植被过滤带对泥沙和磷削减效率及VFSMOD-W模型模拟

植被过滤带是有效削减面源污染的生态管理措施,其削减效果受很多因素的影响。该文通过植被过滤带试验,探讨不同坡度和浅层地下水埋深对植被过滤带削减地表径流、泥沙和磷的影响,结合VFSMOD-W模型和简单磷运移经验模型评估污染物在植被过滤带的传输。结果表明,植被过滤带对地表径流、泥沙和TP的削减效率范围分别为25%～72%、43%～82%和39%～80%。在同一浅层地下水埋深条件下,当过滤带坡度分别为2%、5%和15%时,坡度越缓,植被过滤带削减效率越高。在同一坡度条件下,当浅层地下水埋深分别为0.08、0.22和0.36 m时,浅层地下水埋深越深,植被过滤带的削减效率越高。VFSMOD-W模型模拟结果显示,该模型能够较好地模拟地表径流和泥沙在植被过滤带的传输。VFSMOD-W模型结合简单磷运移经验模型对削减效果进行模拟评估,发现整体拟合效果较好(C_eff>0.85)。VFSMOD-W能较好地用于预测地表径流、泥沙和磷在植被过滤带的传输。     

河道生态护坡对地表径流的污染控制

在上海市进木港生态河道示范区,通过现场模拟径流试验,研究了柴笼、灌丛垫、植草3种不同类型的生态护坡对地表径流的延滞作用和污染控制作用.结果表明,生态护坡在控制地表径流污染方面具有良好的生态效益,柴笼对地表径流的平均延滞时间为28.00～33.33min,可拦截80.95%粒径为30.07～111.05μm的悬浮固体,可截留92.58%～97.15%的水溶态营养盐和75.75%～91.24%的泥沙结合态营养盐.灌丛垫使地表径流进入河道的时间比对照裸坡滞后9.70～15.33min,可有效截留88.53%～92.94%的水溶态营养盐;但其对悬浮颗粒的拦截能力比柴笼和植草护坡弱.植草护坡延滞地表径流的能力不及柴笼和灌丛垫,但其对地表径流中较小粒径的悬浮固体(14.89～52.63μm)和泥沙结合态营养盐的拦截率分别达到85.93%和80.53%～85.33%.研究还探讨了生态护坡对地表径流污染的控制与植被覆盖度、土壤含水率以及土壤抗剪强度等指标的关系,并提出了控制地表径流污染的生态护坡优化组合方案.     

不同治理度下小流域正态整体模型试验——林草措施对小流域径流泥沙的影响

首次运用正态整体模型模拟试验方法研究不同林草植被覆盖度下小流域径流泥沙变化规律,结果表明 :小流域林草植被具有良好的减水减沙效益 ,初步得出小流域治理水土保持林草措施最低下限值为60 % ,取得最佳水保效益的林草覆盖度值为78% ,流域径渗比临界值为林草覆盖度65%。     

由河道输入太湖的含营养盐泥沙拦截试验

在太湖主要入湖河道大浦港河口构建了泥沙拦截槽,结合泥沙沉降观测,分析利用泥沙拦截槽削减经由河道输入太湖的外源性泥沙及营养盐的可行性.结果表明:拦沙槽可以有效收集外源悬浮泥沙及其携带的氮磷污染物.拦沙槽以平均-33.99m3/月的速率淤积,其中在夏秋季淤积较快,最大单月沉降量达到66.34m3,在2020年7月～2021...     

自然沟渠控制村镇降雨径流中氮磷污染的主要作用机制

以四川盆地紫色丘陵区林山村镇为例,分析降雨径流过程中氮磷在自然沟渠内的空间变化特征和不同控制机制的净化能力,研究了自然沟渠控制村镇降雨径流中氮磷的主要作用机制.研究结果表明,除NO3--N浓度在沿程上呈先减后增而后再减的趋势外,其它氮磷污染物(TN、PN、NH4+-N、TP、PP和PO43-·P)均为沿程递减趋势.溶解态氮是降雨径流氮素在空间沿程上的主要迁移形态,溶解态磷是流量限制型事件降雨径流磷紊空间沿程的主要迁移形态,而颗粒态磷是物质限制型事件降雨径流磷素空间沿程的主要迁移形态.泥沙截控固持是自然沟渠控制降雨径流氮磷污染的主要作用机制,有效降低径流中颗粒物浓度和拦截泥沙是控制降雨径流氮磷污染的关键.沉降段和沉沙凼具有明显的泥沙及颗粒态氮磷截控固持作用,可较好地去除村镇降雨径流中的氮磷颗粒态污染物,平均氮磷去除量分别为144.51、65.20 g·m-2(平均雨量37.85mm).植物吸收是植被段氮磷去除的重要途径,在雨季共吸收氮磷分别可达82.69、12.52 g·m-2.跌落曝氧也是降雨径流氮磷污染控制的重要作用机制,跌落段对NH4+-N的平均去除负荷为15.05 g·m-2.     

