密云水库潮白河流域非点源污染负荷

利用密云水库两大入库河流─潮河和白河的常规监测数据,引用平均浓度法,估算流域非点源污染负荷,结果表明,73%COD、71%BOD、94%NH3-N、75%T-N及94%T-P来自非点源污染,非点源污染是造成水库污染的主要原因。流域非点源污染的发生具有明显的地域分异特征。CODMn、BOD5等有机物主要来自白河流域,这可能与白河流域水土流失严重有关。而NH3-N、T-N及T-P等营养物质主要来自潮河流域。

密云水库入库流量变异性及其影响因素

对密云水库流域入库站下会站(潮河)和张家坟站(白河)不同时期的流量变异性进行了研究,分析了降水和土地利用变化与流量变异的关系。借助流量变异分析方法,统计分析了日平均流量过程的脉动数量和脉动持续期,在此基础上分析了不同时期的流量变异和波动。研究结果表明,下会站和张家坟站2002年以后的流量较20世纪80年代均有所减少,且流量过程变化更为平缓。这2个站点的流量变异性主要由降水变化引起。草地增加是流量缓慢变化的一个原因,林地减少使得高阈值流量略有增加,但可能导致总流量有所减少。总的来说,土地利用状况因为在研究时期内变化不大,没有对流量变异产生明显的影响。

潮河流域景观格局变化对径流的影响

[目的]分析潮河流域的景观空间格局变化及其与径流的关系,为流域生态环境建设提供理论依据。[方法]根据潮河流域50a多的水文气象资料,利用1979,1987,1991和2009年4期遥感影像,采用ArcGIS及Fragstats等景观分析软件计算。[结果]潮河流域的降雨量呈减少趋势,而温度以0.215℃/10a的速度升高,潮河的径流量明显减少,并呈现以28a为周期的丰枯转换;潮河流域斑块个数增加,斑块分布趋于均匀,斑块面积变小并逐渐趋于稳定,斑块形状趋向于简单,复杂化程度降低,流域内景观异质性变弱。[结论]径流量随着景观形状指数的增大而减小,在平均斑块周长为1 050m,流域斑块数量为110 000以及Shannon’s多样性指数为1.33左右时,斑块的综合截留能力最强,流域产流能力最弱。

潮河流域人类活动氮输入对河流硝态氮通量的影响

为了有效评估流域内人类活动氮输入量,并确定其对河流硝态氮通量的影响,本研究将净人类活动氮输入分为人为点源和非点源输入两部分,估算了1995—2014年人为点源和非点源氮输入量变化,构建了其与河流硝态氮通量的多元回归模型(R^(2)=0.73),分析了该流域氮素输出及滞留的影响因素。结果显示,20年间潮河流域净人类活动氮平均输入量为5 569.27kg·km^(-2)·a^(-1),其中非点源输入约占净人类活动氮输入量的76.87%,点源输入占23.13%。在非点源输入中化肥氮输入占净人类活动氮输入总量的比重最大,约为35.92%,其次是食品饲料氮输入,占21.12%,大气氮沉降占15.05%,种子氮输入和农业固氮分别占4.35%和0.43%。潮河流域河流平均硝态氮通量为115.94 kg·km^(-2)·a^(-1),由人类活动导致的氮输入量约占潮河流域硝态氮通量的96.65%。流域内人类活动氮输入对河流氮通量影响较大,点源氮输入、化肥氮输入和种子氮输入是河流氮通量的主要来源。受水文气象及下垫面等因素影响,该流域滞留氮素对河流硝态氮通量的贡献率较大,多年平均占比为11.01%。

潮河流域景观格局与非点源污染负荷关系研究

以密云水库上游潮河流域为研究区,在HSPF模型模拟的基础上,利用CCA排序和路径分析等多种统计分析方法,分析不同水平景观格局与非点源污染过程的相关关系,确定各景观指数对非点源污染的影响和贡献程度.结果表明:潮河流域景观格局与非点源污染过程的关系密切,二者的关系与空间尺度也有着紧密的关联.景观格局指数能累积解释55%的流域非点源污染负荷变化,土地利用面积比例的影响要大于景观格局指数,耕地是污染负荷的主要贡献源,而林地和草地较能有效控制污染物的输出.污染负荷受景观的破碎化、多样性和蔓延度的影响较大,流域内的景观越破碎、类型越丰富,斑块分布越零散,污染物的输出也就越多.斑块类型水平上,影响污染物负荷的指标因景观类型不同而异,其中,斑块密度(PD)和边缘密度(ED)是影响流域非点源污染负荷的共性指标.路径分析的结果表明,边缘密度(ED)、香农多样性指数(SHDI)、聚集度指数(AI)和蔓延度指数(CONTAG)是影响流域非点源污染负荷输出的主要景观格局变量,其中,香农多样性指数对TN、TP负荷的解释能力最大.较少的人类活动干扰和斑块类型的团聚分布能减少污染物输出的风险.

