三峽庫區(qū)龍河流域非點(diǎn)源污染模擬研究.pdf

1、水資源短缺一直是全球發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，日益增長的人口與日漸稀缺的水資源之間的矛盾限制著人類社會的生存與發(fā)展。我國的水資源存在兩大主要問題:一是水資源短缺，二是水污染嚴(yán)重。隨著我國對環(huán)境保護(hù)的不斷治理，點(diǎn)源污染排放得到了很好的控制，但是非點(diǎn)源污染造成的水質(zhì)惡化形勢依然嚴(yán)峻。
　　長江三峽水利樞紐工程是目前世界上最大的水利水電工程，三峽大壩建成后改變了流域的自然狀態(tài)，使得水面變寬，流速減慢，水體的自凈能力顯著下降，庫區(qū)的富營養(yǎng)化

2、趨勢明顯加劇。鑒于此，本研究選取三峽庫區(qū)典型流域龍河為研究區(qū)，利用分布式水文模型SWAT對研究區(qū)內(nèi)的非點(diǎn)源污染進(jìn)行模擬，找到污染物排放關(guān)鍵源區(qū)，探索非點(diǎn)源污染防控最佳管理措施，提高非點(diǎn)源污染治理的效率。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)雨情分析。掌握研究區(qū)雨情雨勢是流域水文研究的前提，利用線性趨勢分析和滑動平均方法對三峽庫區(qū)內(nèi)及周邊共27個(gè)氣象站點(diǎn)1951-2012近60年的月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:近年三峽庫區(qū)年降水量和

3、降水日數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢。降水日數(shù)的減少趨勢大于降水量的減少趨勢，這表明降水日內(nèi)平均降水量有增加的趨勢，降水日內(nèi)容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨，會導(dǎo)致土壤侵蝕和非點(diǎn)源污染的加劇。雨季、旱季降水量均呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢。地形是影響降水空間分布的重要因子，山地對水汽具有阻擋抬升作用，容易形成降雨。隨著海拔的升高，降水量也有增加趨勢。三峽庫區(qū)監(jiān)測站點(diǎn)降水量與站點(diǎn)海拔高度之間關(guān)系非常密切，海拔每升高100m，降水量相應(yīng)增加30mm，在分析降水量空間分布時(shí)要充

4、分考慮地形的影響。
　　(2)空間數(shù)據(jù)對SWAT模型水文模擬精度影響。SWAT模型所需空間數(shù)據(jù)主要有數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用類型分布、土壤類型分布。空間數(shù)據(jù)源較多且精度不一，在建模之前通過分析前人研究成果對空間數(shù)據(jù)對模型模擬結(jié)果的影響進(jìn)行了綜合分析，可以為模型數(shù)據(jù)的選取和提高模型模擬精度提供參考。研究結(jié)果表明:對不同對象（流量、泥沙、營養(yǎng)元素等）進(jìn)行模擬時(shí)，空間數(shù)據(jù)（DEM、土地利用、土壤）分辨率存在不同的閾值，過高或過低

5、精度的數(shù)據(jù)都可能降低模型模擬的精度。流量和硝態(tài)氮(NO3-N)、泥沙和總磷(TP)對空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量變化響應(yīng)較為一致。子流域劃分?jǐn)?shù)量對流域產(chǎn)流模擬影響較小，而對產(chǎn)沙模擬影響較大。地表徑流模擬上，能夠體現(xiàn)對地表徑流貢獻(xiàn)較大的局地降水事件的分布式的降水?dāng)?shù)據(jù)要比利用氣象站點(diǎn)獲得的降水?dāng)?shù)據(jù)模擬得到的結(jié)果的精度要高。通過綜合分析最終選取分辨率為30m的DEM，比例尺為1∶100萬的土壤類型圖，分辨率為60m的土地利用類型圖為本研究的空間數(shù)據(jù)。

