（环境科学专业论文）基于gis的流域非点源污染关键源区识别与控制.pdf

首都! j f f i 范人学顾j j 学位论义 用方式中的保护性耕作是兼顾经济和效率的最佳选择。针对畜禽养殖污染严重而设计的农 村户用沼气池，控制效果磷流失可以达到该项总损失的1 9 8 8 。针对河道两侧耕地过多， 化肥过量施用造成的养分流失污染，采用t n 土施肥技术可节约磷肥6 7 0 9 t ，作为综合污 染控制措施的河岸缓冲带，可以有效的拦截部分泥沙、总氮、总磷，其中对泥沙流失的控 制效果最好为8 3 ，总磷次之，总氮最差仅为2 7 。 关键词：磷指数、关键源区、风险识别、最佳管理措施、潮河流域 l i 首都师范人学硕i ：学位论文 i d e n t i n c a t i o no fc r i t i c a ls o u r c ea r e a s ( c s a s ) f o r n o n - - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nm i y u n w a t e r s h e d a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tw a t e rs o u r c e ，m i y u nr e s e r v o i rp l a y sac r u c i a lr o l ei nb e i j i n g ，c h i n a t h e w a t e rq u a l i t yo fm i y u nr e s e r v o i ri sa tm e d i u m - e u t r o p h i c a t i o ns i t u a t i o n ，w h i c hi sm a i n l yc a u s e d b yt h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ( n p s ) i nt h ew a t e r s h e d ，a n dp h o s p h o r u s ( p ) i st h el i m i t e d f a c t o r s o ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yo ns e n s i t i v i t yo fp l o s si nt h i sw a t e r s h e d i nt h i sp a p e r , c h a o h e r i v e rb a s i n ，t h eo n eo ft w ob i g g e s tu p s t r e a m so ft h em i y u nr e s e r v o i r , i sc h o s e n 嬲t h es t u d y i n g a r e a b ya n a l y z i n gh y d r o l o g i c a la n dm e t e o r o l o g i c a ld a t a , l a n du s e ，s o i l ，s o i lc o n s e r v a t i o n ，a n d f a r m l a n dm a n a g e m e n t ，pi n d e xi sb u i l du pb a s e do nt h el o c a lc h a r a c t e r i s t i c st oi d e n t i f yc r i t i c a l s o u r c ea r e a s ( c s a s ) n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n t h ec r i t i c a ls o u r c ea r e a sa r ei d e n t i f i e da n dt h e m a n a g e m e n ts t r a t e g i e sw e r eb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so n t h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i e so ft h ec r i t i c a ls o u r c ea r e a s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ef o l l o w e d ： ( 1 ) t h eb a s i cd a t a b a s ef o rpi n d e xi nt h es t u d ya r e ah a sb e e ne s t a b l i s h e db yu s i n gt h eg i sa n d a c c e s st e c h n o l o g y t h ew a t e r s h e ds p a c t