A Distributed Soil Erosion and Sediment Transport Sub-model in Non-point Source Pollution and Its Application in Guishui Watershed

官厅水库妫水地区土壤侵蚀较为严重。为控制妫水地区的土壤流失非点源污染,本文建立了一个参数较少、便于应用的分布式土壤侵蚀和泥沙输移子模型。该模型由USLE模型和泥沙输移模型组成。首先,本研究确定了USLE中各因子的计算公式,用该模型计算土壤流失。然后,将流域概化为河网,利用曾提出的应用于经Laplace变换和逆变换求得的一维水质迁移转化方程的解中的面积汇污系数和S曲线之间的关系,推导得到了分布式泥沙输移模型。最后,从妫水河流域土壤图、土地利用图中提取地理信息,以DEM为依据,研究了该模型在妫水河流域的应用。结果表明,该模型不仅可用于研究非点源泥沙污染,而且可用于研究流域内土壤侵蚀的空间分布,为实现农业最佳管理提供科学依据。妫水流域土壤流失主要来自坡度较大、地表植被覆盖差的丘陵和山地,控制土壤流失应该将重点放在该流域内的丘陵和山地上。

基于RUSLE模型的妫水河流域土壤侵蚀时空变化特征

[目的]为揭示流域土壤侵蚀时空变化特征并开展可持续流域治理工作。[方法]基于妫水河流域1995—2018年降雨、土壤、数字高程模型及土地利用数据,采用GIS技术与RUSLE模型的方法定量分析妫水河流域土壤侵蚀时空特征,并对流域土壤稳定性进行评价。[结果](1)1995—2018年,流域内林地和草地面积均呈下降的趋势,2018年林地和草地面积分别为4.41×10^(4),0.84×10^(4)hm^(2),较1995年分别下降13.52%和10.61%。耕地面积由1995年的3.53×10^(4)hm^(2)增加至2018年的4.07×10^(4)hm^(2)。建筑用地面积逐渐增加,由1995年的0.59×10^(4)hm^(2)增加到2018年的1.90×10^(4)hm^(2)。(2)妫水河流域内土壤侵蚀模数呈波动性变化,由1995年的8.71 t/(hm^(2)·a)降至4.56 t/(hm^(2)·a)后,于2018年升至11.07 t/(hm^(2)·a)。(3)妫水河流域土壤侵蚀强度以微度侵蚀和轻度侵蚀为主,1995—2015年,土壤侵蚀强度逐渐降低并保持稳定,中度及以上土壤侵蚀面积比例由4.95%降至3.05%,2018年后升至7.42%。(4)妫水河流域在研究时段内土壤稳定性降低,不稳定土壤面积升高。[结论]妫水河流域城市化的进程中,林草覆盖度略有降低;土壤侵蚀强度整体下降,但在后期略有提高;不稳定土壤所占面积较少。研究结果可为妫水河流域综合治理及土地利用规划提供依据。

妫水河流域水化学和同位素特征及其指示意义

为研究北京妫水河流域河水和地下水的水化学成因以及相互关系,文章采用Piper三线图、Gibbs图、多元统计分析和模糊综合评价等方法对妫水河流域2019年采集到的河水、浅层地下水和深层地下水水样进行分析。结果表明,妫水河流域河水和地下水均属于弱碱性水;硝态氮是水体中氮素的主要存在形态;河水、浅层地下水和深层地下水的优势阴离子均为HCO_(3)^(-),河水和浅层地下水的优势阳离子为Ca^(2+),而深层地下水的优势阳离子为Na^(+)和Ca^(2+);水质整体较好,Ⅰ类水占比均超70%。流域水体氢氧同位素(δD、δ^(18)O和δ^(17)O)特征深度变化明显,因河水受较强烈的蒸发作用,自地表往下同位素逐渐相对贫化。岩石风化是流域水体溶质的主要来源,蒸发盐岩、碳酸盐岩和硅酸盐岩占主导作用;另外,区域内农业活动也是水体溶质的重要影响因素。

