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.     

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.     

基于流域尺度的农业非点源污染物空间排放特征与总量控制研究

农业非点源污染是导致流域水质恶化的重要原因之一.依据农业污染源主要污染物空间排放特征和排放强度分析,划分农业非点源污染空间管理分区,并研究设计分区污染物总量控制方案,是提高农业非点源污染控制成效的重要途径之一.以湖北省四湖流域为研究案例区,系统开展了流域尺度的农业非点源污染空间排放特征识别与总量控制研究.结果表明,四湖流域水环境COD、总氮、总磷、氨氮负荷主要来自于农业非点源污染,4类非点源污染物分别占到流域污染物排放总量的67.6％、 82.2％、 84.7％和50.9％.对四湖流域非点源污染物空间排放特征分析结果表明,水产和畜禽养殖业发达的洪湖、监利、潜江、沙洋地区是流域非点源污染物的主要贡献源区.根据污染物在流域空间上的排放特征和源强评价结果,将四湖流域划分为3个农业非点源污染管理分区,即长湖上游水产和畜禽养殖污染重点控制区、四湖干渠农村非点源污染综合控制区和洪湖水产养殖污染重点控制区,针对不同管理分区分别提出了污染控制措施.基于水质改善和水体纳污能力综合考虑,设计了针对3个非点源污染管理分区的总量控制方案,分阶段实现监测断面全指标达标和满足水体纳污能力要求.主要污染物中,COD主要削减区域为四湖干渠区和洪湖区,分别占到流域COD削减量的43％和42％;氨氮主要削减区域为四湖干渠区,占到氨氮总削减量的66％;总氮主要削减区域为四湖干渠区和洪湖区,分别占到流域总氮削减量的42％和31％;总磷主要削减区域为四湖干渠区,占到流域总磷削减量的53％.     

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...     

北运河上游非点源污染风险空间分布特征研究

非点源污染是流域水环境污染的重要原因之一,非点源污染风险分区是有效治理水污染的重要前提.本文采用指数函数法改进潜在非点源污染指数(Potential Non-Point Pollution Index,PNPI)模型基于专家评价法主观赋权的不足,并采用改进后的PNPI模型解析北运河上游流域非点源污染风险空间分布特征.结...     

降水空间异质性对非点源关键源区识别面积变化的影响

针对地形起伏和降水空间差异较大的农业区非点源污染问题,基于SWAT模型评估了阿什河流域在异质性降水和均匀降水两种情景下总氮、总磷关键源区空间变化规律,统计了两种情景下识别的关键源区面积变化,并分析其与降水特征参数的关系.结果表明,降水量一定时,两种情景下识别的总氮、总磷关键源区面积变化趋势大致相同,且总磷关键源区面积不易受降水空间异质性的影响,但总氮关键源区面积却明显受到其影响.对各年份总氮和总磷关键源区面积与降水特征参数的相关分析表明,总磷关键源区面积与当年降水量呈显著正相关,而总氮关键源区面积却与前一年降水量呈显著正相关.研究结果对进一步探讨降水这一重要驱动因子的不确定性对非点源污染关键源区的影响,以及农业非点源污染的治理具有重要意义.     

基于关键源区识别的饮用水水源保护区划研究

准确划定饮用水水源保护区是实现饮用水安全精细化管理的重要前提.基于源头削减和全过程协同管理的思路,将GIS平台、ArcSWAT模型、成本-效益分析技术相结合,以贵州省红枫湖饮用水水源保护区为例,通过对近5年（2010-2014年）水污染负荷特征进行模拟,识别影响水环境污染控制的关键源区,在此基础上划定水源保护区.结果表明:① 研究区总氮、总磷污染负荷主要来源为农业面源,其中农业种植和畜禽养殖的负荷贡献分别达到89.7%和91.8%,总氮和总磷负荷高风险区主要集中在流域西北部地势较高且农业耕作活动频繁区域;② 污染控制措施的成本效益分析表明,测土配方施肥、1°~15°坡耕地等高植物篱、保护性耕作、植被缓冲带的成本-效益比较高,在该区域水环境污染控制中具有较高的推广应用价值;③ 基于水污染关键源区识别结果,划定饮用水源四级风险区,其中一级、二级风险区总面积为97.6 km2,仅占原饮用水水源一、二级保护区面积的41.4%,可削减总氮、总磷负荷的60%~70%,所需的搬迁成本仅为原划定方案的35%.研究结果可为我国中西部人口密度大且逐水而居的地区饮用水水源保护区及管控政策的制订提供理论基础和技术参考.      

