信息约束条件下的流域农业面源污染控制优化

我国广大小流域迫切需要开展农业面源污染控制,但却面临着水质、水文、气象、土地等监测资料不足的信息约束条件。为了应对此问题,本文以具有冻融变化特征的东北地区为例,开发了一套信息约束条件下的流域农业面源污染控制优化系统。首先,提出了农业面源污染负荷的计算方法。其次,分析了流域水质的影响因素。接着,建立了面源污染输入与流域出水口水质之间的响应关系,经验证该系统输出数据与实际污染状况相吻合,能够很好地模拟流域污染状况。最后通过各种削减策略的运用,模拟出农业面源污染削减率和削减后的总氮浓度。通过采用本研究制定的控制优化方案,改变种植类型和面积以及改善施肥配施比,将污染源数据进行量化作为输入数据,经系统输出得到模拟污染输出数据,可得到较好的污染削减效果。研究结果为信息约束条件下治理流域农业面源污染提供了决策支持。     

太湖地区蠡河流域不同用地类型面源污染特征

以太湖上游蠡河流域为研究区,通过对面源污染为主子流域和城镇地表径流进行监测,结合GIS空间分析方法,分析了流域林地、耕地及城镇用地等土地利用类型的面源污染流失特征.结果表明,林地产出径流面源COD、TN和TP浓度分别为2.987±1.582,1.690±0.349,0.019±0.009mg/L;耕地的产出径流面源COD、TN和TP浓度分别为9.874±5.146,2.534±2.459,0.185±0.149mg/L;小城镇的产出径流面源COD、TN和TP浓度分别为7.729,1.790,0.117mg/L.蠡河流域的面源污染COD、TN和TP负荷量分别为919.9,306.0,13.5t/a.     

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.     

密云水库上游河流水质空间异质性及其成因分析

于2018年非汛期(4—5月)和汛期(8—9月)在潮白河上游流域布设28个监测断面,监测了11项水质指标并进行统计分析,同时,结合GIS空间分析功能来分析水质时空变化特征及其成因.结果显示:从时间上来看,密云水库上游水质表现为汛期差于非汛期,非汛期主要污染物为TP,其均值(0.29 mg·L~(-1))超过了Ⅲ类水质标准且变异系数较高(0.89),存在显著的空间差异,受点源、沿河岸农业面源和第一产业活动的影响较大;汛期主要污染物为TN,其均值(5.98 mg·L~(-1))超出了Ⅴ类水质标准但变异系数不高(0.55),有机物和泥沙的变异系数相比非汛期都有所增加,说明汛期呈现更加显著的变异性,受流域面源、第一产业和生活污染的影响较重;从空间上来看,潮河水质差于白河,潮河主要污染物是TN和TP,主要受农业面源和第一产业活动的影响,白河主要污染物为TP和有机物,主要受第三产业和第一产业的影响,受农业面源污染的影响相对较低.     

太湖流域土地利用与河流水质污染状况的相关性研究

以太湖流域为例,基于GIS空间技术分析了不同缓冲半径下土地利用类型的特征,运用Pearson相关分析及典型相关分析对6种不同土地利用类型与10种水质指标进行相关性研究。结果表明:建设用地和耕地为流域内主要土地利用类型;近岸范围内(1 km以内)建设用地为主要污染输出源,与水体水质指标呈明显的正相关,而耕地与水质指标具有较为明显的负相关性,说明耕地对污染物质具有吸附过滤作用;远岸范围内(1 km以外)耕地与TP呈显著正相关,而与DO呈显著负相关,说明耕地造成了面源污染;水域分布与NO-3-N、TP呈负相关性,而与CODMn呈正相关说明其兼具污染物质的稀释净化与汇集输送作用;林地和草地与CODMn呈明显的负相关性,说明其对污染物具有截留吸收作用。     

珠三角某典型小流域水质时空特征及污染驱动力分析

采用聚类分析法和主成分分析法，对珠三角地区高明河流域水质指标进行数据分析，并采用排污系数法对流域污染负荷进行估算，剖析流域水质时空分布特征，识别主要污染指标，揭示流域水质与污染源的内在联系。结果表明，2020年高明河水质不能稳定达标，上游主要污染因子为COD_Cr，下游主要污染因子为COD_Cr、NH₃-N、TP。高明河流域水质空间差异显著，干流从上游往下游整体呈先改善再恶化再改善的波动趋势。丰水期流域有机污染严重，来源主要为畜禽养殖；枯水期氮污染严重，来源主要为城镇生活源；平水期水质受氮磷营养盐和有机污染综合影响，其中磷来源主要为水产养殖。因此，为改善高明河流域水质，应重点加强对畜禽养殖、城镇生活源、水产养殖污染源的治理与控制。     

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.     

