華南濕潤地區(qū)非點(diǎn)源污染模擬與響應(yīng)因素研究——以新豐江流域?yàn)槔?pdf

1、非點(diǎn)源污染是指溶解性或固體污染物在大面積降水和徑流沖刷作用下，匯入受納水體而引起的水體污染。非點(diǎn)源污染受土地利用、氣候、土壤等多種因素影響，具有起源廣泛、隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜等特點(diǎn)。由于非點(diǎn)源污染涉及的范圍廣和控制難度大等原因，已成為目前水環(huán)境治理難點(diǎn)，也是水環(huán)境研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。 新豐江流域位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠江三角洲上游，其流域面積與水資源量占東江流域的四分之一強(qiáng)，是東江下游香港、廣州、深圳、東莞等發(fā)達(dá)城市的重要水源地，新豐江的水

2、量水質(zhì)狀況影響著下游計(jì)以千萬的民眾生活問題，也影響著下游計(jì)以千億的經(jīng)濟(jì)發(fā)展問題。所以，采取切實(shí)措施保護(hù)東江水源地是必須的，防治新豐江水質(zhì)惡化是重要的。但與此同時，新豐江流域是廣東重要的產(chǎn)糧區(qū)，其中耕地廣布、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。農(nóng)業(yè)作為該地區(qū)支柱產(chǎn)業(yè)之一，是當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)民眾經(jīng)濟(jì)收入來源，肩負(fù)著重要的社會責(zé)任。非點(diǎn)源污染既受耕地等土地利用的直接影響，同時又對下游水資源質(zhì)量起重要影響，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水源保護(hù)等多重矛盾的關(guān)鍵所在。由此而知，以新豐江

3、流域?yàn)檠芯繀^(qū)進(jìn)行非點(diǎn)源污染機(jī)理研究，分析討論土地利用等影響因子與非點(diǎn)源污染負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系，為有效水源保護(hù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)，對于保護(hù)水源水質(zhì)，保障經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。 本研究旨在通過GIS、SWAT模型和元胞自動機(jī)模型等技術(shù)手段和研究方法，探討氣候、污染物特性和土地利用等影響因子對非點(diǎn)源污染負(fù)荷時空變化的影響，通過動態(tài)模擬土地利用多幅情景變化定量分析土地利用與非點(diǎn)源負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系，并取得了以下研究成果：

4、1.建立流域非點(diǎn)源污染研究數(shù)據(jù)庫。本研究收集了新豐江流域氣象、水文、水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、土壤、地形、土地利用/覆被和土地管理方式等大量資料，通過各種方法計(jì)算、整理，最終構(gòu)建成非點(diǎn)源研究所必需的數(shù)據(jù)庫群，其中包括空間數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫、土壤數(shù)據(jù)庫、污染源數(shù)據(jù)庫等。 2.通過模型率定與驗(yàn)證，分析SWAT模型在新豐江流域的適用性情況。分析模型率定與驗(yàn)證結(jié)果得出，水量模擬誤差在15％以內(nèi)，泥沙部分的誤差在20％以內(nèi)，非點(diǎn)源污染物的誤差在30％以

5、內(nèi)，滿足模型精度要求。結(jié)果顯示率定后的SWAT模型具有一定的精確度，可用于研究區(qū)非點(diǎn)源污染模擬與研究。 3.進(jìn)行土壤級配累積曲線特性分析，提出最優(yōu)土壤質(zhì)地插值方法，分析插值誤差在非點(diǎn)源模擬中影響。通過對土壤級配累積曲線特性和三種插值函數(shù)曲線特性的對比分析發(fā)現(xiàn)，土壤級配累積曲線具有單調(diào)遞增和一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)等特性，插值函數(shù)也因?yàn)樗铦M足的特定條件不同而具有不同的特性。如果插值函數(shù)特性與土壤級配累積曲線特性符合程度越高，逼近效果越好，誤

6、差越?。环粗嗳?，甚至出現(xiàn)不合理值現(xiàn)象。在實(shí)例驗(yàn)證中，分段三次Hermite插值方法的誤差均為最小，而且其特性與土壤級配累積曲線特性符合程度最高，認(rèn)為在三種插值方法中分段三次Hermite插值方法最適合用于土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)換插值計(jì)算。同時通過實(shí)例分析得出，插值誤差會在基于土壤質(zhì)地估算其他土壤屬性參數(shù)時被放大數(shù)倍，累積誤差可以達(dá)到200％以上，顯示選用最優(yōu)插值方法避免巨大衍生誤差的重要性。 4.分析東江流域最大半小時降雨量年內(nèi)分布和空間

