不同管理措施對密云水庫流域水量水質(zhì)變化的影響[W

1、.不同管理措施對密云水庫流域水量水質(zhì)變化的影響關鍵字：不同,管理,措施,密云水庫,水庫,流域,水量,水質(zhì),變化,變化的,影響 不同管理措施對密云水庫流域水量水質(zhì)變化的影響本文為Word文檔，感謝你的關注！ 摘要：在密云水庫上游控制流域建立SWAT（S0il and Water Assessment Tooll水文模型，根據(jù)實測水且.水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型的參數(shù)進行優(yōu)化。識別流域土壤侵蝕和污染物關鍵區(qū)域，并對不同管理措施對流域水量水質(zhì)的影響進行定量研究。研究結果表明：密云水庫流域土壤侵蝕強度較大的集中在流域中下游臨近河道的區(qū)域；潮河流域非點源污染狀況較為嚴重，潮河和白河總氮流失超高風險區(qū)分別占總面積的6

2、2 62%和43.09%，白河流域總磷均為低流失風險區(qū)，潮河流域總磷高流失風險區(qū)占17.81%；等高耕作和梯田種植對于產(chǎn)沙量和污染物都有較好的去除效果，其中等高耕作對于產(chǎn)沙量和總氮、總磷負荷的削減率，潮河分別為25.16%、10.79%和32.89%，白河為47.60%、34.92%和53.49%；通過對比退耕還林和退耕還草措施得知，退耕還林的效果更優(yōu)。研究結果可為密云水庫流域水土保持和水環(huán)境治理提供決策依據(jù)。 關鍵詞：SWAT模型；密云水庫；水量水質(zhì)；管理措施 S127 A 1672-1683（2017）-02-0080-09 非點源污染是影響流域水環(huán)境的重要因素之一。因其具有分布廣泛、污染

3、物不確定、監(jiān)測困難等特點，使其定量研究尚存在很多難點。非點源污染源不固定，極易受到了人類生產(chǎn)、生活以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等的影響。定量分析人類活動對流域水量水質(zhì)的影響，不僅可以有效治理與控制非點源污染，同時為流域水環(huán)境問題治理、資源合理規(guī)劃與利用提供決策依據(jù)。 不同土地利用和管理措施對流域水量水質(zhì)有著直接影響，有必要對其進行定量分析。對非點源污染的定量分析通常需要借助地理信息技術相支持，計算出整個流域內(nèi)各個區(qū)域的非點源污染分布，然后與該區(qū)域的水質(zhì)要求相結合，進而對其進行定量分析與情景模擬。SWAT（S0il and Water As-sessment Tool）模型，因簡單實用，廣泛用于流域水循環(huán)模

4、擬、流量預測以及非點源污染控制評價中。如：Ashok采用SWAT模型對土地利用復雜的小流域氮磷污染物進行模擬并取得了較好效果；之后Mishra和Epelde采用SWAT模型分別對不同流域農(nóng)業(yè)措施與水量水質(zhì)關系進行研究，表明了人類活動干擾與流域非點源污染物濃度的直接關系；國內(nèi)亦有較多研究，如張建永利用SWAT模型研究了北京官廳水庫流域徑流、營養(yǎng)物流失等情況；秦耀民等以黑河為研究對象，采用SWAT模型研究了土地利用方式、土地覆蓋情況兩種因素對水質(zhì)的影響；劉博等也采用SWAT模型，主要研究了土地利用情況、水質(zhì)管理措施、水文環(huán)境等因素對北京沙河水庫非點源污染的影響。針對密云水庫流域非點源污染也有了相關

5、研究，如：王曉燕等和李明濤等在SWAT模型和GIS技術的支持下，分析了流域內(nèi)非點源污染物的時間變化規(guī)律并都認為耕地面積對于流域內(nèi)非點源污染的負荷貢獻較高。徐宗學和龐靖鵬等以密云水庫流域為研究對象，對徑流和泥沙進行模擬，并對土壤侵蝕關鍵區(qū)進行識別；張平基于SWAT模型對于氮磷流失風險區(qū)進行了劃分。以往的研究中，對不同管理措施對流域水量水質(zhì)變化影響的進行模擬和分析較少，本文是對上述研究的深入與完善。 密云水庫作為北京市主要水源地受氣候變化和人類活動影響，近年來水環(huán)境也發(fā)生了變化。本研究采用SWAT模型，選擇密云水庫流域為研究對象，對流域水量水質(zhì)的參數(shù)進行調(diào)整，驗證模型適用性。在此基礎上，識別流域土

