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基于SWAT模型的毛里湖胡家桥溪植被覆盖变化对水质水文的影响研究

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 摘 要
在全国各地积极进行流域水污染防治的背景下,以流域生态修复为目的的景观规划要考虑到不同植被规划方案的水质和水文效益的差别,如果能通过计算水循环过程比较规划方案的水质和水文效益,就可以为选择流域风景园林规划方案提供科学合理的参考依据。
本文以湖南省津市市毛里湖胡家桥溪流域为研究对象,通过实地调查和查找文献等渠道收集流域资料数据,构建了毛里湖胡家桥溪流域现状的SWAT分布式水文模型。设置了五种不同植被覆盖类型的极端情景,比较了这五种植被覆盖类型在总氮负荷、总磷负荷、产沙量、地表径流深、蒸发量和地表水下渗量这六个水质和水文指标的差异。结果表明,不同植被覆盖类型的水质和水文效益不同;在研究流域种植适合当地生长的湿生植物和灌木对总氮污染的控制效益最强,还可以加强表层水的下渗和提高土壤的保水能力;模拟结果显示,相比于其他植被覆盖类型,在研究流域种植常绿林和混交林不仅有利于降低总磷污染负荷,在减少流域泥沙和减少地表径流方面的效益也较好。
对胡家桥流域的生态修复拟定了一个规划方案,并在规划方案的基础上进行调整得到两个调整方案,分别进行SWAT模拟。分析模拟结果发现,各方案在氮磷负荷方面均存在显著性差异,植被覆盖面积与流域总氮负荷、总磷负荷、产沙量、径流深、蒸发量和下渗量各指标均显著相关;模拟结果表明,植被覆盖面积越大流域的水质和水文效益越好。比较规划方案和调整方案模拟结果,发现各方案的水质和水文效益均比现状情况好;规划方案的植被覆盖面积最大,其总氮负荷为36.741kg/hm2比现状减少14.3%、总磷负荷为0.179kg/hm2比现状减少20.1%、产沙量为0.88t/hm2比现状减少51.1%、地表径流深为20.03mm比现状减少23.5%、下渗量最大为271.01mm,可知规划方案是水质和水文效益最好的方案。但由于方案之间的退耕面积不同,流域单位退耕面积上的水质和水文效益排序为调整方案2>规划方案>调整方案1。调整方案2的总氮负荷为36.966kg/hm2比现状减少13.8%、总磷负荷为0.180kg/hm2比现状减少19.6%、产沙量为0.91t/hm2比现状减少51.1%、地表径流深为20.12mm比现状减少22.3%、下渗量为269.44mm。理论上来讲,规划方案为理想方案。如果需要考虑到实际建设成本和征收土地的工作量,则建议选择更具可行性的调整方案2。

关键词:土地利用;水循环;水质;SWAT模型

ABSTRACT
In the background of water pollution prevention and control in all parts of the country, the landscape planning for the purpose of watershed ecological restoration should take into account the difference between water quality and hydrology benefit of different vegetation planning schemes. If the water quality and hydrological benefits of the plan can be compared by calculating the water cycle process, the landscape garden can be chosen for the landscape garden. The plan provides a scientific and reasonable reference.
This paper, taking the Hu Jia Qiao River Basin of Mao Li Hu in Hunan Province as the research object, collected the data of the basin through field investigation and literature search, and constructed the SWAT distributed hydrological model of the current situation of the Hu Jia Qiao River Basin in Mao Li Hu. In this paper, I set up five different vegetation cover types, and compared the difference between the total nitrogen load, total phosphorus load, sediment yield, surface runoff depth, evaporation and surface water infiltration of six water quality and hydrological indexes of the five covered types. The results show that the water quality and hydrology benefit of different vegetation types are different, and that the plant and shrubs suitable for local growth have the strongest control benefits for the total nitrogen pollution, and the surface water infiltration and the water conservation ability can be enhanced. The simulation results show that compared with other vegetation types, The study of evergreen and mixed forests in the basin is not only conducive to reducing the total phosphorus pollution load, but also better in reducing the sediment and reducing the surface runoff in the basin.