水分对湿地生态系统不同植被类型土壤种子库的影响

探讨退化河流湿地生态系统不同植被类型土壤种子库对水分变化的响应机制,了解植物群落的演替规律和退化驱动力,可为进一步了解生态系统的退化过程及生态恢复提供参数依据。通过水分控制试验(干旱、湿润和积水),在妫水河流域自然湿地生态系统5种不同植被类型的表层土样上开展土壤种子库的萌发试验。结果表明,不同的植被类型对于水分变化的响应模式明显不同。根据其植被特征可分为3类:(1)对于以中旱生植物为主的林下杂类草群落,随着水分的增加其植物种类和数量明显增多。相比较干旱处理,积水处理组植物种类和数量增加的幅度分别为43.8%和249.5%,其中湿生植物明显增多;多样性指数的分析也表明积水处理组其多样性较干旱处理组更高。(2)对于湿生/水生的欧地笋杂类草、芦苇杂类草和芦苇优势种群落,其表现为湿润处理时单位面积物种数和植物密度最低,而干旱和积水处理皆高于湿润处理;多样性水平则呈现随水分增加而降低的趋势。(3)水生的香蒲优势种群落则呈现和林下杂类草群落相反的结果,随水分增加其植物种类明显下降、多样性水平显著降低,但植物数量随水分的增加而呈增加趋势、最大增幅为137.6%。在植物群落组成和相似度方面,5种植被类型皆有其特定的优势植物及结构组成,并和其他植被类型有较高或较低的相似性,并呈现出对于不同水分条件的适应特异性。水分因子在植物群落的发生和演替中起重要作用,是湿地生态系统植被类群演替的重要外在环境因素。

颗粒态氮磷负荷模型研究

为研究妫水河流域的颗粒态氮磷非点源污染来源,以控制非点源污染,在官厅水库周围进行了野外人工降雨试验。试验数据表明,氮磷输移率与产沙率具有很好的相关性,颗粒态氮、磷的平均相关系数分别为0 9594和0 9772。建立了新的颗粒态氮磷负荷模型,其中富集系数等于泥沙中总氮总磷百分含量与土壤中百分含量之比。根据妫水河流域的土壤图、土地利用图及数字高程模型,应用新的模型研究了妫水河流域颗粒态氮磷污染负荷的空间分布。结果表明,颗粒态氮磷主要来自地表植被覆盖差的丘陵和山地。

妫水河流域土壤斥水性分布与影响因素研究

为了研究我国北方土石山区流域土壤斥水性影响因素及其分布规律,以妫水河流域为例开展了野外调查和室内研究。对流域内9种植被类型共385个土壤样本的滴水穿透时间(Water drop penetration time,WDPT)与土壤有机质含量、p H值、质量分形维数、土壤颗粒比表面积进行统计分析。研究表明:WDPT由大到小依次为有林地、灌木林、疏林地、果园、高覆盖度草地、旱地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、滩地。有林地和灌木林为强烈斥水性,疏林地和果园为轻微斥水性,高覆盖度草地无斥水性,旱地、中覆盖度草地、低覆盖度草地和滩地为亲水性;土壤斥水性在流域的空间分布上表现为西北部、东北部和东南部山区斥水性较大,中部盆地斥水性较小;在垂向分布上表现为表层最大、中层次之、深层最小;WDPT与土壤有机质含量呈正相关性,与p H值、质量分形维数、土壤颗粒比表面积呈负相关性;土壤p H值和有机质含量是斥水性的主要影响因素,质量分形维数、土壤颗粒比表面积是次要因素。

基于GIS的溶解态氮磷负荷模型研究

为了研究妫水河流域的氮磷非点源污染来源,在官厅水库周围进行了野外人工降雨实验,结果表明,氮磷输移率与径流量具有很好的相关性,溶解态氮、磷的平均相关系数分别是0.997 8和0.988 9,因此提出了新的溶解态氮磷负荷模型.从妫水河流域的土壤图、土地利用图中提取地理信息,以数字高程模型为依据,应用新模型研究了妫水河流域溶解态氮污染负荷的空间分布。结果表明,溶解态氮主要来自水浇平地,其次是低山和丘陵.

基于PEST自动校正的HSPF水文模拟研究

水文模型率定是评价模型适用性必不可少的部分。基于Levenberg-Marquardt算法的PEST自动率定程序具有优化速度快、模型健壮性好的优点,已被成功应用于许多流域。分别选取2005—2006年、2007—2008年作为校正期和验证期,结合人工试错法和PEST自动率定程序分析参数敏感性及95%置信区间,得到合适参数值,利用HSPF模型对北京延庆县妫水河流域进行水文模拟。人工率定纳什系数E=0.338、确定性系数R2=0.612;PEST自动率定校正期E=0.640、R2=0.787,验证期E=0.737、R2=0.859,并且各参数值均在95%置信区间。表明PEST程序在HSPF模型中具有较好的率定功能,且HSPF模型在研究区具有良好的适用性。

妫水河流域水源涵养林时空动态格局研究

分析官厅水库上游妫水河流域20多年水源涵养林分布格局的动态变化。结果表明:妫水河流域的森林覆盖率一直呈上升状态,从1975年的10.96%,已上升到46.61%;经济林面积增长迅速,每年约增长150 hm2;树种组成正在向多样性转化,从1975年以4个主要树种为主,到1995年已形成8个树种的格局。因此认为妫水河流域水源涵养林总体状况正在好转,但还存在经济林面积增加过快,可能引起环境污染和森林植被类型结构不合理等问题。