i a lp a r a m e t e r i z a t i o ni sd i s c r e t i z e d ，w h i c hh a sl a i dab a s e f o rt h ei d e n t i f i c a t i o no fc s a sa n df u r t h e rr e s e a r c h ( 2 ) am o d i f i e dp h o s p h o r u si n d e xs c h e m ei sd e v e l o p e df o ra g r i c u l t u r a ln p s ( ) i nc h a o h er i v e r b a s i n t h i sf r a m eo fpi n d e xi n c l u d e st h es o u r c ef a c t o r sa n dt h et r a n s p o r tf a c t o r s l i v e s t o c k p o l l u t i o na n dr u r a ld o m e s t i cp o l l u t i o nw e r et w om a i n c o n t r i b u t o r so fl o c a ln o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n ，s ot h et w of a c t o r sl i v e s t o c kp o l l u t i o na n dp o p u l a t i o nd e n s i t ya r ea d d e d t ot h es c h e m e a ss o u r c ef a c t o r sf i r s t l y t h ef i n a lc l a s s i f i c a t i o no fp h o s p h o r u si n d e xi sa d j u s t e dt os u i t a b l es i z e o fc s a sa r e af o r a s s i g n i n g t h e e x i s t i n g r e s o u r c er e a s o n a b l ya n dd r a w i n gu pt h e t a r g e t o r i e n t e d c o n t r o lm e a s u r e ( 3 ) i n f i l t r a t i o nr u n o f fe q u a t i o na n ds c sr u n o f fc u r v em e t h o da r en o tu s e dt oc a l c u l a t et h er u n o f f f a c t o r b ya n a l y z i n gr a i n f a l lp r o b a b i l i t yd u r i n g3 3y e a r so ft h ew a t e r s h e do u r l e ts i t e ，0 - 2 5 ， 2 5 - 7 5 ，7 5 10 0 p r o b a b i l i t yo fr a i n f a l la n dr u n o f fa r el i n e a rf i t t e dr e s p e c t i v e l y a tl a s t ，r u n o f f f a c t o ri se s t i m a t e db a s e do nt h et h r e er e g r e s s i o ne q u a t i o n s d e t e r m i n a t i o no fo t h e rf a c t o r sa r e b a s e do nt h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t s ，r e f l e c t i n gt h ep h o s p h o r u si n d e xi nt h ew a t e r s h e dw i t h c r e d i b l ed a t a ( 4 ) a tt h es c a l eo ft h ew h o l ew a t e r s h e d ，t h ep h o s p h o r u sl o s so fc s a so n l yc o v e r7 9 5 ，t h e m e d i u m e r i s ka r e a s19 6 3 ，a n d7 2 4 3 o ft h ew a t e r s h e da r el o w r i s ka r e a s7 3 9 3 o ft h e c s a sl o c a t e sb e s i d et h es t r e a m ，t h r o u g h o u tt h eb a s i n ，w h e r em o s th i g ho rr e l a t i v e l yh i g l ls o i l 酋鄙师范人学烦，i ：学位论文 a v a i l a b l ep h o s p h o r u so rf e r t i l i z e rpa p p l i c a t i o nr a t e ；t h eo t h e rs c a t t e rt h el o w e rr e a c h e s ，w h e r e m o s th i g ho rr e l a t i v e l yh i g hp o p u l a t i o nd e s i t yo rl i v e s t o c k p o u l t r ye x c r e t i o n ( 5 ) b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ( b m p s ) a r ep r o p o s e dt ot h ec r i t i c a ls o u r c ea r e a s ( c s a s ) i ti s n o t e dt h a tc o n s e r v a t i o nt i l l a g ei se f f e c t i v ew a yt or e d u c es o i le r o s i o n ，w h i c hi st h eb e s tc h o i c et o b a l a n c ee c o n o m ya n de f f i c i e n c y r u r a lf a m i l i e sd i g e s t e r sa r ed e s i g n e df o rl i v e s t o c k p o u l t r y p o l l u t i o n t or e d u c e19 8 8 o ft h et o t a lp h o s p h o r u sl o s s a c c o r d i n g t os o i lt e s t i n ga n df e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n ，6 7 0 9t o nf e r t i l i z e rpc o u l db es a v e d a sac o m p r e h e n s i v ep o l l u t i o nc o n t r o l m e a s u r e s ，r i p a r i a nb u f f e rz o n ec a ne f f e c t i v e l yi n t e r c e p ts e d i m e n t ，1n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s k e yw o r d s ：p h o s p h o r u si n d e x ；c s a s ；r i s ki d e n t i f i c a t i o n ，b m p s ，c h a o h er i v e rb a s i n i v 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：次- j 獐 日期：，) 咖0 年年月上日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名：吊之埠 日期：少舻年争，月) j 日 首都师范人学硕i ：学位论文 1 1 研究意义 第一章绪论 1 1 1 关键源区识别的重要性 非点源污染的发生受土壤、地形、气候、水文、土地利用和管理方式等众多因素的影 响，空间差异性非常显著，流域内不同景观单元单位面积的污染负荷差异十分显著【l 】。少 数景观单元输出的污染物往往占了整个流域污染负荷的大部分，对受纳水体的质量有着决 定性的影响，因而成为非点源污染物的关键源区。而大部分景观单元则只输出少量污染物， 有些甚至可能成为污染物的汇， 即通过景观内部有效的截留和转化，最终输出的污染物 数量小于外界输入量。有研究显示，磷的关键源区只占整个流域的一小部分，磷流失量的 9 0 来源于1 0 的区域，且主要分布在靠近河流的区域【2 】。由于非点源污染存在这种显著 的空间差异性，在制定非点源污染防治规划时，并非一定要在全流域实施全面治理，因 为控制非点源污染所采取的最佳管理措施( b m p s ：b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 需要投入大 量的人、财、物力，建立植被缓冲区、树篱等绿色廊道和湿地等生态工程措施还需要占 用相当数量的土地资源。对于农业非点源污染，最有效的控制方法是减少农田生态系统 的化学品投入，但这一措施往往会以牺牲农产品的产量为代价，因而难以大面积推广。