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        小流域非點(diǎn)源污染模擬與生態(tài)修復(fù)影響評(píng)價(jià)

        2019-10-11 03:50:18吳敬東楊勝天葉芝菡胡曉靜張耀方
        水土保持通報(bào) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:場(chǎng)次土壤侵蝕暴雨

        吳敬東, 楊勝天, 葉芝菡, 胡曉靜, 張耀方

        (1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院, 北京100048; 2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

        非點(diǎn)源污染或面源污染(non-point source pollution)是指在降雨徑流(包括灌溉)的淋溶和沖刷作用下,大氣、地面和土壤中的污染物進(jìn)入江河、湖泊、水庫(kù)和海洋等水體而造成的水污染[1]。目前,大量研究證明,非點(diǎn)源污染是導(dǎo)致水環(huán)境惡化的主要原因之一。據(jù)美國(guó)、日本等國(guó)的科學(xué)研究報(bào)道,即使點(diǎn)源污染得到全面控制,江河的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率也僅為65%,湖泊的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為42%,海域水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為78%。在我國(guó),云南省滇池、天津市于橋水庫(kù)、安徽省巢湖、江蘇省太湖和遼寧省大伙房水庫(kù)等水域,其非點(diǎn)源污染比例均超過(guò)點(diǎn)源污染,非點(diǎn)源污染已上升為威脅人類飲用水的主要原因[2]。

        當(dāng)前,對(duì)密云庫(kù)上游非點(diǎn)源污染產(chǎn)生、排放和遷移轉(zhuǎn)換機(jī)理研究不是很深入,對(duì)流域不同區(qū)域種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污水產(chǎn)生、排放系數(shù)及源強(qiáng)等重要參數(shù)還不掌握,對(duì)河湖水庫(kù)的水污染變化規(guī)律也不是很清楚,對(duì)各種非點(diǎn)源污染控制措施的效果效益研究也較少。因此,在點(diǎn)源控制技術(shù)相對(duì)成熟之后,對(duì)非點(diǎn)源污染機(jī)理及防控技術(shù)和措施的研究,成為當(dāng)前非點(diǎn)源污染研究的熱點(diǎn)。密云水庫(kù)是北京城市供水的唯一大型地表水源,也是南水北調(diào)工程通水后余水存蓄庫(kù),保護(hù)好密云水庫(kù)水源對(duì)北京城市供水系統(tǒng)的保障、調(diào)節(jié)和儲(chǔ)備安全有重大意義。由于人為活動(dòng)的影響,密云水庫(kù)流域的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了急劇的變化,入庫(kù)徑流污染物濃度有增加趨勢(shì),水庫(kù)水質(zhì)安全壓力大增。本文通過(guò)開(kāi)展水源地非點(diǎn)源污染研究,摸清非點(diǎn)源污染主要來(lái)源、傳輸途徑及污染貢獻(xiàn),旨在為保護(hù)密云水庫(kù)水源地、開(kāi)展流域山水林田湖一體化修復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

        1 研究區(qū)概況

        選擇北京密云水庫(kù)上游蛇魚(yú)川小流域作為研究區(qū)。蛇魚(yú)川小流域位于北京市密云水庫(kù)西北側(cè),東經(jīng)116°47′—116°57′,北緯40°35′—40°39′,屬于白河水系蛇魚(yú)川河流域,蛇魚(yú)川河直接注入密云水庫(kù),小流域地跨密云水庫(kù)一級(jí)(西灣子村)和二級(jí)(黃峪口村)水源保護(hù)區(qū)。蛇魚(yú)川小流域面積25.66 km2。蛇魚(yú)川小流域?qū)傺嗌缴矫},地勢(shì)北高南低,海拔高度為145~940 m。全流域坡度變化于0°~79°,坡度大于35°的面積占到全流域面積的56%,陡坡在流域內(nèi)普遍存在。土壤以褐土為主,包括淋溶褐土和普通褐土。土壤質(zhì)地較粗,多為砂壤土,顆粒松散,黏粒含量低,保水性較差,容易產(chǎn)生土壤侵蝕。流域?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶?rùn)半干旱氣候,四季分明,冬季干燥寒冷,夏季炎熱,雨量集中且多暴雨,春季干旱多風(fēng)。流域多年平均降水量為652 mm,75%集中在6—9月份。1月份平均氣溫-6.6 ℃,7月份平均氣溫24.8 ℃。無(wú)霜期為176 d,年日照時(shí)數(shù)為2 762 h,最大凍土深為85 cm。小流域植被類型有人工的針葉林、落葉闊葉林、灌叢、灌草從、草叢、水生植物以及經(jīng)濟(jì)林、農(nóng)田等植被。

