丹江中游小流域水—沙—养分输移过程研究

发布时间：2018-05-03 22:08

本文选题：水源区 + 耕作措施　；参考：《西安理工大学》2016年博士论文

【摘要】：水土流失引发的非点源污染是南水北调中线工程水源区水质的主要影响因素。丹江作为南水北调中线工程的重要水源区之一,其水质的稳定与改善直接关系着南水北调中线工程的效益。本文以丹江鹦鹉沟小流域的坡面和流域两个不同尺度的降雨径流、侵蚀产沙以及氮、磷的输移过程为对象,系统研究了氮、磷等污染物随径流、泥沙过程的迁移转化规律。坡面尺度的研究主要通过模拟降雨试验,分析了坡面不同植被覆盖与耕作措施下的坡面产流、产沙以及氮、磷的输移过程,揭示了坡面植被的水沙调控对氮、磷迁移转化过程的作用机制;流域尺度方面则较为系统地分析了典型降雨过程中径流-泥沙-养分的迁移转化过程,并基于RUSLE模型计算了流域的年均土壤侵蚀量,分析了土壤侵蚀与土壤氮、磷的空间分布特征,识别了土壤侵蚀强度与氮磷含量的“侵蚀-污染物”优先治理区,揭示了流域典型降雨-径流过程中土壤氮、磷的迁移过程机制。研究成果有助于阐明丹江水源区坡面-流域不同尺度下水-沙-养分输移过程和机理,为南水北调中线水源区小流域水土流失治理以及非点源污染控制提供科学依据。论文取得的主要结论如下:(1)揭示了坡面不同植被覆盖与耕作措施下径流-泥沙-养分输移规律,阐明了坡面植被覆盖与秸秆覆盖的减沙阻污效果大于减水效果。模拟降雨的实验结果表明:在雨强1.20 mm/min,降雨历时为60min的降雨条件下,不同植被覆盖与耕作措施下的地表径流量表现为:裸地(BL)玉米单作(CL)秸秆覆盖(SC)玉米和大豆套种(TCS)顺坡垄作(BS)坡面上部为裸地+坡面下部为花生单作(BP)花生单作(PL)玉米和花生套种(TCP),以产流量最大的BL为基准,CL,SC,TCS,BS,BP,PL,TCP的产流量分别是裸地BL的93%,75%,51%,39%,28%,12%,6%。不同植被覆盖和耕作措施下的产沙量大小为:BLBSSCCLBPTCSPLTCP。以BL为基准,BS,SC,CL,BP,TCS,PL,TCP 的分别是裸地 BL 产沙量的 87.4%,9.3%,7.1%,6.2%,3.3%,2.0%,0.4%。因此,植被覆盖措施与秸秆覆盖的减沙效果好于减水效果;产流产沙过程中伴随的氮素流失量远大于磷素流失量,NO3-N为地表径流中TN流失的主要形态,占总氮流失量的48.4%～78.9%,溶解态磷占总磷流失量的比例为42.2%～98.3%。(2)采用转换函数确定了流域SCS-CN模型计算径流的水文土壤组参数,得到了流域不同土壤深度Vereecken转换函数模型的计算精度。利用K-means聚类法选取降雨量(P)、降雨历时(D)、最大30分钟雨强(Ⅰ30)3个指标将鹦鹉沟流域2011～2013年之间的154场降雨分为3种降雨类型。研究结果表明:雨型I(低降雨量短历时)发生频次最高,占总降雨次数的67.6%,雨型Ⅱ(中降雨量大雨强)次之,占总降雨次数的26.6%,雨型Ⅲ(高降雨量长历时)发生次数最少;采用Vereecken转换函数模型确定了 SCS-CN模型中的水文土壤组(HSG)参数,土壤表层0～10 cm饱和导水率的计算值精度最高,其误差在25%以内。流域尺度的饱和导水率能够为该地区水文模型的应用提供关键的土壤水文参数。(3)阐明了不同土地利用类型下流域土壤侵蚀强度的空间变化特征,量化了不同强度侵蚀区对总土壤流失量的贡献率。鹦鹉沟流域年均土壤侵蚀模数为1247.7 t/km2;流域土壤侵蚀以微度侵蚀为主,微度侵蚀和轻度侵蚀面积共占流域总面积的比例为81.8%,主要分布在沟道、流域下游平缓区域以及流域中游和下游两岸的林草地;强烈以及极强烈侵蚀面积较小,分别占流域面积的2.7%和0.2%,主要分布在流域上游的陡坡耕地以及河流左岸的陡坡地;占流域总面积25.1%且以农地为主的Y1子流域,其土壤侵蚀量占流域土壤侵蚀总量的32.7%,随着林草面积增加,流域的平均土壤侵蚀强度降低,占流域总面积的49.7%的Y5子流域,其土壤侵蚀量约占流域土壤侵蚀总量的58.7%。(4)阐明了流域土壤侵蚀与养分的空间耦合关系,识别了小流域“侵蚀-污染物”的优先治理区,确定了不同的治理方式及顺序。