气候和土地利用变化对洋河水库流域水环境的影响分析

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随着社会经济的发展,水资源短缺、水质污染问题日益突出,海河流域作为全国七大流域中水资源承载力最为严峻的流域之一,同样面临着水资源短缺、水库水体富营养化等诸多问题。目前,对于水资源的研究已不仅停留在从风险角度分析水循环变化对社会经济的影响,而是日益关注土地利用变化及气候变化对于水资源、水环境的影响。据研究,长时间尺度上,气候变化对于水资源的影响更为显著,而在短期内则以土地利用变化对于水文变化的影响更为突出,因此从气候变化及土地利用变化角度分别对流域水资源及水质状况进行研究具有重要意义。本文从蓝、绿水角度对洋河水库流域的水资源状况进行分析,借助SWAT数学模型模拟计算流域水资源状况,通过情景设定的方式分别分析土地利用变化及气候变化对流域水资源的影响效应,并挑选污染排放资料较为完善的东洋河流域为研究区域,借助SWAT与WASP模型耦合计算流域氮污染物的污染负荷及河道水质状况。具体研究结果如下:
  (1)统计分析了洋河水库流域2010年~2017年气候变化、土地利用变化特征及趋势,气候变化中重点分析了降水的变化规律特征。统计结果表明:水库流域多年平均降雨量610.05mm,年际降雨波动较大,2012年达降雨峰值,年降雨量达1046mm;年内降雨主要集中在6~9月,约占全年降雨总量的80%以上,流域内降雨的空间分布变化较小;流域土地利用类型以耕地、林地为主,耕地类型占比均在30%以上且有逐年上升趋势,2010年~2017年耕地面积增加166.61km2,增长率达67.78%,林地年均占比30.29%,草地19.98%,且均有下降趋势,其他土地利用类型变化较小,基本保持稳定。
  (2)基于SWAT分布式水文模型模拟计算流域蓝、绿水量,模型模拟精度较好,R2=0.98,Ens=0.90。对模拟结果分析可得:洋河水库流域水资源以绿水为主,占总量的83.20%,而在绿水中,绿水流占绿水主体部分,洋河水库流域绿水流约为绿水储量的7.17倍。从年际变化角度看,蓝水年际变化受降水影响较显著,通过相关性分析计算:2010年~2017年蓝水波动与降水波动相关系数为r=0.86,绿水波动与降水波动相关系数仅为r=0.40,可见流域内蓝水更易受降雨影响,在绿水变化中,绿水流波动相关系数r=0.98,绿水储波动相关系数r=0.64,可见年际绿水资源的变化主要是受绿水流变化影响。年内变化特征与年际变化基本相似。
  (3)土地利用影响效应结果显示:洋河水库流域年均蓝水资源总量0.99亿m3,空间分布上则主要集中于河流下游及水库周边区域,2010年水库周边子流域#25年均蓝水量(463.74mm)约为流域平均蓝水(156.53mm)的2.96倍;流域年均绿水资源总量4.38亿m3,绿水主要集中于东洋河、迷雾河及麻姑营河流域,麻姑营河流域年均绿水量646.78mm,约为西洋河流域(520.28mm)的1.24倍,绿水流空间分布特征与绿水相一致,绿水储空间分布则受水库补给、土地利用方式等诸多因素影响,水库周边子流域绿水储量(157.12mm)约为流域平均绿水储量(73.97mm)的2.12倍,东洋河流域绿水储量约为西洋河的1.14倍,而年际变化上,水资源变化与土地利用方式变化无显著相关性。
  (4)SWAT污染负荷模拟结果显示:流域内耕地、居民用地污染负荷较大,耕地年均单位面积负荷量达5626.164t/ha,占所有土地利用类型总氮负荷量的99.50%左右,是流域氮污染负荷的主要来源,污染负荷变化与坡度变化无显著相关性,不同土地利用类型随坡度变化趋势不同;WASP模型结果显示:流域内,勃塘沟支流水质情况最差,总氮、有机氮污染浓度最高,总氮平均水质浓度12.62mg/L,有机氮2.81mg/L。程家沟支流有机氮浓度最低,平均质量浓度仅为0.73mg/L;梁家湾支流总氮浓度最低,质量浓度仅为1.67mg/L,且入库浓度指标均高于Ⅲ类水标准要求。
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