        2 研究方法

        本研究從流域土地利用類型出發(fā),利用EcoHAT-LCM模型和傳統(tǒng)大尺度非點(diǎn)源污染模型相結(jié)合的模式,分別計(jì)算各流域場(chǎng)次降雨徑流過(guò)程和非點(diǎn)源污染負(fù)荷,利用EcoHAT-LCM模型計(jì)算流域水文過(guò)程,再利用大尺度非點(diǎn)源污染模型,分別模擬流域多年平均、5 a一遇和10 a一遇暴雨產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷和吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷,設(shè)置情景分析,評(píng)價(jià)小流域生態(tài)建設(shè)方案對(duì)密云水庫(kù)流域水文過(guò)程和污染防控效果影響。

        2.1 EcoHAT-LCM模型

        EcoHAT-LCM模型是劉昌明等[3-8]在陜西、甘肅、四川、青海、西藏和新疆等地區(qū)做了大量坡地降雨實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)途徑探討了暴雨徑流的超滲產(chǎn)流理論,并在這一理論的基礎(chǔ)上提出的暴雨徑流模型。

        產(chǎn)流模型是LCM暴雨徑流模型的核心內(nèi)容,其通過(guò)LCM入滲公式計(jì)算單位時(shí)段內(nèi)入滲量,并耦合水量平衡方程,以參數(shù)優(yōu)化選擇方法率定模型不確定性參數(shù),再求算各個(gè)水文分量。對(duì)于地表及地表以下的產(chǎn)流過(guò)程,LCM模型采用出流系數(shù)法計(jì)算壤中流和地下徑流。

        LCM模型中產(chǎn)流模型將整個(gè)過(guò)程分為地表層、土壤層和地下水層3步進(jìn)行:首先計(jì)算土壤的下滲能力,采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

        f=R·Pr

        (1)

        R=0.878 1×ln(r)+1.342 2

        (2)

        式中:f——下滲量/mm;P——降雨量/mm;R,r——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),與土地利用/覆蓋和土壤水含量有關(guān),是計(jì)算產(chǎn)流過(guò)程的關(guān)鍵。

        地表徑流量的計(jì)算基于水量平衡方程,即地表徑流量等于降水量減去下滲量:

        Qd=P-f=P-R·Pr

        (3)

        計(jì)算壤中流量時(shí),考慮壤中流與土壤濕度和降水入滲量成正比,因此,經(jīng)驗(yàn)公式為:

        Ql=La·(Ws/Wsm)·f

        (4)

        式中:La——壤中流系數(shù);Ws——非飽和土壤含水量(mm);Wsm——土壤最大蓄水量(mm);Ql——壤中流量(mm)。

        地下水補(bǔ)給量與基流的計(jì)算同樣基于水量平衡方程,計(jì)算公式為:

        REC=Rc·(Ws/Wsm)·(f-Ql)

        (5)

        Qb=Kb·(GWs+REC)

        (6)

        式中:REC——地下水補(bǔ)給量(mm);Rc——地下水補(bǔ)給系數(shù);Kb——基流系數(shù); GWs——地下水儲(chǔ)量(mm)。

        坡面匯流采用等流時(shí)線法?;贒EM數(shù)據(jù),進(jìn)行子流域劃分,結(jié)合流域等流時(shí)線分布圖,劃分子流域內(nèi)等流時(shí)線空間分布,以等流時(shí)線區(qū)間為單元,計(jì)算流域內(nèi)坡面匯流過(guò)程。子流域等流時(shí)線計(jì)算公式為:

        Tsub_i=Ti-Tmin_i

        (7)

        式中:Tsub_i——調(diào)整后第i個(gè)子流域內(nèi)某點(diǎn)匯流到子流域出口時(shí)長(zhǎng);Ti——第i個(gè)子流域內(nèi)某點(diǎn)匯流到全流域出口時(shí)間;Tmin_i——第i個(gè)子流域內(nèi)匯流到全流域出口最短時(shí)間。