沙颍河流域(河南段)非点源氨氮污染模拟与时空特征分析

沙颍河流域是我国淮河流域污染最严重的区域之一.为揭示流域非点源的时空分布特征并评估其对水污染的贡献,以沙颍河流域（河南段）为研究区,采用流域水循环系统模型（HEQM模型）模拟了重点断面2012-2015年月径流和氨氮浓度过程,辨识了污染源类型及其贡献,揭示了非点源负荷的年内和年际变化.结果表明:①径流和氨氮浓度的模拟效果较好,HEQM模型在沙颍河流域（河南段）具有较好的适用性.②非点源氨氮污染负荷占多年平均总负荷量的37.40%,在污染时期占比为29.32%.沙河和颍河上游污染时期的非点源负荷比例较高,分别为91.49%和90.45%.③非点源氨氮负荷对丰水期（6-9月）和平水期（3-5月、10-11月）污染的贡献较大,占总负荷的48.83%和51.92%;从年际变化来看,2012-2015年各年份的空间分布特征基本相似,但2014-2015年单位面积非点源污染负荷较2012-2013年明显下降.研究显示,沙颍河流域（河南段）非点源对氨氮污染的贡献已不可忽视,丰水期和平水期是非点源污染治理的关键时期.      

密云水库流域非点源污染负荷估算及特征分析

采用改进的输出系数模型,以研究区实测数据为基础,结合基于水文水质资料和文献数据的方法确定输出系数取值,估算了密云水库上游潮河和白河流域平水年(2000年)和丰水年(2010年)的非点源污染负荷.结果表明:①通过对降雨和地形的表征,改进的模型降低了估算误差,总氮、总磷在平水年和丰水年的模拟误差均降低20％以上,可以更精确地模拟污染负荷的时空分布情况.②总氮、总磷负荷量在平水年和丰水年分别为7505.28 t、997.88 t和10022.1 t、1075.6 t,总氮负荷量随降雨径流量的增加而有显著增大,但总磷负荷增加不大,反映出总氮负荷量在不同水文年份中变化显著.③来自流域农业非点源污染的总氮、总磷负荷量占总负荷的85％以上.总磷主要来自于农村生活污染源,占70％以上,2000年与2010年比例变化不大;总氮污染,在2000年主要来自于农村生活,占当年污染负荷总量的31.44％,而2010年主要来自禽类养殖,占当年污染负荷总量的27.27％,反映出10年间经济发展导致主要污染源发生变化.④污染高风险区空间分布的总体特点是“东高西低,局部集中,分布不均,靠近水体”,密云县、赤城县以及丰宁县等人口密度较大、以农业种植和畜禽养殖为主要产业的地区为污染负荷总量较高的区县.     

北运河水系主要污染物通量特征研究

通过对北运河水系的水质进行季节性监测,采用聚类分析和主成分分析法将北运河29个采样监测点分为3种不同污染类别,对各类别分别进行污染源解析,并进一步估算了年径流量和主要污染物的年负荷通量.研究结果表明:北运河水质污染严重,主要污染物为氮、磷和耗氧有机物;按污染轻重,在空间上分可划分为3种类别:轻污染区位于天津地区,主要污染源为农业非点源污染,其次来自生活废水排放和上游工业废水排放;中污染区位于北运河北京段下游区域,污染物主要来自工业废水排放,其次为生活废水排放和农业非点源污染;重污染区为北京段上游区域,污染源主要为生活污水、工业污水排放.TN、NH+4-N、COD的负荷主要来源于重污染区的情况和中污染区的凉水河,两条河流TN、NH+4-N、COD输入量分别占总负荷输入量的30.22%和27.32%,32.02%和26.27%,34.17%和21.22%.TP负荷主要来自于清河、小中河,分别占总输入量的31.00%、26.36%.北运河中超过50%的TN、NH+4-N、COD污染负荷由轻污染区-天津地区农业灌溉输出.加强对北运河支流附近污水处理的管理力度,可作为治理北运河污染问题的首要措施,同时天津地区的污水灌溉所带来的环境风险应该予以重视.     