6、壤侵蝕和污染物關鍵區(qū)域，并對不同管理措施對流域水量水質(zhì)的影響進行定量化分析。 1研究區(qū)域與方法 1.1研究區(qū)概況 密云水庫控制流域位于潮白河境內(nèi)，是北京市重要的水源地之一。其流域位于北緯40°19-41°38和東經(jīng)115°25-117°35之g，流域面積為15788 km，見圖l。整個流域的地形西北高、東南低，水流從西北部山地流入密云水庫。流域以丘陵為主，山地面積占整個區(qū)域面積約三分之二。密云水庫流域位于暖溫帶，降水主要集中在夏秋季，其中6月到9月為汛期，占到降水量的80%以上，降水量空間分布呈東南多，西北少的特點。年平均氣溫910。土壤類型主要有四種類

7、型：褐土、棕壤、草甸土和栗鈣土。 1.2SWAT模型簡介 SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心（USDA-ARS）開發(fā)的半分布式流域水文模型，該模型基于SWRRB，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。20世紀90年代開發(fā)以來，經(jīng)歷多次擴展和升級，在流域水文平衡、長期地表徑流、日平均徑流模擬以及泥沙侵蝕流失量、農(nóng)藥輸移、非點源污染等方面得到了廣泛應用。 SWAT模型能夠模擬流域內(nèi)多種形式的氮和磷的遷移轉化過程，由于模型輸出結果中沒有直接給出TN和TP的結果，本文采用以下公式進行計算： （1）式中：TN

8、_OUT為流域出口總氮負荷（t）；ORGN_OUT為流域出口有機氮（t）；NO_OUT為流域出口亞硝態(tài)氮（t）。 （2）式中：TP_OUT為流域出口總磷的負荷（t）；ORGP_OUT為流域出口有機磷的負荷（t）；MINP_OUT為流域出口無機磷的負荷（t）。 SWAT模型首先進行子流域劃分，然后根據(jù)每個子流域內(nèi)不同的土地利用方式、土壤類型、地形等將子流域劃分出多個水文響應單元（HRUs）。SWAT模型模擬分為兩部分：陸表過程和受納水體過程，前者控制每個水文響應單元內(nèi)主河道的徑流、沉積物、營養(yǎng)物和農(nóng)藥的輸入量；后者決定徑流、沉積物等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運動。 1.3數(shù)據(jù)來源與處理 構建SW

9、AT模型所使用的數(shù)據(jù)主要有兩種，即空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)主要包括高程、土地利用地圖、土壤類型地圖等幾種。文中所采用DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)見表1。屬性數(shù)據(jù)包括水文、氣象、點源等相關資料。氣象數(shù)據(jù)采用北京、承德、多倫、豐寧、懷來、遵化、張家口六個站點的最高、最低氣溫、日照時數(shù)、風速和相對濕度等資料，由國家氣象局提供。降水數(shù)據(jù)采用密云流域1993年到2001年75個站點日降水資料，流量資料采用潮河下會站和白河張家墳站1993年-2001年日流量資料，由密云流域管理局提供。密云水庫流域以非點源污染為主，模型輸入中關于綜合污水及固氣物排放現(xiàn)狀、化肥農(nóng)藥使用和分散式飼養(yǎng)禽畜廢水等資料可詳

10、見文獻。 采用模型推薦的子流域劃分閾值12 000 ha，潮河和白河流域分別劃分為33、3 1個子流域，將土地利用類型和土壤類型分類的閾值設置為10%，潮河流域劃分為327個HRU s，白河流域劃分為241個HRU s，共568個HRU s，子流域劃分見圖2。 采用模擬結果月值的相關系數(shù)R和納西效率系數(shù)E。評價模型精度。 （6） 2結果與分析 利用SWAT模型對密云水庫流域水量、泥沙、TN和TP的月值分別進行模擬，模擬預熱期為1993年-1994年，1995年-1999年期間為率定期，驗證期為2000年-2001年，在參數(shù)率定過程中，通過對較為敏感參數(shù)進行調(diào)整，主要率定的參數(shù)有Cn2、Esco