7、分布規(guī)律與成因，研究其多年演變趨勢與變異情況，探討最大半小時降雨量與非點(diǎn)源污染物負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，東江流域具有最大半小時降雨量月均值年內(nèi)峰值出現(xiàn)的時間和極端暴雨集中時段基本是隨上游內(nèi)陸高緯度地區(qū)往下游沿海低緯度地區(qū)推移而從前向后推移的規(guī)律，成因分析顯示最大半小時降雨量月均值年內(nèi)分布主要受當(dāng)?shù)貧夂驐l件影響。東江流域最大半小時降雨量空間分布基本表現(xiàn)為上游內(nèi)陸高緯度地區(qū)往下游沿海低緯度地區(qū)遞增，最大半小時降雨量的流域空間分布受氣候因素

8、和地形因素影響。東江流域月最大半小時降雨量1951-1988年序列總體趨勢為遞增，但增長趨勢不顯著。東江流域最大半小時降雨量在1972年發(fā)生突變，由1972年以前的下降趨勢轉(zhuǎn)為增長趨勢，突變置信度大于95％。東江流域年際月最大半小時降雨量年內(nèi)分布在突變點(diǎn)前后發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，具體表現(xiàn)為分布結(jié)構(gòu)由汛期中間大兩邊小發(fā)展為中間小兩邊大，增長部分集中在汛期的兩邊。進(jìn)一步分析最大半小時降雨量與非點(diǎn)源負(fù)荷相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，新豐江流域氨氮非點(diǎn)源負(fù)荷年內(nèi)分布與

9、最大半小時降雨量成良好非線性關(guān)系，對數(shù)回歸方程R2達(dá)0.9074，顯示汛期初期氨氮非點(diǎn)源負(fù)荷在最大半小時降雨量增長較慢時而增長快速，而進(jìn)入汛期高峰期氨氮非點(diǎn)源負(fù)荷在最大半小時降雨量增長快速時反而增長緩慢的響應(yīng)關(guān)系。 5.分析新豐江流域非點(diǎn)源污染物負(fù)荷情況，進(jìn)行非點(diǎn)源污染物負(fù)荷年內(nèi)分布與空間分布特性分析與成因分析。通過基流分割計(jì)算污染物非點(diǎn)源負(fù)荷和點(diǎn)源負(fù)荷，分析得出新豐江流域氨氮多年平均負(fù)荷為2537.7 t，非點(diǎn)源負(fù)荷占總負(fù)荷6

10、1.6％；總磷多年平均負(fù)荷為194.1 t，非點(diǎn)源負(fù)荷占總負(fù)荷72.0％，3、4月份總磷負(fù)荷非常集中，占全年總負(fù)荷的61.1％。通過污染物負(fù)荷年內(nèi)分布與特性分析認(rèn)為，由于氨氮易溶于水的和總磷微溶于水的特性差異，導(dǎo)致氨氮點(diǎn)源負(fù)荷年內(nèi)分布與基流相一致，氨氮非點(diǎn)源負(fù)荷年內(nèi)分布與最大半小時降雨量較一致，總負(fù)荷在汛期內(nèi)各月分布較均勻，與總磷輸移受初雨效應(yīng)作用，大部分總磷負(fù)荷集中在3、4月份而枯水月份分布極少的年內(nèi)分布特征差異。非點(diǎn)源污染物負(fù)荷空間

11、分析發(fā)現(xiàn)，降雨量與泥沙、氮、磷負(fù)荷的相關(guān)性較差，泥沙負(fù)荷與氮、磷負(fù)荷有弱正相關(guān)關(guān)系，非點(diǎn)源污染物負(fù)荷空間分布同時受降雨分布、農(nóng)業(yè)情況、綠化程度與水土保持措施等多個因子的影響，所以難以與單一因子有較好的相關(guān)關(guān)系。 6.研究1980～2000年土地利用變化導(dǎo)致的非點(diǎn)源污染響應(yīng)情況，以元胞自動機(jī)模型(BPANN—CA)動態(tài)模擬2020年土地利用情景與無農(nóng)業(yè)用地情景，模擬未來非點(diǎn)源污染情況和非點(diǎn)源污染物負(fù)荷背景值，分析不同土地利用類型對