我国非点源负荷研究中的问题探讨

在非点源研究实践和查阅大量非点源文献的基础上,总结出我国非点源负荷估算中通常使用的4种方法,即断面实测总负荷减去统计的点源负荷法、单位负荷法、水文线分割法和SWAT模型估算法.分析对比了这些方法在我国和北美地区使用条件的不同和使用过程中的差异,讨论了这些方法在使用中可能产生的错误.研究结果表明,在我国目前情况下前3种方法会相当程度地高估非点源负荷量,而SWAT模型在我国的应用没有充分体现其"分布式"模型的特点;同时,由于北美和中国的情况存在较大差异使得北美地区不同土地使用方面的校正数据在中国并不可用,导致在径流模拟方面也存在很大误差,因此,负荷计算将产生更大误差.在此讨论基础上,提出了在我国农业非点源负荷研究中需注意的若干问题,并结合目前我国环境现状,提出了对国内非点源污染研究和控制的见解.     

鄱阳湖流域面源污染负荷模拟与氮和磷时空分布特征

基于气象、土壤、土地利用、数字高程模型和农业管理等数据基础上,对输入鄱阳湖赣江、抚河、信江、饶河、修水等"五河"上的7个水文站的径流、泥沙和面源氮(N)和磷(P)污染负荷进行参数的敏感性分析,利用实测数据对参数校准和验证,通过SWAT模型对2003—2012年十年间入湖的径流、泥沙和面源N、P污染负荷进行了模拟.2003—2012年面源总氮(TN)、总磷(TP)、硝氮(NO-3-N)、有机氮(ON)和有机磷(OP)面源污染负荷入湖特征呈现出:时间变化上,年际间变化大、年内集中在4—7月入湖,鄱阳湖N、P污染负荷主要来自于面源污染,入湖面源TN组份中NO-3-N所占比重较高,TP组份中OP所占比重较高的特征;空间分布上,"五河"中赣江流量和流域面积最大,流域各项面源N、P污染物入湖量最大;修水流量和流域面积最小,流域各项面源N、P污染物入湖量最小的特征.     

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0.87以上;对总氮模拟结果影响较大,分辨率越精细,模拟效果越好.不同水文年,DEM分辨率变化对总氮负荷模拟表现不同.丰水年对总氮负荷影响较大,负荷量差异较为明显,枯水年影响相对较小;不同DEM分辨率下,年均（1993~2002年）总氮负荷强度空间分布相似,高负荷区均位于潮河中游,潮河上游及下游的负荷强度相对较低.不同降水输入数据站点分布、站网密度和准确性不同,流域内降水空间分布差异显著.总体上,基于站点较少的气象站插值数据与雨量站实测降水数据,径流和总氮模拟效果较为接近;基于SWAT官方雨量站插值数据,径流和总氮模拟效果较差.不同降水数据输入情景下,模拟的总氮负荷强度模拟的空间分布差异明显;降水量分布较高的区域,负荷量也较高;不同水文年下,不同降水输入对总氮负荷模拟表现不同.丰水年和枯水年,基于气象站插值数据的总氮模拟结果与基于雨量站实测数据的模拟结果较为接近,而基于SWAT官方雨量站插值的模拟误差较大;平水年,基于SWAT官方雨量站插值的模拟结果较气象站插值数据的模拟结果更好.该研究可为流域开展模型构建提供科学参考和借鉴.     

Nonpoint Source Pollution Responses Simulation for Conversion Cropland to Forest in Mountains by SWAT in China

Several environmental protection policies have been implemented to prevent soil erosion and nonpoint source (NPS) pollutions in China. After severe Yangtze River floods, the “conversion cropland to forest policy” (CCFP) was carried out throughout China, especially in the middle and upper reaches of Yangtze River. The research area of the current study is located in Bazhong City, Sichuan Province in Yangtze River watershed, where soil erosion and NPS pollution are serious concerns. Major NPS pollutants include nitrogen (N) and phosphorus (P). The objective of this study is to evaluate the long-term impact of implementation of the CCFP on stream flow, sediment yields, and the main NPS pollutant loading at watershed level. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) is a watershed environmental model and is applied here to simulate and quantify the impacts. Four scenarios are constructed representing different patterns of conversion from cropland to forest under various conditions set by the CCFP. Scenario A represented the baseline, i.e., the cropland and forest area conditions before the implementation of CCFP. Scenario B represents the condition under which all hillside cropland with slope larger than 25° was converted into forest. In scenario C and D, hillside cropland with slope larger than 15° and 7.5° was substituted by forest, respectively. Under the various scenarios, the NPS pollution reduction due to CCFP implementation from 1996–2005 is estimated by SWAT. The results are presented as percentage change of water flow, sediment, organic N, and organic P at watershed level. Furthermore, a regression analysis is conducted between forest area ratio and ten years’ average NPS load estimations, which confirmed the benefits of implementing CCFP in reducing nonpoint source pollution by increasing forest area in mountainous areas. The reduction of organic N and organic P is significant (decrease 42.1% and 62.7%, respectively) at watershed level. In addition, this study also proves that SWAT modeling approach can be used to estimate NPS pollutants’ impacts of land use conversions in large watershed.     

基于SWAT模型的流域河道硝酸盐δ15N和δ18O模拟

为提升流域地表水硝酸盐溯源方法的可靠性,于2013~2015年在釜溪河流域,对流域水文和水质过程进行了连续监测,同步测定了流域内主要污染源和干支流河道硝酸盐δ~(15)N和δ~(18)O.基于SWAT(soil and water assessment tool)模型模拟了陆面水文和河道水文过程中的氨氮(NH_4~+)和硝酸盐(NO_3~-)迁移转化过程,在此基础上,耦合河道中硝酸盐~(15)N和~(18)O掺混、转化和分馏机制,发展了流域河道硝酸盐δ~(15)N和δ~(18)O模拟方法.结果表明,河道中硝酸盐δ~(15)N和δ~(18)O主要受流域内污染源以及不同水文期径流条件变化的影响,不同污染源同位素掺混过程对于同位素丰度变化的贡献率为82.74%,氮素转化过程中同位素分馏的贡献率为16.26%,SWAT模拟NH_4~+和NO_3~-浓度偏差对δ~(15)N和δ~(18)O模拟误差的影响为10.44%.由于降雨中硝酸盐δ~(18)O的变化范围显著地超过δ~(15)N的变化范围,以及河道硝酸盐18O来源复杂性,δ~(18)O模拟误差平均较δ~(15)N偏大18.72%.所提出的方法模拟河道硝酸盐的δ~(15)N和δ~(18)O结果的系统误差和偏差小于10%和15%.所提出的流域河道硝酸盐δ~(15)N和δ~(18)O模拟方法具有明确的物理意义,为河道氮素正向溯源提供了方法支撑.     

基于SWAT模型的圩区农业非点源污染模拟

以荻泽联圩为研究对象,应用SWAT模型模拟太湖流域典型圩区农业非点源产污规律,建立了研究区域的非点源污染基础信息库,实现了流域的空间参数化过程;将参数化过程中提取的模型参数纳入到数据库中统一管理,按照模型要求建立了数据库字段和参数内容的对应表,解决了模型运行时众多离散单元的自动赋值问题;采用虚拟水库控制技术,解决了SWAT模型在控制出流的圩区中的应用弊端。     

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...