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三峡库区水土流失严重,生态环境脆弱,农业非点源污染形势严峻。有效的控制农业非点源污染已成为从根本上解决水质污染问题的关键。目前,定量化研究农业非点源污染最直接、最有效的方法是建立和运用分布式水文模型进行模拟研究。
本研究以三峡库区中部的重庆市万州区长岭镇陈家沟小流域为研究区,其地理范围介于30°4330"-30°4620"N,108°2940"-108°31;40"E之间。流域面积8.32 km2,流域内最大相对高差580 m,流域出水口距汇入长江的入水口15.45 km。该小流域属于典型的农业生产区,是在三峡库区开展农业非点源污染研究的理想区域之一。经过对目前主要农业非点源污染模拟模型的对比,结合研究区的实际情况,本研究选用能够反映复杂地形地貌,对水文、氮磷迁移以及土壤侵蚀具有较强模拟能力的AnnAGNPS(AnnualizedAGricultural Non-Point Source)模型对陈家沟小流域的农业非点源污染进行模拟研究。
根据AnnAGNPS模型原理和技术规范,本文以中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所万州生态站的野外观测、实验数据和调查资料为基础,在ArcGIS9.3、ArcView3.3以及ERDAS9.2等地理信息系统软件的辅助下,建立了陈家沟小流域农业非点源污染模拟研究数据库。对AnnAGNPS模型进行了参数敏感性分析、参数率定(calibration)与验证(validation),评价了该模型在陈家沟小流域的适用性。在此基础上,本文依次开展了两项相关研究:一是回顾评价了研究区2001——2010年的农业非点源污染状况;二是对研究区2011——2020年的农业非点源污染发展趋势做了2种不同情景的模拟研究和对比分析。研究结果表明:
(1)在土壤可蚀性因子(K)、SCS曲线值(CN)、曼宁糙率系数(MA)、作物管理因子(C)、水土保持因子(P)、坡度(S)、坡长(L)和化肥施用量(FERT)等8个因子中,总氮模拟输出对化肥施用量(FERT)的变化响应最灵敏;总磷模拟输出对K值的变化响应最灵敏。按照它们的SI值由大到小排列,各参数针对TN和TP的敏感性排序分别为FERT＞P＞K＞C＞S＞MA＞CN＞L和K＞FERT＞CN＞C＞P＞MA＞S＞L。
(2)回顾评价发现:2001——2010年间,陈家沟小流域农业非点源氮磷负荷总量在时间上呈现出不规律动态变化的特点,年均氮磷输出量分别为8.55吨和3.02吨;在空间上,呈现出向流域中部和流域出水口聚集的趋势。此外,不同土地利用类型单位面积的氮磷负荷差异显著,但以旱地和水田的氮磷输出占主导地位,居民点及工矿用地、经果林等次之。
(3)情景模拟预测发现:情景2(模拟情景)模拟条件下,陈家沟小流域未来的农业非点源氮磷负荷总量呈现出不断消减的趋势;即按照情景2的退耕还林方案对小流域内坡度≥25°的耕地(包括旱地和水田)实施逐步退耕还林能够有效的消减研究区34.39%的总氮流失和25.50%的总磷流失。按照该方案,到2020年陈家沟小流域非点源氮磷负荷将分别下降到5吨以内和2吨以内。情景分析结果同时表明,研究区气象因素是小流域农业非点源氮磷负荷波动的主导因素,但是这种波动仅是围绕着某一均值做小幅的摆动,而非根本性的改变;小流域土地利用类型(尤其是耕地和林地)的改变是研究区域内农业非点源污染负荷发生根本性变化的主要原因。另外,无论是在对照情景下还是模拟情境下耕地(包括旱地和水田)都是小流域农业非点源污染负荷的主要来源。在空间分布上,陈家沟小流域的农业非点源污染负荷延续了过去10年(2001——2010年)的发展趋势,向流域中部和流域出口附近聚集。值得注意的是,随着退耕还林方案(情景2)的不断推进,流域边界附近区域(海拔相对较高、坡度较大)的非点源氮磷输出得到有效控制。
(4)本研究根据降雨及其引发土壤侵蚀是一个连续变化过程的特点,基于次降雨雨量(P)和最大30 min雨强(I30)提出了一种基于模糊逻辑下精细的表达和识别侵蚀性降雨的模型——模糊隶属度模型(Fuzzy Membership Model,FMM)。FMM采用隶属度向量描述侵蚀性降雨,与常规的基于精确逻辑下的表达有着本质的区别。在FMM中,次降雨是否属于侵蚀性降雨由其隶属度向量集合表达,隶属度(Fuzzy Membership Value)的取值范围介于0到1之间,刻画了降雨事件及其引发土壤侵蚀连续变化的客观事实。值得注意的是,FMM并不是直接给出侵蚀性降雨标准,而是提供了一种用于识别侵蚀性降雨的方法和实现降雨侵蚀精细化表达的基本途径,以作为对模型运用的修正。
(5)通过AnnAGNPS模型在陈家沟小流域的运用,本研究发现该模型在模拟运算过程中对研究区的土地利用类型数据进行了不同程度的概化,这种概化导致了未调整地类在相同条件下的输出不同。因此本文建议在后续的开发研究中以研究区土地利用类型数据为依据,增加次级分室单元(Sub-Cell)的划分,以改进模型在丘陵区和山区的适用性,改善模拟效果。
研究结论不仅为陈家沟小流域深化和完善现有的生态恢复措施和政策、开展新的生态恢复工程提供决策依据,同时也可为三峡库区类似小流域的规划与优化管理参考。