基于ArcSWAT模型的长乐江流域非点源氮素污染源识别和分析

本研究以我国东南沿海地区的典型农业流域——长乐江流域为对象,通过实地调查、数据收集和分析,构建模型所需的各类空间数据库和属性数据库,将流域内各种非点源污染过程的概化设置和相应管理操作与模型进行有效耦合,利用近3年的流域水质监测资料进行模型参数的率定和验证,建立了该流域氮污染过程的ArcSWAT模型,模拟估算了流域不同非点源氮的入河量,并着重分析和识别不同时段土地利用类型的关键性污染源.结果表明,长乐江流域非点源氮素污染的主要来源是氮肥施用、大气沉降和土壤氮库,对河流总氮负荷的贡献率分别为35%、32%和25%.不同时段、不同土地利用类型的关键性污染源具有明显差异.从时间分布来看,土壤氮库和大气沉降所产生的非点源氮素污染的关键时期在雨季,而氮肥污染则主要发生在作物生长季节.从土地利用分布来看,园地和人居地非点源氮素的控制性污染源分别是氮肥施用和生活排污;而水田和旱地的三大污染源(氮肥施用、大气沉降和土壤氮库)入河量相差不大,需要同时控制.因此,治理流域非点源氮素污染问题,应分时、分区、分类制定控制方案.     

区域点源和非点源磷入河量计算的二元统计模型

基于流域或区域点源和非点源磷入河过程的水文学差异,以及影响河流持留作用的主要机制,建立了描述河流段末磷负荷量与流量和水温之间定量关系的二元统计模型;通过逐月的河流水文水质监测数据对模型中4个系数的有效校正和验证,实现了对点源和非点源磷入河过程的准确定量.与现行的水文估算法相比,该模型既考虑了河流磷的持留能力及其时间变异性,也考虑了上游水体输入的磷负荷量,推进了对磷污染过程的定量认识,满足了我国以行政区为主要水污染控制管理单元的现实需要.应用该模型,计算了浙江长乐江集水区2004～2009年的总磷(TP)入河量.结果表明,TP年入河总量为(54.6±11.9)t.a-1,其上游水体输入、点源和非点源的入河量贡献率分别为5%±1%、12%±3%和83%±3%.夏季5～6月和8～9月的非点源TP累计入河量占其全年的50%±9%,增加了引起下游水体藻类暴发的风险.河流TP持留量为(4.5±0.1)t.a-1,占年入河总量的9%±2%;5～9月的TP累计持留量占全年的55%±2%,表明河流持留能力对流域或区域磷素迁移转化过程的调控作用不容忽视.本研究建立的二元统计模型仅需常规的河流水文水质监测数据,无需专业软件知识,且计算结果直接来源于实际的河流水文水质测算值,为实施流域或区域磷污染总量控制策略提供了一种简便、实用、可靠的定量工具.     

在总量控制体系下实施点源与非点源排污交易的理论研究

阐述了点源与非点源排污交易的基本思路，通过边际削减成本的比较，对交易的经济可行性进行了分析，并指出此种交易模式与传统的点源治理模式的成本差异。在给定的简化条件下，提出了单一点源与单一非点源的交易模型。     

黄河支流非点源污染物(N、P)排放量的估算

为了估算黄河支流域非点源污染物的排放量,为今后黄河流域的治理提供科学的依据,对黄河流域的6个子流域(渭河流域、泾河流域、洛河流域、无定河流域、窟野河流域、黄甫川流域)进行了水样、土样和泥沙样的采集分析;结合6个子流域的多年水文资料,利用已经被证明了的平均浓度法对黄河6个子流域的氮磷污染物进行了定量描述,估算出各个流域的氮磷排放量.结果表明,95%的全磷、大于53%的全氮来自于非点源污染,非点源污染是造成黄河污染的主要原因.各流域非点源污染的发生具有明显的地域分异特征.硝态氮主要来自于渭河,铵态氮主要来自于泾河,其次是渭河.从全氮看,绝大部分氮来自于渭河和泾河.全磷则主要来自于泾河,其次是渭河.泾河和渭河是6条河流中对黄河污染物排放量贡献最大的2条河流.     