        河道匯流采用馬斯京根法?;贏rcGIS子流域?qū)傩杂?jì)算結(jié)果,結(jié)合子流域上下游拓?fù)潢P(guān)系,應(yīng)用馬斯京根方程對(duì)子流域間河道匯流過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算公式為:

        Qout,2=C1·Qin,2+C2·Qin,1+C3·Qout,1

        (8)

        式中:Qin,1,Qin,2——河道時(shí)段初和時(shí)段末入流量(m3/s);Qout,1,Qout,2——河道時(shí)段初和時(shí)段末出流量(m3/s);C1,C2,C3——調(diào)節(jié)系數(shù)。

        2.2 大尺度非點(diǎn)源污染模型

        大尺度非點(diǎn)源污染模型是郝芳華、楊勝天、程紅光等[9-10]在充分借鑒統(tǒng)計(jì)性經(jīng)驗(yàn)?zāi)P秃蜋C(jī)理性過(guò)程模型優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)在非點(diǎn)源污染調(diào)查工作中的實(shí)際情況構(gòu)建的,將非點(diǎn)源污染負(fù)荷產(chǎn)生和運(yùn)移過(guò)程分成溶解態(tài)污染負(fù)荷和吸附態(tài)污染負(fù)荷分別進(jìn)行:在溶解態(tài)污染模型中,按城市徑流、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田徑流4種類型進(jìn)行模擬;在吸附態(tài)污染模型中,先調(diào)用土壤侵蝕模型,估算出研究區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕量,然后借助構(gòu)建的表層土壤氮磷含量數(shù)據(jù)庫(kù),完成水蝕環(huán)境下吸附態(tài)氮磷的負(fù)荷量估算。

        2.2.1 模型原理 從影響非點(diǎn)源污染產(chǎn)生要素來(lái)看,污染形成主要取決于兩個(gè)方面[11-15]: ①地表污染物的量級(jí)大小及存在形態(tài),即源強(qiáng)要素; ②降水沖刷產(chǎn)流過(guò)程的影響程度,即產(chǎn)流要素。前者是流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征的綜合反映,包括居民的生活方式(如污水、垃圾排放)、城市發(fā)展水平(如排水管道鋪設(shè)、垃圾處理)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)(如化肥、農(nóng)藥的施用)和畜牧業(yè)發(fā)展情況等;后者則體現(xiàn)出區(qū)域的自然環(huán)境特征,包括氣候條件(如降水頻次、雨強(qiáng)、雨量)、土壤類型、地形特征和植被蓋度等,這兩方面因素是模型構(gòu)建過(guò)程中主要考慮的因素。其次,從污染物產(chǎn)生、輸移和轉(zhuǎn)化規(guī)律看,非點(diǎn)源污染物有兩類:一類為溶解態(tài)污染物,另一類為吸附態(tài)污染物。溶解態(tài)污染物即表明該物質(zhì)具有水溶性,能隨地表徑流一起發(fā)生遷移,整個(gè)過(guò)程受水循環(huán)控制,主要來(lái)自城市徑流、農(nóng)田徑流、農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖等人類活動(dòng);吸附態(tài)污染物即污染物通過(guò)附著于顆粒體(泥沙)實(shí)現(xiàn)遷移運(yùn)動(dòng),其過(guò)程同水土流失密切相關(guān)。

        2.2.2 溶解態(tài)模型 溶解態(tài)污染負(fù)荷采用二元結(jié)構(gòu)模型,認(rèn)為影響非點(diǎn)源產(chǎn)生和分布的因子主要是兩個(gè)方面,即區(qū)域的自然環(huán)境特征和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。這兩個(gè)方面的影響又分別歸納為土壤類型、土地利用、地形、降雨以及開(kāi)發(fā)強(qiáng)度等。在上述因素中,地形、降雨和土壤結(jié)構(gòu)屬于自然因子,而土地利用和開(kāi)發(fā)強(qiáng)度屬于社會(huì)因子。綜合考慮社會(huì)、自然二元因子的影響,按農(nóng)田、農(nóng)村居民點(diǎn)、畜禽養(yǎng)殖(大牲畜、小牲畜)幾種類型分別計(jì)算。