不同施肥条件下紫色土旱坡地可溶性有机碳流失特征

明确紫色土旱坡地可溶性有机碳在不同施肥条件下的流失特征,得出最佳的养分管理方式,对提升三峡库区的耕地质量、维持土壤碳平衡和减轻土壤碳流失造成的环境污染具有重要意义.在中国科学院三峡库区水土保持与环境研究试验站内设置标准化径流小区,研究紫色土旱坡地在不同施肥处理［不施肥（CK）、常规施肥（常规）、优化施肥（优化）、85%优化施肥配施生物炭（生物炭）和85%优化施肥配施秸秆（秸秆）］条件下的产流产沙情况和土壤有机碳的流失特征.结果表明：①壤中流径流量占径流总量（径流包括地表径流和壤中流）的52.84%~92.23%,壤中流可溶性有机碳（DOC）流失通量占DOC总流失通量的43.64%~87.35%,壤中流是雨季径流的主要方式和土壤DOC流失的主要途径.②秸秆处理的地表径流量、产沙量、地表径流DOC流失通量和泥沙有机碳流失通量较优化处理分别降低了30.39%、39.41%、28.71%和23.97%,壤中流径流量和壤中流DOC流失通量较优化处理略有升高.生物炭处理的产流产沙量、地表径流DOC流失通量、壤中流DOC流失通量和泥沙有机碳流失通量均显著高于优化处理.③ DOC流失通量占土壤有机碳总流失通量的99.31%~99.94%,DOC是紫色土旱坡地土壤有机碳流失的主要形式,各处理的DOC流失通量呈现：生物炭 > 优化 > 秸秆 > 常规 > CK.④生物炭和秸秆处理的SOC含量较优化处理分别提高了95.79%和32.16%.85%优化施肥配施秸秆能显著减少紫色土旱坡地的地表径流量、泥沙流失量和土壤有机碳流失通量,同时提高土壤有机碳含量,是紫色土旱坡地的最佳养分管理方式.     

农业流域“汇”型景观结构对径流调控及磷污染物截留作用的研究

选取天津于桥水库北岸桃花寺流域作为实验流域,进行了流域景观格局对生态水文及磷污染物迁移转化过程影响的野外实验研究.研究结果表明,流域中广泛分布于季节性河流附近的汇型景观结构(石坝、植草水道、植被过滤带、干塘、缓冲区等),通过滞留/缓冲功能,对地表径流的流速及流量具有双重调控作用,延长了养分物质在流域内部的滞留时间,对产生于不同源区的面源污染径流具有截留、吸纳、贮存作用,使径流中泥沙和磷素浓度逐渐得到降低,减少了养分对下游水体的负荷输出.多次降雨径流的监测结果表明,无论在大暴雨下的连续流事件还是在小雨下的间断流事件中,汇型景观结构均能表现出良好的养分持留功能.在2003年6月22日连续径流事件中,地表径流的流速可由系统入口处的37.2 cm·s-1降至系统出口处的11.1 cm·s-1,污染径流体积可削减50.2%,TSS、TP、TDP、DRP的持留率分别可达72.7%,69.3%,59.8%和57.9%.在间断径流事件中,污染径流全部为汇型景观结构所截留,泥沙和磷素的持留率更高.对21场降雨-径流事件的统计分析结果表明,干塘和植被过滤带是本实验流域控制污染物输出较为稳定的两种结构.     

基于MMF模型估算植被与降雨变化对水沙的影响——以延河流域为例

为研究近年来植被对黄河各支流来水来沙锐减的贡献,选择植被变化极为显著的延河流域为研究区域,定量化估算植被的减水减沙效益。论文利用Landsat系列遥感影像数据,以及流域的气象水文资料,基于Morgan-Duzant版Morgan-Morgan-Finney(MMF)模型估算流域的径流量与输沙量,分析各植被因子与径流量、输沙量的相关性,并利用相邻时期的植被降雨数据进行情景模拟,以此估算植被与降雨对流域水沙的影响。结果表明:1MMF模型能较好地模拟流域年径流量,输沙量次之;2植被因子与径流量、输沙量空间分布格局上相关性不明显,径流量与间接植被因子(截留率、林下降雨侵蚀力和坡面沉积率)相关性较高,而输沙量与植被覆盖度相关性较高;3植被与降雨的情景模拟表明2000、2006年的植被较前一相邻时期有所改善,使得径流量分别较前期减少45.88%、25.74%,输沙量减少12.10%、27.57%。     

