三峡库区黑沟流域泥沙和养分输出定量分析与评价

摘要

农业非点源污染(NSP，nonpoint source pollution)是三峡库区水质下降的主导因素，库区农业流域输出的泥沙和氮磷养分是产生水污染的主要污染物。泥沙和养分输出不但造成流域土壤生产力下降，而且还导致受纳水体水质恶化、水体功能下降及富营养化问题。三峡库区流域尺度泥沙和养分定量分析与评价之研究还比较少，特别是与GIS耦合的、应用于水文、泥沙和养分输出的连续分布式模型研究尚未有先例。因此，基于连续分布式NSP模型，定量分析三峡库区黑沟流域泥沙和养分输出及其时空分布规律，探索BMPs对流域NSP的控制效果，对三峡库区水资源保护具有重要的现实意义。 本研究选择三峡库区黑沟小流域(HRW)为研究对象，依托国家林业局三峡库区森林生态定位站之流域长期现场监测资料数据和GIS工作平台，建构流域模型数据库文件，使用连续分布式模型AnnAGNPS对流域进行径流、泥沙和养分时空输出模拟和效果评定，探索库区条件下泥沙与养分BMPs综合治理模式。 主要内容： (1)流域数据库的建构。深入分析黑沟小流域降雨特征、进行流域SDU区划、土壤参数的转换、航片判读解译、土地利用分类等，建构AnnAGNPS模型地理空间和属性数据库的理论与方法。 (2) DEM格网尺度对模型NSP输出影响之分析。利用建构的黑沟小流域模型数据库和流域水文水质监测数据，分析不同DEM格网尺度对模型径流、泥沙和养分输出的影响，探索在库区流域条件下，模型尺度、DEM尺度与流域尺度之间的匹配。 (3)流域空间参数在三峡库区条件下的聚合效应。参数聚合效应对模型径流、泥沙和养分输出的影响，进而确定最优泥沙与养分输出的CSA(Critical Source Area)和MSCL(Minimum Source Channel Length)2个参数值的输入值及其空间离散单元(SDU)尺度。 (4)模型NSP输出之参数敏感性分析。采用修正的摩尔斯检验法对影响模型输出之空间参数进行敏感性分析，确定泥沙与养分输出之敏感参数。 (5)模型模拟效率评定。使用决定系数(R2)、Nash—Sutcliffe模拟效率系数(E)、体积百分误差(VE)3个统计参量，综合评定模型在当前流域条件下校准与验证时段之适宜性。 (6)当前流域条件下NSP各BMPs情景模式的实践与评定。利用模型理论分析结果，评定流域作物、化肥施用水平、土地利用类型对NSP输出削减效果，评定单项和组合BMPs情景之NSP削减效果。 主要结论： (1)5m格网尺度DEM可满足相似条件下三峡库区小流域NSP输出精度要求。不同格网尺度(DEM1.5 m～DEM12.5 m)对流域径流量、洪峰流量、总氮输出影响差异不显著，但对泥沙、总磷、有机碳输出影响差异显著；AnnAGNPS模型在尺度较小坡度较大的农林复合的研究流域条件下，不同格网尺度DEM均表现为，径流、洪峰流量、总氮模拟输出误差较小，泥沙、总磷、有机碳模拟输出误差较大。 (2)流域土壤类型分布、土地利用方式等空间参数均发生了聚合效应。参数聚合效应及模型输出均随流域SDU尺度变化而变化。SDU尺度聚合效应对径流量影响较小，对泥沙、总氮、总磷输出影响较大；黑沟小流域尺度和三峡库区条件下，径流量、泥沙、养分输出可接受误差范围内的SDU平均面积分别为0.5～18 hm2、2～6 h㎡、0.5～6 h㎡。 (3)模型在校准期内，径流VE=5.0％，R2=0.93(P<0.05)，验证期内，VE=6.7％，R2=0.90(P<0.05)，模型对黑沟小流域径流输出模拟精度较高，结果误差均在可接受范围之内；校准期内，黑沟小流域泥沙输出VE=15.1％，R2=0.63(p<0.05)，验证期内VE=26.7％，R2=0.59(P<0.05)，泥沙输出结果精度较低。对于黑沟小流域小型泥沙流失事件，模型预测值偏高，对大型泥沙流失事件，模型预测值偏低。对总氮输出模拟R2=0.68(P<0.05)，略高于对总磷输出模拟(R2=0.65，P<0.05)。一般地，AnnAGNPS模型对径流模拟精度高于对泥沙和氮、磷等养分的输出模拟。作为一个较好的高级流域管理工具，AnnAGNPS模型可以在三峡库区农林复合流域地理条件下使用。 (4)黑沟小流域主要6类作物玉米、高粱、大豆、落花生等对削减泥沙和养分输出差异不显著；不同化肥施用水平(现有施肥水平用量，推荐施肥水平用量等)对削减径流和泥沙输出没有影响，但对氮磷等养分输出影响差异极为显著；研究区条件下，AnnAGNPS模型可以用来预测单项和组合农业流域管理措施(BMPs)对流域泥沙和养分输出的影响，组合BMPs情景模式对削减泥沙最为有效，泥沙输出量<5t/h㎡，达到可容许流失范围，对养分输出削减效果较泥沙差，氮磷输出量仅降低了20～30％。