如 果首先识别出流域内的污染高负荷区，再根据各区的污染发生风险顺序，将治理重点和有 限的资源投入到流域内污染负荷最高，且对水体危害可能性最大而范围相对较小的敏感地 区和地段，优先加强管理措施并安排治理工程的布局，则可以提高投资效益并节约土地资 源，大大降低污染控制工作的难度，更好地实现预期的治理目标，协调人类开发活动和环 境保护工作之间的矛盾。 1 2 1g i s 在非点源研究中的重要作用 以往的非点源研究在对环境过程空间特性的描述、对空间数据操作及对模拟结果的显 示方面都比较困难。而空问信息收集、空间分析和空间数据管理及多方式显示查询正是g i s 的优势所在。 1 ) 数据收集和管理的必然趋势 首都师范人学硕1 j 学位论文 g i s 能将比例尺、坐标系统等不同来源的空间数据进行转换和标准化，并与非空间信 息结合，使非点源研究直接利用g i s 中的数据。 2 ) 对高度异质性区域模拟的必然需求与可行工具 g i s 和非点源污染研究的结合能够收集、管理、分析、模拟和显示与空| 1 自j 相关的非点 源污染信息。 3 ) 参数空间属性描述、模拟的要求 4 ) 对研究结果可视化、深入、科学分析的补充 g i s 与农业非点源污染研究相结合，不仅提高了研究的精度，而且对于评估整个流域非 点源污染的历史和现状，分析流域非点源污染在土壤和水体不同组分中的运移和淀积，提 出并全面评价流域的最佳管理措施( b m p s ，b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 都有十分重要的意 义【3 】o 基于g i s 和遥感提供的空间数据信息，可以模拟流域非点源污染负荷及其分布状况， 并可长期预测土地管理措施对于具有多种土壤、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的 水文、泥沙和农业化学物质产量的影响，可以对我国非点源污染管理与控制提供有效的技 术支持【4 1 。 8 0 年代以来，g i s 开始与通用土壤流失方程u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ( u s l e ) 结合进 行流域土壤侵蚀量的预测和估算。至本世纪初，二者的集成被广泛地应用于土壤侵蚀的风 险评价、关键源区的识别、不同水土保持方案的模拟评价以及进行流域的管理规划等【5 1 。 相对于传统的集中式方法进行土壤侵蚀量预测，g i s 与u s l e 相结合的分布式方法由于运 用g i s 的栅格数据分析功能，可预测出每个栅格的土壤侵蚀量，便于管理者找出较为严重 的土壤侵蚀区，从而针对性地提出最佳管理措施( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ，b m p s ) ，有效 地提高了土壤侵蚀量的预测效率和结果的显示度【6 】。 1 2 非点源污染关键源区识别研究进展 1 2 1 国外研究进展 确定流域内磷流失的关键源区最有效的方法就是针对不同的农田生态系统，进行非点 源磷污染风险性评价。国外很早就认识到了非点源磷污染评价在非点源磷污染控制和管理 中的作用，并在这方面做了许多工作。p e t e r s e n ( 1 9 9 1 ) 等【7 1 建立了一个用于较大区域尺度的 农业非点源污染潜力指数系统( a p p i ：a g r i c u l t u r a lp o l l u t i o np o t e n t i a li n d e x ) ，并结合g i s 技 术来评价宾夕法尼亚州不同流域农业非点源污染发生的潜力，识别污染流失的重点发生 2 首都帅范人学硕i ：学位论义 区。a p p i 指数系统包括4 个分指数：泥沙输出指数( s p i ) 、径流指数( r i ) 、禽畜负荷指数 ( a l i ) 、化肥利用指数( c ui ) ， 同样也考虑了污染物的产生与迁移过程： a p p i i = s p ii wi + r ii w2 + a l ii w3 + c u ii w4 式中，i 为各个子流域，w 为各指标权重。s p i 采用r u s l e 模型计算土壤流失量，结 合泥沙输移率计算潜在的泥沙负荷量；r i 采用s c s c n 法计算地表径流量；a l i 根据各类 禽畜数量和负荷系数估算总负荷量；而c u i 则在农业区各类土地利用类型下，分别对潜 在的氮、磷、农药负荷量分为高、中、低、无4 个等级，将各项等级值相加获得c u i 指 数。各项分指数最终都经过标准化处理后汇总为一个综合指数，通过排序即可以圈定出 污染流失潜力较大的关键区域。 l e m u n y o n ( 1 9 9 3 ) 等【8 】在综合考虑了多因子的相互作用后，首先提出了用磷指数评价 法确定农业地区磷元素流失的风险性。建立的农田尺度磷流失综合指数按如下公式进行计 算： p i = ) - ( w i x v i ) 式中w i 为各个影响因子( 包括源因子和迁移扩散因子) 的权重，v i 为各因子的等级值。在 磷指数评价法的基础上，m a g e t t e ( 1 9 9 3 ) 【9 】有针对性地提出了磷分级方案( p h o s p h o r u sr a n k i n g s c h e m e ，p r s ) ，在地块和流域两个尺度上同时评价农业磷流失的风险性。