基于妫水河水体水质净化的浮水植物优选

为构建高效净化妫水河水体水质的水生植物系统提供基础数据,研究了水鳖(Hydrocharis dubia)、槐叶萍(Salvinia natans)、浮叶眼子菜(Jussiaea stipulacea Ohwi)、黄花水龙(Azoila imbricata)、荇菜(Potamogeton natans)、耐寒睡莲(Nymphaea tetragona Georg)、满江红(Nymphoides peltatum) 7种不同的浮水植物的净化效果。结果表明,在劣Ⅴ类水体水质(即NH4+-N、TP、COD质量浓度分别为2. 2 mg/L、0. 4 mg/L、45 mg/L)条件下,黄花水龙、耐寒睡莲、荇菜、水鳖对水体水质净化效果较好,净化后水质可达地表Ⅱ~Ⅲ类水质标准。其中,水鳖、黄花水龙对NH4+-N和TP均具有良好的去除效果,NH4+-N去除率可达93. 64%和96. 31%,TP去除率可达90. 41%和95. 17%;荇菜、耐寒睡莲对COD去除率较高,分别为78. 28%、75. 02%,且这4种植物在水体中生长状况良好。水体pH值变化(pH=6~8)对黄花水龙、水鳖去除NH4+-N和TP的影响很小,荇菜对COD的去除率随水质pH值升高有所下降,而耐寒睡莲则相反。经比较分析和在天然水体下进行验证,水鳖、黄花水龙可作为妫水河水体修复的浮水植物。

官厅水库妫水河口拦门沙疏浚的数值模拟研究

利用一、二维嵌套的不平衡输沙数学模型 ,对官厅水库妫水河口拦门沙疏浚挖槽方案进行了数值模拟 ,分析了影响挖泥槽回淤的各种因素 ,并通过对几种典型的挖槽方案进行计算分析 ,提出了合理的疏浚挖槽方案。

深层生态学对北京延庆生态涵养区环境保护与景观设计的启示

借助深层生态学理念推动北京延庆区环境保护与景观设计相关实践,探索生态涵养区环境建设之道。文章以深层生态学为研究理论出发点,探讨相关定义,并梳理理论发展综述,综合北京新一轮总体规划背景以及京津冀环境发展格局,对延庆区生态职能定位进行阐述。重点以延庆妫水河流域生态环境为例,分析问题,并结合深层生态学的“河流静流”理念。提出该区域内生态涵养及景观设计保护应遵循的相关实践原则。深层生态学对于北京延庆生态涵养区环境保护与景观设计具有重要参考价值与现实启示意义。

妫水河流域水文模拟及参数不确定性分析

以北京市延庆区妫水河为例,使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型对妫水河流域进行月尺度水文模拟,使用SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting)算法分析参数的敏感性,依据SWAT-CUP自动率定得到P因子和R因子分析模型的不确定性,从而完成本流域分布式水文模型的构建。率定结果显示,率定期确定系数R 2为0.65,效率系数NSE为0.61;验证期确定系数R 2为0.89,效率系数NSE为0.88;不确定性分析结果中P-factor均大于0.5,R-factor均小于0.3。通过以上分析可得该模型对妫水河流域的水文模拟有良好的效果。

基于光谱基线校正的季节性浑浊Ⅱ类水体叶绿素a浓度遥感反演

水体Chl.a浓度是水质评价的一个重要指标,受悬浮物浓度季节性变化的影响,如何削弱悬浮物的光谱干扰,是实现内陆水体Chl.a浓度遥感高精度反演的难点之一.基于2011-2013年妫水河6次实测水体高光谱数据和水体Chl.a浓度数据,评价广泛应用的三波段模型和非线性拟合能力较好的支持向量机回归(SVR)模型的反演精度,使用基线校正和一阶微分方法来削弱实测高光谱中非Chl.a光谱信息.定义两种基线:750 nm的反射率值;500与750 nm的反射率值连线,基线校正为光谱反射率减去基线值.利用2013年7月的实测数据进行验证,结果表明,SVR模型比三波段模型更适合季节性浑浊水体的Chl.a浓度反演.通过基线校正筛选后的波段反射率组合作为输入变量能够提高SVR模型的反演精度,决定系数为0.68,均方根误差为3.38μg/L;线性基线校正提高三波段Chl.a估算模型的反演能力有限.