荆江三口60a来入湖水沙变化规律及其驱动力分析

为了掌握荆江三口入洞庭湖径流泥沙演变规律,运用Mann-Kendall 非参数检验法、小波分析以及均值差异t检验法等方法,对荆江三口（松滋口、太平口和藕池口）入洞庭湖1951—2011 年年径流量和年输沙量进行了分析,在总结三口水沙过程演变规律的基础上,探讨了荆江三口入洞庭湖径流泥沙变化规律及其影响因素。结果表明：①荆江三口径流量发生显著变化集中在1960 年代和1970 年代,而输沙量突变点发生在1950 年代,此后三口水沙演变始终表现出显著的递减趋势;②太平口和藕池口的径流量和输沙量演变周期保持一致,均为31 a 的周期变化,松滋口和宜昌站的径流量和输沙量分别具有相同的周期性,分别为16 a和33 a 的周期变化;③人为因素只是加速荆江三口分流分沙衰减趋势,但并不是致使其水沙演变发生突变的原因。     

三峡水库大宁河流域非点源污染参数的不确定性分析

以大宁河流域为研究区,在基于参数敏感性分析的基础上,分别选取对径流量、泥沙负荷、有机氮和有机磷模拟计算最敏感的前10位参数,采用FOEA(first-order error analysis)不确定性分析方法,分析这些参数对非点源负荷不确定性的影响.结果表明,仅有少数几个参数对模型输出结果的不确定性有显著影响,这些参数对不确定性的贡献在90%以上.对泥沙负荷、有机氮、有机磷模拟计算的不确定性影响最大的是径流曲线数,说明非点源污染负荷的不确定性主要受径流产生过程的参数的影响.在径流量、泥沙负荷、有机氮和有机磷4个输出结果中,泥沙的不确定性最大.     

基于Copula函数的泾河流域水沙关系演变特征分析

为了掌握泾河流域水沙演变规律,基于张家山水文站1956-2010 年径流与输沙量数据,采用滑动平均法分析流域水沙变化,提出应用滑动相关系数法诊断水沙关系变异,与双累积曲线法相互验证,选取皮尔逊III 型分布拟合变异前后水沙分布,基于Copula 函数建立水沙联合分布,对比分析泾河流域水沙变化特征,研究不同时段水沙丰枯遭遇情况.结果表明:① 水沙关系于20 世纪80 年代发生变异;② 以1982 年为分割点,相比于1956-1982 年,1983-2010 年水沙均值减小,设计频率P≤90%时水沙值均减小,P >90%时,径流减小,输沙量增加;③ 两阶段水沙丰枯同步频率大于丰枯异步频率,“水丰沙枯或水枯沙丰”遭遇组合概率最小,变异后时段(1983-2010 年)各种遭遇组合频率分布更为均匀,水沙丰枯异步频率变大.     

西苕溪流域不同土地类型下磷素随暴雨径流的迁移特征

选择太湖上游西苕溪流域最具代表性的5种土地类型,利用野外人工降雨装置(3m²),模拟天然大暴雨(降雨强度2 nm·min^-1),研究了不同形态磷素随暴雨径流水相及沉积物相的迁移过程,对比了流域内不同土地利用/土地覆被条件下磷素的迁移特征并估算流失速率.3次平行实验结果表明,在相同的降雨条件下,地表径流中总磷的流失量桑林最大,高出水田和松林的5倍.地表径流水相中的悬浮颗粒态磷占水相总磷的绝大部分,溶解态磷的流失量菜地和桑林接近,高于松林,且远大于水田和竹林;地表径流水相溶解态磷主要以溶解态无机磷的形式流失,松林的流失量和流失速率远高于其他4种土地类型.各土地类型的地表径流沉积物相总磷流失量都随时间段的推移呈近似线性的下降趋势,桑林、菜地和竹林的流失量相对较大,松林最小.单位面积、表层10cm土壤的总磷流失量界于2.57～4.89g·m^-2.地表径流水相总磷流失速率为0.45～4.11mg·(m²·min)^-1,沉积物相高达72.82～135.96 mg·(m²·min)^-1,桑林流失速率最大,松林最小.     