        (9)

        式中:i——非點(diǎn)源污染類型,分別是城市徑流、農(nóng)村居民點(diǎn)、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田徑流4個(gè)類型;n——非點(diǎn)源污染類型數(shù);C——單位面積非點(diǎn)源污染負(fù)荷(t/km2);Qi——單位面積非點(diǎn)源污染源強(qiáng)(t/km2);ε——徑流系數(shù);ε0——標(biāo)準(zhǔn)徑流系數(shù),反映不透水硬化地面情況;k——地面沖刷系數(shù);R——標(biāo)準(zhǔn)雨強(qiáng)(mm/d);t——降雨歷時(shí)(d);Ni——自然因子修正系數(shù),表示自然因子修正,如在非點(diǎn)源污染產(chǎn)生過(guò)程中需要進(jìn)一步修正的坡度、植被覆蓋和土壤等因子;Si——社會(huì)因子修正系數(shù),表示社會(huì)發(fā)展程度對(duì)非點(diǎn)源污染源強(qiáng)的削弱程度。

        2.2.3 吸附態(tài)模型 土壤侵蝕與非點(diǎn)源污染是一對(duì)密不可分的共生現(xiàn)象,在農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中表現(xiàn)的尤其明顯。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),土壤侵蝕產(chǎn)生的泥沙本身就是一種特殊的非點(diǎn)源污染物,會(huì)增加水體濁度,破壞水生生物的棲息生存環(huán)境,而且泥沙中往往攜帶了大量的有機(jī)物、磷酸鹽、銨離子等,從而造成受納水體污染。非點(diǎn)源污染類型泥沙的產(chǎn)生受到眾多外界因素的影響,污染源與受納水體間的空間距離、地形坡度與土壤糙度、地表植物的滯留作用、積水和低洼區(qū)等均會(huì)影響進(jìn)入水體的輸沙量。吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷受土壤侵蝕狀況的控制,其計(jì)算模型為:

        Ca=X·Qa·η

        (10)

        式中:Ca——吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷(t/km2);X——土壤侵蝕量(t/km2);Qa——吸附態(tài)非點(diǎn)源污染源強(qiáng)(%);η——吸附態(tài)非點(diǎn)源污染富集系數(shù)。

        2.2.4 土壤侵蝕模型 本研究采用修正的MUSLE方程計(jì)算土壤侵蝕量,計(jì)算公式為:

        Sed=11.8·(RS·qpeak·Apixel)0.56·

        KUSLE·CUSLE·PUSLE·LSUSLE·CFRG

        (11)

        式中:Sed——土壤流失量(t);RS——地表徑流量(mm);qpeak——洪峰徑流(m3/s);Apixel——柵格單元面積(hm2);KUSLE——土壤可蝕性因子;CUSLE——植被覆蓋和作物管理因子;PUSLE——保持措施因子;LSUSLE——地形因子; CFRG——粗碎屑因子。

        洪峰徑流計(jì)算公式為:

        (12)

        式中:αtc——匯流時(shí)段內(nèi)日降雨比例,對(duì)于日尺度模型取值1;tconc——柵格匯流時(shí)間,對(duì)于日尺度模型取值24; 3.6——單位轉(zhuǎn)換因子。

        土地利用信息提取采用2017年GF-1衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)空間分辨率為10 m;同時(shí)應(yīng)用無(wú)人機(jī)機(jī)載多光譜傳感器獲取研究區(qū)內(nèi)敏感區(qū)域下墊面數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)空間分辨率為1 m,再結(jié)合地面測(cè)量,按照3級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行土地利用信息提取,獲取整個(gè)研究區(qū)的土地利用與土地覆蓋信息。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 小流域土地利用特征

        根據(jù)土地利用特征分析結(jié)果進(jìn)行蛇魚(yú)川小流域土地利用類型專題圖制作,如附圖3和表1所示,小流域內(nèi)林地面積最大,占流域面積的93%,其中天然林地2 056.49 hm2,占流域面積的80%,以板栗樹(shù)和核桃樹(shù)為主的經(jīng)濟(jì)林(屬其他林地)占13%。林地面積與旱地和草地面積合計(jì),流域植被覆蓋面積達(dá)到2 451.07 hm2,占全流域的96%。