11、、Sol-K、Spcon、Ch-N2、Ch-K2、Re-vapmn、Sol_Z、Canmx等，對于其他參數(shù)采用模型默認值進行設置，參數(shù)范圍與其所代表的意義可詳見模型應用手冊，并采用上述指標對模型適用性進行驗證，表2和圖3-圖6為率定和驗證結果。結果表明，SWAT模型可以較好的模擬密云水庫流域徑流、泥沙、污染物遷移轉化過程，模型對徑流的模擬效果最好，泥沙次之，總氮總磷效果差一些。SWAT模型對密云流域的適用性較好，可以滿足模擬要求。 2.1流域關鍵區(qū)識別 通過的密云水庫流域1990年-2003年各子流域土壤侵g量計算土壤侵蝕模數(shù)，并參照土壤侵蝕強度分級標準，分別標注為微度、輕度侵蝕、中度侵蝕、強

12、度侵蝕，并計算土壤侵蝕面積占比：潮河流域微度、輕度、中度、強度侵蝕區(qū)分別占流域總面積的68.74%、18.39%、11.49%、1.39%：白河流域的占比則是48.09%、26.56%、12.49%和12.86%。將不同的侵蝕程度使用不同的顏色表示，則可以得到圖7中的分級圖。侵蝕度較大區(qū)域集中在密云水庫中下游臨近河道的區(qū)域，這主要因為子流域徑流深和植被覆蓋對影響泥沙和氮磷的分布更為突出。 圖8和圖9分別為密云水庫流域的總氮濃度空間分布圖和總磷濃度空間分布圖，使用國家水質(zhì)分類標準對密云水庫流域內(nèi)TN和TP關鍵區(qū)進行識別，將氮磷流失風險區(qū)劃分為3個級別，低流失風險區(qū)，高流失風險區(qū)和超高流失風險區(qū)。

13、氮磷污染負荷關鍵區(qū)識別結果表明（圖8，圖9），潮河流域所有流域總氮均在高風險濃度范圍，潮河和白河總氮流失超高風險區(qū)分別占總面積的62.62%和43.09%；總磷的流失程度總體比較小，白河流域均為低流失風險區(qū)，潮河流域17.81%為高流失風險區(qū)。總氮負荷較高的區(qū)域多集中在農(nóng)業(yè)用地區(qū)域。潮河總磷污染狀況較差，與相關文獻結果較為一致。 2.2情景設置及分析 密云水庫控制流域以非點源污染為主，對土壤侵蝕關鍵區(qū)和氮磷污染負荷關鍵區(qū)分別設置情景（表3，表4），探討不同管理措施對流域水量水質(zhì)的定量影響。利用率定和驗證后的SWAT模型對梯田種植、等高種植、退耕還林還草措施分別進行模擬，得到其在2004年-20

14、13年的年徑流量、產(chǎn)沙量、TN負荷、TP負荷，并與基準情景相比計算變化率，即年均值減去基準值再除以基準值，若變化率為負值則表明對徑流、泥沙等有去除作用，若為正則為增加作用。 由表5可知，梯田種植可以有效防止水土流失及污染物負荷的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，坡度小于2%的區(qū)域多集中在臨近河道的區(qū)域，這些區(qū)域通常以耕地、居民用地為主，在非點源污染負荷中貢獻率較高。其中坡度小于2%的面積占潮河總面積的7%，占白河總面積的8%。以白河為例，當坡度小于2%時（S1），梯田種植對徑流、泥沙、總氮、總磷削減率分別為0.40%、1.08%、0.86%；對和0.81%；當坡度大于2%時（S 21，梯田種植對徑流、泥沙、總氮

