華南濕潤地區(qū)非點源污染模擬與響應因素研究——以新豐江流域為例.pdf

1、非點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、隨機性強、成因復雜等特點。由于非點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，也是水環(huán)境研究的熱點和重點。 新豐江流域位于經(jīng)濟發(fā)達的珠江三角洲上游，其流域面積與水資源量占東江流域的四分之一強，是東江下游香港、廣州、深圳、東莞等發(fā)達城市的重要水源地，新豐江的水

2、量水質狀況影響著下游計以千萬的民眾生活問題，也影響著下游計以千億的經(jīng)濟發(fā)展問題。所以，采取切實措施保護東江水源地是必須的，防治新豐江水質惡化是重要的。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。農(nóng)業(yè)作為該地區(qū)支柱產(chǎn)業(yè)之一，是當?shù)卮蠖鄶?shù)民眾經(jīng)濟收入來源，肩負著重要的社會責任。非點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量起重要影響，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟發(fā)展、水源保護等多重矛盾的關鍵所在。由此而知，以新豐江

3、流域為研究區(qū)進行非點源污染機理研究，分析討論土地利用等影響因子與非點源污染負荷的響應關系，為有效水源保護措施的制定提供科學依據(jù)，對于保護水源水質，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。 本研究旨在通過GIS、SWAT模型和元胞自動機模型等技術手段和研究方法，探討氣候、污染物特性和土地利用等影響因子對非點源污染負荷時空變化的影響，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源負荷的響應關系，并取得了以下研究成果：

4、1.建立流域非點源污染研究數(shù)據(jù)庫。本研究收集了新豐江流域氣象、水文、水質、經(jīng)濟、土壤、地形、土地利用/覆被和土地管理方式等大量資料，通過各種方法計算、整理，最終構建成非點源研究所必需的數(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。分析模型率定與驗證結果得出，水量模擬誤差在15％以內，泥沙部分的誤差在20％以內，非點源污染物的誤差在30％以

5、內，滿足模型精度要求。結果顯示率定后的SWAT模型具有一定的精確度，可用于研究區(qū)非點源污染模擬與研究。 3.進行土壤級配累積曲線特性分析，提出最優(yōu)土壤質地插值方法，分析插值誤差在非點源模擬中影響。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遞增和一階導數(shù)連續(xù)等特性，插值函數(shù)也因為所需滿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??；反之亦然，甚至出現(xiàn)不合理值現(xiàn)象。在實例驗證中，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地轉換插值計算。同時通過實例分析得出，插值誤差會在基于土壤質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源污染物負荷的響應關系。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峰值出現(xiàn)的時間和極端暴雨集中時段基本是隨上游內陸高緯度地區(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分布主要受當?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分布在突變點前后發(fā)生結構性變化，具體表現(xiàn)為分布結構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。進一步分析最大半小時降雨量與非點源負荷相關性發(fā)現(xiàn)，新豐江流域氨氮非點源負荷年內分布與

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

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

11、分析發(fā)現(xiàn)，降雨量與泥沙、氮、磷負荷的相關性較差，泥沙負荷與氮、磷負荷有弱正相關關系，非點源污染物負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關系。 6.研究1980～2000年土地利用變化導致的非點源污染響應情況，以元胞自動機模型(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，模擬未來非點源污染情況和非點源污染物負荷背景值，分析不同土地利用類型對