（环境科学专业论文）基于gis的石头口门水库流域农业非点源污染研究.pdf

a b s t r a c t s i i l c ct h ep o i n ts o u r c ep o n u t i o h a sb e e nc o n t r o u e ds u o c e s s f i l u v ，t h ei n n u e n c eo ft h e n o n p o i n ts o u r c e ( n p s ) p o u u t i o nt ot h ee n v i m n m e th a sb e c nf e v e a l e df o ri t ss c r i o u sh a 珊， h a r dt 0c 衄t r o l ，e x t e n s i t ya n dl l i l c e r t a j n t y ，a n do eo ft h em o s ts e i i o u sa m o n gt h e mi sm r a l n o n p o m ts o u r c ew h i c hb e c o m et h em a i ns o u r c eo fd a m a 嘶gt h ew a t e r 日u a l i t v a st l l e i l i 劬g e na n dp h o s p h o r u sf r o m 埘以n p sp o l l u n o na r es i 印i f ! i c a n ti m p o r t a n tf a c t o r sf o rw a t e r e n v 主r 0 吼e n td e t e r i o f a t j o na i l dl a j l d s c a p e 舶舯e n to f b a s i n ，t h ep r o b l e m so fc o n t r o l l i d gn p s i nw a t e r s h e dha _ v eb e e nf b c m s e di nt l l ew o r l d b a s e do ns u m m a r i z i n gt h el i t e 翔t l l r ed o m e s t i ca n da b m a do nn p sp o l l u t i o ns t u d v t h e p a p e ra j i nt oq u a i l t i f yt l l ep 0 1 l u t a j l ta l l dt h ep c n i n c n c ea n a l y z i d gb e 耐e c nn p sp o l l u t i o na n d m el a n d s c a p e sh e t e r o g c n e i t y f o c u s i n go ns h i t o u k o u m e nr c s e o i ru pr e a c h ，w h i c hs u p p l i c s d l i n l 【i n gw a t e rf o rc h a n g c h u nc i t ya l l dh 盯d l yb es t u d i e d ，t h ec o n t e n do fs t u d yi sa sf o l l o w s 1 c o m b i i l i n gg i st e c h n 0 1 0 舀e s ，l o c a l ei l l v e s t i g a t i o na i l dm en l n o f ! fe x p e r i l l l c n tf o r m e a s u r 主gt h ec o n c e n t r a t j o no fp o u u t 锄t ，a d 叩t i n gu s u 硼n j v e r s a is o i jl 0 s se q u a t i 叩) 趣d s c s ( t h er a i n - n l n o f fm o d d 茧r o ms o i lc o n s e 押a t i o ns e n r i c eu s a ) ，q u a n t i f y i