基于土地利用变化的黄水河流域非点源污染模拟研究

摘要

在点源污染得到有效控制之后,非点源污染控制技术和措施逐渐成为研究热点。土地利用方式是影响非点源污染的主要因素之一,不同土地利用方式及其组合形式影响营养物质的迁移转化过程,进而影响非点源污染负荷量。
　　 丹江口水库是南水北调源头,其水库水质的保护至关重要。黄水河流域是丹江口库区的典型区域,流域内海拔高差较大,暴雨集中,水土流失严重,农业生产实践活动中农药化肥的使用,以及生活污水的随意排放,对该流域的非点源污染造成一定的影响。因此,研究以黄水河小流域为例,在ArcGIS地理信息支持下,利用SWAT模型,并通过对模型参数的本地化,来模拟土地利用变化对该流域非点源污染负荷及空间分布的影响,在此基础上提出相应的土地利用优化措施,从而为丹江口水库的水质保护提供科学与理论依据。论文主要研究内容包括:
　　 1.建立基础地理信息数据库。利用ENVI软件分别提取2000年和2007年研究区土地利用图,并在ArcGIS平台的支持下,建立包括土壤属性、土地利用空间数据库以及数字高程模型在内的基础地理信息数据库。利用SPAW、MATLAB、Excel、Dew02和PcpSTAT软件分别计算出SWAT模型数据库所需的各个参数,建立模型运行所需的土壤属性数据库和气象数据库。
　　 2.SWAT模型的敏感性和适用性分析。通过对模型进行敏感性分析、率定和验证,确保SWAT模型在黄水河流域的适用性。筛选出前十位敏感性参数:Alpha_Bf、Cn2、Esco、Sol_Z、Sol_Awc、Revapmn、Canmx、Surlag、Sol_K和Gw_Delay。在2009年实测流量数据的基础上,选择自动率准模块对其进行率定。以2010年的实测流量数据为参照,得出实测值和模拟值之间的误差均在40％以内。且6、7、8、9月份的相关性分别达到0.7768、0.9367、0.8686和0.8909,确定性系数分别达到0.9509、0.8951、0.9025和0.8911。
　　 3.不同土地利用方式的非点源污染模拟。基于2000年和2007年的土地利用图进行非点源污染模拟,分析得出:(1)2007年的土地利用方式在总体上是趋于合理化的。(2)硝态氮的单位负荷约是有机氮的2-4倍,有机磷的单位负荷远高于溶解态磷。磷素和氮素的单位负荷量与地表径流呈正相关,有机磷与泥沙负荷量呈显著的正相关。(3)坡度越大,非点源污染越严重。(4)西南部林地产生的污染物负荷量较小,而东北部耕地和建设用地密集的地方污染物负荷量比较大。(5)林地和耕地交界的地方更容易发生土地利用方式的转变,而这些地区的污染物负荷量比较大,其中污染物变化量最大的土地利用方式是林地转变为耕地。(6)流域出口和主河道处的污染物浓度更大。
　　 4.设定不同土地利用情景,模拟其对非点源污染的影响。结果表明:(1)林地能够很好地削弱非点源污染;(2)由情景1计算得到林地产生的全氮和全磷浓度为4.15kg/hm2和0.15kg/hm2。由情景2和情景3分别计算得到耕地的全氮和全磷浓度分别是9.67kg/hm2-12.34kg/hm2和4.59kg/hm2-5.43kg/hm2。