模型多参数灵敏度与不确定性分析

以潮白河为研究区域,探讨了与模型参数及模型模拟性能有关的多参数灵敏度及不确定性分析方法(Multi-Parameter Sensitivity and Uncertainty Analysis,MPSUA)。基于MonteCarlo模拟的多参数灵敏度分析,可以评价模型中多个参数的相对重要性。GLUE不确定性分析则能对模型性能进行量化评估。实例研究表明,通过MPSUA方法,可以减少优化参数的个数。而且,在没有对模型进行参数优化之前,基于MPSUA就可以确定模型的模拟精度。例如同样的模型在潮河可以获得比在白河更高的模拟精度。这种同一模型在不同流域所体现的差异性,一方面是源于模型结构本身的不完善,另一方面则与用于建模的数据误差有关。SCE-UA参数优化结果与MPSUA结果几乎一致,说明本文的参数灵敏度与模型总体性能评估方法比较合理。

多时间尺度HSPF模型参数不确定性研究

模型参数的不确定性是水文模型应用研究领域的重点与难点.本研究以密云水库东北部的潮河流域为例,构建了潮河流域HSPF水文模型,并采用1998~2010年逐月地表径流量数据对模型参数进行校准与验证,并结合GLUE算法分析了模型参数的敏感性和不确定性.结果表明:(1)经过参数调整,HSPF模型径流模拟取得了较好的效果,率定期和验证期的纳什系数分别为0.84和0.55;(2)可将影响HSPF模型的参数分为3类,即全局敏感性参数(LZSN、INFILT、IRC和AGWRC)、局部敏感性参数(UZSN)和不敏感参数(DEEPFR、BASETP、AGWEPT、INTFW和CEPSC);(3)不同敏感性参数间存在复杂的相关关系,参数组合(LZSN与INFILT)、(INFILT与UZSN)和(UZSN与AGWRC)间均呈极显著负相关关系;(LZSN与UZSN)和(UZSN与AGWRC)呈极显著正相关;(4)HSPF模型参数存在大量复杂的"异参同效"现象,证实影响模拟结果优劣的是参数组合而非某一参数值;(5)模型不确定性发现,模型预测的不确定性范围与降雨量密切相关,即降雨量越大,模型预报的不确定性就越大,反之亦然;(6)不同时间尺度下HSPF模型的模拟效果总体较好,但是也存在一定差异性,年尺度、季节尺度和月尺度下不确定性范围分别包含了81.80%、78.70%和80.56%的观测值,即年尺度效果略优于月尺度和季节尺度;该研究结果可为HSPF模型在相似区域应用与参数本土化提供科学参考和借鉴.

潮河流域降雨径流事件污染物输出特征

在半干旱半湿润地区,非点源养分污染的发生主要由降水径流事件驱动,伴随这些短暂脉冲事件流失的养分量决定着一年总的污染排放负荷,因此研究汛期降雨径流事件下水体污染动态特征是半干旱半湿润地区污染负荷模拟及控制的关键.以北京市密云水库上游的潮河流域为研究区域,2018年和2019年汛期进行古北口站和下会站的降雨径流过程水质水量同步监测.结果表明:(1)监测的3场降雨事件(E1、E2和E3)中,E1的降雨量和强度最大,相应的流量和污染物浓度最高;(2)不同降雨事件下,污染物浓度及其变化不同.大暴雨事件和暴雨事件(E1、E3)下,总氮(TN)、氨氮(NH^(+)_(4)-N)、硝氮(NO^(-)_(3)-N)、总磷(TP)和悬浮物(TSS)的浓度与流量变化过程相似;大雨事件下(E2),总氮(TN)、氨氮(NH^(+)_(4)-N)、总磷(TP)和悬浮物(TSS)的浓度与流量变化过程相似,硝氮(NO^(-)_(3)-N)浓度变化与流量相反;(3)不同降雨事件下,不同形态污染物浓度及其变化不同.降雨侵蚀强烈(E1、E2),颗粒态污染物浓度变化明显,与悬浮物(TSS)呈显著正相关关系;降雨未引起土壤侵蚀(E3),氮磷形态以溶解态氮(TDN)和溶解态磷(TDP)为主,浓度变化主要与流量有关;(4)不同降雨事件下,不同站点的流量和污染物浓度不同.强降雨侵蚀事件在古北口表现更明显,引起流量和总磷(TP)、悬浮物(TSS)的变化幅度更大.以上结果可以用来确定降雨事件引发的非点源污染物输出特征,为该地区的汛期水质预测与控制提供参考.