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.      

基于数据库的农业非点源污染最佳管理措施效率评估工具构建

针对流域非点源污染的关键源区,配置最佳管理措施（BMPs,Best Management Practices）是非点源污染控制的有效途径.然而,受限于研究成本和不同地区自然地理条件的差异性,通过实地监测对BMPs削减效率进行评估的研究案例还不多见.多数相关研究仅关注单一类型BMPs的效率评估,使得研究成果仅仅适用于某些特定区域.对BMPs的潜在效益进行评估,可通过收集不同区域内BMPs的削减效率信息来实现.本文采用基于文献的BMPs效率评估方法,通过整理国内154篇关于BMPs研究的文献信息,建立适用于农业流域非点源污染控制的BMPs数据库.在此基础上,采用VBA（Visual Basic for Applications）和SQL（Structured Query Language）程序语言构建BMPs削减效率评估工具箱.该工具箱适用于非点源污染控制措施削减效率的评估,能够根据不同研究区特征,给出目标BMPs的污染负荷削减量,从而为BMPs的优选提供定量依据.以密云水库上游蛇鱼川小流域为案例研究区,根据该流域的非点源污染特征,对拟采用的BMPs进行评估,结果表明：草型植物篱、25 m河岸缓冲带、河岸带畜禽活动护栏以及集中放牧等措施控制效率最高.     

基于SWAT模型以北运河上游流域氮负荷削减为重点的山水林田湖草修复措施配置研究

利用SWAT模型对北运河上游流域进行模拟分析,评估了 4类10项24种山水林田湖草生态治理措施对氮负荷的削减效果及山水林田湖草系统治理措施效果.结果表明,径流率定及验证纳什系数(NSE)＞0.50,相对误差(PBIAS)≤±40％,泥沙量、氮负荷总体PBIAS≤±40％,SWAT模型对径流、泥沙、总氮的模拟值与实测值展...     

丹江口水库流域非点源污染的最佳管理措施优选

研究运用SWAT模型模拟了非点源污染最佳管理措施在丹江口水库流域的减排效果.在综合考虑了各项措施的成本、占用耕地程度、控制效果等因素后,在不同等级坡度区域下运用基于信息熵的多属性决策方法对措施进行综合评价优选.根据优选结果,提出建议:在25°区域以退耕还林措施为主.研究为丹江口水库流域非点源污染最佳管理措施的实施提供了明确实际的决策支持.     

基于SWAT模型的黑河流域不同土地利用情景的非点源污染研究

以卫星遥感影像为基础,运用GIS与环境模型(SWAT2000)相结合的技术手段和景观生态学的研究方法,探讨了黑河流域土地利用与非点源污染的关系;从土地利用恶化与改善出发,对模型进行水量、泥沙和营养负荷部分的参数率定和验证并分析其在黑河流域的适用性,在此基础上通过对不同土地利用情景下非点源污染负荷的定量化分析,研究了土地利用/土地覆被变化对黑河流域非点源污染的影响过程.结果表明,随着流域林地面积的增加,流域径流深逐渐减少,水土流失量逐渐减少.从而使得流域产沙量也相应减少.林地的非点源污染单位负荷为:氮0.67kg·hm-2·a-1,磷0.11 kg·hm-2·a-1;耕地的单位负荷为:氮8.85 kg·hm-2·a-1,磷4.2kg·hm-2·a-1;当流域全部为林地时.总氮与总磷的负荷量分别为99.001t和17.145t.在2000年土地利用情景下总氮与总磷的负荷量分别为173.334t和38.653t;随着对植被的破坏,即土地恶化,会导致流域非点源污染的急剧增加;反之,随着退耕还林、水源涵养林保护工程的实施,流域水环境会得到极大的改善.     

锁磷剂(Phoslock)对滇池水体的除磷试验研究

在实验性能研究的基础上,用锁磷剂(Phoslock)对滇池水体进行扩大性试验,结果表明,Phoslock对滇池污染水体具有较强的除磷、除藻作用,而且作用效果持久.同时,Phoslock能够增加污染水体的透明度和改善水体的pH值,对处理水体安全,无不良影响,是一种值得推广应用的新型除磷药剂.     