i l gt l l es o i l 啪s i o n m o d u l u s ，m n o 皿n i t r o g c n 卸dp h o s p h o n l sf i d mn p s 2 a sf o rt a l ( i n gt h e1 趾d s c a p e 锄a l y s i sm e t h o d ，f 抽t l ys e l e c t i 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0 1 l u t i o nl o a d ，距dt h e s o i lc r o s i o n1 0 a dw 雒2 7 0 5 1 1 5 t ，n 量n o 丘w a s1 1 4 6 9 1 8 4 x1 0 4 m 3 ，a v e r a 窟ee r o s i o nm o d u l u sw a s 5 0 8 1 伽2 a ，t h es t a t u so fs o i le r o s i o nw 弱p r e f e r a b lv 2 t h ed i t ac a l c u l a t e db ym e a nc 0 n c c n t r a t i o nm e t h o di i lt h ew a t c r s h e ds h o w st h eo u t p u t o fs 0 1 u b l en ，p a n i c i l l a t en ，s o l u b l e 只p a n i c l l l a t epw a r c3 4 0 2 5 9 5k g a 、4 7 1 7 8 9 6k g ，a 、 2 3 4 1 9 7 1k g a 、4 2 8 6 4 5 6k ar e s p e c t i v e ly s ot h em a i nl o s sf o n i lo f n i t f o g e ni ss o i u b l e ，b y c o n t m s tp h o s p h o n l si sp a n i c u l a t e 3 t h r o u g hc o r r e l a i o na n a l y s i so fp o l l u t a n t 如w a t e r s o 主lb y1 0 c a le x p 喇m e n ta n d 1 a i l d s c 印ep a t t e mi n d e xi nd u j i a l a g ea n dj i a 自i a 1 l a g eb a s i ni i ls h u a l l g y a n gr i v e r w a t e r s h e d ，t h ed i m r e n tl a n d u s et y p e sw e ”s i g n i f i c a n tf o rt h em r a ln p sp o l l u t i o n k e yw o r d s ：n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ；w a t e re i l v i r o n m e n t ；m 0 d e l i n g ；h e t e r o g e n e i t y l a n d s c a p e ；k m d u s e ；g i s ；u s l e ；s c s i i 独仓q 性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师 范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：盘盘日期： 趔堑宙生西 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 盘建 指导教师签名： 日期：冽：丝日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 立乎 矽s f 电话： 邮编： 引言 湖泊污染和富营养化是人为加速湖泊死亡的重要因素，湖泊的污染防治和富营养化 问题目前是世界各国十分关注的环境问题。