倒水河武汉段水环境现状调查与保护对策

针对倒水河武汉段多次出现水质超标现象开展流域范围内水质状况及污染负荷数据收集和现状调研,分析得出流域范围内存在的主要问题为农业农村面源污染形势严峻、污水治理基础设施建设管理不足、水文水资源影响及上游水质恶化,结合倒水河实际提出系列水环境治理措施:农业农村污染控制、城镇生活污染物防治、实施连通湖泊保护工程、完善流域污染监控及联防联控工作机制。     

基于模糊数学和GIS的松花江流域水环境质量评价研究

应用模糊数学原理,以松花江流域1990—2006年15个国控断面的监测资料为依据,选择13种污染物为评价参数,运用模糊综合评价方法进行运算,得出综合评价结果. 在评价过程中充分利用GIS的数据管理与空间表达能力, 从产业结构特征上分析松花江流域水体污染的变化趋势,并运用地理信息手段表征流域水质的时空变化规律. 结果表明:松花江流域整体水质呈现好转的趋势;河流水质的季节变化明显,其中嫩江区域受面源污染的影响,丰水期水质劣于枯水期,第二松花江和松花江干流区域枯水期污染较重,污染主要来源于工业废水和生活污水的排放;流域水质区域差异性表现为支流污染重于干流,大城市附近水域的水质明显劣于其他水域水质. 流域主要污染物为石油类,COD_Mn,BOD₅,氨氮和六价铬等.      

敏感区域目标污染物空间溯源分析

基于SPARROW模型,利用新安江流域2009~2010年60个监测站点的TN浓度数据,以及相关污染源及空间属性数据对流域水质进行模拟分析,结果表明,流域内69%的河段TN模拟浓度可以达到III类及以上水质标准.对跨省界评估断面——街口断面进行TN污染源溯源分析,发现上游各子流域的工业源污染对断面污染总量的贡献比例为7.41%,农业源污染贡献比例为57.52%,生活源污染贡献比例为35.07%,且分别具有不同的空间分布特征,可以考虑使用该方法为以跨界断面污染物浓度控制为目标的相关削减措施的提出提供技术支持.     

高分辨率数据驱动的流域非点源污染输出风险评估方法

近年来,非点源污染已成为我国部分水库水质恶化的主要原因.以潘家口水库流域为例,引入动态降水因子和地形因子改进经典的输出风险模型,结合高分辨率的卫星反演降水产品(GPM)和高分六号卫星影像,建立高分辨率数据驱动的非点源污染输出风险评估模型,开展潘家口水库流域的非点源污染输出风险时空分布特征研究.结果表明,研究区2018年非点源污染输出风险较高,其中氮元素污染输出高风险和较高风险区约占流域总面积的70.6%,磷元素污染输出无高风险区,较高风险区约占流域总面积的21.9%.分析流域非点源污染输出风险时空分布特征,发现4～9月潘家口水库流域非点源污染输出风险呈现先增后减趋势,在7月和8月最高,与流域降水时空分布一致;结合土地利用分布特征分析,流域上游以耕地为主,城市集中在流域下游,受农业生产和人类活动的影响,这些区域的非点源污染输出风险较高.针对非点源污染输出风险时空分布特征,应制定合理的农业施肥方式,规划非点源污染“源-汇”景观布局以及建设植被缓冲带.     

漳卫南运河流域非点源污染负荷估算及最佳管理措施优选

制定实施流域TMDL(total maximum daily load)计划的一项关键技术就是借助水文模型量化流域非点源污染负荷,设置BMPs(best management practices),实施非点源负荷削减.采用构建的SWAT模型估算了漳卫南运河流域不同水平年(丰、平、枯)非点源负荷大小,分析了非点源负荷的空间分布特征.丰水年总氮非点源负荷占总负荷的0.07%,总磷非点源负荷占总负荷的27.24%.空间上,流域非点源输出负荷较大的区域主要为具有一定坡度的农业用地和城镇居民用地.对照基准情景非点源输出负荷,通过对47种不同BMPs控制措施的模拟,核算出不同BMPs对8个优先控制子流域的有机氮、有机磷、硝酸盐氮、溶解态磷和矿物磷共5种污染物的削减效率.通过对比分析不同BMPs的费用效益,优选出漳卫南运河流域最佳的总氮和总磷污染物削减措施为修建植被型沟渠,其TN、TP单位削减费用分别介于16.11～151.28元.kg-1和100～862.77元.kg-1之间,该项措施是47种BMPs中最经济有效的.相关研究结果可以为流域非点源污染负荷削减提供科学依据,为流域水环境改善和水生态修复提供技术支撑.     

