三峡库区小流域土地利用结构变化及其氮素输出控制效应:以兰陵溪小流域为例

基于三峡库区兰陵溪小流域退耕还林后土地利用结构变化分析,结合2015年汛期流域氮素养分输出监测数据,利用逐步回归定量分析土地利用结构特征对氮素输出的控制效应.结果表明:1退耕还林工程小流域土地利用结构发生改变,林地、园地面积比例分别增加到76.85%和13.87%,园地多以茶园单一类型片状分布,耕地面积比例锐减至1.16%,且零星分布于林地、园地之间.2小流域部分监测点总氮浓度超过国家Ⅴ类地表水水质标准,各监测点铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3~--N)和总氮(TN)输出浓度分别为0.089~0.214 mg·L~(-1)、2.925~13.203 mg·L~(-1)以及3.561~14.572 mg·L~(-1),硝态氮输出浓度占总氮比例超过80%.3集水区氮素输出浓度与园地和住宅用地极显著正相关,与林地、未利用地则成极显著负相关,住宅用地和园地类型是主要的氮素输出源.4小流域土地利用结构调整应优先增加林地,适当控制园地发展,且将住宅用地面积比例控制在5%以下,并通过林茶、林果间作等方式改变小流域部分园地单一类型片状分布格局.     

基流对亚热带农业流域氮素输出的贡献研究

随着经济的迅猛发展和人民生活水平的逐步提高,亚热带农业小流域的面源污染日趋严峻,恶化的水体环境质量已经成为该区域可持续发展和生态文明建设的重要障碍.基流过程对流域生态水文过程有重要影响,因此本研究选取湖南省长沙县的脱甲和涧山两个农业小流域作为调查对象,通过流域观测和模型估算方法,对比分析2011年1月至2013年12月间流域基流过程对总氮(TN)输出的贡献.结果表明,在较高强度水稻种植的脱甲流域的月平均基流流量、平均基流TN流量加权浓度和平均基流对TN输出贡献[15.2 mm·month~(-1)、4.14 mg·L~(-1)和0.54 kg·(hm~2·month)~(-1)],均大于较低强度水稻种植的涧山流域[11.4 mm·month~(-1)、1.72 mg·L~(-1)和0.20 kg·(hm2·month)~(-1)].基流对TN输出贡献呈现明显的季节性变化,如在水稻生长季,脱甲和涧山流域基流对TN输出贡献分别为23.2%和18.6%,均低于休耕季的46.9%和40.0%,表明水稻种植会提高休耕季的流域基流过程对TN输出的贡献.因此,为缓解农业小流域水体面源污染,应当在农业小流域中实施合理的稻田管理措施来降低基流对TN输出的贡献.     

流域溶解有机氮输出特征与迁移路径研究——以凤羽河流域为例

为研究流域溶解性有机氮的输出特征,在云南省西部大理白族自治州洱源县的凤羽河流域出口进行了水质水量连续监测,收集了2011年1月-2013年12月连续的逐日水量监测数据和777个的水质监测数据.采用了LOADEST负荷估算方法和基流分割方法研究了凤羽河流域DON输出特征与水文迁移路径.结果表明:(1)汛期与非汛期降雨量的变化对流域DON负荷的输出变化影响显著;(2) LOADEST负荷估算结果表明8月份DON负荷流失最多,达到3110.6kg,其次分别为9和7月,约2604.9和2540.2kg,表明汛期为DON负荷流失的关键期;(3)基流分割结果表明基流输出DON占流域DON总负荷的60.0%～96.0%,从而表明2011～2013年凤羽河流域DON的流失途径主要是基流.     

