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丹江口水库作为南水北调中线工程的水源地,解决包括北京、天津等重要城市在内的水资源短缺问题,对改善受水区生态环境,促进地区经济和社会的可持续发展具有重要的战略意义。丹江口水库流域伴随水土流失而携带的泥沙、氮磷等污染物对水源区水质产生严重影响。2006～2008年在总氮参评下,丹江口水库水质仅符合Ⅲ或Ⅳ类标准,这与流域内农业面源污染有很大关系。因此,为保护水库的饮用水源功能,最终实现丹江口水库长期稳定达到南水北调中线工程水源地水质要求,必须要控制丹江口水库流域的非点源污染。
本研究针对国内大尺度流域非点源污染研究不足,构建丹江口水库流域的特征数据库；并针对 SWAT模型大尺度流域应用的局限性对其进行修正,提高模型在大尺度流域的模拟效率及空间分布表征能力；估算丹江口水库流域非点源污染负荷,分析非点源污染时空分布特征,识别非点源污染负荷风险区域及时段,甄别非点源污染的主要影响因子；从宏观层面探讨景观格局与流域非点源污染之间的相关性,提出以流域非点源污染为控制目标的土地利用管理措施；微观层面实现流域最佳管理措施(BMPs)模拟研究,从经济、效用、占用耕地程度等方面进行综合比选,提出丹江口水库流域的非点源污染控制措施。取得研究成果:
(1)考虑流域内坡度分布异质性特征及其对地表产流的影响,将坡度因子引入SCS径流曲线数模型,对SWAT模型进行修正；结合我国对于林地、草地分类按照植被覆盖程度分类特征,且不同植被覆盖度条件下土壤侵蚀情况差别较大,将植被覆盖度因子引入修正的通用土壤侵蚀方程(MUSLE)。修正计算均在 SWAT模型最小计算单元--水文响应单元(HRU)尺度上实现。
(2)考虑流域大尺度特征,为更准确的反映流域非点源污染的空间分布情况,采用多站点、多时段数据在模型敏感性分析的基础上,进行参数率定与模型验证。径流、泥沙模拟结果基本满足R2≥0.60、NS≥0.50的要求,氮磷负荷模拟结果与实测数据具有较一致的趋势性,且相对误差控制在10％内。修正模型增加了径流模拟的敏感性,并且能够更准确的表征大尺度流域内非点源污染负荷的空间分布情况。对比土壤侵蚀量估算结果,修正后的模型更符合流域实际情况。
(3)估算了2001～2006年丹江口水库流域非点源污染负荷入库量及产生量。年平均泥沙入库量907.44万t,总氮、总磷负荷入库量分别为24810.84t、650.91t。入库总氮负荷中有机氮负荷占13.96％,氨氮负荷占27.12％,有机磷负荷占40.54％,表明流域非点源污染产生的有机态污染物在入库前仍未完全转化为无机态,污染影响依然存在。年平均土壤侵蚀量1.84亿t,总氮、总磷负荷产生量分别为9.45万t和1.48万t。其中总氮、总磷主要以有机氮、有机磷形式流失,分别占77.36％、62.65％。
(4)各类型污染源贡献率分析结果表明:总氮、总磷污染贡献率最高的均为环境背景值。在排除环境背景贡献率后,来自农业生产、畜禽养殖、农村生活的总氮、总磷非点源污染贡献率高达86.64％、91.56％,农业生产总氮、总磷负荷贡献率分别占69.00％、67.10％,因此加强农业生产管理是流域非点源污染控制的重点。
(5)丹江口水库流域土壤侵蚀量空间分布差异性较大,各子流域土壤侵蚀量介于0.01～187.63 t/ha之间,总氮、总磷负荷分布规律基本与土壤侵蚀分布规律一致,各子流域负荷量分别介于1.75～46.30 kg/ha、0.01～9.36 kg/ha之间。5～10月汛期的土壤侵蚀量、总氮、总磷负荷量分别占全年的78.64％、82.66％、85.57％。总氮、总磷逐月负荷量与土壤侵蚀量之间的相关系数高达0.91、0.92,可见土壤侵蚀(水土流失)是造成丹江口水库流域非点源氮、磷污染的主要原因。
(6)识别丹江口水库流域土壤侵蚀量和总氮、总磷负荷流失风险区域和时段。按照土壤侵蚀强度分级标准进行分级,剧烈土壤侵蚀区占流域总面积的2.27％,极强度侵蚀区占4.52％,强度侵蚀区占1.12％,是土壤侵蚀重点控制区域。总氮、总磷风险区识别按照地表水环境质量标准进行划分,河道径流总氮浓度达到Ⅲ类的流域面积占31.21％,达Ⅱ类的仅占2.23％；总磷浓度仅2.09％流域面积为Ⅲ类水标准,其余均达Ⅱ类。可见,流域非点源氮污染亟待控制,磷污染并不显著。入库径流中总氮浓度在2～4月枯水期高于其它月份,因此在枯水期可能造成水质水量复合型缺水现象,总磷浓度达Ⅱ类水标准。
(7)非点源污染影响因素甄别结果表明,影响土壤侵蚀量的显著因素排序为:土地利用类型>降雨量>坡度>土壤类别；总氮负荷显著影响因素排序为:土地利用类型>坡度>施肥量>降雨量>土壤类别:总磷负荷显著因素排序为:土地利用类型>坡度>降雨量>土壤类别>施肥量。人为氮肥施用对流域非点源污染氮负荷产生量有显著影响、磷肥施用对总磷流失影响较小。不同土地利用类型中以旱地土壤侵蚀量、总氮、总磷负荷产生量最大,是非点源污染控制的重点区域。
(8)本研究分别模拟了不同土地利用(退耕还林)情景下的非点源污染负荷情况,退耕还林对非点源污染控制效果显著。退耕还林活动是宏观上改变景观格局,因此为科学合理指导退耕还林活动,深刻了解景观格局与流域非点源污染之间的关系,采用数量生态学中的梯度分析(排序)技术中的约束排序方法,建立景观格局与非点源污染之间的回归模型。根据分析结果确定出首要退耕还林非点源污染控制区,以及禁止新的农业生产、矿山开采等活动开发区并作为第二批坡耕地退耕还林地区。
(9)本研究从BMPs作用原理与SWAT模型机理入手,选取10项 BMPs进行模拟分析,统计流域非点源污染负荷总体削减量及单位面积削减效果。基于信息熵的多属性决策方法,在不同坡度条件下,从年投入成本、占用耕地情况、土壤侵蚀、总氮、总磷负荷削减量等五方面对BMPs进行优选。根据优选结果提出流域非点源污染治理方案:<5°坡耕地以残茬覆盖耕作措施为主治理;5°～15°坡耕地以石坎梯田治理措施为主；15°～25°坡耕地以残茬覆盖耕作+等高植物篱复合措施为主；>25°坡耕地以退耕还林措施为主。