活性炭表面改性及其对磷(V)吸附性能的研究

以硝酸、氢氧化钠、氯化铁、海藻酸钠(SA)为改性剂,采用浸渍法制备了六种改性粉末活性炭,研究其对磷(V)的吸附性能。结果表明,以FeCl3直接改性和NaOH/FeCl3复合改性的粉末炭(分别标记为PAC-3和PAC-6)对磷(V)的吸附能力最强,在室温下,处理质量浓度为30 mg/L的磷(V)溶液25 mL,pH为5.0,PAC-3用量为0.4 g,吸附90 min,吸附率可达99%,吸附后的PAC-3可用0.1 mol/LNaOH溶液洗脱再生。共存物质中,NaNO3没有影响,Na2SO4抑制作用不大,Na2CO3和C(rⅥ)有增强作用,其中C(rⅥ)的增强作用显著。吸附机制是静电吸引、离子交换和络合反应共同起作用,以络合反应为主。     

控制流域氮流失的最佳管理措施配置及效率评估

以潮河流域为研究对象,分别进行流域整体单一措施配置和氮流失分区综合措施配置,既采用负荷去除法从污染负荷削减率的角度对BMPs配置效率进行评价,也采用R-R-V （Reliability-Resilience-Vulnerability）指数法从可靠性、可修复性和脆弱性等角度对流域水质改善效果进行评价.结果表明,分区进行氮流失综合措施配置效果更为理想,研究年内流域出口总氮削减率为14.35%~31.65%,年平均削减率为24.98%,在地表水Ⅱ类评估标准下,年平均总氮R-R-V指数为0.37、0.24、95.78,而多项单一措施的年平均削减率为17.48%,月尺度平均总氮R-R-V指数为0.36、0.24、112.96.R-R-V指数法从可靠性、可修复性和脆弱性等角度反映消减效率,无论单一措施配置或分区综合措施配置,可靠性指数与脆弱性指数的改善效率较高（大于14%）,而可修复性指数的改善效率较低.多数情况下可靠性指数与脆弱性指数的改善效率高于总氮削减率,可修复性指数的改善效率低于总氮削减率,表明流域总氮负荷虽然得到一定程度的削减且短期低于标准负荷,但其生态修复难度依旧较大.营养物标准负荷所对应浓度的设定是评估流域R-R-V指数改善效果的关键,且评估标准越严格,待评估营养物的R-R-V指数越趋于稳定.     

低浓度Cr(Ⅵ)对颗粒化强化生物除磷(EBPR)系统的影响及系统恢复研究

低浓度Cr(Ⅵ)对颗粒化强化生物除磷(EBPR)系统长期暴露的试验结果表明,Cr(Ⅵ)投加浓度≤0.3 mg·L-1时,系统磷酸盐及COD去除率基本不受影响;而当Cr(Ⅵ)浓度高于0.3 mg·L-1时,系统除磷及除COD能力逐渐丧失.聚磷菌(PAOs)对Cr(Ⅵ)的毒性敏感性大于聚糖菌(GAOs)和其他菌.当Cr(Ⅵ)浓度高于0.3 mg·L-1时,聚磷菌占系统全菌的比例从84.26％下降到38.40％,聚糖菌比例则从8.04％上升为28.16％,其他菌的比例从7.70％上升到33.44％.这说明在Cr(Ⅵ)毒性作用下,聚磷菌的减少是导致颗粒化EBPR系统除磷能力丧失的主要原因.相关性分析结果表明,系统菌体内Cr浓度与系统磷去除及COD去除效率均呈显著负相关关系,说明Cr在菌体内累积是导致颗粒化EBPR系统磷酸盐和COD去除效率下降的重要原因.此外,受到Cr(Ⅵ)冲击的颗粒化EBPR系统,其磷酸盐和COD去除率在15d之内均可恢复至毒性试验前水平,且最终聚磷菌能够重新成为系统内的优势菌群.     