大辽河流域上游非点源污染输出风险分析

为了解土地利用的组合方式对氮磷输出的影响,在广泛收集土地利用输出系数的基础上,基于遥感和GIS手段,分析了大伙房水库控制流域内营养物质氮磷的输出风险.结果表明,大伙房水库控制流域非点源污染输出的风险概率比较小,氮素和磷素的风险概率平均为19.31%和8.95%.但在空间分布上差异很大,风险概率高的地方一般在主要的河流附近,沿河流流向延伸.而其它区域的风险概率相对较低.此外,营养物质输出风险随着坡度不同差别比较大,而在行政区内差别不明显.     

鲁东山区流域景观格局与面源污染关联关系

基于实地监测和3S技术,以鲁东低山丘陵地区栖霞市为研究区,采用Spearman相关、非约束性PCA、对应典范分析（CCA）等方法,研究不同流域尺度下景观格局与面源污染的关联关系。结果表明：（1）研究区景观格局空间分异明显,在特征尺度下农用地和建设用地斑块较为破碎,林地、园地斑块聚集性强。（2）研究区河流面源污染物主要以TN为主,EC、COD污染次之,主河道出水口为污染较为严重的区域。（3）景观格局对水质的影响丰水期要大于平水期,TN和EC对土地利用类型面积比例和景观格局指数的变化最为敏感。（4）平水期河岸带尺度下景观格局对TN影响最大的为斑块密度,EC受景观边缘密度影响最大,小流域尺度TN受景观蔓延度影响最大,COD与景观多样性关系密切;丰水期河岸带尺度景观多样性对TN影响最大,EC受斑块聚合度影响最大,小流域尺度影响TN最大的因素与平水期一致,EC与景观蔓延度关系密切。（5）小流域景观类型水平下,TN主要受林地斑块密度影响,TP与耕地散布与并列指数关系密切;丰水期TN受林地散布与并列指数影响显著,TP对林地平均分维数变化敏感,EC受草地聚集性影响最大。本文分析了研究区景观格局与面源污染空间分布特征,探讨了两者在不同尺度下的相关性,可为栖霞市水土资源可持续利用提供科学依据。     

基于"源""汇"景观格局指数的海河流域总氮流失评价

土地利用类型及其格局能够影响非点源污染时空特征,而景观格局分析方法是评价非点源污染的重要技术手段,但是传统的景观格局指数较少考虑景观之间的位置关系,导致生态意义不明确.＂源＂＂汇＂景观格局理论中的＂源景观＂和＂汇景观＂指的是促进和阻碍非点源污染发生的景观类型.通过收集海河流域2009年夏季26个子流域的总氮浓度数据,并结合1∶25万DEM和1∶10万土地利用图,构建了融合景观类型、面积、空间位置等信息在内的源汇景观格局指数,发现源汇景观格局指数与总氮浓度有很好的相关性,在燕山山区、太行山区和下游平原区的相关系数分别为0.86、0.67和0.65.结果表明,源汇景观格局指数能够很大程度上反映总氮的空间变异特征,可以为其它流域的非点源污染评价提供参考,也有可能作为输入参数提高现有水质模型的模拟精度.     

土地利用对太湖入流河道营养盐的影响

土地利用类型是影响面源营养盐负荷的重要因素.为定量揭示不同土地类型对太湖流域入湖河流营养盐浓度的影响,本文以太湖西岸乌溪港流域为例,基于流域土地利用类型的遥感解译,结合河道水质监测数据,分析了流域土地利用对太湖入流河道营养盐浓度的影响.结果发现,河道水质与土地利用类型联系紧密：旱地农田和建筑用地占比对河道氮、磷、有机碳及浮游植物叶绿素a等营养盐相关水质指标影响巨大,果园用地占比也与河道营养盐浓度正相关,而林地占比则与营养盐浓度负相关;流域水域的利用情况及其面积占比也显著影响河道营养盐：河流及水库等的水体面积占比与河道溶解性总氮及硝态氮浓度负相关,自然坑塘及鱼塘等水域面积占比则与河道硝态氮和氨氮浓度负相关,而河流及鱼塘面积占比与河道溶解性总磷、溶解性有机碳和高锰酸盐指数等浓度呈正相关,自然坑塘面积占比与河道颗粒态磷和浮游植物叶绿素a浓度呈正相关.土地利用类型对河道水质的影响程度还受其距河远近的影响.上述结果表明在太湖等平原河网地区营养盐的面源污染控制中应当将土地与湿地的利用管控作为重点实施管理,将湿地水域的自净能力提升纳入流域营养盐控制方案,并特别重视下游河道两岸旱地及建筑用地的面源污染削减.     

