基于LOADEST和数字滤波的水源地基流氮素输出定量方法应用实例

地表直接径流和基流均是流域非点源氮/磷养分输出的重要水文途径.科学认识和定量模拟基流氮/磷养分输出对于准确解析水源地水体非点源污染来源至关重要.基于Load Estimator模型和数字滤波算法,建立了定量水源地基流氮素输出的方法体系.以浙江省珊溪水源地的玉泉溪流域为例,利用玉泉溪2010-01—2013-12期间逐月总氮(TN)水质监测数据和逐日流量数据,展示了该方法的计算过程.结果表明,本文建立的水源地基流氮素输出定量方法结果合理,模拟精度高,决定系数和纳什系数分别为0.83和0.80;玉泉溪流域2010—2013年TN负荷量为141.21～274.68 t·a~(-1),平均208.63 t·a~(-1),年基流TN负荷量为84.39～168.68 t·a~(-1),平均127.69 t·a~(-1);基流对玉泉溪年均TN负荷量贡献率高达60%以上,流域基流养分输出对地表水体的污染应引起足够重视.     

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.     

茅坪河流域非点源污染负荷模拟

为定量化研究茅坪河流域农业非点源营养物质氮、磷的输出负荷,在茅坪河的亚流域陈家冲,利用2004-05～2004-10降雨期的监测数据,通过实测值和模拟值的比较对非点源污染模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)进行了率定和验证,采用Nash-Sutcliffe系数(R²)、均方根差(RMSE)和相对误差(CV)检验实测值和模拟值的拟合度.利用验证后的模型模拟了茅坪河流域营养物质氮、磷的输出负荷量.经验证径流、总氮和总磷的Nash-Sutcliffe系数分别为0.71、0.51和0.62,最小相对误差分别为1.8%、1.1%和10%,模型对氮和磷的输出模拟效果稍差,但对径流的模拟取得了较好的效果,表明该模型可运用于茅坪河流域非点源污染的模拟研究.模拟结果显示,2004-05～2004-10,茅坪河流域共有102.5 t氮和9.46 t磷流入长江,大量农业非点源污染的产生是造成茅坪河水质恶化的重要原因之一.     

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.     

流域磷素面源污染产生与输移空间分异特征

甶于面源污染物从坡面产生后至向流域出口输出过程会发生一系列变化,如在河道迁移过程发生的沉降衰减,基于污染物产生与输出空间分布识别关键区会存在一定的差异.因此,本研究选取面源污染较为严重的高原湖泊洱海典型小流域,以子流域为空间分析单元,采用经实测数据验证后的定量模拟工具-SWAT模型和数学统计方法,分析流域面源磷产生与输出的空间分布及差异,评估河道迁移过程对两者空间分布差异的影响.结果表明:流域面源流失磷产生强度存在明显的空间分异特征,不同子流域流失磷的产生强度在1.52~1.82kg/hm~2之间变化,高强度区主要集中在有坡耕地分布的水文敏感区和植被覆盖度差的土壤侵蚀敏感区;不同子流域流失的磷经河道迁移后发生了-25.6%~21.6%的变化,导致流失磷的输出与产生空间分布出现差异,较高产生强度区,磷流失高输出强度区缩小为土壤侵蚀敏感区;不同子流域流失磷经河道迁移后发生的不同变化受流失磷产生强度与径流迁移时间的综合影响.     

基于改进输出系数模型的非点源污染评估及关键源区识别：以北运河上游流域为例

非点源污染对水生态环境威胁极大,定量解析非点源污染空间分布特征和准确识别关键源区是实现其高效精准治理的基础.输出系数模型广泛应用于非点源污染的模拟,但该模型忽略污染物迁移过程中的损失量,需要进一步改进.以北运河上游流域为例,通过对非点源污染物迁移物理过程的模拟,量化产流、产沙和下渗过程中污染物的损失率改进输出系数模型,并分析Johnes、常用和改进输出系数模型的模拟精度,探究3个输出系数模型对非点源污染空间分布特征和关键源区模拟结果的影响.结果表明：(1)改进输出系数模型模拟误差(-6.79%)明显低于Johnes模型(50.44%)和常用模型(-84.01%),显著提高了非点源污染模拟精度.(2)不同输出系数模型得到的非点源污染空间分布特征和关键源区存在较大差异,改进的输出系数模型模拟结果更符合流域非点源污染特征.流域非点源污染呈西北部低东南部高的空间特征,城镇用地和耕地是主要污染源.(3)基于改进输出系数模型确定的流域非点源污染关键源区主要分布在昌平、沙河、史各庄、温泉乡北部和马连洼街道西部等区域,占流域总面积6.71%.研究可为缺资料地区的非点源污染评估和治理提供更有效的工具支撑...     