引起湖泊污染和富营养化的原因是多方面 的，以固定污染源排放口排放的污染物和营养盐都可进行量化，是以往人们关注的；但 是以地表漫流，土壤侵蚀，随降水( 特别是暴雨) 进入湖体的污染物及各营养盐是难以量 化，并且模型复杂，参数众多，并需一定实验进行验证。 石头口门水库位于我国东北吉林省，是长春市的饮用水源地之一。但近2 0 年来， 湖泊的污染和富营养化加剧引起人们关注，也直接影响了下游人们的生存和发展。通过 对污染源的实地调查，发现农业非点源污染是造成石头口门水库污染的主要原因，非点 源污染主要来源依次为畜禽养殖、农用化肥、农药、生活污水等的污染排放。 本文以石头口门水库流域为农业非点源污染研究对象，探讨如何在现有的资料数据 条件下对农业区非点源污染年负荷量进行模拟估算，进而为流域环境规划与管理，制定 可持续发展策略提供依据。论文借助g i s 技术、模型分析，运用水文分析方法，采纳乎 均浓度法对石头口门水库流域非点源年负荷量进行估算，并且对异质景观的非点源污染 特征进行分析，探讨了不同土地利用类型组合条件下非点源污染物的流失状况和形成机 理，为评价和控制农业非点源污染提供了科学的依据。 第一章农业非点源污染研究概况 一、非点源污染的基本概况 ( 一) 非点源污染的概念 随着人类经济活动的不断加剧，水环境污染己成为全球性问题。传统上按照污染的 发生类型，把水环境污染源分成点源和非点源。非点源污染是相对于点源污染而言的， 它是指在较大范围内，在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，大气、地面和土壤中的污染物 通过地表径流进入地表水和地下水，并在水体大量富集从而导致的水环境污染。主要污 染源包括农田灌溉、农田和森林径流、非限制性牧场和牧地、未进入下水道的城市径流、 废弃的矿山、大气的沉降以及可能产生污染的生产活动如森林砍伐、水利建设、土地开 发。非点源污染与流域降雨过程密切相关，受流域水文循环过程的影响和支配，非点源 污染的发生具有随机性，污染物的来源和排放点不固定，污染负荷的时间和空间变化幅 度大，监测、控制和处理困难而复杂。【1 4 】 在发达国家，由于基本上实现了对工业点源污染的有效治理，非点源的营养物已成 为水环境的最大污染。非点源污染物质包括泥沙、细菌、营养盐、重金属和有机物等， 其中氮磷营养盐是引起水体富营养化的主要原因。大量的污染物直接进入水体，引起水 体的富营养化，破坏水生生物的生存环境，降低河流、湖泊和河口的旅游价值和储水能 力，引起排灌渠道堵塞和淤积，造成土壤生产潜力和水质下降。根据1 9 8 5 年美国水土 保持基金会调查，美国江河中7 3 的b o d ，9 2 的悬浮泥沙和8 3 的细菌均来自非点 源污染物。l ”j ( 二) 非点源污染的类型 在非点源污染引起的各种水问题中，在不同地区起主导作用的污染源类型不同。根 据污染物的来源不同，非点源污染可分为农业化肥农药污染、农村牲畜粪便污染、城市 径流污染、林区非点源污染、矿区建筑工地非点源污染以及其他污染源。不同土地利用 类型的非点源污染负荷也明显不同。呻l 二、研究进展 ( 一) 研究内容 目前，随着点源污染有效控制，非点源污染成为主要的污染形式，对环境造成河道 与水库淤积、水体污浊、湖泊富营养化、近海赤潮等影响。非点源污染最终也是最直接 的危害对象主要是水体。就所有来源来看最主要的非点源污染是农业非点源污染。农业 非点源污染是指人们在从事农业耕作活动时，由于使用化肥、农药、以及农田水土流失 而引起的受纳水体( 如河流、湖泊、水库、海湾等) 的污染。其主要的污染物质是氮、磷 营养元素。在丹麦2 7 0 条河流中9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷是来自于非点源污染：荷 兰来自于农业非点源污染的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 5 0 。我 国地表水的非点源污染也占很大比重，湖泊的氮磷5 0 以上来自于农业非点源污染，如 太湖，农业非点源氮量占入湖总氮量的7 7 ，磷占3 3 4 。所以研究最多的也就着眼于 氮、磷营养元素。 农业非点源污染的形成主要有以下几个过程组成，即降雨径流形成过程，土壤侵蚀 和泥沙输移过程，污染物转化过程，这三个过程相互联系相互作用。