A plan is designed for the ecological restoration of Hu Jia Qiao. On the basis of the plan, two adjustment schemes are adjusted, and the SWAT simulation is carried out respectively. The simulation results showed that there were significant differences in the nitrogen and phosphorus load of each scheme. The vegetation cover area was significantly correlated with the total nitrogen load, total phosphorus load, sediment yield, runoff depth, evaporation and infiltration. The simulation results showed that the greater the vegetation cover area, the better the water quality and hydrology benefit of the basin. It is found that the water quality and hydrology benefit of each scheme are better than the situation. The maximum total nitrogen load of the vegetation cover area of the plan is reduced by 14.3%, the total phosphorus load is 20.1%, the sediment yield is 20.1%, the sediment yield is 51.1%, the surface diameter is 51.1%, and the surface diameter is 51.1%. The flow depth is 20.03mm, which is 23.5% lower than the present situation and the maximum infiltration rate is 271.01mm. The adjusted scheme is the best scheme for water quality and hydrological benefit. However, due to the different areas between the schemes, the water quality and hydrology benefit of the area of the unit for returning farmland to the river basin are adjusted scheme 2 > plan scheme > adjusted scheme1. The total nitrogen load of the adjusted scheme 2 is reduced by 13.8%, the total phosphorus load is 0.180kg/hm2 ratio 19.6%, the sediment yield is 0.91t/hm2` ratio 51.1%, the surface runoff depth is 20.12mm ratio 22.3%, and the infiltration amount is 269.44mm. In theory, the plan is an ideal scheme. If the actual construction cost and the workload of land acquisition need to be considered, a more feasible adjusted plan 2 is recommended.

Key Words:Land Use ; Water Cycle ; Water Quality ; SWAT model


目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究概况 2
1.2.1流域植被覆盖变化与水质的关系 2
1.2.2流域植被覆盖变化与水文的关系 3
