伴生型河沼系统农业面源污染数值模拟及调控机理研究

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农业面源污染是水环境污染的重要原因之一,因其时空分布范围广、监测难度大等特点,使得SWAT等长期分布式物理模型成为估算面源污染负荷、识别污染关键期与关键区、研究BMPs的重要手段。三江平原受农垦开发影响而导致农业面源污染问题日益严重,直接影响着七星河湿地等国家级自然保护区,严重危害生态环境安全。为此,本研究以三江平原典型伴生型河沼系统-七星河流域为研究对象,利用农业面源污染负荷估算模型结合SWAT模型对七星河流域农业面源污染负荷进行数值模拟,分析农业面源污染时空分布特征,识别农业面源污染关键地区及关键时期;建立伴生型河沼系统农业面源污染综合调控模式。本研究为七星河流域农业面源污染控制提供理论基础与科学依据,不仅可保障国家级自然保护区的生态环境安全,也对实现伴生型河沼系统乃至整个三江平原的生态环境可持续发展具有重要的理论和现实意义。研究主要结果如下:(1)根据质量平衡原理,建立了农业面源污染负荷估算方法,并估算了七星河流域农业面源污染氮磷负荷,与实测数据相比,在同一数量级范围内,证明估算结果具有一定可信性。并将估算结果作为SWAT模型水质输入数据,对水质参数进行率定及验证。(2)结合DEM数据、土地利用数据、土壤数据、气象数据等成功构建了SWAT模型,利用保安站实测数据对模型水量参数进行了率定,利用估算数据对水质参数进行了率定,率定期与验证期水量决定系数(R2)和纳什系数(ENS)均大于0.7,总氮负荷率定期与验证期R2>0.6、ENS>0.5。表明七星河流域SWAT模型满足月尺度径流量和总氮负荷模拟精度要求,可较好地应用于七星河流域总氮负荷的研究,进一步验证第三章的估算结果具有一定的适用性。(3)根据SWAT模型2005-2010年总氮负荷模拟结果,对七星河流域总氮负荷时空分布特征进行了分析,结果表明七星河流域总氮负荷在2005-2010年处于逐年上升趋势,年内排放时期与作物生长期基本一致;7月为七星河流域农业面源污染关键时期,13号子流域为七星河流域农业面源污染关键地区;耕地为七星河流域农业面源污染关键土地利用类型,对总氮负荷贡献率达73%。(4)情景模拟结果表明总磷负荷的削减效果优于总氮负荷。减少施肥量、调整种植结构、保护性耕作、建立植被过滤带均能有效削减农业面源污染负荷,达20%以上。对关键期农业面源污染负荷削减效果最好的措施为调整种植结构,即将研究区覆盖作物统一变为玉米,可分别减少总氮负荷与总磷负荷96.45%和98.88%。对关键区农业面源污染负荷削减效果最好的措施为少耕作措施,可分别减少总氮负荷与总磷负荷78.65%和97%。单个BMPs均能有效控制流域内农业面源污染,但是组合BMPs对农业面源污染的控制效果更好,可分别削减总氮负荷和总磷负荷77.18%和99.61%。组合BMPs对关键期与关键区的农业面源污染负荷削减效果比较好,可分别削减关键期总氮负荷和总磷负荷98.21%和99.87%,可分别削减关键区总氮负荷和总磷负荷90.46%和100%。(5)根据情景模拟结果,对七星河流域农业面源污染的防控应采取建立植被过滤带、利用湿地缓冲区等工程措施与耕作管理、养分管理等非工程措施相结合的最佳管理措施,并根据实际情况对BMPs进行进一步优化,同时加强对土地利用的监管,尤其是耕地;加强七星河流域农业面源污染关键区与关键期的控制力度;加强宣传教育,提升农民环保意识,建立农民参与制保护体系,实现对伴生型河沼系统农业面源污染的综合调控。
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