但由于缺少必 要的数据支持，再加上尺度转换问题，磷分级方案并没有取得预期的效果。s h a r p l e y ( 1 9 9 5 ) 应用p i 在3 0 个农田子流域的研究显示，磷的流失指数等级与总磷流失量有较好的相 关性。然而应用于较大的流域时，p i 不能很恰当的反映源因子与迁移因子的共同作用造成 的实际流失对水体的影响。g b u r e k ( 1 9 9 8 ) 等【l l 】提出了“关键源区( c s a s ) ”的概念，认为农 田管理必须抓住关键源区，通过采取必要的措施，才能更有效地达到治理的目的。 g b u r e k 和s h a r p l e y ( 2 0 0 0 ) 等【1 2 1 研究发现，在一个流域所流失的磷中，有一大部分是 在几场比较大的降雨过程中从面积很小的区域中流失的，这些区域同时具备产流和较高的 土壤含磷量这两个条件。因此g b u r e k 和s h a r p l e y 1 3 1 在考虑农业区距离对磷流失潜力影响的 基础上，于2 0 0 0 年对l e m u n y o n 的评价指标体系做了的修正，将距离因子引入到磷指数法 中，使得该评价体系在流域尺度上具有较强的可操作性并提出了修正的磷指数评价方法。 源因子与迁移因子两项分别计算，避免了因缺少重要迁移因子而造成综合指数与实际流失 风险不符，将所有潜在的流失风险当成实际的流失风险。改进后的综合指数为： pi = ( w 。ix v 。i ) 兀( wt ix v “) 式中，下标s i 为源因子，t i 为迁移因子。该方法在计算方法上的改进使得磷指数评价 3 首都师范人学颂i ：学位论文 法在多因子的相互作用方面考虑得更加合理，在大流域尺度上也具有较强的可操作性。由 于该方法操作简单，所以很快在美国得到了推广使用。h u g h e s ( 2 0 0 5 ) 掣1 4 】根据磷分级方 案存在的不足，分别提出了地块尺度和流域尺度的磷流失j x l 险分级方案，并将这两种方案 运用到了爱尔兰的农业地区( 以牧草地为主) 。结果显示，这两种方案都具有识别磷流失关 键源区的能力。h u 曲e s 【1 4 j 等同时指出，作为一种评价工具，流域尺度的磷分级方案应根据 不同地区的不同条件进行修正，以反映当地的真实情况。 1 2 2 国内研究进展 我国非点源污染研究是以8 0 年代初北京、苏州、南京等城市面源污染研究为起点的， 逐渐扩大到四i i 沱江、三峡库区、天津予桥、云南滇池、广东东江等农业及各方面非点源 污染0 5 - 2 0 1 。 刘枫等学剖1 6 1 ( 1 9 8 8 ) 提出了量化识别非点源污染发生的时空规律的方法并应用于桥水 库流域。该方法和磷指数法基本相同，只是评价体系不够完善，迁移因子只考虑了土壤侵 蚀因子( u s l e 方法) 。并且很多因子的获取受当时计算机水平的限制，详细程度和精度有限。 张淑荣等【2 1j ( 2 0 0 1 ) 系统介绍了磷指数( p i ) 的评价指标体系和计算方法，率先将p i 应用于 桥水库流域磷流失的风险性【2 2 1 ( 2 0 0 3 ) 。由于资料的限制，他们并没有根据研究区的实际 情况对因子进行筛选和分级、因子的权重也没有做相应的改变，数据的现时性也较差，大 多属于8 0 年代，如土壤有效磷含量数据来自8 0 年代河北省全国第二次土壤普查。时亚楼 等【2 3 】( 2 0 0 5 ) 在巢湖流域( 面积为1 3 3 3 4 9 k m 2 ) 建立了农业非点源磷污染高负荷区识别的 架构，并根据巢湖流域的区域特点给出了相关因子的计算方法，对流域磷流失关键源区进 行了初步识别。 李琪等2 4 1 ( 2 0 0 7 ) 在h u g h e s 等的流域尺度磷分级方案的基础上，提出了修正的流域 尺度磷分级方案，并运用到官厅水库上游妫水河农耕区的磷元素风险性评价。提出的新方 案中包括8 个评价因子，每个因子都有3 个磷流失风险性等级，各评价因子均确定了定量分 析方法。在妫水河农耕区，在g i s 的帮助下得到了整个研究区内的非点源磷流失的风险性 评价图，并根据磷流失关键源区的分布特点提出了相应的控制措施。新方案注重定量分析， 并加强了与g i s 、地统计学等技术的结合，不但增强了它的评价能力，还可以直观地显示出 评价结果，具有很强的实用性。 由于区域的土壤、气候等地理特征和管理政策的差异，识别体系因子的选择及相应等 级的确定都有不同。因此，迫切需要在全国不同地区不同尺度的流域开展这方面的研究， 4 河都师范人学硕? i j 学位论义 识别农业非点源磷污染的高负荷区，为流域水污染治理提供科学依据和针对性的调控措 施。 1 3 研究内容与方法 1 3 1 研究内容 1 ) 流域农业非点源污染基础数据库的建立 2 ) 基于潮河流域的修正磷指数体系的建立及因子取值? 3 ) 影响因子的空间特征分析和关键源区的识别 4 ) 相应的b m p s 提出和效果预测 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 资料统计 水文、地形、气象、社会经济情况等资料通过收集资料统计分析获得。 ( 2 ) g i s 技术的应用 本研究以g i s 为基础平台，获取相关数据，得到最终结果其中涉及到矢栅转化，d e m 的建立，坡度和坡向数据的获得，空间插值分析，空间叠加分析，专题图生成等 ( 3 ) 在综合分析研究流域自然、社会和经济等现状的基础上，选出影响农业非点源磷流 失的主要因子，建立识别农业非点源磷污染高风险区的修正磷指数体系。在g i s 支持下， 以2 5 m x 2 5 m 栅格为研究单元，生成识别体系中各因子的栅格图，确定因子权重，划分因 子等级，将各因子按等级标准化，然后根据式1 1 对各栅格磷污染的发生风险进行量化； pi = ( w ix vi ) 丌( w jx v j ) ( 1 1 ) 式中，wr 源因子评价指标i 相应的等级分值； v i 一因子评价指标i 相应的权重； w i 一迁移因子评价指标j 相应的等级分值； v i _ 迁移因子评价指标j 相应的权重。 1 3 3 技术路线 库 研究步骤为： 1 ) 收集研究区背景资料及现场实测资料、数据，建立流域农业非点源污染基础数据 5 首都帅；! i ：f 人学硕i j 学位论义 2 ) 根据研究区特征筛选、确定与非点源污染物流失关系最密切的因子作为评价指标， 建立源因子、迁移因子指标体系，根据各个指标的调查资料确定权重与等级值。 3 ) 输出流域非点源污染物流失风险指数图，圈定污染发生的关键源区与高负荷区。 4 ) 流域非点源污染控制措施效果预测 图1 1技术路线 6 首都师范人学坝i j 学位论义 第二章流域非点源污染基础数据库的建立 2 1 研究区域概况 2 1 1 研究区域范围 潮河流域位于河北省承德市西部密云水库上游，地处内蒙古高原与燕山地槽的地质过 渡带，属潮白蓟运河水系，发源于丰宁县上黄旗镇哈拉海沟分水岭，承德境内河段长为 1 8 5 5 k m ，流域面积4 7 8 7 3 9 k m 2 ，平均坡降0 5 7 ，流经丰宁县、滦平县两县后出境汇入密云水 库。研究区域涉及丰宁、滦平和密云三县共2 4 乡镇3 1 2 个行政村。地理位置介于东经 11 6 0 8 7 1 7 0 3 4 ，北纬4 0 0 2 0 一1 0 2 7 之间( 图2 1 ) 。 2 1 2 研究区域概述 2 1 2 1 自然条件 图2 1 研究区域 研究区内的阴山余脉和燕山山脉横贯流域南北，山峦叠嶂、群峰兀立、悬崖峭壁、沟 7 首都师范人学颂i ：学位论义 壑纵横，山地面积占总面积的8 5 以上。区内地势西北高东南低，海拔高度在1 5 0 - - 1 8 0 0 米之间，山体坡度多在1 5 0 1 4 0 之间，北部为土石山区，南部山高谷深，属石质山区。地 貌类型包含中山、低山、丘陵和谷地。 潮河流域气候类型属寒温带向暖温带过渡、半干旱向半湿润过渡的大陆性季风气候， 具有四季分明、干湿显著、雨热同季的特点。流域内太阳光能总量为1 2 9 1 3 5 千卡平方厘 米，年实际日照数为2 6 0 0 , - , 3 1 0 0 小时，多年平均气温7 3 1 0 3 ，有效积温2 2 0 0 - - - 3 5 0 0 ， 年无霜期8 0 m 6 0 天。 潮河流域多年平均降水量约4 7 0 - 一7 3 l m m ，其分布特点是西北部偏少，平均为4 1 5 m m ， 东南部偏多，平均为7 9 7 1 m m 。降水主要集中在汛期6 9 月，占全年降水总量的6 4 - - , 8 9 。 每年发生较大范围的同降雨量超过5 0 m m 的3 5 次，局部地区短时暴雨每年出现5 7 次。 这种雨型尽管一次性雨量不大，但强度大，极易造成严重水土流失或泥石流灾害。潮河是 区内主要河流，发源于丰宁县黄旗乡哈拉海沟，经丰宁、滦平流入密云水库，境内干流长 1 5 7 公里。流域内最大径流量主要集中在7 月下旬至8 月中旬，7 1 0 月径流量占全年径流 量的7 0 。 潮河流域土壤分为七种类型：主要土类是棕壤和褐土，占总面积的8 0 以上，其次为 潮土、草甸土和风沙土等。棕壤：南部分布在6 0 0 米以上，北部分布在8 0 0 米以上的较高 山地，褐土多分布在山麓和坡脚。土壤矿物质含量较为丰富，有机质含量在l 5 。研究 区处于华北针阔叶混交林为主的乔灌草植被带内，分为4 个植被带：山地草甸植被，分布 在海拔1 7 0 0 米左右的高原区和中山顶部；针阔叶混交林、灌木和草本植物带，自北向南 分布在海拔6 0 0 - - , 1 0 0 0 米以上的山地；旱生阔叶林、灌木和草本植物带，分布在6 0 0 米以 下的低山丘陵区；草甸植被带，分布在河谷地带。天然林有桦、柞、山杨等树种。人工林 主要有杨、榆、刺槐、落叶松、油松及干鲜果树。灌木主要有榛、胡枝子、绣线菊、山杏； 草类为茅草、黄背草、蒿属等；农作物主要品种为玉米、谷子、小麦、稻谷、莜麦、荞麦。 流域林草覆盖率为2 4 3 。 2 1 2 2 社会经济 区内经济状况落后，社会生产力低下，丰宁和滦平两县目前仍是国家级贫困县。两个 县均处在经济发展的初期，都在以较快的速度发展当地经济。由于地处京郊，首都北京市 场的巨大需求直接拉动了当地的禽畜饲养产业，因此当地政府大力宣传发展畜禽养殖业对 于提高农业比较优势，促进农民收入提高的重要性，认为发展畜禽养殖业是实施农业结构 8 首都师范人学顾i ：学位论文 战略性调整的关键所在。