小流域水环境规划方法框架及应用

在界定小流域概念的基础上,将流域分析方法引入到小流域水环境规划中,初步建立了典型小流域水环境规划方法框架.该方法遵循了污染物在小流域中的运移规律,针对影响河流水质的主要因素--"源头-途径-末端-汇",采取了相应的对策措施,能够反映出不同污染物对流域水质的影响规律.以云南省寻甸县牛栏江小流域为例,在对其水环境现状分析及发展趋势预测的基础上,进行了水污染控制单元的划分,以确定重点污染控制区域和敏感地带,同时制定了其总量削减计划,提出了以水土流失防治、点源和面源控制、河道生态修复及河流内源疏浚为主体的水环境规划方案.该方案实施后,COD_Cr和NH₃-N可分别削减1 857和125 t/a,达到了预期目标.      

Water pollution control planning for the Taizi River watershed

ＷａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｐｌａｎｎｉｎｇｆｏｒｔｈｅＴａｉｚｉＲｉｖｅｒｗａｔｅｒｓｈｅｄ￥ＪｉａｎｇＷｅｉｇｏｎｇ；ＳｕｎＨｏｎｇ（ＢｅｎｘｉＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｔａｔｉｏｎ，ＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉ...     

大治河有机污染源分析及防治对策

根据历年来大治河水质监测资料,分析了大治河水污染的特征是有机污染型。通过对大治河水源保护区域内的污染源调查,结果表明,有机污染中既有点污染源的贡献,但主要来源于非点污染源。后者的污染负荷是前者的54倍。因而提出了为改善和提高大治河水质的若干对策意见。     

六叉河小流域不同景观结构中径流磷形态差异分析

选取巢湖六叉河小流域,研究了流域内不同类型景观降雨产流过程中径流磷素的形态差异.结果表明,旱地径流中总磷、溶解性总磷、颗粒态总磷、总活性磷、颗粒态活性磷的浓度最高,水稻田次之,河道中最低.颗粒态磷是旱地和水稻田磷索输出的主要形态,颗粒态活性磷占总活性磷的80%以上;而河道径流中各种磷形态浓度值均较低,总磷浓度均值在0.4mg·L-1以下,磷素输出以溶解态磷为主.磷素由旱地经过水稻田向河道传输过程中,颗粒物浓度显著下降,河流中颗粒态磷浓度降低至50%左右,活性组分浓度显著降低.由水塘、沟渠等组成的多水塘系统不仅降低了磷素输出的总量,而且对活性磷有较强的削减作用,在非点源流域控制及水源地水质保护方面有重要意义.     

非点源污染河流水环境容量的不确定性分析

基于河流一维水环境容量计算模型和实测水文水质参数的统计分析,应用MonteCarlo模拟方法,分析模型各输入参数的灵敏度以及水环境容量值的概率分布,建立了非点源污染河流水环境容量的分期不确定性分析方法.本方法表达了由于获取的河流系统信息不确定性和非点源污染发生的随机性引起的水环境容量计算结果不确定性,给出了不同水文期在不同可信度下的河流水环境容量,为实现非点源污染的总量控制提供了可靠的基础.应用本方法,对长乐江的总氮水环境容量进行了不确定性分析.结果表明,根据水质控制目标,枯水期、平水期、丰水期中90%可信度的总氮水环境容量分别为487.9、949.8、1392.8kg·d-1,其中稀释容量是各水文期水环境容量的主要组成部分.据此,各水文期流域内的总氮现状入河量需削减1258.3～3591.2kg·d-1,丰水期是削减量最大的时期.不确定性分析方法计算得到的水环境容量是基于非点源污染河流水文水质状况的实际变化,这相对于按某一设计流量来确定水环境容量的常规方法更为科学、合理,拓展了水环境容量的研究思路和方法.     