1.2.3水文模型研究现状 4
1.2.4SWAT模型的研究应用 5
1.3研究内容与技术路线 6
2 研究对象与研究方法 9
2.1研究区基本特征 9
2.1.1地理位置 9
2.1.2地质地貌特征 9
2.1.3气候水文特征 10
2.1.4土壤植被特征 10
2.1.5流域水质情况 11
2.2污染源分析 11
2.2.1工业污染源 11
2.2.2种植业污染 12
2.2.3养殖业污染 12
2.2.4农村生活污染 12
2.3研究方法 13
2.3.1 SWAT模型基本原理和特点 13
2.3.2 SWAT模型结构 13
3 数据资料处理与运行模型构建 21
3.1数据库的建立 21
3.1.1空间数据库的建立 21
3.1.2土壤属性数据库的建立 26
3.2流域SWAT模型构建 30
3.2.1子流域及河网划分 30
3.2.2水文响应单元 31
3.2.3气象数据输入 32
3.3植被覆盖情景建立 33
3.3.1极端情景建立 33
3.3.2合理情景建立 34
4 模型运行结果分析 39
4.1植被覆盖变化对水质的响应分析 39
4.1.1总氮负荷 39
4.1.3总磷负荷 41
4.1.3产沙量 42
4.2植被覆盖变化对水文的响应分析 44
4.2.1地表径流深 44
4.2.2实际蒸散发 45
4.2.3下渗量 47
4.3综合评价 48
4.3.1显著性差异分析 48
4.3.1相关性分析 49
5 结论与讨论 51
5.1研究结论 51
5.2讨论 52
参考文献 53
附录A(模型所需的气象数据) 61

1 绪论
1.1研究背景及意义
人类通过一系列不合理的土地开发不仅改变了土地本身的景观格局也影响了生态环境,对开发区域的生态系统、气候和水环境等都产生了巨大的影响。随着全球性的流域脆弱的生态环境不断恶化、水资源污染和短缺、不合理利用等问题日益突出,日益威胁着人类的可持续发展和生活环境(孟伟和程声通)[1-2] 。
我国的水污染问题突出。由21世纪前10年全国地表水水质变化状况的调查评价结论可知,2009年全国评价的所有河流中, Ⅳ类比例为13.6%,Ⅴ类为6.6%,劣Ⅴ类为20%。汛期评价的所有水功能区中,劣Ⅴ类为17.7%,非汛期全国地表水水质变化评价与汛期差别不大。2009年全国168个湖泊类河流营养状况的评价平均得分为57分(百分制),整体属于轻度富营养化状态,78%的湖泊为富营养状态。全国406个水库营养状况平均赋分48.6,整体属于中营养。这些流域水污染的问题在很大程度上是由于土地利用性质的改变而产生的(陈利顶等)[3],因为土地的用途(如耕作、住宅和防护绿地等)决定了主要污染物的种类和排放量,所以土地覆被变化与水污染问题密切相关。
90年代以后,国际水资源相关的组织实施了一系列国际水科学计划,从交叉学科的角度,分别以全球尺度、区域尺度和流域尺度,探讨全球气候变化和人类活动影响下的水循环及其相关的资源与环境问题。气候变化与覆被变化影响下的水文循环研究成为21世纪水科学研究的热点问题[4]。在中、小型流域中,土地植被覆盖变化与流域中水分的运动密切相关,通过改变土利用性质可以调节水分在流域空间上的分布[5]。由于土地利用/土地覆被变化的不确定性和复杂性,LUCC(Land-Use and Land-Cover Change,土地利用/土地覆盖变化)的研究都是根据具体流域的案例为依托而展开的。合理的植被覆盖规划设计对于流域内的水循环和生态环境十分有利,否则将会造成生态环境的恶化。因此对于生态脆弱地区的植被覆盖变化对其水环境的影响研究,不仅有助于生态环境的治理和修复,还能对流域土地的合理性开发提供科学、有效的参考依据。
津市市,隶属于湖南常德市,位于湖南省西北部、澧水中下游。津市历史上曾占据着湘鄂省际经济交流的要道,也是澧水流域最大的物资集散地。津市市属中亚热带湿润季风气候,津市市水系可分澧水、四口、西湖三个水系。2016年9月津市市毛里湖国家湿地公园试点建设通过国家林业局组织的评估验收,正式成为国家湿地公园,这也是常德市通过国家验收的首个国家湿地公园,毛里湖国家湿地公园景区是津市市境内的著名景点。毛里湖以其独特的生态功能被列入国家《良好湖泊生态环境保护规划》(2011-2020)以及“湖南省十大环保工程”中重点湖库水环境保护工程之一。同时毛里湖作为周边乡镇直接饮用水源地,直接关系着周边地区数十万人民群众的饮水安全。毛里湖还将作为津市市、临澧县、安乡县战略备用饮用水源地,关系着上百万居民饮用水安全,也为津市的社会经济发展提供了必不可少的物质环境。