基于L-THIA模型的四川省濑溪河流域非点源污染负荷分析

非点源污染是造成流域水环境恶化的重要原因之一,掌握非点源污染的时空分布特征是流域水环境污染防治和流域综合管理的基础性工作.为落实国家《水污染防治行动计划》,四川省启动了濑溪河等流域综合治理达标方案编制工作,探明濑溪河流域非点源污染负荷及其分布特征是该方案编制的前提.以四川省境内濑溪河流域为研究区域,基于GIS（地理信息系统）,利用L-THIA（long-term hydrologic impact assessment,长期水文影响评价）模型,基于2015年土地利用地图数据、土壤水文数据以及长时间序列（2009—2014年）逐日降雨数据,调整模型参数,使模型模拟径流量符合水文站监测数据,进而模拟2014—2015年流域内的非点源污染负荷空间分布.L-THIA模型模拟得到濑溪河流域径流量约为5.10×108 m3,和控制水文站实测径流量相比,模型模拟相对误差为5%,表明模型模拟质量较好,模拟结果可信度较高.结果表明,流域内TP、NH₃-N、COD_Cr非点源污染负荷分别为204.10、353.12、5 162.53 t;农业用地对研究区的非点源污染影响最大,林地最小;根据濑溪河水系分布特点将研究区划分为16个控制单元,各控制单元TP、NH₃-N、COD_Cr的空间分布特征及比例相似,研究区非点源污染平均负荷强度为3.72 t/km2,TP、NH₃-N、COD_Cr的输出范围分别为（0.08~0.15）（0.14~0.27）（2.19~3.89）t/km2.研究显示,流域非点源污染产生量的估算和空间分布特征的揭示为编制濑溪河流域水污染治理方案提供了科学参考.      

基于格局-过程理论的非点源污染实证研究:以黄土丘陵沟壑区水土流失为例

非点源污染是影响地表环境的主要污染方式之一.针对黄土高原丘陵沟壑区水土流失这一典型的非点源污染问题,应用非点源污染的空间识别方法———景观空间负荷对比指数和景观坡度指数,对黄土高原泾河流域12个子流域进行了实证研究.结果表明,耕地、低覆盖度草地和各种林地的景观坡度指数和景观空间负荷对比指数对流域土壤侵蚀模数有显著的响应关系,对径流深度存在着一定的响应关系,而对径流变异系数和侵蚀变异系数没有明显的响应.说明景观空间负荷对比指数和景观坡度指数对流域水土流失具有一定的指示作用,可作为水土流失等非点源污染空间风险评价的1个有用方法.     

密云水库上游白河地表水质对不同空间尺度景观格局特征的响应

基于密云水库上游北京境内白河段9个监测断面的水质数据,利用多元统计分析方法分析不同空间尺度（100、200、300、500和1000 m）河岸带缓冲区土地利用景观格局特征与水质总氮（TN）和总磷（TP）的关联性,识别水质对景观特征响应的最佳缓冲区尺度.结果表明,密云水库上游北京境内白河周边土地利用景观格局对水质的影响随着河岸缓冲区不同宽度的变化而不同,在河岸小尺度缓冲区表现得更明显,对水质TN和TP空间分异解释的最佳尺度分别为300 m和100 m河岸缓冲区.300 m缓冲区尺度,耕地斑块密度和草地聚集指数是影响河流TN的主要指数.100 m缓冲区尺度,城乡居民点面积比例对河流TP影响显著.该研究表明,优化河岸缓冲区300 m宽度范围内的景观格局,特别是耕地和林草地的合理配置提高农业景观的连通性和聚集度以及岸边城乡居民点面积与污染物排放控制,对于改善北京境内白河段河流水质的生态功能和保障密云水库饮用水安全十分重要.