降雨径流过程是造 成非点源污染物输出的主要动力，在非点源污染研究中，大多以水文学为基础，重点研 究径流的产流汇流特征，揭示农业非点源污染的形成规律。具有代表性的美国水土保持 局提出的s c s 法，由于考虑了下垫面( 土壤、植被和人类活动) 性质对产流的影响，被广 泛用于非点源污染的研究。我国学者在研究农业非点源污染过程中提出蓄满产流、超渗 产流理论。土壤侵蚀和泥沙输移过程是非点源污染研究的重要内容。因为泥沙本身不仅 是一种重要的非点源污染物，而且它还能吸附或携带许多其他污染物。美国在6 0 年代 提出的u s l e 及后来r u s l e ，有助于定量化预报流域内土壤流失情况。近几年又提出 w e p p ，与过去的研究相比，w e p p 更注重流失过程和迁移机理。用于确定污染物在径 流形成中的转化和输移过程，是整个研究的核心内容。国内外学者在这方面做了有益的 探索，并提出了相应的理论和概念。p 4 副 ( 二) 国外研究进展 国外发达国家在7 0 年代初期开始全面认识和研究非点源污染，但当时进行的非点 源污染研究仅是在非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方 面的初步研究。同期建立的通用土壤流失方程( u s l e ) ，被广泛地用于农业菲点源污染研 究，这为今后全面研究非点源污染打下了良好的基础。1 9 7 2 年美国水污染控制法修正 案的制定标志着非点源污染研究的重大转折。这项法案明确规定，在制定水污染防治 规划时，必须同时包括点源和非点源防治规划。这项法案极大促进了美国非点源污染研 究的开展，同年美国选择了近千个典型的非点源污染流域，在全国范围内进行了富营养 化调查，并建立了一种利用流域特征来估算水体营养水平的定量化方法。 7 0 年代中期非点源研究有了很大进展。影响因素和宏观特征研究由相关因素分析和 时空分异分析转向与非点源污染控制密切相关的主控因子和源区空间分析。同时有关污 染物的迁移和转化规律也有初步进展，许多数学模型相继问世。主要的非点源数学模型 有：s t o r m ，a c l m o ，u 州d r u n 。这些模型大都以水文数学模型为基础，适用于小 尺度的流域范围，大范围推广的应用价值不大。在非点源污染管理方面，这个时期逐步 形成和使用了最佳管理措旌( b m p s ) 。 8 0 年代以来，非点源污染的基础研究涉及的地域更广、类型也更多样，因素分析和 污染物迁移机理研究更加深入。非点源污染模型研究向实用方向发展，重点放在如何把 已有模型广泛应用于非点源污染控制和管理，并注重经济效益的分析。这时期提出的 代表性模型有：a n s w e r s ，a 也舢订s ，a g n p s ，e u r 0 s e m ，w e p p 。这些模型能精 确地描述，但模型的空间分析能力有限，不能在流域尺度上精确描述土壤侵蚀的空间变 化。随着计算机技术的发展和进步，遥感技术、g i s 、c a d 与非点源污染模型相结合， 广泛应用于非点源污染预测和非点源污染影响评价上。【1 4 4 8 】 利用g i s 与非点源污染模型的集成对研究区域进行降雨一径流、土壤侵蚀、溶质迁 移的连续模拟，估算污染负荷，确定关键的污染集水区，并与控制管理措施结合，成为 g i s 应用的中心，也是今后非点源污染的重要研究内容。在流域尺度上使用通用土壤流 失方程和g i s 技术，是国外非点源污染控错0 规划中经常采用的手段之一，这种方法实际 上一个空间信息与属性信息的交叉系统，用于评估在不同土地利用措施下非点源污染的 危害。 近年来模拟进入地下水的污染物的迁移、转化过程成为非点源污染的研究重点，地 下水的反补给也被列为地表水源的重要非点源。美国水土保持局在对过去非点源污染模 型的应用经验进行总结的基础上，修改了通用土壤流失模型，1 9 9 5 年发布了坡面版和流 域版的w e p p ，大大促进了非点源污染的研究。 ( 三) 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，逐渐扩大到四川沱江、三峡库区、天津于桥、云南滇池、广东东江等农业及各方面 非点源污染。【1 9 - 2 4 】 以实地监测降雨径流的水质、水量为基础，应用水文模型或其他相关模型来模拟和 估算非点源污染物的负荷量，这是国内研究的最基本方法。