目前,湖南省关于水质、水文生态治理研究除长沙市、湘江流域和洞庭湖流域外,再无其他地区有相关的研究,因为水质、水文生态治理因为其研究结果区域性特点太强,治理经验难以推广[6-9]。因此对毛里湖胡家桥溪的水质模拟研究不仅可以为湖南省毛里湖胡家桥溪的植被规划选择较为合理的植被规划方案,为毛里湖湖区水环境规划和水质治理中植被类型的选择和规划面积的确定提供了科学依据,还可以为湖南省城镇湖区内以水质治理为目标的景观植被规划设计提供科学的研究方法。
1.2国内外研究概况
1.2.1流域植被覆盖变化与水质的关系
流域是一个完整的自然地理单元,流域水质的恶化与不合理的人类活动密切相关。流域植被覆盖变化与水质的关系相关研究最早是从研究土地利用对流域水质响应的角度展开的,起初是运用了逻辑分析和统计学的分析方法。流域范围内的土地覆被变化是自然和人类活动叠加作用所导致的;同时,流域内的土壤类型、植被类型、植被覆盖面积以及农业耕作方式等都会影响流域的水质。土地利用对流域内各种自然过程的发生与发展的影响主要表现在这些方面:影响化学物质的输入输出、影响水土流失和影响地表水下渗等[10]。
除了土地利用还有流域人口、农事活动等人类活动因素对河流水质也有影响。其中人口对河流污染物浓度有着重要影响,Caraco研究了世界上32条大河的溶解磷的输出量与人口密度关系,得出人类人口密度会直接影响河流溶解磷的输出量[11]。除此之外,农事活动产生的主要污染物如化肥、农药和畜禽养殖废弃物等,也直接影响着河流水质[12]。
杨金玲[等以通过安徽省南部宣城市梅村流域的航空遥感图像解译,运用了GIS分析和实地定位动态监测方法,研究了农林生态系统地表径流水的氮素含量和输出通量与土地利用的定量关系,发现径流中氮素含量随林地面积比例的增加而减少13]。王晓燕等监测了密云水库石匣小流域的四种不同类型(农田、林果地、荒草坡和村庄)的非点源污染发生区的降雨、径流量、径流水质的实测值,分析了各个土地利用类型的地表径流和泥沙中氮磷污染物的流失情况;她发现在单一土地利用结构中,径流中的溶解态氮的浓度和总磷的浓度以村庄最高,其次是耕地、果园、荒地,而且村庄内径流里的溶解态磷浓度是荒地径流的10倍;在不同景观格局结构中,径流中氨氮的含量与林地-草地类型所占比例成反比,与耕地所占比例成正比,可见林地-草地对氮污染物有一定的截留作用[14]。
牟溥等对黑龙江省尚志市帽儿山境内阿什河流域的溪流河水进行采样,并记录了相对应的森林覆盖度、邻近土地利用类型及地貌特征;研究了景观格局对河流水质(ph、浑浊度、溶解态磷、溶解态氮)的影响,发现河岸带破坏、土地利用的变化、放牧和樵采等频繁干扰造成的土壤侵蚀和养分流失输入的人类活动是造成该流域河流水质下降的主要原因,河流周边有森林的河流比无林地的河流水质好[15]。我国的水质模拟研究已在全国各地部分流域展开,也取得了丰硕的成果,如汉江流域、三峡库区、大理洱海、滇池、白河流域、东辽河流等等,为其他小流域的水质治理提供了宝贵的经验[16-19]。
1.2.2流域植被覆盖变化与水文的关系
流域植被覆盖变化与水文的关系比较复杂,因为植被覆盖变化对水文过程的影响是多方面的,其中包括根系吸收土壤水分、植物气孔蒸腾和冠层拦截降水等。一般认为植被覆盖度的降低会増加地表径流量,同时加剧水土流失。研究流域植被覆盖变化与水文的关系,除了运用水文数据模型以外还有其他分析方法,例如层次分析法、快速生物评价法和除趋势典范对应分析法等等[20]。倪晋仁等运用层次分析法(AHP)确定水土流失区土地利用类型的权重,并通过相关土地利用结构的特征指标定量反映了土地利用结构对区域水土流失的综合影响[21]。李春晖等黄河流域划分为多个区域,并利用各区域 1982~1998年NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,归一化差分植被指数,标准差异植被指数)统计序列,详细分析了各区域生物量指标时空变化特征,发现了一年内黄河流域各区域NDVI变化与降水、径流变化正相关[22]。
索安宁等利用景观指数与DCCA排序法(Detrended Canonical Correspondence Analysis,除趋势典范对应分析法)相结合的方法,通过对泾河流域12个次盆地黄土高原腹地类型的景观格局与水土流失关系的定量分析,发现DCCA排序的前4轴分别与农业用地比率、景观多样性指数和森林比率显著相关,明确了黄土高原典型地区土壤侵蚀特征沿景观梯度的变化规律[23]。刘晓燕等在流域尺度上分析林草植被与流域水循环的定量关系,发现径流系数和产洪系数都会随着林草植被的改善而减少[24]。傅伯杰等运用土壤侵蚀模型(LISEM,Limburg Soil Erosion Model))对陕西省北部的黄土丘陵沟壑区大南沟流域内五种土地利用结构对土壤侵蚀的影响进行了模拟,结果表明,不同植被覆盖类型对流域洪峰流量、总径流量和总侵蚀量均有影响[25]。