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.     

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.     

非点源污染负荷模型的比较与选择

随着点源污染治理的深入,非点源污染的严重性日益凸显。对非点源污染进行定量化和有效控制的方法是通过非点源污染负荷模型对各类非点源的形成、迁移转化以及负荷量进行模拟。然而,非点源污染模型大都由发达国家开发,而且结构和参数各不相同,如何在实际应用中选择适合的模型成为非点源污染模拟的重要问题。文章选择国内常用的SWAT、HSPF、AnnAGNPS和GWLF 4个非点源污染模型,从结构、输入输出以及所应用的流域来对模型进行比较,最后给出非点源污染模型在国内使用时,模型选择的原则和建议。     

于桥水库周边农业小流域地表径流和亚表层流的磷素流失浓度特征

选择天津市重要饮用水水源地于桥水库周边2个农业小流域,连续5a进行了磷素流失的实验研究.结果表明,地表径流总磷浓度以果园为最高,浓度超过10 mg·L-1;村庄次之;农田最低,浓度在3 mg·L-1左右.降雨后亚表层流中磷浓度以果园为最高,且变幅最大,菜园次之,农田最低.在流域出口处,曹各庄流域地表径流总磷浓度达到10.07 mg·L-1,而桃花寺流域为0.69mg·L-1.土地利用类型格局和迁移廊道性质是造成2个流域磷素浓度差异的主要原因:曹各庄流域中村庄和果园同水库较近的距离(约200 m),以及道路型季节性河流增加了磷素迁移到受纳水体的风险;桃花寺流域中村庄和果园离受纳水体较远(约1500 m),在迁移过程中磷素被小石坝、植被过滤带和干塘等"汇"型结构所持留,从而减少了向受纳水体迁移的风险.     

基于水流路径与景观单元相互作用的非点源污染模拟研究

从污染物进入受纳水体的载体水流着手,沿水流路径模拟污染物迁移过程中各景观栅格单元与周边景观栅格单元的相互作用关系,并将这种相互作用分为"推动"和"阻碍"两个方面,综合两种作用计算空间不同位置景观栅格单元污染物的入河迁移系数.同时,通过水文累积计算,获得河道水质空间分布特征.最后,以东北海伦地区4个子流域作为案例研究区,模拟得到流域污染源和水体污染程度的空间分布示意图,并利用2007、2008年10场降雨后流域出口的水质监测数据与模拟值进行了比较分析.结果显示,模拟N含量与监测TN值显著相关,模拟P含量与监测颗粒态P含量显著相关,表明该研究方法能定性地描述流域N、P污源染以及受纳水体水质时空分布特征.但模拟计算出的N、P含量均远远高于实测值,说明该模拟方法还需进一步改进以达到准确量化的目标.     

基于LAM模型的多干扰特征河流磷污染源解析

针对高强度复杂人类干扰河流磷来源难以定量解析的问题,构建基于流量与污染物浓度关系模式的污染源解析模型,定量分析多干扰类型河流磷的点源和非点源负荷与时间贡献。以滇池流域的源头河流、水库干扰河流、水库-调水复合干扰河流等为例,采用LAM源解析模型建立了河流磷浓度与流量的响应关系,分析了主要河流磷的源贡献结构与时空分布特征。结果表明:2018年非点源是滇池主要入湖河流磷的主要贡献源,非点源负荷占比为53%~100%,汛期与全年差异较小;从污染源主导时间看,点源是宝象河和盘龙江大花桥-德胜桥段时间占比最高的污染源,表明低流量期间点源控制对改善水质仍然具有十分重要的意义。研究结果可为我国多种人为干扰类型河流的磷污染源解析提供方法借鉴与指导。     

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.     

巢湖地区无监测资料小流域面源磷污染输出负荷时空特征

在来自工业和城镇生活污水的点源污染得到有效控制的状况下,面源磷污染正逐步成为湖泊和河流富营养化的主导因子.在缺少监测资料的流域,移植处于同纬度和具有相同自然条件的流域的模型参数,是开展SWAT模型模拟的有效方法.因此,本文以巢湖地区的柘皋河小流域为例,通过移植率定好的模型参数,运用SWAT模型分析研究区面源磷污染输出负荷的时间变化和空间分布特征.结果表明,1980—2012年面源磷污染负荷围绕着平均值上下波动,不同水平年的磷污染负荷有较大差异,其中,1996—2012年的面源磷污染的年负荷大于1980—1995年的磷污染年负荷.两个时期内不同月份的总磷负荷均有显著性差异,其中,6—8月的磷污染负荷较大.两个时期的面源磷负荷的空间分布存在一定的差异,1996—2012年单位面积的面源磷负荷明显大于1980—1995年的单位面积面源磷负荷,其中,面源磷负荷的增加主要集中在水田区域.土地利用类型的变化和化肥的大量使用是导致研究区面源磷污染负荷增加的主要因素.     

辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析

以辽宁太子河流域为研究区,为定量估算该区非点源氮磷污染负荷,经过实地调研和资料收集后,利用单位负荷法和SWAT模型相结合的方法对流域进行1997~2008年径流、泥沙和营养盐输出的模拟研究,进行了多参数、多目标和多站点详细的参数率定和模拟验证,最后分析了非点源氮磷负荷的时空分布规律.结果表明:径流模拟效果较好,泥沙和营养盐模拟结果符合要求,模型在太子河流域适用性较好,可以模拟分析该地区的非点源污染负荷问题;1997~2008年年均总氮和总磷负荷为17357.43t和7110.91t,氮磷负荷的时空分布受降雨径流过程的影响,汛期(6~9月)负荷总量占全年的77.76%和80%;负荷强度的空间差异较大,全流域多年平均值为13.20,5.41kg/hm2,流域内污染负荷关键源区是灯塔市和辽阳县.     

基于过程模拟的地下水污染风险评价方法研究

通过对简易垃圾填埋场污染地下水过程的系统分析,提出了以抽水井作为保护目标进行地下水污染风险评价的方法,确定了地下水污染风险评价因子,建立了基于过程模拟的污染物迁移转化数学模型.以特征污染物Cl-的污染范围和程度划分了风险等级.利用构建的地下水污染风险评价方法,以我国北方某简易垃圾填埋场作为案例进行了地下水污染风险评价.结果表明,污染源与污染物迁移转化的共同作用决定了地下水污染范围和风险等级.地下水污染风险评价方法的建立为开展简易垃圾填埋场地下水污染有效监管提供了一种方法.     

三峡库区非点源污染氮磷负荷时空变化及其来源解析

三峡库区是我国重要水源保护区,也是长江流域经济迅速发展区域之一.非点源污染是库区水环境恶化的主要原因,因此研究库区非点源污染状况对于区域的生态安全以及可持续发展具有重要意义.研究采用改进输出系数模型,估算库区1990~2015年的非点源氮磷污染负荷总量,分析非点源氮磷污染的时空变化特征,并通过计算各污染源的贡献率确定主要污染来源.结果表明,氮磷污染负荷量在空间上均呈现库区腹地高,库尾次之,库首最低的分布特征;氮磷污染负荷总量在时间上均呈现先增加后降低的趋势,在2000年达到最高值,2015年降到最低值;各污染源对氮磷污染负荷量的贡献率按从大到小依此为：土地利用、农村生活以及畜禽养殖;其中,旱地这种土地利用类型是非点源氮磷污染的主要来源.     

不同降雨条件下非点源污染氮负荷入河系数研究

以黑河流域为研究区,利用1998年河道实测径流量、泥沙负荷和非点源污染调查资料,对所建的非点源污染模型进行了参数率定.在此基础上,分析了非点源污染负荷的坡面-入河过程,提出了非点源污染负荷的"流域损失系数-入河系数"的概念;利用研究区的资料,对不同降水条件下农田、城镇、草地、灌木及森林等土地利用类型的各亚流域氮的入河系数进行了研究,对比分析了2种计算方法(SWAT模型方法和输出系数法)所得到的氮的入河系数.结果表明,2种方法所计算的氮的入河系数均较为合理,其计算结果的Pearson相关系数为0.94722(p＜0.05).此外,研究还表明,不同的降水条件和土地利用类型下氮的入河系数存在差异.对于吸附态氮,入河系数的大小排列依次为农田＞城镇＞草地＞灌木＞森林;对于溶解态氮,其入河系数的大小排列次序为农田＞草地＞灌木＞森林＞城镇.     

基于SLURP模型和输出系数法的三峡库区非点源氮磷负荷预测

为研究三峡入库非点源污染的变化规律,以输出系数法为基础,引人污染负荷系数,建立了计算三峡库区上游流域非点源氮磷负荷的数学模型.将所建立的非点源负荷模型与分布式SLURP水文模型相结合.借助地理信息系统和遥感技术,对该流域土地利用/土地覆盖和气候特征下的流域水文动态过程,以及水文动态过程下该流域输入三峡库区的非点源氮磷污染负荷进行了相关预测和分析.预测结果显示:2020年由于该流域土地利用的变化,非点源氮磷污染的产生量略有减少,但地表径流量的增加使输入库区的非点源氮磷污染负荷有所增加;未来农田产生的污染物量有所减少,但农田仍然是形成氮磷负荷的最主要来源.