这对于划定研究范围、辨识 污染区及主要污染物、从而确定非点源污染对于水环境污染的贡献率，提出管理和控制 措施都是非常重要的。从7 0 年代初开始，把整个流域划分为着干个试验小区同步采样， 从实地描述自然地理因素，到应用3 s 技术，研究手段有了长足的进步，研究方法仍是 以实测模拟一估算一判定为顺序的。 在非点源污染研究的系列工作中，污染物负荷量的估算非常重要，但难度又较大。 难度主要来自于区域自然地理环境的多样性、污染物迁移转化的可变性和选用模型与实 际情况的拟合性。因此，成为研究的重点和关键。在我国用g i s 与简单模型结合进行土 壤侵蚀模拟，也取得了很大的进展。 非点源污染的控制和管理主要是通过采取各种“最佳管理措施”来实现。其中通过 优化土地利用格局，在源头减少非点源污染物的产生，在污染物运移过程中进行拦截并 促进其向无害形态的转化，是非常经济而有效的控制措施，在国内也已经得到了十分广 泛的应用。 景观格局变化对养分等非点源污染物发生、迁移和转化的影响主要表现在土地利用 和土地覆被的变化引起生态系统物质和能量流动过程的变化。与自然景观相比，人工景 观的有序度高而稳定性较低，必需人为地输入大量负熵。通过优化景观格局，在城市和 农田等人工系统为基质的景观中增加自然斑块和廊道，可以提高人工景观的稳定性和自 我调节能力，从而使生态系统的抗逆能力和内部物质循环增强，负熵输入f 如农田生态 系统的化肥、农药等) 可以大大减少，这样也就在很大程度上减轻了非点源污染物的源 4 强。【2 5 3 0 】 三、本文的研究内容与方法 非点源污染物负荷量的估算是其有效控制的前提。目前非点源污染负荷的定量估算 方法主要有两种：一种是通过对非点源污染物输出的迁移过程模拟，估算污染物的输出 量，这种非点源污染负荷模型具有较高的精度，但对基础数据、技术手段等的要求较高； 另一种则不考虑污染物迁移过程，通过对受纳水体的水质分析，依据影响因子，得出非 点源污染物输出量的统计模型，这类模型发展较快，己有广泛应用。 非点源污染研究是多学科的有机结合，本论文的主要研究思路即以环境地理学、水 文学、土壤学、水土保持学和地理信息系统等学科的原理与方法相结合，研究一个复杂 自然地理区域与强烈人为活动相藕合的空间中，土壤侵蚀与非点源污染物形成和输出的 状态，达到区域质量评价和污染发生预测的目的。研究内容如下： 1 对石头口门水库流域地学特征、水文特征、对土壤植被及土地利用、耕作方式和 经人为扰动等各种因素进季亍实地调研，结合航拍、卫片判读，划分不同类型，剥用g i s 手段对非点源污染进行量化； 2 选择土地利用类型差异显著的区域作为实验小区，对其降雨前后流域出口处的水 质及其代表样地的土壤进行污染监测，得到实测的非点源污染负荷数据，分析非点源来 源及其土地利用类型合理布局，达到有效控制农业非点源污染发生的目的。 一、自然环境 第二章流域概况 ( 一) 地理位置 长春市石头口门水库始建于1 9 5 8 年，1 9 6 5 年全部竣工，位于吉林省中部，第二松 花江支流饮马河中游，坝址在九台市西营城镇石头口门屯西北5 0 0 米处。距九台市3 0 公里，距长春市3 5 公里。水库在永吉县官厅乡和万昌乡、双阳县四家乡、九台市波泥 河乡、西营城镇和放牛沟镇的环抱之中。是一座以防洪除涝、城市供水、农田灌溉为主， 结合发电、养鱼、旅游等综合利用的大型水利枢纽工程，防洪标准为五百年一遇洪水设 计，万年一遇洪水校核，为九台、德惠等市的重要防洪屏障。总库容1 2 7 7 亿立方米， 兴利库容3 8 4 亿立方米，设计年供水量1 8 3 亿立方米，是长春市主要水源地之一。 本研究主要针对石头口门水库的上游入库流域，水库上游有饮马河支流岔路河和双 阳河注入水库。研究区位于4 2 0 5 9 “。3 n ，1 2 5 。2 2 一1 2 6 。3 1 e 。总面积4 9 7 1 6 9 3l ( i n 2 。 石头口门水库位置见图2 1 。 翻2 1 石头口门水库地理像鼍 ( 二) 地貌特点 石头口门流域处于丘陵地带，地势南高北低，大部分地方海拔高度在2 6 0 一4 3 0 m ，平 均海拔4 1 8 m 。阶地、坡地和沟谷土层较厚，特别是在阶地、河漫滩等部位的地块较大， 有一定的水源保证，适宜农作物生长，有较大的开发潜力。 