关键词:
三峡库区
农业面源污染
面源污染影响因子
关键源区
AnnAGNPS模型
流域规划
摘要:
三峡库区是长江流域重要的水资源保护区域,由于库区内生态环境的脆弱性,目前受到农业面源污染的威胁。明确面源污染的时空变化特征,研究面源污染的主要影响因素并分析其与面源污染的相关性,构建最具生态-成本效益的最佳管理措施(Best Management Practices,BMPs)规划方案,对于深入研究和控制面源污染具有重要意义。本文以三峡库区典型农业流域王家桥流域为研究区域,采用Ann AGNPS模型模拟该流域2012-2020年的月度总氮/总磷(Total Nitrogen,TN;Total Phosphorus,TP)负荷,分析面源污染的时空变化特征,进一步识别流域内面源污染的源区;随后采用增强回归树(Boosted Regression Tree,BRT)模型探讨面源污染影响因素对面源污染关键源区的贡献率,进一步分析影响因素与面源污染的非线性关系;此外,基于面源污染主导因子对关键源区进行分类,并根据关键源区的特点以及三峡库区综合BMPs系统,为每类关键源区筛选BMPs;最后,应用Annn AGNPS模型和经济函数构建BMPs数据库,并与NSGA-II算法相结合,寻找最具生态-成本效益BMPs规划方案。本文的主要研究结论如下:
(1)基于气象、水文、土地利用、地形土壤、田间管理等数据构建研究流域的Ann AGNPS模型实现了流域面源污染时空变化规律分析和面源污染关键源区的识别。研究结果表明:Ann AGNPS模型的月径流模拟效果在率定期(R2=0.92,NSE=0.86)和验证期间(R2=0.81,NSE=0.78)均达到“优秀”水平,月TN(R2=0.83,NSE=0.73)与TP(R2=0.85,NSE=0.67)负荷模拟在率定期分别达到“较好”与“优秀”水平,证实了Ann AGNPS模型在研究流域具有较强的适用性;年TN/TP负荷与年降雨量呈正相关关系(R2>0.70),总氮关键源区(TN-CSAs)占比流域总面积的5.4%,总磷关键源区(TP-CSAs)占比流域总面积的3.3%,两类关键源区中的主导土地利用类型均为农业活动密集的坡耕地,相比于TN-CSAs,TP-CSAs的空间分布更加集中。
(2)采用BRT模型量化了八种自然因素和人类活动影响因子对关键源区(CSAs)的贡献率,进一步构建各影响因素与CSAs的部分依赖图并分析其相关性。研究结果表明:土地利用类型对TN-CSAs的贡献率最大(37.35%),其次是氮肥施用量(36.93%)、土壤类型(17.59%);TP-CSAs的主导影响因素分别为磷肥施用量(57.83%)、土地利用类型(25.03%)、土壤类型(13.70%);部分依赖图结果表明坡耕地和果园以及特定土壤类型与CSAs呈正相关;在特定的阈值前,CSAs发生的概率随坡度、海拔、RUSLE LS值、径流量以及施肥量增大而增大。
(3)为实现管理措施(BMPs)对面源污染削减的生态效益,本研究采用聚类分析和面源污染主要因素对CSAs进一步分类,依据各分类CSAs的特征以及三峡库区BMPs面源污染综合治理系统为不同类型的CSAs筛选了适用的BMPs。研究结果表明:CSAs 1的特点为化肥施用量较高,高海拔,为此提出保护性耕作措施与精准减量施肥措施,通过改善土壤结构,增加降雨入渗,减少径流和土壤侵蚀以实现减少面源污染负荷的目标;CSAs 2的特点为土壤易蚀,TN/TP主要随土壤侵蚀流失,为此提出保护性耕作、等高线耕作、等高植物篱,通过降低土壤侵蚀减缓污染物的运移;CSAs 3的特点为径流量大,坡度大,海拔较低,化肥施用量较低,为此筛选出改变施肥时间、等高线耕作、坡地转梯田的管理措施,通过拦截和降低径流速度减少地表径流,以减少养分迁移风险,实现面源污染的控制与削减。
(4)在采用AnnnAGNPS模型与经济公式构建BMPs数据库后,通过进一步结合NSGA-II算法为研究流域搜索最具生态-成本效益的BMPs规划方案。研究结果表明:NSGA-II算法搜索到的一系列解集中,低成本的BMPs场景可削减全流域13.28%的TN负荷与13.45%的TP负荷,成本为845.04元/ha;中成本的BMPs场景可削减全流域24.70%的TN负荷与31.32%的TP负荷,成本为1863.33元/ha;高成本的BMPs场景能够削减全流域33.26%的TN负荷与44.56%的TP负荷,成本为3741.42元/ha;在相同成本条件下,NSGA-II搜索到的BMPs规划方案的生态效益为随机规划场景的2倍。