Dynamic phosphorus budget for lake-watershed ecosystems

Lake eutrophication caused by excess phosphorus （P） loading from point sources （PS） and nonpoint sources （NPS） is a persistent and serious ecological problem in China. A phosphorus budget, based on material flow analysis（MFA） and system dynamic （SD）, is proposed and applied for the agriculture-dominated Qionghai Lake watershed located in southwestern China. The MFA-SD approach will not only cover the transporting process of P in the lake-watershed ecosystems, but also can deal with the changes of P budget due to the dynamics of watershed. P inflows include the fertilizer for agricultural croplands, soil losses, domestic sewage discharges, and the atmospheric disposition such as precipitation and dust sinking. Outflows are consisted of hydrologic export, water resources development, fishery and aquatic plants harvesting. The internal P recycling processes are also considered in this paper. From 1988 to 2015, the total P inflows for Lake Qionghai are in a rapid increase from 35.65 to 78.73 t/a, which results in the rising of P concentration in the lake. Among the total P load 2015, agricultural loss and domestic sewage account for 70.60% and 17.27% respectively, directly related to the rapid social-economic development and the swift urbanization. Future management programs designed to reduce P inputs must be put into practices in the coming years to ensure the ecosystem health in the watershed.     

感潮河网降雨径流污染空间分析与模拟

为了探究茅洲河流域感潮河网面源污染空间分布特征和降雨径流污染规律,基于空间分析、统计分析与流域水动力-水质耦合模拟方法,对典型降雨情景下河网水质情况进行模拟分析,提出基于水质改善目标的生态补水点位空间布局优化策略.研究表明,层次聚类凝聚算法和K-均值法迭代组合可以较好地实现面源污染分级与分类;茅洲河各支流中,石岩渠、松岗河中上游等河道（段）由于面源污染负荷相对较高且缺乏生态补水,雨后水质恢复缓慢;基于补水总量不变原则,对生态补水方案进行局部优化,优化结果可使雨后受污染重点河道（段）水质恢复速度加快一倍以上,提高了流域水质的整体稳定性.研究结论可为进一步认识茅洲河流域水污染特征、实现流域水环境精细化管理提供支撑.     

北运河粪源微生物分布特征及健康风险评价

河流微生物污染研究对流域水环境保护和公共卫生管理至关重要.本研究以海河流域北运河水系典型河流断面为研究对象,系统评估了北运河水系微生物污染特征及其健康风险.结果表明,北运河水系丰水期的粪源微生物污染严重,大部分断面菌群量超过105MPN·L~(-1),平水期和枯水期粪源微生物菌群量约为103～105MPN·L~(-1),变化不显著;流域内的农业河段粪源微生物最为严重,呈劣五类水体概率超60%,城市河段降雨前后粪源微生物含量变化更明显,部分河流断面的粪源微生物菌群量从103MPN·L~(-1)增长为106MPN·L~(-1); 2017年丰水期,北运河水系粪大肠菌群的单次暴露风险主要在0. 015～0. 035之间,莲花河、马草河、清河下、温榆河下为人体健康风险的关键敏感断面,需重点关注.     

海河流域农村非点源污染现状及空间特征分析

采用污染排放系数法估算了2008年海河流域农村生活源、畜禽分散养殖、农田化肥流失3个主要农村非点源COD、TN、TP和NH3-N 4种污染物的排放量,并对其排放强度和空间分布特征进行了分析.结果表明,海河流域农村非点源污染源排放COD、TN、TP和NH3-N总量分别为2435826, 3042079, 540568, 1798760t/a,平均排放强度分别为11.10, 13.97, 2.98, 8.28t/(km2·a).海河流域内河北省的3个农村非点源的4种污染物排放量均居首位,农村居民生活源对海河流域非点源污染贡献最大,是流域非点源污染控制最主要的对象;子牙河水系农村非点源污染物排放总量最大,而徒骇马颊河水系排放强度最大,是海河流域内污染最严重的水系,其首要非点源污染源是山东省的农村生活源.流域内非点源污染排放量和排放强度均呈现区域性分布,山区和平原区分别呈现出低污染等级和高污染等级.     