6 ( 三) 气候资源 本地区气候属于北温带半湿润大陆性气候，冬季寒冷且漫长，夏短而干热，四季分 明，年平均气温为4 8 ，年平均气压为9 8 6 6 m p a ，年平均湿度为6 5 ，年平均降雨量 6 5 0 m m ，时空分布不均，局部暴雨频繁。降雨主要集中在6 、7 、8 三个月份。年日照时 数2 6 8 8 h 。年平均风速为3 6 1 1 1 s ，全年主导风向西南风，年平均无霜期1 4 5 天，早霜始 于9 月上旬，霜冻可延续到次年5 月中旬。年平均日照时数为2 6 4 3 小时，冻土厚度 1 6 1 8 m 。 ( 四) 水量及水质资源 石头口门水库是一座以防洪除涝为主，结合灌溉、发电、养鱼等综合利用的大型水 库，均质坝，坝长“5 米，坝高2 1 5 米。1 9 7 7 年开始承担向长春市供水任务。1 9 8 7 年 安全加固后，设计标准五百年遇洪水设计，万年一遇洪水校核。目前石头口门水库水 位为1 8 3 4 6 米，蓄水量为6 9 0 0 万立方米，死库容以上水量已达2 7 0 0 万立方米。总库容 1 2 7 7 亿立方米，日平均向长春市城区供水7 0 万立方米，占长春市全部城市用水的8 0 。 近些年来，水质下降，据长春市环保局监测资料，影响石头口门水库水质状况的主 要污染物是总磷、总氮，超标率均为6 6 7 ，2 0 0 4 年均值分别超标0 7 0 倍和0 5 6 倍( 见 表2 1 1 ，其他各项监测指标均符合标准。通过对污染源的实地调查，发现农业非点源污 染是造成石头口门水库流域的主要原因。氮、磷是地表水体富营养化的一个限制因子， 土地利用对农业非点源污染的氮素输出具有重要的影响。 表2 1 石头口门水库氮、磷水质指标 ( 五) 土地资源 本区土地肥沃，土壤表层有机质含量为3 6 ，高者达1 5 以上，保水保肥性好。 根据东北地区1 ：2 0 万土壤图得出，共有2 3 个土类，4 8 个亚类土壤类型，为便于计算重 新划分成1 2 种土壤类型。其中暗棕壤、白浆土、黑土、草甸土是主要土壤类型，占流 域总面积的8 3 7 。 表2 2 石头口门水库流域土壤类型面积百分比 土壤类型土壤代码 面积k m 2 面积比例 6 、7 、1 0 、1 1 、1 2 、1 4 、1 6 、1 7 、2 0 、2 1 、2 2 、2 4 、 暗棕壤 2 1 6 2 7 9 54 4 2 6 1 4 8 2 5 、2 6 白浆土2 9 、3 0 、3 1 、3 2 7 8 3 3 1 51 6 0 3 0 5 草甸白浆土 4 l2 3 2 7 50 ，0 4 7 6 3 2 潜育白浆土 4 25 3 5 50 1 0 9 5 9 黑土4 7 、4 8 、4 9 、5 0 、5 l 、5 4 、5 5 、5 8 、6 1 、6 25 8 2 0 2 7 5“9 1 1 1 6 黑钙土6 7 、7 31 3 8 90 2 8 4 2 5 8 栗钙土1 1 3 、1 1 55 1 101 0 4 5 7 6 草甸土1 1 9 、1 2 0 、1 2 l5 5 9 8 0 51 1 4 5 6 3 8 7 水稻土1 5 2 、1 5 4 、1 5 6 、1 5 9 、1 6 13 6 2 2 0 7 57 4 1 2 5 5 6 草甸沼泽土1 3 66 0 2 50 1 2 3 3 0 1 低位泥炭土 1 4 16 0 9 5o 1 2 4 7 3 4 冲击土1 2 9 、1 3 0 、1 2 6 、1 5 1 、1 4 33 9 7 4 5 2 58 1 3 3 8 4 3 石头口门水库流域土地利用图采用东北师范大学中国东北区域开发信息工程实验 室利用1 9 9 9 年t m 卫星影像图，解译出的1 ：2 5 万吉林省土地利用状况。该流域共有 1 8 种土地利用方式，其中早地和林地是主要的土地利用方式，两者之和约占流域总面积 的7 2 9 。 