基于SWAT模型的妫水河流域非点源污染最佳管理措施研究

发布时间：2020-05-13 00:36

【摘要】：非点源污染,特别是人类农业活动造成的农业非点源污染,已经成为水环境质量恶化的主要因素。国内外众多的研究均表明非点源污染的控制已经处在了迫在眉睫的阶段,采取非点源污染控制与治理措施可极大的改善流域水环境,修复流域生态环境。最佳管理措施(Best Management Practices,BMPs)是避免流域水环境受到农业生产活动所造成的污染的一系列措施,它分为工程措施与非工程措施,最佳管理措施的评估对流域水环境治理具有指导意义。本研究以北京市妫水河流域为例,利用SWAT模型评估工具,对妫水河流域非点源污染特征进行了分析,并且根据污染物的流失强度对关键源区进行了识别。通过设置不同情景措施,利用SWAT模型对单情景措施削减效率与组合情景措施削减效率分别进行了评估,并分析了各个情景的削减效果,为妫水河流域非点源污染负荷识别与调控提供定量化依据。主要研究结论如下:(1)通过现场调研与资料收集,构建了空间数据库与属性数据库,其中,空间数据库包括数字高程图、土地利用图与土壤类型图;属性数据库包括气象数据库、土壤属性数据库与污染源数据库。基于研究区DEM划分子流域,并利用模型中Burn In功能对水系进行修正,最终得到25个子流域,275个水文响应单元。使用SWAT-CUP软件对模型参数进行敏感性分析,在月尺度下分别对2015~2017年径流量、2015~2016年TN和TP进行了率定与验证,率定验证结果均满足E_(NS)≥0.50,R~2≥0.60,表明模型适用性较好。(2)通过分析模型结果可以看出,研究区TN、TP的负荷量变化具有明显的时空变异特点。在时间上,雨季的负荷量明显高于每年的枯水时期,并且与降雨量呈正相关关系;在空间上,不同子流域的氮磷流失强度差异极为明显,TN流失强度主体分布趋势为流域南部整体大于流域北部,TP流失强度主体分布趋势为从上游到下游逐渐增大。氮磷流失强度在空间分布上存在一定差异,并且与降雨量的分布也存在较大差异,说明降雨量只是影响氮磷流失强度的一个因素,土地利用类型、土壤属性等因素也影响着氮磷流失强度。在TN、TP流失污染贡献负荷上,林地位居首位,分别占流域TN、TP流失污染总贡献负荷的49.44%、46.23%;其次为耕地,占比分别为30.1%、29.53%。在TN、TP流失负荷强度上,由大到小依次排序为居民区用地(0.39kg/ha、0.18kg/ha)、耕地(0.35kg/ha、0.12kg/ha)、草地(0.34kg/ha、0.11kg/ha)和林地(0.24kg/ha、0.07kg/ha)。(3)使用流失强度指数法对研究区非点源污染关键源区进行识别,根据自然裂点分级法将氮磷流失强度分为五个等级,分别为高、较高、中、较低、低这五个等级,最终得出非点源污染的关键源区为6、11、17、19、22、23号子流域,这6个子流域面积占到整个研究区的24.6%,TN负荷量占到整个研究区的54.3%,TP负荷量占56.2%,氮磷污染负荷都占到了整个研究区污染负荷的半数以上。(4)研究设置了8种情景方案,其中包括工程措施与非工程措施,通过将各情景措施转化为SWAT非点源污染模型的参数和变量,对各情景削减效率进行评估,工程措施中,情景2(植草水道)、情景3、4(植被缓冲区)削减效率最好,对TN的平均削减效率分别为34.3%、59.5%、71.4%,对TP的平均削减效率分别为31.0%、60.7%、76.7%;非工程措施中,情景5、6化肥削减措施与情景7免耕措施氮磷削减效率均低于10%,情景8残茬覆盖耕作对TP的削减效率较好,为12.9%。采取各情景方案后研究区氮磷流失强度的空间分布也随之改变。对情景2+情景6+情景8的组合措施方案削减效率进行评估,对TN的平均削减效率为38.5%,对TP的平均削减效率为50.1%。除11、23号子流域外,其余关键源区内子流域氮磷流失强度均有所改善。在选取最佳管理措施时,要结合当地区域的农业生产活动与水质管理目标。
【图文】：

过程图,水文循环,过程,模型

图 1-1 SWAT 模型水文循环过程土壤侵蚀侵蚀和泥沙产量以 hru 为单位利用 MUSLE 方程进行计算，，其方程如式所示：0.5611.8( ) CFRGsurf peak hru usle usle usle usle Q q area K C P LS (1.6式中，sed 为土壤侵蚀量，单位 t；surfQ 为地表径流量，单位 mm/ha；peakq 为峰值流单位 m3/s；hruarea 为 hru 面积；单位 ha；usleK 为土壤侵蚀因子；usleC 为植被覆盖和因子；usleP 为保持措施因子；usleLS 为地形因子；CFRG 为粗糙碎屑因子。氮、磷循环1°氮循环①残留物降解为活性有机氮 , ,0.2ly ntr ly frsh ly orgN(1.7)式中，Ndec,ly为残留物氮的降解，单位 kg/ha，ntr ,ly 为残留物降解系数，orgNfrsh,ly为层土层中的残留物有机氮含量，单位 kg/ha。

循环过程,活性态,模型,残留物

图 1-2 SWAT 模型中氮循环过程2°磷循环①腐殖质活性态有机磷的矿化1/2, , , ,1.4 ( )mina ly min tmp ly sw ly act lyP orgP(1.13)式中，Pmina,ly为腐殖质活性态有机氮的氮矿化，单位 kg/ha；βmin为腐殖质活性态有机磷矿化系数；tmp ,ly 为第 ly 层土层中的营养物循环温度因子；orgPact,ly为活性态有机磷浓度，单位 mg/kg。②残留物降解为活性有机磷, , ,0.2dec ly ntr ly frsh lyP orgP(1.14)式中，Pdec,ly为残留物磷的降解，单位 kg/ha，ntr ,ly 为残留物降解系数，orgPfrsh,ly为第 ly 层土层中的残留物有机磷含量，单位 kg/ha。③残留物有机磷的矿化, , ,0.8minf ly ntr ly frsh lyP orgP(1.15)
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52

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