潮河流域非点源污染控制关键因子识别及分区

将GIS技术、ArcSWAT模型与分析技术相结合,以农耕养殖程度较高的北京密云水库上游潮河流域为研究区,通过对流域近20年非点源污染负荷时空变异情况进行模拟,识别影响非点源污染流失的关键因子,进行非点源污染控制区划.结果表明,总氮和总磷年均负荷量分别为563.3,28.7t/a,氮磷负荷空间分布特征表现为:丰水年以地势较高且农业耕作活动频繁区域为主,平水年和枯水年表现为靠近河道的农业用地与畜禽养殖区为主.采用多因素方差分析11种不同因素对流域非点源污染负荷的影响程度表明,施肥量是影响氮磷输出的最主要的因子,坡长、土壤类型、土地利用方式及坡度是影响氮磷输出的次重要因子;针对潮河流域长期传统耕作以及化肥过量施用的现状,土壤有机磷的含量也会对总磷的输出产生一定的影响.潮河流域可划分为3个污染控制区,第1类:污染控制区(以近河道耕种区为主,面积186.74km²),第2类:污染治理区(农村生活及畜禽养殖区为主,面积23.09km²),第3类:生态修复区(高坡度强降雨区为主,面积1365.25km²).该研究结果可有效提升流域非点源污染治理的效率,为水源地流域环境保护提供参考.     

Predicting the impacts of climate change on nonpoint source pollutant loads from agricultural small watershed using artificial neural network

This study described the development and validation of an artificial neural network (ANN) for the purpose of analyzing the e ects of climate change on nonpoint source (NPS) pollutant loads from agricultural small watershed. The runo discharge was estimated using ANN algorithm. The performance of ANN model was examined using observed data from study watershed. The simulation results agreed well with observed values during calibration and validation periods. NPS pollutant loads were calculated from load-discharge relationship driven by long-term monitoring data. LARS-WG (Long Ashton Research Station-Weather Generator) model was used to generate rainfall data. The calibrated ANN model and load-discharge relationship with the generated data from LARS-WG were applied to analyze the e ects of climate change on NPS pollutant loads from the agricultural small watershed. The results showed that the ANN model provided valuable approach in estimating future runo discharge, and the NPS pollutant loads.     

利用氮氧同位素解析赤水河流域水体硝酸盐来源及其时空变化特征

赤水河流域作为长江上游重要的水源涵养区,其生态环境状况及水环境质量备受关注。为了了解流域河水氮素来源,本次研究利用硝酸盐稳定同位素(~(15)N、~(18)O)示踪技术并结合流域土地利用类型空间分布分析了赤水河流域丰水期与枯水期干流及主要支流河水硝酸盐来源与转化过程。结果表明,流域水体NO_3~-浓度具有明显的时空变化,其中丰水期NO_3~-浓度要高于枯水期,喀斯特区域的NO_3~-浓度要高于非喀斯特区域。流域干、支流水体δ~(15)N-NO_3~-、δ~(18)O-NO_3~-季节性差异明显,丰水期支流δ~(15)N-NO_3~-差异较大,干流差异较小,而枯水期支流δ~(15)N-NO_3~-差异较小,干流差异较大。结合氮氧同位素和土地利用信息发现,丰水期支流NO_3~-受其土地利用方式的影响,其来源具有多样性;干流NO_3~-浓度则主要受支流混合作用影响。枯水期干流NO_3~-受流域人为活动影响较为显著,点源输入造成水体氮同位素分布范围较宽,主要来源表现为生活污水和土壤有机氮;而支流NO_3~-多表现为土壤有机氮来源,部分支流受流域内城镇影响,生活污水对河流NO_3~-贡献较大。流域水体氮污染控制应以农业面源氮流失为主,同时严格控制点源污染的输入。     

长江流域总氮排放量预测

水环境污染是长江流域突出的环境问题之一,预测污染物排放特征可为流域水污染防治提供科学基础.本研究综合采用灰色理论预测模型、Conversion of land use and its effects at small region extent(CLUE-S)模型以及 Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs(InVEST)模型,预测2025年长江流域非点源以及点源总氮排放趋势.结果表明:①非点源总氮排放呈减少趋势,2015～2025年区域非点源总氮排放量减少23.96％,中下游农业区总氮排放骤减,而上游局部地区呈增加趋势;②点源总氮排放总体呈现增加趋势,2015～2025年区域点源总氮排放量增加1.79％,主要是由于城镇废水排放的增加以及中下游沿江城市群生活污水排放显著增加,而中下游丘陵地区点源总氮排放呈现减少趋势;③长江流域总氮排放量呈现减少趋势,2015～2025年减少2.67％,但仍有37.64％区域呈现总氮排放增加的趋势.长江流域未来应加强对上游面源污染治理以及中下游工业、城镇废水排放的管控.采用多模型结合的手段可以精细揭示了长江流域总氮排放空间格局及未来趋势,可为明确流域总氮排放控制目标提供科学基础,也可为实现高效的水环境治理提供科学依据.     

