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基于SWAT模型的丹江流域面源污染最佳管理措施研究

黄康  
【摘要】:面源污染已是影响流域水环境与水生态安全的重要因素之一。丹江流域属于南水北调工程水源地安全保障区,保障水质安全需要解决好水环境污染问题,控制流域农业面源污染,确保“一泓清水永续北送”。最佳管理措施((Best Management Practices,BMPs)是一系列减少或预防水环境污染的措施,已成为最有效的面源污染防治手段之一;本文基于SWAT模型模拟丹江流域面源污染特征,分析时空变化规律,根据污染流失强度的不同,识别出关键源区,评估最佳管理措施在HRU尺度和子流域尺度上面源污染负荷削减效果,同时基于信息熵的多属性决策方法评估最佳管理措施的成本效益,提出流域面源污染防治对策。主要研究结论如下:(1)分析2013~2018年丹江流域典型断面水质特征,计算内梅罗污染指数和污染分担率,结果表明:年际变化差异小,流域水质变化较为稳定,沿程分布上区域变化明显,张村断面和丹凤下断面出现过轻度污染状态,氨氮和总磷污染物对水质影响较大。2019年对丹凤断面进行洪水期和非洪水期水量水质同步监测,发现洪水期间总磷、正磷、氨氮、SS指标浓度远大于非洪水期平均浓度,总氮、COD小于非洪水期平均浓度,各污染物浓度随流量变化趋势基本一致,先增大后减小;采用平均浓度法和径流分割法分别估算丹凤断面不同水平年的面源污染负荷,整体污染负荷是偏丰年一般年偏枯年,总磷、氨氮和COD面源污染负荷比重较大,对水质影响不容忽视。(2)建立丹江流域面源污染模型,划分为21个子流域,614个HRUs,基于荆紫关断面多年的流量、泥沙和水质数据,评价指标选取确定性系数、纳什系数和相对误差,月率定验证结果均满足R20.6,Ens0.5,RE±20%的精度要求,认为基于SWAT模型的丹江流域面源污染模拟具有一定的合理性。(3)SWAT模型模拟结果表明,年内降水量、径流深、泥沙量和面源污染负荷主要集中在丰水期(6~10月),达到65%以上,相关性表明,影响面源污染负荷因素中,整体表现为径流泥沙降雨;空间分布上,氮磷负荷主要随泥沙迁移,位于流域上游和下游;相关性研究表明,径流对氮磷面源污染负荷影响较小,泥沙对氮磷面源污染负荷在空间上的影响较大。土地利用类型面源污染贡献率中,耕地产出面源污染负荷最大,各类面源污染负荷占比达到57.28%以上,其次为草地,林地最小。采用单位面积负荷指数法和自然裂点分级法划分氮磷流失强度为五个等级,识别流域内的关键源区,确定1、2、3、6、7、21号子流域为关键源区,子流域面积占全流域的27.76%,产出的总氮负荷量占研究流域比例为49.39%,总磷负荷量占研究流域比例为45.49%。(4)应用率定验证好的SWAT模型,结合丹江口水库“十三五”中的水污染防治措施,模拟设置12种情景方案的管理措施布设在关键源区子流域内,单个BMP面源污染负荷削减效果评估表明,HRU尺度上退耕还林和梯田工程削减总氮效果较好,平均削减率达到58.60%、25.85%,梯田工程、植草河道和植被缓冲带削减总磷效率在40%以上;组合情景方案的BMPs削减率更高,其中残茬覆盖+梯田工程+退耕还林削减流域出口断面污染负荷效果最好,达到30%以上。基于信息熵的多属性决策方法评估管理措施成本效益值表明,控制措施优先采用组合式BMPs,综合成本效益属性值达到0.8以上,控制面源污染效果最好。采用单个BMP时,退耕还林综合属性值较高,达到0.62,适合小范围内面源污染控制;对于大范围内面源污染控制,梯田种植是一项具有持续受益的工程,可以保持长期较高的水土保持效益,同时辅以残茬覆盖和植草河道措施进行大面积推广。


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