近几年来，本区居民积极响应号召，在发展传统农业的同时，大 力发展畜禽养殖业，据不完全调查，目前潮河流域有规模化的养殖基地1 0 个，主要分布在 上游的滦平县和丰宁县。丰宁县的奶牛养殖基本上是一个比较集中的区域内分户饲养。滦 平县近年来也加大了畜牧养殖业的投入目前巴克什营镇正在筹建一个占地2 1 3 亩，设计 2 0 0 0 头的大型养殖场，在两间房乡筹建另一个2 0 0 头的奶牛养殖场。此外各县乡镇捐j 有一 些规模较小和分散的养殖场和养殖户，数量众多，位置难于一一统计。本区农业结构以粮 食种植为主，主要的粮食作物有玉米、水稻、高粱、谷子、大豆等，经济类作物有花生、 芝麻、烟草等。工业基础相对薄弱，工业及乡镇企业仍很落后，目前的乡镇企业主要是一 些铁矿石的开采及精选。当地农副产品加工为主的乡镇企业很少。潮河流域三县2 0 0 5 年与 上世纪五十年代初的数字相比，人口从1 7 万人增加到3 7 万人，年递增1 4 2 0 ，人口密度从 2 8 人平方公罩增加到6 0 5 人平方公里；农业人均耕地从0 3 公顷减少n o 1 2 公顷。研究区涉 及的2 4 个乡镇的g d p 为9 2 4 2 8 万元。人均g d p 为2 4 9 8 元；总纯收入4 6 0 1 3 万元，人均纯收入 1 2 4 3 元。 2 2 流域基础数据库的建立 本研究以g i s 技术为手段，对潮河流域的非点源污染现状进行研究，力图建立一个包 含非点源污染信息的数据库( 见表2 1 ，2 2 ) 。流域数据库用美国e r s i 公司开发的 a r c g i s 9 0 软件作为g i s 平台。a r c g i s 是一个功能强大、易于使用的桌面g i s 系统，可 存储、修改、查询、分析和显示各种空间信息和属性信息。在数据的组织形式上，数据库 包含的数据可以分成两大类，即用来描述流域景观分异性的空间数据和用来表征流域物质 差异的属性数据。空间数据的形式主要是各类g i s 电子图层，属性数据主要由各类表、文 本文件组成。流域基础数据库的建立也就是基于这两类数据形式，地图的制备、修改、存 储都由a r c g i s 软件来完成，属性数据则依靠a c c e s s 关系数据库软件来操作和管理。 表2 1 潮河流域空间数据数据清单 9 首都师范人学倾i ：学位论文 表2 2 潮河流域属性数据数据清单 2 2 1 空间数据的组织 2 2 1 1 地图投影和坐标变换 由于涉及空间形态的多类图层，为了方便对图层的统一管理和综合应用，必须要将所 有图层转换到统一的地理坐标系和地图投影中。按照s w a t 模型的需要，将经纬度坐标转 化为大地坐标( 米) ，为保证投影变换后较高的面积真实性，因此选择了a l b e r s 等积圆锥 投影进行图层的投影变换，该投影在本研究区域上的具体参数如下： 地图投影类型： 坐标单位： 参考椭球体： 第一标准纬线： 第二标准纬线： 中央经线： 投影初始经线： a l b e r s 等积圆锥投影 米 k r a s o v s k y 4 0 0 2 9 5 5 8 7 0 8 ” 4 0 0 4 4 2 0 6 016 ” 1 17 0 0 0 0 0 0 ” o o o 0 0 0 0 ” 本文提到的以下所有g i s 图层和图像都是经过该投影变换和坐标转换后的相应图形。 2 2 1 2 图层格式类型 本数据库中的图层格式为g r d 和s h p ，即栅格类型和分点、线、面的矢量类型图，其中 d e m 为栅格图，而土壤类型图、土地利用类型图、流域边界、流域水系、流域子流域和气 象站点的定位图则分别为为面型矢量图、线型矢量图和点型矢量图。在a r c g i s 的帮助下， 可以进行两种格式图形的相互转换。 1 0 竹挪帅池人学ml 。学位论卫 2 2 1 3 地形信息图层的制备 数据源；数字高程模型( d e m ) 山j ：非点源污染的发生和程上堑j 流域的地表特征及水文循环有着密切的联系，而数字 高稃模型( d e m ) 能够反映一定分 9 f 率的局部地形特扯，冈此通过d e mi u 提取人量的地 表形忐信息，这些信息包含流域叫恪啦元的坡度、坡阳、籼糙程度以及单兀格之间的关系 等，川时根据一定的算法可以确定地袁水流路径、河流网络和流域的边界、河流比降及长 度，这卅j 流域的非点源污染研究_ 以提供必要的流域地形和水文特征基础数据。 本文基于首都师范大学资环学院提供的比例尺为1 ：2 5 0 0 0 0 国家基础地理数据巾的数 字等高线通过利用a r c g l s 软件生成d e m ，栅格人小为2 5 m * 2 5 m ， 此前研究普遍认为被高樱较高的区域田绕的律地是使用d e m 进行水立分析的 犬障 碍，因为这些待地的存在会阻碍自然水流朝流域出口的流动。