太湖流域典型圩区农业非点源污染产污规律及模型研究

摘要

农业非点源污染是水系或水体水质恶化的最主要原因，同时也是土地生产力退化的直接动因，农业非点源污染又往往与流域水文过程具有不可分割的关系。太湖流域现有圩区总面积约14541平方公里，占流域平原陆域面积的51﹪。这些圩区有效保护了人民的生命财产安全，促进了经济发展和社会稳定，但由于土壤中肥料、农药、盐分的淋溶而不断积聚，引起圩区水质变化，给区域生态环境带来影响，对流域水环境构成严重威胁。同时由于圩区与外界水流交换的特殊性，其营养盐产生、迁移及转化规律亦具有其独特性和复杂性，因此研究太湖流域典型圩区非点源污染产污特征具有十分重要的意义。 本文在太湖流域平原河网地区选择典型圩区以及试验小区，开展野外原位试验。通过野外观测和室内分析相结合的方法，研究圩区及不同土地利用下各形态营养盐在自然降雨-径流驱动下的迁移特征，建立了稻季营养盐的迁移通量与径流通量、施肥量及降雨距施肥间隔天数等因素的定量化关系，重点分析了不同土地利用下营养盐迁移的频率分布特征和空间分布特征，以及导致营养盐迁移时空分布存在显著差异的主要原因，对比了不同土地利用下各形态营养盐的迁移通量。 研究中采用美国农业部农业研究局(ARS)开发的SWAT模型进行非点源污染模拟计算，SWAT模型是一个连续时间的分布式模型。本次研究尝试将SWAT模型运用在中国太湖平原河网地区典型圩区，预测流域内复杂变化的下垫面条件、土地利用方式及不同管理措施对流域产汇流及非点源污染物质的产输出的影响。利用06年5月18日至06年10月31日圩区的实测资料进行模型的率定，结果表明SWAT模型可以应用于太湖流域典型圩区的非点源污染模拟。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2农业非点源污染机理研究综述

1.2.1农业氮素迁移转化机理

1.2.2农业磷素迁移转化机理

1.2.3圩区非点源污染研究综述

1.3非点源污染定量化研究综述

1.3.1非点源污染研究方法综述

1.3.2非点源污染模型介绍及对比

1.3.3非点源污染模型与GIS技术

1.3.4非点源污染模型局限及发展趋势

1.4研究内容及技术路线

1.5论文的创新点

第二章圩区内不同土地利用下营养盐迁移特征

2.1太湖流域圩区概况

2.1.1太湖流域圩区发展及分布概况

2.1.2太湖典型圩区——荻泽联圩概况

2.2不同土地利用下营养盐迁移试验研究

2.2.1径流小区概况

2.2.2试验方案设计及水样分析

2.2.3多场降雨平均径流浓度SMC

2.2.4径流小区土壤基本理化特性

2.3不同土地利用下氮素随地表径流的迁移特征

2.3.1氮素迁移的频率分布特征

2.3.2氮素迁移的空间分布特征

2.4不同土地利用下磷素随地表径流的迁移特征

2.4.1磷素迁移的频率分布特征

2.4.2磷素迁移的空间分布特征

2.5小结

第三章平原圩区水流及营养盐迁移特征研究

3.1平原圩区地表水营养盐迁移特征试验研究

3.1.1试验方案设计及水样分析

3.1.2营养盐迁移通量和出流通量

3.1.3次降雨径流平均浓度EMC

3.2平原圩区地表水营养盐迁移特征

3.2.1平原圩区地表水氮素迁移特征

3.2.2平原圩区地表水磷素迁移特征

3.3平原圩区地下水流输运及营养盐迁移特征研究

3.3.1圩区地下水流及营养盐运移相关试验研究

3.3.2平原圩区地下水流输运及营养盐分布迁移特征研究

3.4小结

第四章圩区非点源污染负荷模型建立

4.1非点源污染负荷模型结构

4.1.1非点源污染负荷模型结构

4.1.2圩区非点源污染负荷模型

4.2圩区水文子模型

4.2.1陆面径流

4.2.2河道演算

4.3圩区土壤侵蚀及泥沙输运子模型

4.3.1土壤侵蚀系数K

4.3.2作物经营管理因子C

4.3.3水土保持因子P

4.3.4地形系数LS

4.3.5表面粗糙系数CFRG

4.4圩区面源营养物质迁移子模型

4.4.1地表径流中各形态氮输运转化过程

4.4.2地表径流中各形态磷输运转化过程

4.4.3河道中各形态氮输运转化过程

4.4.4河道中各形态磷输运、转化过程

第五章SWAT在圩区非点源污染模拟研究中的应用

5.1 SWAT模型的输入数据

5.2 DEM的水文分析

5.2.1 DEM数据

5.2.2子流域的划分

5.2.3排涝站控排面积核算

5.3圩区土地利用类型

5.4圩区土壤类型

5.5 HRU分布

5.6圩区气象数据

5.7圩区管理措施

5.7.1施肥措施

5.7.2灌溉措施

5.7.3虚拟“水库”控制排涝

5.8池塘PONDS/湿地WETLANDS

第六章模型参数率定及结果分析

6.1径流部分参数

6.1.1径流参数率定方法

6.1.2径流参数率定结果

6.2泥沙部分参数

6.3水质部分参数

6.3.1水质部分参数率定方法

6.3.2水质部分参数率定结果

6.4模型参数率定小结

6.5圩区输出非点源污染负荷量分析

第七章总结与展望

7.1 总结

7.2展望

参考文献

致 谢