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LUCC的南四湖流域面源污染输出风险评估

基于1990-2015年土地利用和统计数据,运用输出风险模型、CA-Markov模型及回归模型,结合GIS技术,对南四湖流域的1990-2015年间土地利用覆盖变化情况和面源污染输出风险空间变化情况进行分析,模拟了2020年土地利用变化和输出风险空间分布。结果表明：研究期间,南四湖流域主要的土地利用类型为耕地和建设用地,共占总研究面积的85%以上;TN、TP有明显的风险变化对比,TN风险值分布在0~0.65,TP风险值约在0~0.12之间,氮为流域内主要污染物;在1990-2005年间,TN风险呈先增加后减少的趋势,2010年之后急剧增大。TP风险随着时间的增加一直下降;从空间分布上来看,风险较高的污染区多位于南四湖区以西的平原地带,南四湖东部的山地地区污染风险型较低,多为低风险污染区。较2015年,2020年的未利用地面积变化不大,除建设用地数量增加外,其他用地面积均有不同幅度的减少,TN风险略有减小,TP风险变化不大。为了控制研究区域面源污染的发展,相关部门需把提高农业科技、减少肥料施用作为当下的工作重心,从源头上控制污染发生。     

西苕溪流域土地利用对氮素输出影响研究

以位于太湖地区的西苕溪流域为研究区,利用Arcview3.2的水文模拟和空间分析扩展模块进行子流域划分和典型小流域选择,通过对2000年TM/ETM遥感影像解译获得流域土地利用数据.在2004年分3次(7月、9月、12月)监测了各个小流域出口的总氮浓度,用以表征流域氮素输出强度.基于以上数据,分析了小流域氮素输出的时空变化差异以及土地利用结构对氮素输出影响.结果表明:各个小流域氮素输出差异很大,空间上有从上游到下游逐渐增大的趋势,时间变化上,西苕溪流域中下游的小流域氮素输出7月>9月>12月,上游地区的小流域则与之相反,这与流域的降雨径流分布和土地利用方式差异有关.多个小流域的对比分析表明,流域土地利用结构对氮素输出的影响更大.流域内林地面积比例越大,氮输出强度越小;相反,与人类活动有关的土地利用类型如耕地和居民地比例增大将带来氮素输出增大的后果,而氮素输出的强度似乎与流域面积大小无关.     

太湖上游流域下垫面因素对面源污染物输出强度的影响

应用流域断面监测、GIS的流域空间分析等手段建立太湖上游地区流域基础数据,通过多元逐步回归和冗余分析(redundancy analysis, RDA)手段,研究了太湖上游流域下垫面要素对流域出口污染物输出影响特征以及不同要素影响的相对强度,提取了影响太湖上游流域面源污染产出的主要下垫面因素并分析各小流域水质控制性要素的空间特征.研究结果表明,流域面源污染与下垫面要素具有很大的相关性,其中流域土地利用对面源污染产出的影响最为显著,其次是流域土壤特征、流域坡度,流域面积的影响最小;影响流域面源污染输出变化的控制性因素为居民用地、耕地面积比例和流域平均坡度,对水质数据进行解释的显著性和重要性水平均较高,能解释59.5%的流域水质信息、98.6%的下垫面特征-水质指标关系信息,且在不同小流域中这3个因素对流域水质影响的贡献率不同.     

太湖蠡河小流域水质的空间变化特征及污染物源解析

为了解太湖流域河流中污染物的来源及时空变化特征,于2014年在太湖湖西区蠡河小流域开展水质监测,对从上游到下游的5个监测点汛期和非汛期水体中的总磷(TP)、氨氮(NH_4~+-N)、化学需氧量(COD)浓度的变化规律及其影响因素进行了研究.结果表明,监测期间流域水体中TP、NH_4~+-N、COD的浓度均值为0.176、1.075、10.626 mg·L~(-1),水质状况总体较好,未超过Ⅳ类水标准.从上游到下游TP、NH_4~+-N浓度逐渐升高,下游水质较差,均属于劣Ⅴ类水质;而COD浓度较低,未超过Ⅳ类水标准.受降雨的影响,污染物浓度在汛期略高于非汛期.在非汛期,污染物浓度从上游到下游逐渐升高,而在汛期,各监测点污染物浓度没有明显的变化趋势.随着居民地面积的增加,林地面积的减少污染物浓度逐渐升高.流域人口密度、畜禽养殖与水体中污染物浓度显著相关.蠡河流域农业面源污染的主要来源是生活源和畜禽养殖源.     