基于SWAT模型的磷负荷削减最佳管理措施(BMPs)评估研究

基于高空间分辨（0.07 m）土地利用数据和详细的农业管理信息,利用SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型对关帝河子流域的农业耕作进行精细化模拟,评估了4种农业最佳管理措施（BMPs）对非点源磷负荷的削减效果.结果表明：3个水文站径流的率定结果均达到R²>0.5、NSE>0.4、PBIAS<±35%,其中,2个站点的R²>0.6、NSE>0.5、PBIAS<±5%;总磷率定的R²>0.9、NSE>0.9、PBIAS<±20%,即SWAT模型对径流和总磷的模拟值均与实测值展现出较高的一致性.在流域尺度上,对总磷负荷的削减效率由高到低排序依次为：植被缓冲带>15°以上坡地退耕还林 > 有林地补植 > 化肥减施.宽度为1~5 m的植被缓冲带对总磷负荷的削减效率可达30%~48%;15°以上坡地退耕还林的实施可以削减约30%的总磷负荷,同时可能增加农民收入;然而,由于研究区土地利用格局和降水条件的特殊性,有林地补植和化肥减施对削减总磷负荷的影响较小,削减效率均不足1%.     

不同类型植被河岸缓冲带对模拟径流及总磷的消减研究

在九龙江上游北溪流域,选择杂交狼尾草(Pennisetum americanum×P.purpureum)、红花檵木(Loropetalum chinense var.rubrum)、红叶石楠(Photinia fraseri)3种植物及原生撂荒杂草地,构建对照(A)、草本(B)、灌草(C)和灌木(D)4种不同处理的植被缓冲带,通过模拟不同浓度面源污染下的农田径流,探讨不同植被组合对径流量及总磷的消减效果.结果表明:各缓冲带不同植被对径流量及总磷的消减效果均表现为草本灌草灌木,其中,草本缓冲带对径流量的消减率最高,达到86.93%,在高、低浓度进水时对总磷浓度的消减分别为95.20%、80.69%;4种不同植被缓冲带对总磷浓度的消减效果随缓冲带宽度的增加均出现上升的趋势,其中,前半段消减效果最佳,后半段消减趋势减缓;高浓度污染进水条件下缓冲带对总磷的消减效率高于低浓度进水;4种缓冲带对磷总量的消减量分别为27.70、28.02、28.06和26.94 g.研究成果可为九龙江上游河岸缓冲带建设及流域氮磷污染率治理和生态评价提供科学示范及理论依据.     

Effects of alfalfa coverage on runoff, erosion and hydraulic characteristics of overland flow on loess slope plots

An evaluation of the interactions between vegetation, overland and soil erosion can provide valuable insight for the conservation of soil and water. An experiment was conducted to study water infiltration, runoff generation process, rate of sediment erosion, and hydrodynamic characteristics of overland flow from a sloping hillside with different draw-off discharges from alfalfa and control plots with 20° slope. The effect of alfalfa on runoff and sediment transport reduction was quantitatively analyzed. Alfalfa was discussed for its ability to reduce the overland flow scouring force or change the runoff movement. Compared to the bare-soil plots, alfalfa plots generated a 1.77 times increase in infiltration rate. Furthermore, the down-slope water infiltration rate for the bare soil plots was higher than in the up-slope, while the opposite was found in the alfalfa plots. In addition, alfalfa had a significant effect on runoff and sediment yield. In comparison to the control, the runoff coefficient and sediment transportation rate decreased by 28.3% and 78.4% in the grass slope, respectively. The runoff generated from the alfalfa and bare-soil plots had similar trends with an initial increase and subsequent leveling to a steady-state rate. The transport of sediment reduced with time as a consequence of the depletion of loose surface materials. The maximum sediment concentration was recorded within the first few minutes of each event. The alfalfa plots had subcritical flow while the baresoil plots had supercritical flow, which indicate that the capability of the alfalfa slope for resisting soil erosion and sediment movement was greater than for bare soil plots. Moreover, the flow resistance coefficient and roughness coefficient for the alfalfa plots were both higher than for the bare-soil plots, which indicate that overland flow in alfalfa plots had retarded and was blocked, and the flow energy along the runoff path had gradually dissipated. Finally, the ability to erode and transport sediment had decreased.     

黄土丘陵区小流域土地覆被变化对径流产沙量的影响

为探讨黄土丘陵区小流域土地覆被变化特征及其对流域径流产沙量的影响,以黄土丘陵区吕二沟、罗玉沟及其嵌套流域(桥子沟)等3个小流域为研究对象,运用数理统计学、配对流域等方法定量分析了3个小流域不同研究时段内土地覆被变化对径流产沙量的影响.结果表明,1982~2004年间,林地面积以1.07%/a的速率快速递增是吕二沟流域土地覆被变化的最明显特征,而罗玉沟流域在国家坡改梯工程影响下,坡耕地面积大幅减少,1986~1995年间约73%坡耕地转化为梯田;结合配对流域法可知,土地覆被变化是导致流域径流和产沙减少的主要原因,在相同降雨条件下,径流深、泥沙量分别减少43.76%和35.23%.流域年径流模数与年降水量和流域森林覆被率均呈指数关系,流域森林覆被率增加5%,径流模数可减少18.43%~37.58%.     