妫水河流域农业非点源污染负荷估算与分析

本文利用改进的输出系数模型对妫水河流域农业非点源污染负荷进行了估算,并且分别通过三分法,即分区、分类、分期的方法对结果进行了分析。结果表明:(1)2017年妫水河流域农业非点源污染物TN和TP的负荷量分别为1402214.9 kg/a,279629.1 kg/a;(2)流域内各乡镇TN和TP的负荷量差异较大,旧县镇、永宁镇所贡献的TN、TP负荷量最多且单位负荷强度最大,属于重点治理区域;(3)流域内对TN的贡献最大的污染源为农业种植,对TP的贡献最大的污染源为农村生活污染,这两个污染源属于优先控制的污染源;(4)TN、TP负荷与降雨量呈现正相关关系,降雨冲刷是导致的污染物负荷增加的一个主要因素。农业非点源污染的三分研究结果为妫水河流域非点源污染治理与农业结构调整提供了科学依据。

北京妫水河湿地植物多样性调查与评价研究

为探究北方缺水地区湿地植物物种多样性变化,选取北京市延庆区妫水河为研究区,采用物种丰富度(R),Shannon-Wiener指数(H),Simpson指数(D)和Peilou均匀度指数(J)作为植物群落多样性指标,使用方差法和典型对应分析(CCA)对不同河段和区域间湿地植物物种分布与环境因子之间的响应关系进行研究。研究结果表明:研究区现有湿地植物93种,隶属于44科76属,优势科有菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)、豆科(Fabaceae)和莎草科(Cyperaceae);93种植物的Shannon-Wiener指数(H)小于3,Simpson指数(D)和Peilou均匀度指数(J)介于0.5~0.75之间,物种数量总体不多,但分布较均匀,处于中等水平;对湿地植物群落形成及生长影响较大的水质因子依次为全氮(TN)、pH和化学需氧量(COD)。

妫水河流域未来气候变化下的水文响应研究

通过HadCM3降尺度数据与HSPF水文模型耦合,探讨了未来气候变化情景下妫水河流域日最高、最低气温与降水量的变化情况。基于统计降尺度模型SDSM,将1961—2099年数据降尺度到各站点,生成了两种气候变化情景下的日最高气温(T max)、最低气温(T min)和降水量(P)数据。同时,构建了HSPF水文模型,分别用2005—2006年、2007—2008年数据进行了有效率定和验证,模拟了该流域在未来气候变化下的水文响应。结果表明:妫水河流域未来90 a的气温总体呈升高趋势,而降水量和地表流量呈减小趋势;高温室气体排放情景下日最高气温、最低气温、降水量和地表流量的10 a变化率分别为0.462℃、0.453℃、-0.010 mm、-0.051 m3/s,低温室气体排放情境下分别为0.263℃、0.264℃、-0.014 mm、-0.044 m3/s,流域干旱加剧的可能性进一步加大。

妫水河大桥施工栈桥设计

介绍了妫水河栈桥的设计思想，给出了栈桥设计的计算模型及其模型的计算方法。

北方缺水河流生境质量评价研究——以妫水河为例

北方地区由于缺水干旱、城市化进程发展和人为活动等影响导致河流生境退化严重,现有评价体系和方法不能很好地反映河流生境状况,基于此,构建了包括河流形态结构、水质水量、河岸带状况、景观环境、水生生物5个方面共13项指标的北方河流生境质量评价指标体系,确定了各指标的等级划分及生境质量综合指数计算方法。结合北京市延庆区妫水河生境调查结果,对流域内选取的妫水河干流及3条支流按照河流河段尺度分为缓坡型、山区型和城区型河段,并利用构建的评价体系和方法开展具体评价。结果表明:(1)研究区域13个样点的河流生境质量状况差异显著,约46.2%的样点河流生境质量处于好等级,约15.4%的样点为较好等级,约7.7%的样点为一般等级,约23.1%样点为较差等级,约7.7%的样点为最差等级。(2)缓坡型河段的生境质量明显优于山区型河段和城区型河段,其生境等级为"好",山区型和城区型河段的生境等级均为"较差",表明河流水量和人类负面干扰对河流生境影响较大。(3)该评价指标体系适合北方缺水干旱的特殊生境状况,其评价结果较为直观的反映了河流生境现状,兼备科学性和可操作性。

基于SWAT模型的妫水河流域径流空间分布特征

水资源短缺已成为全球性的环境问题,妫水河作为官厅水库的主要入库河流,其径流量会对库区产生直接影响,研究其径流空间分布特征具有重要的理论和现实意义。以妫水河流域为研究对象,基于2006~2016年的气象和水文数据,使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,研究该流域的径流空间分布特征。结果表明:(1)SWAT模型模拟结果为R2=0.62,Ens=0.61,校准期和验证期结果均满足R2>0.60,Ens>0.50。(2)流域内径流量分布呈现东西两侧大、中间小的规律,与地势两侧高中间低、坡度和降雨两侧大中间小的规律相符,林地产流较大。(3)径流深最大的子流域位于流域上游的东北部,降雨量大,坡度大,林地为主。径流深最小的子流域位于流域中部,降雨量小,耕地为主,地势平坦。流域内径流空间分布受坡度和降雨的影响较大;该模型在妫水河流域的水文模拟效果较好,未来可以此模型为基础进一步研究该流域的产沙和污染物空间分布特征。