小流域土地利用结构对氮素输出的影响

以丹江口库区的胡家山小流域为研究区,以资源二号卫星影像图为底图,通过实地调查获取胡家山小流域土地利用图,利用ArcGIS的水文模拟、空间分析模块提取15个集水区,并分析其土地利用结构.根据2008年1～12月各个集水区的出口的总氮、硝态氮浓度的监测数据,定量地分析土地利用结构对氮素输出时空变化的影响.结果表明,胡家山小流域内旱地、居民地对氮素输出起显著源作用,与TN、NO-3-N的Pearson相关系数分别为0.869、0.856和0.826、0.867.林地、疏林地、草地等对氮素输出起汇作用,其中林地、草地汇作用显著,与TN、NO-3-N的Pearson相关系数分别为-0.820、-0.851和-0.602、-0.518.土地利用结构是氮素输出空间变化的关键因素,土地利用类型的空间分布使得汇土地利用类型旱地、居民地对小流域氮素输出影响最大;在不同时间尺度上,土地利用结构对氮素输出浓度影响有所不同.年度上,对氮素输出影响最大的是旱地,季节上,春、夏、秋、冬四季对氮素输出影响最大的分别是旱地、居民地、居民地、旱地;土地利用结构对氮素输出浓度的影响受到降雨、气温、人为等因素的作用.     

中亚热带典型农业小流域氮素输出特征及监测采样频率研究

以湖南省长沙县的脱甲小流域为例,研究了中亚热带典型农业小流域中氮素输出的规律,并采用统计学方法确定合理的氮素输出监测频率.研究结果表明,该地区农业小流域氮素输出过程受降雨-径流过程和农业管理活动的影响明显,除颗粒态氮(PN)外,流域出口水体中铵态氮(NH+4-N)、硝态氮(NO -3-N)、可溶性氮(DN)和全氮(TN)的浓度均与沟渠径流量显著相关(p<0.01).降雨-径流过程和农业管理活动也会影响河道水体中氮素化学形态,但其对氮素化学形态的影响往往是短期的,因为在整个观测期间内,仅NH+4-N /TN比例与径流量有显著相关关系( p<0.01).对于不同形态氮素采样频率计算结果表明,水体中氮素浓度变异系数越大,在允许的误差范围内需要的监测频率越高.按照平均值误差的20%控制, NH+4-N和PN的采样频率要达到每天2次才能满足要求,采样频率显著高于NO-3-N、DN和TN(1天1次).如果将典型小流域中的氮素输出监测频率定为每天1次,NH+4-N和PN的相对误差将达到30%.该研究为阐明中亚热带农业小流域氮素输出规律和制定氮素监测策略和规范提供了样本.     

不同深度人工复合生态床处理农村生活污水的比较

采用了2种填充深度(60cm和40cm)的人工复合生态床对滇池地区低浓度农村生活污水进行了处理试验研究结果表明,在30cm/d高水力负荷的条件下,对COD、总氮、氨氮和总磷的去除率,深度为60cm的床体分别为66.4%、57.7%、78.7%和63.2%,40cm深的床体分别为63.8%、59.1%、82.1%和61.3%.深度为60cm床体对COD和总磷的去除率高于深度为40cm的床体,但后者对氮的去除效果略优于前者.对氮、磷去除途径的分析表明:微生物的硝化/反硝化作用以及填料对磷的吸附沉淀作用是人工复合生态床去除氮、磷的主要途径;水生植物对氮、磷的吸收量分别占投加总量的10%和9%以上,也是一个重要途径.     