磷(P)对老冲积黄壤微团聚体表面砷(As(Ⅴ))吸附-解吸的研究

本文以名山河流域老冲积黄壤为研究对象,采用批培养法研究了原土及不同粒径微团聚体(2~0.25 mm,0.25~0.053 mm,0.053~0.002mm,0.002 mm)对As(Ⅴ)、P的吸附-解吸特性和P对As(Ⅴ)吸附-解吸特性的影响.结果表明:原土及不同粒径微团聚体对As(Ⅴ)与P的吸附-解吸特性相似,等温吸附均符合Langmuir和Freundlich方程,但Langmuir方程拟合效果最佳;动力学吸附均符合Elovich和双常数方程,而Elovich方程拟合效果最好,表明原土及各粒径微团聚体对As(Ⅴ)、P的吸附均以专性吸附为主,非专性吸附为辅.原土及不同粒径微团聚体对As(Ⅴ)的最大吸附量从大到小的排序为:(0.002 mm)原土(0.053~0.002 mm)(0.25~0.053 mm)(2~0.25 mm),对P的最大吸附量的顺序为:(0.002 mm)(0.053~0.002 mm)(0.25~0.053 mm)原土(2~0.25 mm),即粒径越小其最大吸附量越高.As、P在各粒径微团聚体上解吸量与其吸附量呈指数关系.As(Ⅴ)与P共存时,原土及不同粒径微团聚体对As(Ⅴ)的吸附量随P浓度的增加而减少,As(Ⅴ)的解吸量随P浓度的增加而增加,表明P能抑制土壤对As(Ⅴ)的吸附,而促进土壤对As(Ⅴ)的解吸,且0.002 mm粒径的土壤对As(Ⅴ)的吸附-解吸受P浓度的影响最小.     

输入数据精度与准确性对SWAT模型模拟的影响

以潮河流域为研究区域,利用潮河流域1990～2013年监测数据,构建SWAT模型,在模型结构和参数不改变的情况下,探究输入数据精度(DEM分辨率)与准确性(降水插值)对径流和总氮模拟结果影响.结果 显示:DEM分辨率变化(30～300m)对径流及总氮模拟效果不同,对径流模拟影响不明显,纳什系数(ENS)和R2可达到0....     

Evaluation of non-point source pollution reduction by applying Best Management Practices using a SWAT model and QuickBird high resolution satellite imagery

This study evaluated the reduction e ect of non-point source pollution by applying best management practices (BMPs) to a 1.21 km2 small agricultural watershed using a SWAT (Soil andWater Assessment Tool) model. Two meter QuickBird land use data were prepared for the watershed. The SWAT was calibrated and validated using daily streamflow and monthly water quality (total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), and suspended solids (SS)) records from 1999 to 2000 and from 2001 to 2002. The average Nash and Sutcli e model e ciency was 0.63 for the streamflow and the coe cients of determination were 0.88, 0.72, and 0.68 for SS, TN, and TP, respectively. Four BMP scenarios viz. the application of vegetation filter strip and riparian bu er system, the regulation of Universal Soil Loss Equation P factor, and the fertilizing control amount for crops were applied and analyzed.     

基于SWAT模型的沙塘川流域非点源氮磷污染特征及关键源区识别

湟水是黄河上游最大的支流,沙塘川流域是湟水重要且具有代表性的支流.通过建立SWAT非点源污染模型,研究沙塘川流域氮磷非点源污染特征,并识别面源污染发生的关键源区,对湟水流域水污染治理具有重要意义.研究结果表明:沙塘川进入湟水河的非点源总氮污染负荷为236.77 t?·?a?1,非点源总磷污染负荷为51.02 t?·?a...     