奥林匹克森林公园典型人工林地非点源污染输出特征分析

选取北京奥林匹克森林公园的典型人工林地为研究对象,通过对天然降雨径流过程及泥沙、氮、磷等污染物浓度随径流变化过程的监测,研究公园典型密草林她覆盖下,不同坡形及人工沟渠汇流条件下的径流及污染物浓度、形态和负荷的输出特征.结果表明,相同降雨条件下,林地1的坡长/坡宽比小,径流深度大,林地1坡度较大的草皮型汇流沟渠对径流的削...     

化肥减量配施生物炭和秸秆增加了坡耕地壤中流磷流失风险

紫色土坡耕地是中国西南地区的重要农耕用地,也是三峡库区农业非点源污染的主要来源地之一,采取合理的措施控制其土壤养分流失对该区域非点源污染治理具有重要意义.以紫色土坡耕地为研究对象,通过3 a(2018～2020年)大田试验,设置不施肥(CK)、常规施肥(CF)、优化施肥(OF)、生物炭+优化施肥减量15%(BF)和秸秆+优化施肥减量15%(SF)这5个处理,对自然降雨条件下坡耕地地表径流(0～20 cm)和壤中流(20～60 cm)磷流失规律进行监测与评估.结果表明,施肥减少了紫色土坡耕地产沙量和地表径流流失通量,但增加了壤中流流失通量.地表径流正磷酸盐(PO^3-₄-P)、全磷(TP)和颗粒态磷(PP)总流失通量以BF处理最高,SF处理最低.各施肥处理壤中流磷流失通量均高于CK处理,且PO^3-₄-P和TP流失通量以BF处理最高(213.88 g·hm^-2和694.54 g·hm^-2),其次为OF和SF处理.冗余分析(RDA)结果表明,地表径流流失通量和生物...     

底泥翻耕对巢湖西部聚藻区黑臭风险的预控效果

聚藻区高有机负荷表层底泥已被证实是西巢湖黑臭频发的主要因素,但能否借鉴像控制湖泊内源污染的翻耕方式对黑臭进行预控,则有待于与过程有关的试验研究.基于湖泊底泥再悬浮特征和耕作性能设计的底泥翻耕措施,借助能够模拟湖泊风浪与沉积物再悬浮的大型装置,通过藻体堆积诱发试验,研究黑臭诱发过程中上覆水水色,ρ（Fe2+）、ρ（S2-）的动态,新生沉积物-水界面底泥关键物化指标以及底泥间隙水Fe、S变化对底泥翻耕的响应过程.结果表明:①翻耕深度对黑臭影响较大,PT15（15 cm深度的翻耕处理组）达到了对湖泛黑臭的控制,当第8~14天PT2、PT5、PT10（2、5和10 cm翻耕处理组）,CK（对照组）和Blank（空白组）相继发生黑臭时,PT15上覆水主要致黑物质为Fe2+和S2-,其质量浓度分别为PT2、PT5、PT10、CK和Blank的68.6%、79.5%、48.1%、46.7%、51.3%和75.2%、65.7%、57.1%、74.5%、75.0%.②PT15可明显提升新生泥-水界面对蓝藻堆积及缺氧环境的耐受力,黑臭诱导模拟后,其底部水体及泥-水界面的ρ（DO）、E_h和pH均远高于发生湖泛黑臭处理组,ρ（∑H₂S）却明显低于发生湖泛黑臭处理组,表层底泥间隙水中ρ（Fe2+）为0.54 mg/L,仅为发生湖泛黑臭处理组的25.3%~33.7%,ρ（Fe2+）占ρ（TFe）的比例为25.2%,远低于发生湖泛黑臭处理组（约40.0%）,表层底泥中w（AVS）（AVS表示酸可挥发性硫化物）为0.51 μg/g,仅为发生湖泛黑臭处理组的14.6%~17.2%.研究显示,底泥翻耕作为一种底泥物理改良方式,对于聚藻区内底泥,因其将有机污染负荷较重的表层翻转至了下层,阻隔了表层污染底泥中物质迁移供给和对厌氧微生物参与的控制,在藻体大量聚集和死亡的水柱环境中可较好地阻止致黑致臭物的形成,有效控制了湖泛黑臭的发生.