Spatial and temporal variations of water quality in Cao-E River of eastern China

Evaluation and analysis of water quality variations were performed with integrated consideration of water quality parameters, hydrological-meteorologic and anthropogenic factors in Cao-E River, Zhejiang Province of China. Cao-E River system has been polluted and the water quality of some reaches are inferior to Grade V according to National Surface Water Quality Standard of China （GB2002）. However, mainly polluted indices of each tributary and mainstream are different. Total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） in the water are the main polluted indices for mainstream that varies from 1.52 to 45.85 mg/L and 0.02 to 4.02 mg/L, respectively. TN is the main polluted indices for Sub-watershed Ⅰ, Ⅱ, Ⅳ and Ⅴ（0.76 to 18.27 mg/L）. BOD5 （0.36 to 289.5 mg/L）, CODMn （0.47 to 78.86 mg/L）, TN （0.74 to 31.09 mg/L） and TP （0 to 3.75 mg/L） are the main polluted indices for Sub-watershed Ⅲ. There are tow pollution types along the river including nonpoint source pollution and point source pollution types. Remarkably temporal variations with a few spatial variations occur in nonpoint pollution type reaches （including mainstream, Sub-watershed Ⅰ and Ⅱ） that mainly drained by arable field and/or dispersive rural dwelling district, and the maximum pollutant concentration appears in flooding seasons. It implied that the runoff increases the pollutant concentration of the water in the nonpoint pollution type reaches. On the other hand, remarkably spatial variations occur in the point pollution type reaches （include Sub-watershed Ⅲ, Ⅳ and Ⅴ） and the maximum pollutant concentration appears in urban reaches. The runoff always decreases the pollutant concentration of the river water in the seriously polluted reaches that drained by industrial point sewage. But for the point pollution reaches resulted from centralized town domestic sewage pipeline and from frequent shipping and digging sands, rainfall always increased the concentration of pollutant （TN） in the river water too. Pollution controls were respectively suggested for these tow types according to different pollution causes.     

土地利用/覆盖变化对长江上游非点源污染影响研究

在国内外相关研究的基础上,利用输出系数模型,结合RS和GIS技术,对长江上游的非点源污染负荷进行了空间模拟和负荷估算.模拟结果表明,在不考虑流域损失的前提下,由于土地利用造成的非点源污染负荷TN总量从20世纪70年代的123万t下降至2000年的116万t,基本呈逐年减少的趋势,由土地利用造成的TP的变化趋势与TN基本相同,从70年代的3.7万t下降到2000年的3.5万t左右.就省份、土地利用类型和水系而言,四川省、种植用地和草地以及金沙江水系和嘉陵江水系对长江上游的非点源污染贡献较大.在非点源污染负荷强度上,重庆市和嘉陵江水系单位面积负荷最高,是今后应重点治理的地区.结果表明,该模型可以对长江上游这样的超大尺度空间的非点源污染进行较好的空间模拟.     

基于贝叶斯网络拓扑结构的水环境风险溯源——以饮马河流域为例

为了解决流域水环境风险诊断过程中污染来源不清、污染贡献难以量化等问题,提出了一种基于贝叶斯网络拓扑结构的污染源追责量化方法.该方法首先通过互信息的计算实现流域水环境典型污染物的准确识别,在此基础上通过贝叶斯网络拓扑结构分析与启发式搜索算法快速辨析流域内典型污染来源及其污染贡献.本次选取吉林省饮马河流域2017~2020年水质监测数据进行分析.结果表明,氨氮为流域内的典型污染物;靠山南楼、靠山大桥、刘珍屯3个站点的污染来源分别为:杨家崴子、新立城大坝、砖瓦窑桥.其中靠山南楼有63%的污染来源于杨家崴子,靠山大桥有30%的污染来源于新立城大坝,刘珍屯有75%的污染来源于砖瓦窑桥.本次评估方法的构建可为流域水环境风险溯源及污染责任认定提供技术支撑.