6、>　　(3) SWAT模型構(gòu)建、校準(zhǔn)、驗(yàn)證以及不確定性來源
　　對流域進(jìn)行離散共生成30個(gè)子流域，通過疊加土地覆蓋、土壤、坡度共生成1884個(gè)水文響應(yīng)單元。通過敏感性分析獲得了對徑流模擬結(jié)果影響較為敏感的主要參數(shù)有正常濕潤條件下的徑流曲線數(shù)CN2、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)ESCO、地下水延遲系數(shù)GW_DELAY、冠層最大儲水量CANMX、基流分割系數(shù)ALPHA_BF、地下水蒸發(fā)系數(shù)GW_REVAP、土壤飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)SOL_K、土壤有效

7、含水量SOL_AWC、河道曼寧系數(shù)CH_N2、土壤容重SOL_ BD、河道飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)CH-K2、溢流衰退系數(shù)ALPHA_BNK。對月流量進(jìn)行校準(zhǔn)后，校準(zhǔn)期決定系數(shù)R2、納什效率系數(shù)Ens、百分比偏差PBIAS分別為0.79、0.78、5.36，驗(yàn)證期3項(xiàng)指標(biāo)的值分別為0.70、0.58、-0.61，達(dá)到了模型模擬精度要求。模型不確定性主要來自于模型概念結(jié)構(gòu)不確定性、輸入數(shù)據(jù)不確定性、參數(shù)不確定性3個(gè)方面。
　　(4)非點(diǎn)源污

8、染關(guān)鍵源區(qū)確定
　　利用校準(zhǔn)后的SWAT模型在子流域尺度和水文響應(yīng)單元尺度上確定了非點(diǎn)源污染關(guān)鍵源區(qū)。結(jié)果表明:在子流域尺度和水文響應(yīng)單元尺度上地表徑流和總徑流的空間異質(zhì)性都較小，沒有明顯的關(guān)鍵源區(qū)。而泥沙、總氮和總磷的在子流域尺度和水文響應(yīng)單元尺度上的空間異質(zhì)性都要比地表徑流和總徑流的空間異質(zhì)性大，較小的累積面積上的泥沙、總氮和總磷的輸出占到了整個(gè)流域上相應(yīng)輸出的很大比例，能夠較準(zhǔn)確的找出對應(yīng)的關(guān)鍵污染源區(qū)。水文響應(yīng)單元尺度上的

9、泥沙、總氮、總磷輸出的空間異質(zhì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于子流域尺度上相應(yīng)輸出的空間異質(zhì)性，存在明顯的關(guān)鍵源區(qū)，所以在水文響應(yīng)單元尺度上確定的關(guān)鍵污染源區(qū)更具代表性，對污染物輸出進(jìn)行防治時(shí)更有針對性，能夠大大降低污染物治理的投入。對水文響應(yīng)單元尺度上的關(guān)鍵污染源區(qū)進(jìn)行實(shí)際防治操作時(shí)也會存在問題，一是水文響應(yīng)單元過于分散且面積較小不適合進(jìn)行規(guī)?；乐危撬捻憫?yīng)單元實(shí)地位置的確定存在一定難度。為了提高污染物排放防控水平，關(guān)鍵污染源區(qū)確定時(shí)要綜合考慮各指標(biāo)

10、，將各污染物類型排放都較高的區(qū)域作為防治的關(guān)鍵污染源區(qū)。
　　(5)退耕還林非點(diǎn)源污染減排模擬評價(jià)
　　最佳管理措施主要分為結(jié)構(gòu)性措施和非結(jié)構(gòu)性措施，退耕還林作為非結(jié)構(gòu)性措施，了解其對非點(diǎn)源污染防控效果可以為退耕還林政策的實(shí)施提供參考。保持校準(zhǔn)后的模型設(shè)置和參數(shù)不變，通過將土地利用類型圖中的農(nóng)地修改為林地，模擬了退耕還林對流域非點(diǎn)源污染減排的效果。研究表明:在實(shí)施退耕還林后流域出口處總經(jīng)流量沒有減小，還有微小的增加，這可能是