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ArcGIS支持下的小流域农业非点源污染模型研究

陈学华  
【摘要】:近年来水环境污染已成为当今人类社会的生存和发展的严重威胁。近年来,虽然点源污染得到了最大限度地控制,但是,非点源污染对水环境的影响却逐渐显现出来,并且在一定程度上成为污染水质污染的重要源头。由于非点源污染的不确定性、复杂性、影响范围的广泛性,使得人们难以实地对所有非点源污染进行有效监测。 采用非自动化方式进行水土流失及非点源污染负荷的研究,在数据分析、空间模拟等方面耗费大量的人力资源,且易出错,效率极低。如在地理信息系统上,利用地理信息系统的空间数据管理、处理、分析、地图代数等功能,进行小流域农业面源污染研究,则可显著提升工作效率。随着地理信息系统、遥感等空间信息技术的引入,使得小流域农业非点源污染的模拟、管理、分析等进入了数字化、信息化的时代。因此,地理信息系统、遥感技术逐渐成为小流域农业非点源污染模拟、管理、综合分析的强有力工具。 本文在小流域农业非点源污染模型和组件式地理信息系统研究的基础上,针对三峡库区小流域农业非点源污染研究的需要,以小流域农业非点源污染的机理分析和明晰构建为切入点,探索了一种小流域农业非点源污染模型与可视化编程语言环境下及ArcGIS组件式开发平台ArcEngine无缝融合的方法。以位于重庆忠县的申家河小流域为例,利用实测数据对小流域农业非点源污染模型模拟结果进行了验证。结果表明,建立的小流域农业非点源污染模型较好地模拟了申家河流域的泥沙、溶解态氮(DN)、吸附态氮(PN)、溶解态磷(DP)、吸附态磷(PP)值。 主要创新性成果包括: (1)本研究从小流域农业非点源污染的成因分析出发,详细研究了地表径流、土壤侵蚀、N/P污染物负荷迁移机制。通过比较国内外主要的农业非点源污染模型及其机理,选择了适用于研究区的参数模型并对部分因子进行了修正,构建了三峡库区小流域农业非点源污染模型理论框架。以组件式地理信息系统为平台,在可视化编程语言环境下,将非点源污染模型体系嵌入开发平台,进而建立了三峡库区小流域农业非点源污染模型。 (2)本研究优化了地形因子,实现坡长自动生成功能,对修正的通用土壤流失方程中需要的坡长因子进行改进,增加了模型实用性和模拟精度;改变传统模型不能预测陡坡的弊端,实现≥14。陡坡预测功能;在修正的通用土壤流失方程中对植被覆盖因子进行改进,利用遥感影像并通过植被指数计算植被覆盖度,实现了植被覆盖因子的估算,明显改进了模型的实用性和模拟精度。 (3)本文收集整理了三峡库区申家河流域的自然、农业和化肥农药施用的基本情况,建立了申家河流域非点源污染数据库,利用提出的模型模拟了次暴雨产生的地表径流、土壤侵蚀和氮磷污染物负荷的空间分布,结果显示,利用该模型模拟的研究区次暴雨的地表径流深最大为62.72mm,主要分布于研究区东南;模拟的研究区次暴雨洪峰流量最大为189.33 m3/s;研究区次暴雨模拟产生的土壤侵蚀大于500t的区域主要分布在研究区东南坡度坡长相对较大的地方。模拟的研究区通过径流损失的溶解态氮(DN)负荷最大为6.20 kg/hm2,吸附态氮(PN)负荷最大为1.20 kg/hm2,由径流损失的溶解态磷(DP)负荷最大为0.26 kg/hm2,吸附态磷(PP)负荷最大为0.31kg/hm2;通过分析污染物负荷空间分布,上述几种负荷较大值主要分布在研究区东南。由研究区实测数据对模型的验证表明,实测数据与模拟数据具有良好的相关关系,在三峡库区小流域尺度具有较好的适用性。


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