因此在d e m 水系特征提取 之前要先进行“琐沣”预处理，本论文使用a r c g i s 90 的f i l ls i n k 程序，它可以对每一个格网 点进行搜索找出凹陷点并使其高程等于周围点的最小高程值，用此类方法对原d e m 中 存在的沣地及沣地区域进行填平，最后 导到一个与原d e m 对应的“无洼地”的d e m 图件( 罔 22 ) 罐 2 2 1 4 专题信息图层的制备 j 蕊 图2 , 2 研究区数字高程模型( d e m ) 珈 碰帅 翟一 n 揶m “ 干j 学位论i ( 1 ) 上壤类型罔 由于f ：壤成上时间k ，土壤类型卡要取决于成土矸赝和成j ：环境，川埘而r h ，流域的 土壤存一段时问内不会发生较大改变。本研究所用土壤数据库来源于中国科学院地王f | ! 科学 与贽源研究所资源环境数抛中心，此数据库根据伞田十壤普盘办公室1 9 9 5 年编制并出版的 1 ：1 0 0 ) j 中华人民共和幽土壤幽，采用了传统的“上壤发生分类”系统，基本制图单元 为亚炎( 图23 ) ，图例只列出部分土壤业类名称。 图2 3 研究区不同土壤类型 本区内的土壤主要有旧大类：褐土、棕壤、草甸土、栗钙土等。其中以褐土分布最广， 般分布在1 5 0 - 6 0 0 米的低山、丘陵地带，占流域总面积的6 0 以上，其次是棕壤，在6 0 0 7 0 0 米的低河( 阴坡) 直到2 2 9 3 米的中低山上都有分布，占流域面积的3 0 左右。草甸土 主要分布在潮河河各地带，是人工植被为主的耕作土壤。栗钙土主要分布在北部，另外还 有一部分黄土层分布。 土壤垂直分布明显自高而低依次为：山地草甸土，山地棕壤，栩骨性棕壤，淋溶褐 土，粗骨性淋溶褐土。各土类在流域内所占面积见表23 n 自；帅越 举吼i 学n 皓i 袁23 研究r 各类上壤所r 面积比例 2 ) 十地利用图 由十该地区的纾济落后，人u 干h 对较少，上地利用在段时怕j 内变化报小。冈此率文 采2 0 0 0 年土地利用作为研究基础。该数据米自于叶1 国科学院资源环境科学数据巾心， 根据l a n d s a t t m e t m 影像解泽的全国l ：1 0 f 地覆被数据和流域边界切割，得到下罔 蘸骥 l i 1 1 0 ” 2 1 1 1 。1 1 。_ 图24 研究区土地利用类型 黧翥鬟要冀麓篓荔一 h p 7 j 3 3 2 2 2 2 l l 0 o o 0 0 玎鄙帅范人学f 呗i j 学位论义 本区土地利用突出表现为林地在各类土地利用方式中所占的而积最大，而农地较少。 为了便于后续研究将本区的士地利用类型详细分成1 9 类：甲原水 h 、jj f 地水田、jjj 地旱 地、平原旱h 、丘陵旱f h 、有林地、灌木林、疏林地、果园、低覆盖草地、中覆盖草地、 高覆盖草地、水库坑塘、滩地、城镇用地、农村居民地、未利用地、裸地、沙地。 ( 3 ) 流域水系和子流域图 本文利用a r c g i s 的水文分析模块和无沣d e m 生成流域的水系，并在此基础上生成 子流域( 图2 5 ) 。 2 2 2 属性数据的组织 2 2 2 1 气象数据 图2 5 研究区水系与子流域 本文收集潮河流域水文及雨量站点1 9 6 1 至2 0 0 2 年同降雨量数据，各水文站点名称及 经纬度如表2 4 所示。因各站点建站时间不同，各站点f i 降雨量数据的时间序列不尽相同， 大部分数据为1 9 6 1 - - 2 0 0 2 年，分析过程中数据不足站点用相邻或相近站点监测数据替代。 1 4 首告| ；帅范人学硕i j 学位论义 表2 4 潮河流域水文雨量站点定位 2 2 2 2 土壤数据 土壤是流域非点源污染贡献的主要源，本文建立的土壤属性数据主要包括两大类：土 壤物理属性数据和土壤化学属性数据。土壤物理属性决定了土壤剖面中水和气的运动情 况；土壤化学属性则决定着土壤中营养物质的赋存状态和丰度。其中物理属性数据主要包 括土壤质地、有机质含量、p h 、等：化学属性主要包括全氮、全磷、全钾等。如下表2 5 表2 5 研究区土壤类型的部分理化性质1 2 5 亚类名称 土壤质地有机质( ) p h h 2 0 全氮1 0 o ) 全磷( )全钾( ) 棕壤 褐土 淋溶褐士 石灰性褐土 暗栗钙土 砂质壤 土 砂粘壤 土 砂质壤 土 砂质壤 土 砂质壤 土 草原风沙土砂土 钙质粗骨土砂粘士 6 1 9 o 8 2 2 3 9 1 0 9 3 3 4 0 1 8 5 6 8 6 1 3 8 3 5 7 2 0 8 4 0 8 o o 7 9 0 8 o o 1 5 0 1 4 2 0 0 4 9 0 1 2 0 0 0 9 5 0 1 6 5 0 o l l 0 3 1 2 0 0 4 2 0 0 3 3 0 0 2 0 0 0 5 6 0 0 4 0 0 0 1 8 0 2 9 2 2 1 9 1 9 8 1 0 2 2 1 8 1 8 l 1 4 4 2 1 4 首都帅范人学顾1 ：学位论文 潮十粘壤十 1 3 38 0 6 0 2 0 2 0 0 6 8 1 8 0 2 2 2 3 流域社会经济数据 1 ) 人口状况 潮河流域内各区县人口分布情况属性表如下 2 5 - 3 1 】 表2 6 研究区人口状况 2 ) 农业发展状况 密云水库上游流域的丰宁、滦平等县经济发展速度慢。由于受自然地理条件的制约， 农业生产的发展受到一定限制。特别是流域中上游，无霜期为9 0 - - - 1 3 0 天，加之各类自然 灾害，致使农业生产发展缓慢。畜牧业的发展形式比