估算非点源污染负荷的平均浓度法及其应用

为了满足水质预测和流域水污染控制规划的迫切需要, 结合我国非点源污染监测资料少的实际, 以非点源污染的形成过程为基础, 提出了一种简便易用的流域非点源污染负荷估算方法———平均浓度法.应用实例表明, 该方法是可行的.     

三江平原水田氮的侧渗输出研究

为探讨三江平原水田面源污染物氮的输出机制,通过不同尺度田间原位实验,研究了氮在水田-田埂-渠系系统侧渗输出过程中氮含量、田埂截留率及侧渗速率的变化规律.并对水田氮流失负荷进行了量化.结果表明,近沟渠田埂宽度对侧渗速率和截留氮素的能力影响明显.随田埂宽度的增加,侧渗速率降低,而田埂对氮素的截留能力增强,其中,田埂对氨氮(...     

基于GIS的水环境非点源污染模型研究

非点源污染是水环境研究的重点和难点,利用模型对非点源污染进行研究是该项研究的重要内容之一.由于非点源污染具有广泛性、时空异质性和随机性的特点,用常规方法分析、评价、控制和管理有较大难度.随着地理信息系统(GIS)的发展以及非点源污染模型研究的不断深入,二者的结合已在该项研究中取得了一定成果.基于插件式GIS技术、RS技术、空间数据挖掘技术以及空间决策支持系统(SDSS)是非点源模型发展应用的趋势和方向.     

水环境非点源污染模型研究

随着工业污染源的有效控制,非点源污染已经成为我国重要污染类型之一,如何科学地认识并有效控制非点源污染已成为研究课题.在此介绍了非点源的基础工具--非点源模型的主要类型、结构和特点,并对目前主要的非点源模型进行了比较分析,探讨了非点源模型发展的趋势.     

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.     

饮用水水源保护区河流水环境容量计算模型

基于河流一维水环境容量计算模型,通过水质控制目标分析,引入了饮用水供水水库的水环境容量决定其保护区内河流水质控制目标的概念,提出以水库的水环境容量为其上游保护区内河流段末的水质控制目标,解决了由于河流与湖库的总磷水质标准不一致、水质标准中没有河流总氮指标以及水环境容量计算中河流与湖库水文设计条件不同步等,导致水源保护区内河流的水质控制目标确定困难的问题,建立了针对饮用水水源保护区内河流水环境容量的计算模型和方法,本模型直接表达了饮用水供水水库与其上游河流水环境容量之间的定最关系,体现了2个水域间的连续性和相互作用关系,为实现饮用水供水水库及其上游河流的污染物总量控制提供了可靠的科学依据,应用本模型,计算了正在建设中的老虎潭水库保护区内河流的水环境容量.结果表明,根据老虎潭水库水环境存量,保护区内河流的总氮水环境容量为65.05 t·a-1,现状总氮年入河量应削减33.86 t;总磷水环境容量为5.05 t·a-1,现状条件下尚有2.23 t·a-的剩余水环境容量,文中所提出的建模方法可以推广至水质控制目标不同情况下的连续水域,尤其适用于下游水域水质控制要求高于上游水域的情况,拓展了水环境容量的研究思路和方法.     

我国城市非点源污染特征及其模型应用探讨

总结了城市非点源污染的定义,探讨了城市非点源污染的种类、来源、危害、影响因素等特征。为估算城市非点源污染负荷,国外学者研发了许多模型,如SWMM、STORM、MOUSE等。但因我国城市非点源污染具有浓度高,来源多（包括城市道路、屋面、广场、天然降雨、路边垃圾、重点生活源、管网淤积等）,且主要来自于城市道路等特点,国内学者在应用国外模型计算城市非点源污染负荷时可能会遇到一些问题和困难。基于我国城市非点源污染特征及当前SWMM模型在我国的应用,提出了我国在应用模型模拟计算城市非点源污染时需注意的模型参数取值及验证、模拟污染物类型选取、基础资料获取等相关问题,并展望了我国未来城市非点源污染的研究方向。