北运河上游非点源污染负荷模拟与最佳管理措施评估研究

非点源污染是水污染的重要来源之一,揭示非点源污染负荷空间分布特征、筛选并布设最佳管理措施(best management practices,BMPs)对水污染的高效治理有至关重要的意义.北运河作为北京市重要的排水通道和连接京津冀的重要生态走廊,加强北运河上游非点源污染治理对北运河流域的水质改善至关重要.然而,当前缺乏针对非点源污染关键源区内布设不同BMPs生态效益评价的研究.因此,为了解析北运河上游非点源污染空间分布特征,评估关键源区布设不同措施的生态效益,本文基于SWAT模型定量模拟了2019年北运河上游总氮、总磷负荷空间分布特征,并采用单位负荷指数法识别了非点源污染关键源区,同时评估了关键源区布设不同BMPs的总氮、总磷削减效果.结果表明:(1)2019年北运河上游流域产生的总氮、总磷负荷分别为126444.22和12394.76 kg,呈东南高西北低的空间分布特征,主要来源于城镇用地、耕地和果园等地类.(2)北运河上游关键源区分布在东南部17条子流域,占流域总面积的13.16%,产生的总氮、总磷负荷分别占全流域的39.16%和38.10%.(3)1/5面积比植被缓冲带的总氮、总磷削减率最高,分别为38.20%和40.37%;2 km河道植草的总氮、总磷削减率最高,分别为19.47%和50.90%;由于关键源区范围内农地面积较小(9.62%),化肥减施措施下污染物削减较低.研究显示,非点源污染关键源区主要分布在人类活动较多的流域东南部,可通过布设合适的植被缓冲带和河道植草措施,降低关键源区非点源污染负荷.

基于不同赋权方法的北运河上游潜在非点源污染风险时空变化特征分析

非点源污染已成为影响水生态环境和人类健康的重要因素之一,而解析非点源污染风险时空变化特征是非点源污染治理的重要前提.基于1980~2020年土地利用数据,采用潜在非点源污染指数(potential non-point pollution index,PNPI)模型探究基于不同赋权方法的北运河上游潜在非点源污染风险时空变化特征.结果表明:(1)流域潜在非点源污染风险呈东南部高西北部低的空间特征.研究时序内流域潜在非点源污染极高和高风险区面积呈减少趋势,极高和高风险区主要土地利用类型由旱地、水田和果园逐渐变为城镇用地和农村居民地.(2)均方差决策法、熵值法、变异系数法和专家打分法均得出土地利用指标权重最大,平均权重分别为0.46、0.53、0.45和0.48,而不同赋权方法确定的径流指标和距离指标权重差异较大,得出的各非点源污染风险等级区的面积占比差异也较大.(3)指数函数法通过构建土地利用指标、径流指标和距离指标的指数函数描述源因子与运输因子之间的关系,输出结果更符合流域非点源污染风险空间分布特征,极低和极高风险区面积占比分别为54.22%和6.23%.以上结果可为流域非点源污染风险分析及治理提供科学参考.

基于改进输出系数模型的非点源污染评估及关键源区识别:以北运河上游流域为例

非点源污染对水生态环境威胁极大,定量解析非点源污染空间分布特征和准确识别关键源区是实现其高效精准治理的基础.输出系数模型广泛应用于非点源污染的模拟,但该模型忽略污染物迁移过程中的损失量,需要进一步改进.以北运河上游流域为例,通过对非点源污染物迁移物理过程的模拟,量化产流、产沙和下渗过程中污染物的损失率改进输出系数模型,并分析Johnes、常用和改进输出系数模型的模拟精度,探究3个输出系数模型对非点源污染空间分布特征和关键源区模拟结果的影响.结果表明:(1)改进输出系数模型模拟误差(-6.79%)明显低于Johnes模型(50.44%)和常用模型(-84.01%),显著提高了非点源污染模拟精度.(2)不同输出系数模型得到的非点源污染空间分布特征和关键源区存在较大差异,改进的输出系数模型模拟结果更符合流域非点源污染特征.流域非点源污染呈西北部低东南部高的空间特征,城镇用地和耕地是主要污染源.(3)基于改进输出系数模型确定的流域非点源污染关键源区主要分布在昌平、沙河、史各庄、温泉乡北部和马连洼街道西部等区域,占流域总面积6.71%.研究可为缺资料地区的非点源污染评估和治理提供更有效的工具支撑和科学参考.