基于土壤流失的农业面源TN和TP排海系数估算

以黄河三角洲为典型研究区,通过分析区域地表污染物流失风险与入海通量的关系,构建了海岸带农业总氮（TN）和总磷（TP）面源污染排海估算模型.在此基础上,计算了包含水田、水浇地和旱地等耕地类的TN和TP面源污染排海系数,验证表明输出系数估算结果较好.研究区耕地的TN和TP排海系数分别为18.33 kg·（hm²·a）^-1和1.02 kg·（hm²·a）^-1,在夏季面源污染负荷较高.子流域尺度较大的耕地类农业面源污染负荷主要位于支脉河、广利河和小岛河管控区域.TN和TP总负荷较大的行政区主要位于北部黄河口镇和永安镇;较大的单位面积负荷在西南部.因此,需要关注农业面源污染的时间效应,同时协调社会经济发展,从子流域和行政单元的角度制定综合性面源污染防控策略,陆海统筹治理海域污染.     

基于GIS和L-THIA模型的深圳市观澜河流域非点源污染负荷变化分析

为探明深圳市观澜河流域在快速城市化过程中伴随土地利用变化的非点源污染负荷变化,基于GIS平台,运用L-THIA模型,通过校正其内设参数,模拟流域1996～2008年非点源污染负荷的空间分布及其变化.结果表明,1996～2008年的城市化过程中,TN、TP、COD这3种污染物的负荷总量都有大幅度的增长,其中TP变化最大,在13 a中增加了62.78%,TN和COD分别增加了59.73%和55.40%,TN、TP和COD等污染物高值区面积的空间分布变化在大趋势上基本一致,都是沿河道和主要交通干线向外围逐步扩张,最后连接成片;而SS的负荷总量却下降了7.59%.建设用地的扩张是非点源污染负荷及空间分布变化的主要因素,SS负荷输出最大的用地类型是水土流失严重的开发用地.以非点源污染负荷空间分布为依据,结合不同土地利用方式,可将观澜河分为4类非点源污染防治区,该结果可为流域非点源污染控制提供科学参考.     

千岛湖地区上梧溪流域地表径流非点源氮污染分类识别

非点源污染的准确定量是流域非点源污染控制和治理的基本前提和重要保障.在综合考虑基流非点源污染的前提下,对传统输出系数模型(ECM)进行优化和改进,建立以周为时间步长的输出系数模型(IECM),实现上梧溪流域不同土地利用类型地表径流非点源总氮(TN)污染更加准确的定量识别.结果表明,IECM可以有效实现该流域TN负荷的模拟定量,校准期与验证期的纳什系数(NSE)分别为0.82和0.77,R²分别为0.87和0.84.基于IECM得到的上梧溪流域2020年11月至2021年10月地表径流和基流的TN输出强度分别为5.74 kg·(hm²·a)^-1和9.85 kg·(hm²·a)^-1,分别占总径流负荷的36.80%和63.20%.相较于IECM,ECM由于未考虑基流对非点源污染的贡献,其估算的地表径流TN负荷量较IECM高54.21%.显然,直接将基流非点源污染归结于地表径流将导致地表径流负荷输出强度的严重高估.基于IECM计算得到的上梧溪流域水田、草地、林地、旱地和人居地的以地表径...     

基于改进输出系数模型的云南宝象河流域非点源污染负荷估算

本文引入降雨、地形因子(α、β)对经典的输出系数模型(ECM)进行改进,基于1999~2010年云南宝象河流域气象、水文、社会经济等数据,利用改进的输出系数模型(IECM)对该地区(位于滇池的东北部,绝大部分在官渡区内,西北部少部分在盘龙区内)的非点源污染负荷进行估算.结果显示,2008年宝象河流域非点源氮、磷污染的所占比例(分别为74.2%和68.0%)要显著高于点源氮、磷污染的所占比例(分别为25.8%和32.0%).氮污染中,不同非点源的贡献率依次为土地利用类型>大气沉降>农村生活>畜禽养殖;磷污染中,不同非点源污染的贡献率为土地利用类型>农村生活>大气沉降>畜禽养殖.宝象河流域的非点源氮污染比例要高于整个滇池流域,非点源磷污染比例与滇池流域较为接近.与实际观测值比较,IECM对TN、TP负荷的估算值的平均相对偏差分别为15%和-6%,ECM对TN、TP负荷的估算值的平均相对偏差分别为54%和17%.这表明改进的输出系数模型(IECM)提高了结果的准确性,可以为滇池流域的污染(尤其是非点源污染)负荷估算提供参考方法.     

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.