15、、總磷削減率分別為2.15%、43.53%、18.77%和43.51%；當對土壤侵蝕關鍵區(qū)全部實施梯田種植時（S3），削減效果最好，徑流、泥沙、總氮、總磷削減率分別達到2.54%，44.25%，19.45%和44.28%。因此，梯田種植對于產(chǎn)沙量和總磷負荷均有較好的削減作用，且白河流域效果在泥沙，總磷的削減上要優(yōu)與潮河流域。 由表6可知，等高耕作對于減少水土流失及總氮總磷負荷的效果非常好。以潮河為例，當坡度小于2%時（S4），等高種植對分別為0.56%，1.15%，5.74%和11.63%；當坡度大于2%時（S5），徑流、泥沙、總氮、總磷的削減率分別為1.12%，24.33%，8.89%和22

16、.87%；當對土壤侵蝕關鍵區(qū)全部實施等高種植時（5.6），削減效果最好，削減率分別可達到1.67%。25.16%，10.79%和32.89%。 等高耕作和梯田種植情景都是在土壤侵蝕關鍵區(qū)進行設置的，對比二者對于產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量和污染物負荷量的削減效果，等高耕作和梯田種植對平均徑流量、產(chǎn)沙量和總氮負荷的效果接近，且都可以起到很好的水土保持效果，尤其是對于產(chǎn)沙量和總氮負荷的減少效果更為顯著。根據(jù)有關研究，等高種植成本要明顯低于梯田種植，故流域采取等高種植更好。 由表7、8可以看出，退耕還林還草對徑流量、產(chǎn)沙量與總氮負荷的影響較大。全部還林還草對于產(chǎn)流、產(chǎn)沙、產(chǎn)污的削減效果要好于部分還林還草，這主要是

17、由于全部還林還草后植被覆蓋度更高。退耕還林總體對于氮磷污染物的削減作用優(yōu)于退耕還草，這主要是因為林地相比于草地對污染物的截留作用更明顯。關鍵區(qū)農(nóng)田全部還林時（S9），潮河流域徑流量、產(chǎn)沙量、總氮、總磷分別減少1.88%，48.09%，44 30%和64.09%；白河流域對應為1.37%，58.39%，37.80%和68.07%；關鍵區(qū)農(nóng)田全部還草（S12）時，潮河流域四者對應較少減少2.66%，50.32%，30.42%和56.77%；白河流域則為2.03%，57.79%，26.42%和59.15%。坡度大于2%的農(nóng)田進行退耕還林或還草的效果優(yōu)于坡度小于2%的農(nóng)田退耕還林或還草，主要因為關鍵區(qū)

18、坡度大于2%的區(qū)域面積要大于坡度小于2%的區(qū)域面積。 許其功等認為退耕還林還草導致徑流量減少主要有2方面原因：一是CN值的變化引起表面徑流量變化，根據(jù)SCS-CN模型原理，CN值越大，表面徑流量越大；二是隨草地或林地面積的增加，冠蓋層截留量以及枯枝落葉層的容水量增大，從而提高了土壤持水量，減少了徑流量。植被對地表的保護作用也得到了學者的認可，還林和還草措施，可以減少水分流失，以及降水等對地表的破壞，減少泥沙量，通過降低該負荷，可以減少對水域的污染。 3結論與討論 通過SWAT對密云水庫流域水量和水質(zhì)變化的模擬，識別流域土壤侵蝕和污染物關鍵區(qū)，對不同管理措施的定量影響進行分析，得出以下結論： （

19、1）徑流、泥沙、營養(yǎng)物的模擬在率定期和驗證期的E均大于0.6，表明SWA T模型的在研究區(qū)域水量水質(zhì)的模擬效果較好，且水量和泥沙模擬效果優(yōu)于總氮和總磷。 （2）根據(jù)土壤侵蝕模數(shù)識別土壤侵蝕關鍵區(qū)，參照國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準識別總氮和總磷關鍵區(qū)。侵蝕度較大區(qū)域集中在密云水庫中下游臨近河道的區(qū)域；氮磷污染負荷關鍵區(qū)識別表明，潮河非點源污染狀況較為嚴重，潮河和白河總氮流失超高風險區(qū)分別占總面積的62.62%和43.09%；白河流域總磷均為低流失風險區(qū)，潮河流域總磷高流失風險區(qū)占17.81%，故白河流域可不采用總磷控制措施，潮河流域應在關鍵區(qū)采取總磷控制措施。 （3）在土壤侵蝕關鍵區(qū)，等高耕作和梯田種植對于產(chǎn)沙量和污染物的