基于SWAT模型的北汝河流域非点源污染研究

摘要

在全球经济快速发展、气候变暖的背景下，水资源短缺、水环境污染已经成为世界各国科学家关注的焦点。强烈的人类活动影响着土地利用类型的变化，建设用地面积增加，林地和耕地面积大幅度减少，同时由于农业生产过程中化肥农药的大量使用，均增加了流域非点源污染负荷量。大气温度增加影响大气降水模式，随之影响流域水环境的变化。随着土地利用和气候条件的变化，北汝河流域的水生态环境也遭到了破坏。本文基于ArcGIS10.1、SWAT2012和遥感等软件，以北汝河流域为研究对象，模拟2001～2015年该流域的非点源污染负荷量，并通过气候模式CMIP3的三种情景模拟预测2046～2064年流域的非点源污染负荷趋势，进而探讨非点源污染对土地利用和气候变化的响应，可为农林复合生态系统的经营、管理及其生态效益评估等提供基础依据。主要研究成果如下：
　　（1）通过对北汝河流域子流域划分水平进行研究分析，综合考虑不同的子流域划分对径流量、泥沙和营养物负荷量输出结果的影响，确定将北汝河流域划分为70个子流域最合适。
　　（2）构建适用于北汝河流域的SWAT模型并对比大陈站2001-2015年实测值与模拟值，对参数进行敏感性分析，通过对模型进行校准和验证可得，R2和Ens系数均达到了模型的要求，SWAT模型在北汝河流域有一定的适用性。
　　（3）通过对流域内2001年和2014年两期的遥感影像进行分类处理，得知两期土地利用类型均以林地和耕地为主，2001和2014年林地分别占总面积的50.14％和49.23%，耕地分别占总面积的46.89%和41.62%。两期的土地利用类型比较可得，林地和耕地的面积减少，建设用地和交通用地面积增加。
　　（4）北汝河流域非点源污染负荷中氮负荷以溶解态氮为主，磷负荷以吸附态磷为主。
　　（5）基于2001（L1）年和2014（L2）年的土地利用图，模拟流域2001～2015年的非点源污染负荷情况。L1和L2下泥沙、总氮和总磷负荷量均在汛期较高，枯水期较低，但具体月份有差异。L1和L2下总氮、总磷负荷空间分布格局基本一致，均表现为中东部高西部低，中东部地区是非点源污染重点控制区。
　　（6）对流域内各县区非点源污染负荷量进行分析可得，汝州市泥沙和氮磷负荷总量、单位林地面积泥沙和氮磷负荷量最高；嵩县单位耕地面积泥沙和氮磷负荷量最高；嵩县泥沙和氮磷负荷总量最低；襄城县单位耕地面积泥沙和氮磷负荷量最低；禹州市单位林地面积泥沙和氮磷负荷量最低。各县区单位耕地面积非点源污染负荷量均高于单位林地面积负荷量，表明耕地是非点源污染负荷的主要来源。农田防护林特别是河、渠岸边的缓冲林带对降低泥沙和非点源污染负荷进入水体有较好的效果，林农复合生态系统在一定程度上也能达到此种效果。
　　（7）SRES A2（高排放）、SRES A1B（中排放）和SRES B1（低排放）三种情景下，2046-2064年与2001-2015年相比径流量总体均呈减小的趋势，但趋势不明显。2046-2064年三种情景下年内径流量变化趋势一致，7、8月径流量较大，12月～2月径流量较小。三种情景下产水量空间分布格局较一致，均表现为西高东低。
　　（8）三种情景下，2046-2064年与2001-2015年相比泥沙负荷量总体呈减小的趋势，但趋势也不明显。2046-2064年三种情景下年内泥沙负荷量变化趋势较一致，均表现为7、8月较大，11月～4月较小。三种情景下单位面积产沙量均表现为东高西低的空间分布格局。
　　（9）2046～2064年A2情景下总氮负荷量呈减少的趋势，A1B情景下呈增加趋势，B1情景下变化比较稳定。2046-2064年三种情景下流域内年内总氮负荷量变化趋势较一致，5月～8月总氮负荷量较大，10月～2月总氮负荷量较小。三种情景下单位面积总氮负荷均表现为东高西低的空间分布格局，这与流域内产沙量的空间分布格局一致。
　　（10）三种情景下2046～2064年总磷负荷量总体均呈增加的趋势。A2和B1情景下年内总磷负荷量变化趋势较一致，7月～8月较大，12月～2月较小；A1B情景下总磷负荷量在5月和7月～9月较大，11月～2月较小。三种情景下单位面积总磷负荷均表现为东高西低的空间分布格局，这与单位面积产沙量和总氮负荷量的空间分布格局一致。

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中文摘要

1 文献综述

1.1 非点源污染研究概况

1.1.1 国外研究概况

1.1.2 国内研究概况

1.2 SWAT模型研究进展

1.2.1 国外SWAT模型研究进展

1.2.2 国内SWAT模型研究进展

1.3 子流域合理划分水平的研究

1.4 气候变化条件下非点源污染研究

2 引言

3 研究地点概况与研究方法

3.1 北汝河流域基本概况

3.1.1 流域自然地理概况

3.1.2 流域社会经济概况

3.2 水文水质数据监测方法

3.2.1 水文数据监测方法

3.2.2 水样采集测定方法

3.3 流域基础数据库的构建

3.3.1 空间数据的构建

3.3.2 属性数据的构建

4 结果与分析

4.1 主要作物管理信息

4.2 子流域合理划分水平研究

4.2.1 子流域划分对径流量的影响

4.2.2 子流域划分对泥沙负荷的影响

4.2.3 子流域划分对营养物负荷的影响

4.3 SWAT模型在北汝河流域的适用性研究

4.3.1 参数敏感性分析

4.3.2 模型在北汝河流域的适用性

4.4 不同土地利用类型条件下非点源污染模拟

4.4.1 土地利用变化分析

4.4.2 基于2001年土地利用分类条件下非点源污染模拟

4.4.3 基于2014年土地利用分类条件下非点源污染模拟

4.4.4 不同土地利用类型条件下非点源污染变化分析

4.5 各行政区非点源污染负荷的比较分析

4.6 气候变化条件下北汝河流域非点源污染预测模拟

4.6.1 不同情景下径流量时空变化模拟和突变检验

4.6.2 不同情景下泥沙负荷时空变化模拟和突变检验

4.6.3不同情景下总氮负荷时空变化模拟和突变检验

4.6.4 不同情景下总磷负荷时空变化模拟和突变检验

5 结论与讨论

5.1 结论

5.2 讨论

参考文献

英文摘要