        表1 蛇魚(yú)川小流域土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

        3.2 小流域EcoHAT-LCM模型計(jì)算

        應(yīng)用EcoHat-LCM模型分別模擬蛇魚(yú)川小流域多年平均、5 a一遇和10 a一遇的洪水徑流過(guò)程線。由于流域內(nèi)無(wú)雨量站,無(wú)法獲取歷史雨量資料,選取離蛇魚(yú)川小流域最近的張家墳雨量站來(lái)代表當(dāng)?shù)氐挠炅繝顩r。

        根據(jù)《北京水文手冊(cè)》,獲得張家墳雨量站多年平均、5 a一遇、10 a一遇的24 h暴雨量,不同頻率場(chǎng)次暴雨量詳見(jiàn)表2,同時(shí)雨量累積曲線采用《北京水文手冊(cè)》中確定的北京山區(qū)24 h降雨雨型。

        表2 蛇魚(yú)川小流域不同頻率場(chǎng)次暴雨量

        基于ASTER-GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行研究區(qū)河網(wǎng)提取,子流域劃分和等流時(shí)線計(jì)算[16],并對(duì)各子流域內(nèi)部的等流時(shí)線進(jìn)行調(diào)整,將等流時(shí)線劃分到各子流域中,實(shí)現(xiàn)對(duì)子流域內(nèi)部坡面單元的劃分,為坡面匯流過(guò)程提供空間數(shù)據(jù)支持。

        由于北京地區(qū)近年來(lái)降水持續(xù)偏少,氣候偏旱,因此模型土壤入滲系數(shù)選擇主要參考張亦弛[17]的黃河多沙粗沙區(qū)LCM模型分布式構(gòu)建與應(yīng)用碩士論文結(jié)果來(lái)分析蛇魚(yú)川小流域不同頻次設(shè)計(jì)暴雨的洪峰流量,入滲參數(shù)選擇如表3所示。

        表3 偏旱狀況下的土壤入滲系數(shù)查找表

        通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)暴雨數(shù)據(jù)進(jìn)行IDW(inverse distance weight)空間插值處理,獲取小時(shí)尺度面雨量數(shù)據(jù),結(jié)合DEM流域匯流屬性數(shù)據(jù)[18],分布式構(gòu)建確定LCM模型對(duì)降雨空間異質(zhì)性的響應(yīng)機(jī)制,基于土地利用、土壤質(zhì)地等柵格數(shù)據(jù)對(duì)LCM模型下滲系數(shù)實(shí)現(xiàn)空間離散化處理,最后應(yīng)用分布式LCM模型對(duì)蛇魚(yú)川小流域多年平均、5 a和10 a這3種設(shè)計(jì)頻率暴雨分別進(jìn)行徑流模擬。偏旱狀況下蛇魚(yú)川小流域在多年平均、5 a一遇和10 a一遇場(chǎng)次暴雨下的洪峰流量,分別為34.07,76.45和131.80 m3/s,與吳敬東[19]用WMS模型的模擬結(jié)果近似,分別為39.82,81.43和132.89 m3/s。

        3.3 小流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算

        應(yīng)用大尺度非點(diǎn)源污染模型結(jié)合LCM模型的模擬結(jié)果,分別模擬蛇魚(yú)川小流域多年平均、5 a一遇和10 a一遇暴雨產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷和吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷。首先模擬得到流域土壤侵蝕狀況,不同頻率場(chǎng)次暴雨下研究區(qū)土壤侵蝕的空間分布如圖1所示。多年平均暴雨下,蛇魚(yú)川小流域大部分坡面區(qū)域土壤侵蝕屬微度侵蝕,輕度侵蝕主要分布在山區(qū)旱地。5 a一遇暴雨下,蛇魚(yú)川小流域大部分坡面區(qū)域土壤侵蝕仍屬微度侵蝕,但在北部和西部部分山區(qū),出現(xiàn)了輕度侵蝕。10 a一遇暴雨下,蛇魚(yú)川小流域大部分坡面區(qū)域以輕度侵蝕為主,其次是微度侵蝕,山區(qū)旱地為中度侵蝕或強(qiáng)度侵蝕。