赵文武等基于陕北杏河集水区1985和1995两年的土地利用、水文、DEM数据,定性分析了土地利用格局变化条件下的水土流失效应;并采用了双累积曲线法和C值来定义不同时间段土地利用格局的情况,发现土地利用方式的变化极大地改变了降雨、径流、降雨侵蚀力和输沙率[26]。魏晓华等综述了近一世纪以来国外在集水区方面的研究结论,从径流响应的干扰临界值及水文恢复各方面探讨森林变化与径流之间具有一致和复杂的关系;研究表明,在较长的时间尺度下采伐森林会增加年径流量,而在荒地上造林就会减少年径流量;在较短时间尺度下的径流则难以预估,所以在研究森林与径流关系时要求具有系统观,要考虑到植被、径流、土壤、气候等因素的相互作用[27]。
朱冰冰[28]等通过以植被覆盖度为单一指标野外人工模拟降雨试验,研究了草本植被覆盖对坡面降雨和径流侵蚀的影响;模拟了降雨试验来研究草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀的影响;发现在植被覆盖度为0%~60%的试验地上,产流量和产沙量与植被覆盖度成反比;当植被覆盖度大于80%时,覆盖度与产流、产沙量并无明显关系,植被水沙调控作用趋于稳定,从而确定其研究的临界植被覆盖度为60%~80%。Phillips J. D.[29]针对固体颗粒状的悬浮态污染物和离子状的溶解污染物的不同去除机理的相关研究,确立了计算河岸缓冲带宽度的水文模型和时间模型;这两个模型的原理都是先设立参考缓冲带,将实际情况与参考缓冲带进行比较从而得出规划缓冲带的宽度。Chia-Ling [30]在台湾北部的翡翠水库和石门水库应用 SWAT模型中的回归方程研究了最适合的缓冲带的宽度。
1.2.3水文模型研究现状
在水文模型相关研究兴起之前,土地利用变化的水文效应研究方法主要是特征变量的时间序列法和试验研究法[31]。然而,水文过程不仅受地形、植被、土壤、地形和气象等因素的影响,还受人类活动的影响,由于影响因素的复杂性,定量研究影响流域水质和水文的各个因素较难[32]。在初始阶段流域水文模型是依靠经验统计而进行的,后来才逐渐发展到集总式物理机制,并且未来水文模型有着向分布式物理机制模型发展的趋势[33]。
流域水文模型可以定量模拟和预测LUCC(土地利用变化)对水循环各个环节的影响,因此能较有效的分析土地植被覆被变化的水文效应[34]。常见的水文模型按照模型处理的基本单元分为集总式和分布式。集总式水文模型是以整个流域为研究单元,而分布式水文模型则是按照一定的方式将流域分为很多个水文单元,依据大量的流水连续方程以及动量方程研究水流的时空变化[35]。分布式水文模型在计算过程中可以综合气象要素、地形地貌、土壤特征和植被覆盖等因素,可以实现对流域水文情况的模拟[36]。在欧洲运用的较多的是分布式水文模型是SHE模型(System Hydrological European Model),但它有着不确定性和模糊性的缺点,所以没得到广泛的应用[37]。在美国应用的较多的是一个名为TOPMODEL(TOP graphy based hydro logical MODEL)半分布式水文模型[38]。国内在黄河流域建立的具有分布式概念的水文模型,因为水文过程的复杂性和时空差异,都有不精确的缺点[39]。
20世纪60年代,计算机技术逐步开始发展,流域水文模型的研究也随之日益进步。计算机水文模型在应对水文过程的复杂性和差异性方面显示出巨大的优越性,并较为广泛地被推广与应用于国内外水文研究领域[40]。Roland E.Schulze使用ACRU水文模型(Active and Communication Resource Units)模拟了在不同的季节和相同的季节,在非洲南部的几个不同尺度流域的水文效应,结果表明,由人类活动引起的土地利用变化会增加水文对气候变化的响应[41]。然而,这种水文模型的应用需要有较长时间序列的影响因素的资料[42],研究人员面临的普遍问题就是缺乏相关资料,因此,要寻找到应用遥感和地理信息系统(GIS)技术建立分布式水文模型是一新的趋势。数字水文地形模型(hydraulic digital terrain model)解决复杂性问题的技术创新点。数字地形模型基于遥感和GIS系统生成,遥感和地理信息系统本身包涵着反映地形、地貌信息的数字组件,并可以对空间位置特征和地形属性特征进行数字化描述[43]。

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作者:佚名
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