农田化肥产生的污染物流失量占总流失量的21.99%（输出系数法为21.74%）;无论是TN、TP的流失总量,还是二者的总流失量,两种算法配对t检验的P值（双侧）均小于0.05,具有统计学意义;分形方法考虑了下垫面对污染物流失的影响,而输出系数法只是简单地将各区域的流失率平均化,故分形方法所得结果比输出系数法更为可靠.研究显示,运用分形方法来研究区域面源污染是适宜的,同时也拓展了流域尺度面源污染的计算方法.      

高分辨率数据驱动的流域非点源污染输出风险评估方法

近年来,非点源污染已成为我国部分水库水质恶化的主要原因.以潘家口水库流域为例,引入动态降水因子和地形因子改进经典的输出风险模型,结合高分辨率的卫星反演降水产品(GPM)和高分六号卫星影像,建立高分辨率数据驱动的非点源污染输出风险评估模型,开展潘家口水库流域的非点源污染输出风险时空分布特征研究.结果表明,研究区2018年非点源污染输出风险较高,其中氮元素污染输出高风险和较高风险区约占流域总面积的70.6%,磷元素污染输出无高风险区,较高风险区约占流域总面积的21.9%.分析流域非点源污染输出风险时空分布特征,发现4～9月潘家口水库流域非点源污染输出风险呈现先增后减趋势,在7月和8月最高,与流域降水时空分布一致;结合土地利用分布特征分析,流域上游以耕地为主,城市集中在流域下游,受农业生产和人类活动的影响,这些区域的非点源污染输出风险较高.针对非点源污染输出风险时空分布特征,应制定合理的农业施肥方式,规划非点源污染“源-汇”景观布局以及建设植被缓冲带.     

AnnAGNPS 模型应用于辽河源头小流域的主要参数确定方法

农业非点源污染已成为辽河源头区水体污染的治理重点,农业非点源污染模型AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source Pollution Model)模拟农业非点源污染是可行的,但模拟精度取决于模型参数.本文以辽河源头区典型小流域为例,根据集水区的划分与流域非点源污染的空间分布密切相关,以不同的临界汇水区面积CSA(the critical source area)和最小初始沟道长度MSCL(the minimum source channel length)划分出不同数量的集水区进行多次模型模拟,当多种污染源负荷均趋于稳定时确定集水区单元划分数量;针对我国土壤普查数据的土壤质地体系与建立AnnAGNPS模型的土壤质地体系不同,假设土壤累积粒径成对数正态分布,利用插值进行土壤粒径的转换,采用EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)模型计算土壤可蚀性因子;经多次模拟实验与野外实测数据分析,上述确定参数方法是可行的.     

水文水质模型联合应用于水库水质预测研究

联合应用流域水文非点源AnnAGNPS模型和水库水质CE-QUAL-W2模型,AnnAGNPS模型输出黑河流域非点源污染负荷,将其转化为金盆水库入库浓度作为CE-QUAL-W2模型的输入,对黑河金盆水质进行预测,研究非点源污染对陕西金盆水库水质影响.结果表明,在对水库水质进行预测时,应对洪水期和非洪水期的非点源污染区别对待.非点源污染在洪水期时对金盆水库水质有较大影响,而在非洪水期时非点源污染对水库水质影响不显著.非点源污染对水库纵向和垂向水质影响存在差异性.林地对流域非点源污染削减起到很大作用.     

北运河上游非点源污染负荷模拟与最佳管理措施评估研究

非点源污染是水污染的重要来源之一,揭示非点源污染负荷空间分布特征、筛选并布设最佳管理措施(best management practices,BMPs)对水污染的高效治理有至关重要的意义. 北运河作为北京市重要的排水通道和连接京津冀的重要生态走廊,加强北运河上游非点源污染治理对北运河流域的水质改善至关重要. 然而,当前缺乏针对非点源污染关键源区内布设不同BMPs生态效益评价的研究. 因此,为了解析北运河上游非点源污染空间分布特征,评估关键源区布设不同措施的生态效益,本文基于SWAT模型定量模拟了2019年北运河上游总氮、总磷负荷空间分布特征,并采用单位负荷指数法识别了非点源污染关键源区,同时评估了关键源区布设不同BMPs的总氮、总磷削减效果. 结果表明:①2019年北运河上游流域产生的总氮、总磷负荷分别为126 444.22和12 394.76 kg,呈东南高西北低的空间分布特征,主要来源于城镇用地、耕地和果园等地类. ②北运河上游关键源区分布在东南部17条子流域,占流域总面积的13.16%,产生的总氮、总磷负荷分别占全流域的39.16%和38.10%. ③1/5面积比植被缓冲带的总氮、总磷削减率最高,分别为38.20%和40.37%;2 km河道植草的总氮、总磷削减率最高,分别为19.47%和50.90%;由于关键源区范围内农地面积较小(9.62%),化肥减施措施下污染物削减较低. 研究显示,非点源污染关键源区主要分布在人类活动较多的流域东南部,可通过布设合适的植被缓冲带和河道植草措施,降低关键源区非点源污染负荷.