小流域非点源污染关键源区识别及情景模拟研究 ——以重庆市璧南河为例

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非点源污染是目前导致流域水质恶化、水环境污染的主力源。对非点源污染进行有效管控是流域水环境污染治理的关键任务。璧南河自2010年进行综合整治,成效显著,点源污染管控得当,非点源污染成为水环境质量不稳定的首因。作为长江左岸一级支流,璧南河水环境安全对长江重庆主城区段以及整个三峡库区水生态环境安全都具有重要意义。鉴于此,本研究以重庆市璧南河流域为例,构建璧南河流域SWAT模型,利用模型核算流域内非点源污染负荷,分析时间、空间分布特征,解析流域不同土地利用方式的污染负荷及污染量贡献,量化污染负荷以划分非点源污染源区等级,识别出关键源区。通过设计情景方案,模拟不同管理措施,结合流域SWAT模型量化各管理措施非点源污染削减成效,提供合理的非点源污染防控建议。主要研究结果如下:(1)根据璧南河流域历史实测径流与水质监测数据,结合SWAT-CUP软件对璧南河流域SWAT模型参数进行敏感性分析以及率定,率定结果显示决定性系数R~2与NS效率系数均大于0.65(径流率定R~2系数均值0.78,NS系数均值0.71;氨氮率定R~2系数均值0.71,NS系数均值0.68;氨氮率定R~2系数均值0.81,NS系数均值0.78),表明率定后模型具有较好精度,可用于璧南河流域非点源污染模拟,具有一定合理性。(2)基于璧南河流域SWAT模型模拟结果分析,时间分布上,氮磷污染负荷量年际变化总体呈下降趋势。氮磷污染负荷量月际变化总趋势为先升高后降低,4-9月污染负荷量较多,占全年总量的85%以上。空间分布上,流域大部总体降雨量空间差异较小,北部稍高,东南角较低。产沙强度空间分布差异较大,泥沙输出负荷较高的是位于流域西南部的隆济溪流域。有机氮、硝态氮、有机磷、可溶性磷、矿物质磷等污染输出负荷较高的区域总体集中在城市建成区、隆济溪以及梅江河下游。(3)不同土地利用类型中,总氮负荷:农业用地>建设地>草地>林地,总磷负荷:农业用地>草地>建设地>林地。农业用地对于流域氮磷污染的输出贡献量处于绝对地位,占比达65%以上。降水量与有机氮、有机磷和无机磷呈极显著正相关,与无机氮呈显著正相关;泥沙量与有机氮呈极显著正相关,与有机磷、无机磷呈显著正相关。表明降雨是引起璧南河流域氮磷入河的重要原因。从流失形态来看,有机氮、有机磷及无机磷大量吸附泥沙以颗粒态流失。(4)研究以总氮和总磷单位面积(kg/hm~2)的污染输出负荷为指标因子,结合璧南河流域实际,将璧南河各子流域根据总氮、总磷输出负荷强度由高到低划分为三个污染源区等级。一级源区总氮负荷>12.5 kg/hm~2;总磷负荷>4 kg/hm~2。二级源区总氮负荷<12.5 kg/hm~2,>5 kg/hm~2;总磷负荷<4 kg/hm~2,>2 kg/hm~2。三级源区总氮负荷<5kg/hm~2;总磷负荷<2 kg/hm~2。根据各子流域氮磷输出负荷量及输出负荷等级划分结果,将输出总量大,单位面积输出负荷高的8、14、15、20、21号子流域列入璧南河流域非点源污染防控关键源区。(5)运用璧南河流域SWAT模型,从“减源”与“拦截”两方面设置单措施情景方案6种,多措施情景方案3种,分别进行流域关键源区非点源污染负荷削减能力分析。据模拟结果,单措施情景方案中,植被缓冲带10 m措施负荷削减能力最强,植草河道措施综合能力最佳。多措施情景方案中,减源与拦截组合措施即免耕+削减用肥20%+植被缓冲带10 m与免耕+削减用肥20%+植草河道两种方案在污染削减力以及水质提升力上表现优异,总氮总磷负荷平均削减率高于40%,流域出口的氨氮和总磷浓度降幅超10%。应用过程需针对不同河段的污染治理目标,分析资金预算、土地储备等实际情况选取最佳管理措施。SWAT模型能对流域内径流、泥沙、营养物质的迁移进行模拟,模拟前需构建模型。这一过程除了需要流域地形、土壤类型、作物管理情况,还需大量气象数据支撑。本研究区为较小流域,域内乡镇尺度气象站点数据共享程度低,获取难度大,采用流域内部及周边区县国家基本气象站点较为宏观的数据作为支撑,能较好地完成模拟工作,但未考虑微观气候所带来的影响。另外,需要探索更多情景模拟方案来拓宽流域水环境管理措施布设思路,完善流域水环境治理措施平台数据库。
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