最佳管理措施对非点源污染控制效果的预测——以北京密云县太师屯镇为例

选取北京市密云水库上游太师屯镇为研究区,针对该区农业非点源污染特征,设计了最佳管理措施(BMPs).同时,在非点源污染损失估算的基础上,率先尝试从经济学角度预测8种不同非点源污染措施在控制氮、磷和泥沙流失的效果及所获得的环境效益、经济效益,并将各单项措施的控制效率进行了比较分析.研究结果表明：改变土地利用类型的3种措施中,25°以上荒草坡还林措施效果最好,对总氮、总磷、泥沙流失的控制效果都超过15%,最高可达30%以上,且经济效益最大;25°以上坡耕地还林效果次之,对总氮、总磷、泥沙流失的控制效果都超过5%,最高可达12%;15°~25°坡耕地变果园措施最差,对总氮、总磷、泥沙流失的控制效果一般为4%~8%.坡度为0°~15°坡耕地在土壤侵蚀控制中具有重要地位;坡耕地植物篱和保护性耕作对土壤侵蚀类非点源污染的控制效果相近,削减的污染损失占非点源污染损失总价值的13%,具有明显的环境效益.针对畜禽养殖污染设计的农村户用沼气池,其经济效率在10%左右;测土施肥技术可减少氮素流失、节约大量化肥,且削减的污染损失达到非点源污染损失总价值的19%.作为综合污染控制措施的河岸缓冲带,可以有效地拦截氮、磷和泥沙的流失,对泥沙的控制效果最好,为83%,对氮的控制效果最低,仅为27%;而从经济效益方面比较,缓冲带减少氮素流失所获得的经济效益最大,约为该措施总经济效益的56%,泥沙次之,占28%;植被缓冲带削减非点源污染的总经济效率最高,可达35%,折合经济价值约1.69×106元.     

基于SWAT模型的青山湖流域氮污染时空分布特征研究

基于SWAT模型构建了青山湖流域的氮负荷模型,利用2005~2011年的径流观测资料和2011年7月15日~8月4日的水质监测资料对模型进行率定和验证.青山湖流域氮污染的主要来源包括农田化肥、农村生活、畜禽养殖、城镇点源及湿沉降,其中对流域出口TN浓度贡献最大的来源是化肥施用,占34.3%.对流域现状氮负荷的时空分布特征进行分析,结果表明:NO3--N流失量的时空分布特征明显,6~9月的流失量最大,占62.5%,空间上中部流失量比西北部自然林区域大,坡面流是NO3--N主要流失途径;有机氮流失量较大的区域主要分布在中部农田比例较高的子流域.研究结果可为流域的氮污染控制和研究提供科学依据.     

基于“径流-地类”参数的非点源氮磷负荷估算方法

东江作为广东省重要的饮用水源,其上游农业集水区非点源氮磷流失量备受关注.因此,本文以东江上游上莞河小流域为研究区,利用2011年的集水区水质监测数据,在平均浓度法及输出系数法的基础上,构建基于"径流-地类"参数的非点源氮磷负荷计算式,其径流、地类参数分别通过校正后的SCS模型和土地利用现状图获取,并分别对上莞河流域及流域各地类的非点源氮磷流失量进行估算.研究结果表明,汛期上莞河流域氮磷流失量主要来源于非点源污染,其非点源氮、磷流失量分别占氮、磷流失总量的97.32%、98.05%.坡度对流域非点源氮磷流失影响较小,地类是影响非点源氮磷输出的重要因素.构建的计算式能较好地估算非点源氮、磷负荷量,在次暴雨尺度非点源氮、磷输出量模拟精度分别为84.78%、81.06%.2011年度上莞河流域非点源氮、磷输出量分别为48923.4、7189.3 kg,耕地、居民地分别是非点源氮、磷输出的关键源区,其非点源氮、磷输出量分别占流域非点源氮、磷输出总量的84.20%、58.54%.     

基于水文模型的缺资料流域缺水特征分析——以岷江茫溪河流域为例

针对当前流域水资源短缺分析时空尺度偏大、精度偏低的问题,建立了一种适用于缺资料流域缺水特征分析的方法,即采用SWAT模型计算流域水资源总量,基于统计数据计算流域需水量,研究流域缺水量的月尺度变化特征,并将该方法应用于茫溪河流域,从不同时间、不同空间与不同行业角度开展流域缺水特征分析。结果表明:茫溪河流域多年平均水资源总量为56 460万m³,可利用水量为10 599万m³,河道外需水量为12 650万m³,缺水量为3 134万m³;受降水和农业灌溉影响,茫溪河流域缺水主要集中在非汛期,尤其是灌溉需求较大的4月和5月。