目录

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论文说明：图表目录

声明

第1章 绪 论

1.1研究背景及选题意义

1.2 NSP研究内容与方法

1.2.1实地监测

1.2.2人工模拟降雨试验

1.3.3计算机模型模拟

1.4研究进展

1.5三峡库区NSP研究进展

1.6 NSP研究中存在的问题与研究趋势

1.6.1存在问题

1.6.2NSP研究趋势

1.7研究方案

1.7.1研究目标

1.7.2研究内容

1.7.3研究方法和技术路线

第2章 AnnAGNPS模型机理与应用

2.1 NSP模型

2.2AnnAGNPS模型结构

2.3 AnnAGNPS模型机理

2.3.1水文模块

2.3.2土壤侵蚀模块

2.3.3化学物质输移模块

2.3.4模型假设条件及应用限制

2.4 AGNPS模型的应用

2.5 AGNPS模型对农业NSP预测偏差

2.6 AnnAGNPS模型预测偏差因素分析

2.6.1模型自身的设计缺陷

2.6.2输入参数的不确定性

第3章 流域概况与AnnAGNPS数据库建构

3.1流域概况

3.1.1地质地貌

3.1.2气候

3.1.3水文

3.1.4土壤

3.1.5植被

3.2 AnnAGNPS数据库的建构

3.2.1资料数据坐标和投影统一化

3.2.2数据分类与数据源

3.3 AnnAGNPS模型文件

3.4.指标测定方法

第4章 DEM格网尺度对AnnAGNPS泥沙和养分输出的影响

4.1摘要

4.2引言

4.3材料与方法

4.3.1流域DEM生产与地形参数值提取

4.3.2模型校准

4.3.3模型输出与数据分析

4.4结果

4.4.1 DEM尺度对地形和流域参数的影响

4.4.2 DEM格网尺度对模型预测结果的影响

4.5讨论

4.5.1 DEM对地形参数的影响

4.5.2 DEM对模型输出结果的影响

4.5.3 DEM尺度与流域尺度的匹配

4.6小结

第5章 参数空间聚合对AnnAGNPS输出的影响

5.1摘要

5.2引言

5.3材料与方法

5.4结果

5.4.1空间参数聚合

5.4.2模型预测结果

5.5讨论

5.5.1参数空间聚合

5.5.2参数空间聚合对地表径流输出的影响

5.5.3参数空间聚合对泥沙预测的影响

5.5.4参数空间聚合对氮磷养分输出的影响

5.6小结

第6章 三峡库区条件下AnnAGNPS模拟效果评定

6.1摘要

6.2引言

6.3材料与方法

6.3.1模型输出评定指标

6.3.2模型校准

6.3.3模型验证

6.4结果与讨论

6.4.1 AnnAGNPS模型校准

6.4.2 AnnAGNPS模型验证

6.5小结

第7章 三峡库区黑沟流域BMPs效果评定

7.1摘要

7.2引言

7.3材料与方法

7.3.1NSP污染物输出及等级划分与评价

7.3.2参数敏感性分析

7.3.3作物对径流、泥沙、氮磷输出的削减

7.3.4施肥水平对SDU尺度径流、泥沙、氮磷输出的削减

7.3.5 BMPs对SDU尺度径流、泥沙、氮磷输出的削减

7.3.6 BMPs对流域尺度径流、泥沙、氮磷输出的削减

7.4结果与讨论

7.4.1泥沙、氮磷等污染物的输出与分级

7.4.2敏感性分析

7.4.3作物对NSP污染物的削减

7.4.4化肥施用量对流域不同土地利用方式下泥沙与养分之削减

7.4.5 BMPs对不同土地利用SDU污染物输出的削减

7.4.6 BMPs对流域尺度NSP输出的削减

7.5小结

第8章 研究结论与展望

8.1结论

8.2创新点

8.3不足与展望

参考文献

附录

致 谢