流域土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量的平均值分别为0.87 g/kg、8.66 mg/kg和2.73 mg/kg。土壤全氮空间分布的最优模型为线性模型,土壤铵态氮和硝态氮空间分布的最优模型为高斯模型;鹦鹉沟土壤全磷和速效磷含量的平均值分别为0.65 g/kg和8.70 mg/kg。土壤全磷和速效磷空间分布的最优模型分别为指数模型和高斯模型。Kriging插值表明研究区流域土壤全氮的高值区主要分布在流域西北部的林地以及流域中游河道两侧坡耕地,而土壤全磷的高值区主要分布在流域的东南部以及流域中下游河道两侧。根据建立的“土壤氮磷侵蚀模数”指标准确识别了流域中土壤侵蚀和养分的优先治理区。(5)揭示了流域降雨径流过程中氮、磷的输移机制,初步阐明了水土流失与氮磷流失的空间尺度效应。鹦鹉沟流域3场典型降雨事件(E1、E2、E3)的地表径流总氮输出量分别为24.2 kg、10.6 kg、2.8 kg,其中硝态氮占总氮的比例分别为75.6%,69.6%,70.1%。地表径流中磷的输出量远小于氮素输出量。E1、E2、E3三场降雨事件中地表径流总磷的输出量分别为0.60 kg,0.13 kg、0.07 kg,其中溶解态磷占总磷的比例分别为82.1%,76.5%,12.1%。采用EMC、EPL、FF50 3个指标分析了鹦鹉沟流域及其5个子流域在降雨-径流过程中氮、磷的输移机制。Y1～Y6流域氮、磷在降雨事件中的平均浓度(EMC)和单位面积的负荷(EPL)均随着流域面积增加呈下降或稳定的趋势,其中土地利用类型对流域氮、磷迁移具有显著地影响。以上研究结果表明坡面尺度的植被类型、格局和流域尺度土地利用调整相结合可以有效控制流域的氮、磷流失。
[Abstract]:In this paper , the runoff - sediment - nutrient transport process in the middle - line of the Yellow River is studied . Based on BL as the base , BS , SC , CL , BP , TCS , PL and TCP were 87.4 % , 9.3 % , 7.1 % , 6.2 % , 3.3 % , 2.0 % , 0.4 % of total rainfall . ( 3 ) The spatial variation characteristics of soil erosion intensity in different land use types were expounded , and the contribution rate of soil erosion to total soil loss was quantified . The average value of total phosphorus and available phosphorus in the basin was 0 . 87 g / kg , 8 . 66 mg / kg and 2.73 mg / kg respectively . ( 5 ) The sediment transport mechanism of nitrogen and phosphorus in runoff process of basin was revealed , and the spatial scale effect of soil erosion and nitrogen and phosphorus loss was preliminarily expounded . The total nitrogen output in three typical rainfall events ( E1 , E2 , E3 ) in the Psittacogou watershed was 24 . 6 % , 6 . 6 % and 0 . 07 kg , respectively .

【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157

【相似文献】