密云水库流域土地利用与气候变化对非点源氮、磷污染的影响研究

来源 :首都师范大学 | 被引量 : 48次 | 上传用户:wuguiyuan2009
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全球气候变化和人类活动的影响,使得水资源危机和水环境污染成为当前世界各国亟需解决的难题。全球气候变化背景下,降雨、气温等气候因子的时空分布不均,必然会引起流域水循环过程及其生态环境的改变。同时,强烈的人类活动影响,尤其是土地利用变化,使得流域产汇流机制随之改变,进而引起流域水环境的变化。非点源污染作为典型的地表生态过程,受到水文气象等自然因子和土地利用变化等人为因子的综合影响。密云水库作为北京唯一的地表水水源地,具有重要的战略意义。相关研究表明,非点源污染目前已成为影响密云水库水环境质量的重要因素。因此,探讨土地利用和气候变化对流域非点源污染的影响,对认知流域非点源污染过程及其控制管理具有重要的实践意义。鉴于此,本研究以密云水库上游流域为研究区,从土地利用演变和气候变化与污染过程相互作用的角度出发,开展流域非点源污染过程对土地利用和气候变化的响应研究。基于流域1995、2000、2005年三期的土地利用数据,通过构建大尺度流域非点源模型SWAT,模拟评价流域非点源污染负荷分布特征,并应用景观格局指数、典范对应分析(CCA)和通径分析等方法,从全流域和三级保护区等多空间尺度,量化分析流域土地利用及其格局时空变化对非点源污染负荷的影响。基于流域长时间序列的气象观测资料,通过全球气候模式GCMs、SDSM统计降尺度模型和NCC/GU-WG天气发生器预测研究区未来的气候变化情景,并结合SWAT模型进行未来非点源污染负荷的趋势预估,进而探讨非点源污染对气候变化的响应。研究主要内容及结论如下:(1)本研究基于密云水库流域SWAT模型的数据库构建、参数率定和模型验证,模拟评价了流域非点源污染的分布特征。模型校准验证结果表明SWAT模型在密云水库流域具有较好的适用性。1995-2005年的污染负荷结果表明,TN、TP负荷随降雨量的变化基本呈减少的趋势,非点源污染的时间分布受降雨影响显著,其中降雨对TN负荷输出的影响要明显大于TP负荷。污染负荷的空间分布受降雨和土地利用的共同作用影响明显,高风险区主要分布白河流域的赤城县和崇礼县,潮河流域丰宁县,这些区县的乡镇是非点源污染产生的关键源区,需对这些区域影响污染发生的因素进行重点控制。(2)基于研究区1995、2000、2005年三期的土地利用数据,应用空间统计分析和景观格局指数方法,量化分析了密云水库流域1995-2005年十年间的土地利用变化的时空特征。分析表明,10年间密云水库流域的土地利用发生了较大地变化,1995-2000年间林地面积持续减少,草地和耕地面积相应有所增加,土地利用的变化主要体现在林地、草地和耕地之间的转换;2000-2005年间流域的土地利用的变化趋于稳定,各用地类型间略微波动,基本保持不变。10年间土地利用的空间格局则表现出破碎化程度加剧,形状趋于复杂化,斑块类型变得多样等特征,且空间格局的变化具有明显的尺度效应,随着空间尺度的增大,景观多样性和破碎度减小,斑块形状变复杂,而团聚程度增强。(3)利用典范对应分析(CCA)和通径分析等统计学方法,从全流域和三级保护区等多尺度,探讨了土地利用及其格局对非点源污染负荷的影响。结果表明,流域的非点源负荷与土地利用格局间存在着密切的联系。格局指数能累积解释流域非点源污染负荷变化的56.3%。污染负荷在景观水平上受土地利用格局的破碎度和形状的影响较大,而对于不同的用地类型,影响负荷的格局因子的作用表现不同。通径分析的结果表明,耕地、林地面积比例、形状指数和斑块密度是影响研究区非点源污染负荷输出的主要因子,其中形状指数和耕地面积比例对TP负荷的解释能力要明显高于其他指标。从空间尺度上看,各格局因子与非点源污染负荷的关系具有尺度效应,随着空间尺度的递增,格局对负荷的解释程度降低,在较小的尺度范围内,尤其是一级保护区的解释能力最高,达到62.9%,表明离水库越近的区域应是非点源防治高度重视的区域。(4)基于流域长时间序列的气象观测资料,应用SDSM统计降尺度模型和NCC/GU-WG天气发生器2种统计降尺度方法模拟比较了研究区的气候变化。结果表明,2种方法对降水量和气温的模拟均取得了比较理想的结果,其中对气温的模拟效果要优于降水的模拟;NCC/GU-WG在降水量数值模拟方面具有一定的优势,但SDSM对降水和气温变化过程的模拟效果较好。(5)采用全球气候模式GCMsA2、B2和NCC/GU-WG三种情景模拟的区域未来30年的气候变化,并结合SWAT模型预测气候变化条件下的非点源污染负荷响应。3种气候情景模拟的未来降水量和气温的变化趋势基本一致,均呈增加趋势,其中未来降水量的变化相对更为显著。3种气候情景中,B2情景模拟的降水量和气温变化幅度明显高于其他情景。在气候变化的影响下,密云水库流域未来30年的径流量、TN负荷、TP负荷变化也均表现出增加的趋势,其中径流量较基准期的平均增幅最大,增幅为15%,TN、TP负荷的平均增幅相对较小,但年际波动幅度较大。
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