        對(duì)研究區(qū)在不同頻率場(chǎng)次暴雨下的土壤侵蝕量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(詳見(jiàn)表4)。多年平均暴雨下全流域平均侵蝕模數(shù)為5.99 t/km2,微度侵蝕占全流域面積的98.3%,輕度侵蝕占1.7%;5 a一遇暴雨下全流域平均侵蝕模數(shù)為13.86 t/km2,微度侵蝕占80.7%,輕度侵蝕占19.3%,中度侵蝕占0.1%;10 a一遇暴雨下全流域平均侵蝕模數(shù)為24.96 t/km2,微度侵蝕占42%,輕度侵蝕占57.5%,中度侵蝕占0.4%,強(qiáng)度侵蝕占0.1%。

        總體上,蛇魚(yú)川小流域由于植被覆蓋率高,占全流域的96%,土壤侵蝕以微度侵蝕為主,但是隨著暴雨量的增加,侵蝕級(jí)別向輕度侵蝕方向移動(dòng),當(dāng)暴雨量為10 a一遇時(shí),將出現(xiàn)強(qiáng)度侵蝕。不同頻率場(chǎng)次暴雨產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷和吸附態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的空間分布分別如圖2—4所示。流域內(nèi)溶解態(tài)N,P負(fù)荷最高的為經(jīng)濟(jì)林地和居民點(diǎn),其次為旱地,這3種土地利用類型受人類活動(dòng)影響,施用大量化肥或產(chǎn)生大量垃圾、生活污水,導(dǎo)致溶解態(tài)非點(diǎn)源N,P負(fù)荷高。吸附態(tài)N,P負(fù)荷與土壤流失量密切相關(guān),由于流域內(nèi)土壤侵蝕主要發(fā)生在林地,通過(guò)林地水土流失帶走的吸附態(tài)N,P負(fù)荷相對(duì)較高。

        表4 不同頻率場(chǎng)次暴雨下蛇魚(yú)川小流域土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)情況

        圖2 多年平均暴雨下產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷

        對(duì)研究區(qū)在不同頻率場(chǎng)次暴雨下產(chǎn)生的非點(diǎn)源N,P污染負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并根據(jù)等流時(shí)線計(jì)算不同子流域污染負(fù)荷進(jìn)入河道的總量(詳見(jiàn)表5)。蛇魚(yú)川小流域由于植被覆蓋率高,土壤侵蝕程度較輕,大部分坡面區(qū)域土壤侵蝕屬輕微侵蝕,導(dǎo)致流域總體吸附態(tài)污染負(fù)荷較其他區(qū)域偏小。以板栗樹(shù)為主的經(jīng)濟(jì)林,對(duì)氮肥需求量大,導(dǎo)致流域溶解態(tài)N負(fù)荷較其他區(qū)域偏高。此外,不同頻次暴雨對(duì)吸附態(tài)N,P負(fù)荷的影響大于對(duì)溶解態(tài)N,P負(fù)荷的影響,如表6所示,隨著場(chǎng)次雨量的增加,吸附態(tài)N、P負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的比重在逐漸增加,相應(yīng)地溶解態(tài)N,P負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的比重在逐漸減少。

        圖3 5 a一遇暴雨下產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷

        圖4 10 a一遇暴雨下產(chǎn)生的溶解態(tài)非點(diǎn)源污染負(fù)荷

        表5 不同頻率場(chǎng)次暴雨下產(chǎn)生的非點(diǎn)源N,P污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況

        表6不同頻率場(chǎng)次暴雨下溶解態(tài)和吸附態(tài)N、P污染負(fù)荷所占比例%

        暴雨頻率溶解態(tài)N吸附態(tài)N溶解態(tài)P吸附態(tài)P多年平均435736645 a一遇3367287210 a一遇26742179

        3.4 結(jié)果驗(yàn)證

        夏立忠等[20]對(duì)密云水庫(kù)流域的氮素流失進(jìn)行了監(jiān)測(cè),密云水庫(kù)流域氮素流失通量為12.7 kg/hm2。吳敬東[19]對(duì)水土流失、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜禽飼養(yǎng)和村莊生活等污染源負(fù)荷的計(jì)算,得到蛇魚(yú)川小流域年總氮流失量為91.21 t, 總磷31.28 t,折全流域平均氮素流失通量17 kg/hm2,磷素流失通量5.20 kg/hm2,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溶解態(tài)氮流失通量6.20 kg/hm2,生活污水的溶解態(tài)氮流失通量和溶解態(tài)磷流失通量分別為25.49和2.61 kg/hm2。

