寒冷地区非点源氮磷环境行为与模拟预测研究

【摘要】：水是人类赖以生存和发展的物质基础,水源地保护和饮用水安全已经上升为影响人体健康和国计民生的重大问题。中国是世界上13个严重缺水的国家之一。由于降雨量分布不均和非点源氮、磷污染严重等问题,造成我国寒冷地区面临着更为严重资源型缺水和水质型缺水的双重压力。寒冷地区拥有四季分明和漫长冬季过程的特点,使该地区非点源氮磷的环境行为具有特殊性。本研究开展冬季过程对非点源氮磷影响的现场实验,并选用辽宁地区具有战略地位的水源地大伙房水库流域分别进行统计学收支模型和分布式环境模型研究,进而探索大伙房水库流域输水工程和未来气候变化对流域径流和水质的影响。 首先,将降雨模拟实验引入真实冬季过程对非点源氮磷环境行为影响的研究,发现冬季过程显著影响耕地和草地非点源氮磷在地表径流和壤中流中的输移。总氮在耕地和草地中地表径流浓度总体呈增加趋势,特别是壤中流。主要原因是由于富营养化物质的累积和转化以及冻融过程对土壤结构的变化。相反,两种土地利用类型中地表径流和壤中流中总磷的浓度呈下降趋势,主要是由于可溶性磷本身的高吸附性和冻融作用产生更多比表面积更大的小颗粒土壤团聚体。研究表明在寒冷地区,冬季过程后壤中流中氮的流失非常严重应该予以重视。 其次,构建大伙房水库流域氮、磷收支模型,进行流域时间分布和空间分布收支计算。研究表明氮、磷收支在1985-2004年期间均发生显著变化,整体呈现先增加后减弱的趋势,但在1995年发生突变迅速减小。收支变化的主要变化原因是净农副产品输入和化肥施用引起的,同时水文条件的剧变是促使氮、磷收支出现突变的原因。进行基于乡镇的大伙房水库流域氮、磷空间分布分析,结果表明1985-1999年期间,大伙房水库流域各乡镇的氮、磷收支呈现递增趋势；2000-2004年,水库上游的清原县和新宾县各乡镇的氮、磷收支呈递减趋势,但库区显著增加。分析大伙房水库流域收支与水库水体响应关系发现,总氮和总磷浓度整体与收支呈现一定的正相关关系；但同时还受到降雨、收支空间分布和水库实际库容的影响。 第三,开展寒冷地区大伙房水库流域非点源氮磷SWAT模型研究,分析和总结寒冷地区非点源富营养化物质输出规律。结果表明SWAT模型在大伙房水库流域径流、泥沙和富营养化物质模拟取得满意模拟效果；然而,SWAT模型对水库水质模拟存在虽然结果相近,但模拟值没有实测值变化显著的问题,主要原因是由于SWAT模型水库模拟部分是基于完全混合理论开发的,不适用于大伙房水库这种大型山谷型水库。大伙房水库非点源氮磷输出主要是集中在雨季的6-9月和积雪融化的3月,前者输出占全年的60%以上；3月份的非点源氮磷大量流失主要由于寒冷地区具有漫长的冬季促使大量的富营养化物质在土壤中累积,春季积雪融化产生严重的春季冲刷效应。 最后,采用SWAT模拟预测输水工程和气候变化对大伙房水库流域径流和水质的影响。输水工程显著增加苏子河径流的同时,却由于输水水源总氮浓度高,导致调水后大伙房水库总氮浓度显著升高。未来气候变化作用,由于气温和蒸发能力升高导致大伙房水库入流流量、总氮和总磷负荷均呈下降趋势。主要原因是由于气温升高蒸发量增加,降低地表径流及其冲刷能力；而温度升高也增加植被对富营养化物质氮磷的吸收,降低水库中总氮和总磷的浓度。从年内分布情况分析,2-11月径流和富营养化物质输出下降,而12月和1月呈现增加趋势。主要原因是由于冬季增温显著和气温变化幅度增大,导致地表积雪提前融化,因而增加12月和1月径流、富营养化物质输出；却显著降低3月份径流和富营养化物质的输出。 综上所述,本研究为掌握寒冷地区非点源氮磷污染的输出规律提供支持,并为大伙房水库现在和变化环境下的流域非点源污染治理和水源地保护提供科学依据。