        由于缺乏場(chǎng)次暴雨產(chǎn)污負(fù)荷的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)研究區(qū)在不同頻率場(chǎng)次暴雨下單位面積產(chǎn)生的非點(diǎn)源N,P污染負(fù)荷,按照降水量占多年平均降水量的比重對(duì)場(chǎng)次暴雨的產(chǎn)污負(fù)荷進(jìn)行折算,與夏立忠[20]和吳敬東[19]等人的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)論較為一致(表7)。

        表7 蛇魚(yú)川場(chǎng)次暴雨產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷驗(yàn)證

        3.5 情景分析

        情景設(shè)置是情景分析中的核心內(nèi)容,直接決定情景分析的科學(xué)性以及由此提出建議、措施的合理性等。根據(jù)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算結(jié)果可知,農(nóng)村居民點(diǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)為蛇魚(yú)川小流域非點(diǎn)源污染的主要來(lái)源。在此基礎(chǔ)上,本研究以研究區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀為基礎(chǔ),分別針對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行情景設(shè)置。其中基準(zhǔn)情景(S0)采用研究區(qū)在現(xiàn)狀條件下3種頻率場(chǎng)次暴雨產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模擬結(jié)果。

        (1) 情景1。農(nóng)村居民點(diǎn)設(shè)置0.2的垃圾處理率和0.1的垃圾入網(wǎng)率,其他條件不變下,設(shè)置農(nóng)村居民點(diǎn)具有小城鎮(zhèn)級(jí)別的垃圾處理率0.2和垃圾入網(wǎng)率0.1,通過(guò)模擬計(jì)算,農(nóng)村生活的N,P污染負(fù)荷能夠削減28%(表3—7)。

        (2) 情景2。經(jīng)濟(jì)林施肥量削減為原施肥水平的50%,其他條件不變下,將經(jīng)濟(jì)林的施肥量變?yōu)樵┓仕降?/2,通過(guò)模擬計(jì)算,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的N,P污染負(fù)荷能夠削減43.9%和48.9%(表8)。

        表8 不同情景條件下蛇魚(yú)川場(chǎng)次暴雨產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷模擬結(jié)果

        注:3種情景設(shè)置的TN,TP負(fù)荷單位為t。

        4 結(jié) 論

        (1) 偏旱狀況下蛇魚(yú)川小流域在多年平均、5 a一遇和10 a一遇場(chǎng)次暴雨下的洪峰流量分別為34.07,76.45,131.80 m3/s。

        (2) 蛇魚(yú)川小流域植被覆蓋率較高,土壤侵蝕以微度侵蝕為主,但是隨著暴雨量的增加,侵蝕級(jí)別向輕度侵蝕方向移動(dòng),當(dāng)暴雨量為10 a一遇時(shí),將出現(xiàn)強(qiáng)度侵蝕。蛇魚(yú)川流域由于以板栗樹(shù)為主的經(jīng)濟(jì)林,對(duì)氮肥需求量大,導(dǎo)致流域溶解態(tài)N負(fù)荷較高。不同頻次暴雨對(duì)吸附態(tài)N,P負(fù)荷的影響大于對(duì)溶解態(tài)N,P負(fù)荷的影響,隨著場(chǎng)次雨量的增加,吸附態(tài)N,P負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的比重在逐漸增加,相應(yīng)地溶解態(tài)N,P負(fù)荷占污染負(fù)荷總量的比重在逐漸減少。

        (3) 小流域內(nèi)居民點(diǎn)具有小城鎮(zhèn)級(jí)別的垃圾處理率和垃圾入網(wǎng)率時(shí),農(nóng)村生活N,P污染負(fù)荷可以削減28%;減少經(jīng)濟(jì)林的現(xiàn)有施肥量,蛇魚(yú)川小流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的N,P污染負(fù)荷能夠削減43.9%和48.9%。

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