表2 _ 3 石头口门水库流域土地利用面积百分比 代号 土地类型面积k m 2面积比例 1 1 水田 6 3 2 8 3 1 2 7 6 3 8 5 1 2 旱地1 9 9 3 e 晤4 0 2 1 1 3 7 2 1 有林地1 6 2 2 9 2 53 2 7 3 3 5 4 2 2 灌木林“1 8 2 5o 8 9 1 1 3 8 2 3 疏林地 2 4 8 2 5 2 55 0 0 7 1 2 2 2 4 其他林地 0 5 0 2 50 0 1 0 1 3 5 3 2 中覆盖草地( 2 0 5 0 ) 2 0 2 6 2 50 4 0 8 6 8 4 3 3 高覆盖草地 5 0 0 8 9 2 50 0 1 8 0 0 1 4 1 河渠0 0 90 0 0 1 8 1 5 4 2 湖泊1 0 7 2 5o 0 2 1 6 3 2 4 3 水库坑塘 1 2 2 5 32 4 7 1 3 6 5 4 6 滩地 4 8 3 9 2 5 0 9 7 6 0 5 1 5 1 城镇用地 1 3 5 1 o 2 7 2 4 9 5 2 农村居民点2 0 2 1 4 54 0 7 7 1 5 8 5 3 其他建设用地 4 1 40 0 8 3 5 0 2 6 4 沼泽地 1 7 9 7 50 0 3 6 2 5 5 6 5 裸地 0 1 7 5 0 0 0 3 5 3 6 6 裸岩石砾地o 6 1 2 5o 0 1 2 3 5 4 合计4 9 5 7 9 8 81 0 0 二、社会经济状况 据1 9 9 9 年统计资料，现有耕地面积2 6 万公顷，占全流域土地面积的5 3 ：土地 肥沃，土壤表层有机质含量为3 6 ，高者达1 5 以上。一望无垠的平川沃野，盛产 玉米、水稻、大豆等优质农产品，具有发展高效农业、绿色农业的有利条件。 石头口门水库山清水秀、空气清馨，景色恰人，库区水土资源丰富，名胜古迹众多。 依托于得天独厚的自然条件，石头口门水库管理局在充分发挥防洪、供水效益的同时， 大力发展林业、渔业、生态旅游业。2 0 0 0 年以来，造林4 0 0 多公顷，植树1 0 0 余万株， 养鱼4 0 0 0 吨，兴建旅游服务设施及景点2 0 余处，现已成为长春市绿色无公害淡水鱼生 产基地，吉菜原料重点供应基地，国家级水利风景区。 第三章流域gj s 空间数据库的建立 一、空间数据库的实现 本研究以g l s 技术为手段，对石头口门水库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。小流域数据库用美国e r s i 公司开发的 a r c g i s 8 3 软件作为g i s 平台。a r c g l 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。数据库的数据分为空间数 据和属性数据两类，空间数据用于描述空间地理对象的属性，是对点、线、面特征的操 作。空间数据以层的形式存储和表达，每一图层储存一个特定的专题图形，不同的图层 通过描述信息特征或者辅助特征( 如控制点和边界范围) 达到空间信息的匹配和配准。 通过用户定义的唯一字段使属性资料与空间特征相关联。1 3 1 】 二、图层数据的处理与分析 ( 一) 计算用基础资料 1 东北地区1 ：2 5 万遥感影像航片 2 石头口门水库流域1 ：1 0 万地形图 3 东北地区1 ：2 0 万土壤图 4 石头口门水库流域内四个水文站1 9 8 8 2 0 0 2 年月降雨资料 5 石头口门水库流域内四个水文站2 0 0 2 年逐日降雨量 ( 二) 图形的处理、编辑和空间数据库的建立 研究中涉及的图层数据主要包括土地利用、土壤类型、流域界线、河流沟道、数字 高程模型等。研究中选择a i 卫e r s 等积圆锥投影，对所有图层进行地理坐标和投影的 转换，并将地理坐标的经纬度单位转化为长度单位米。u 且e r s 投影后的面积与地球表 面的真实面积相等，投影后不会扭曲多边形的面积，这一特征对水文过程模拟、非点源 污染物负荷计算来讲尤为重要。 建立点、线、面的空间拓扑关系，将数据存储于管理功能强大的g e o d a t a b a s e 空间 数据库中。数据库具有普通数据库的基本功能，能对空间数据和属性数据进行添加、修 改、删除，并与外部数据库进行交换，此外还具有显著的g i s 图形功能。 图层数据详细介绍如下： 1 土地利用图资料由东北师范大学中国东北区域开发信息工程实验室对1 ：2 5 万航 片用e r d a s 进行遥感影像解译处理，获得土地利用类型矢量图。 土地利用类型对于确定非点源污染负荷是非常重要的，土地利用类型的编码是进行 非点源负荷计算的根据，许多参数赋值计算需要通过土地利用类型分别进行。因此：为 q 适合计算需要，重新将土地利用类型划分为1 8 类，主要为林地、草地、早地、水田、 园地、农村居民点、城镇建设和工业用地。其中耕地( 包括早地和水田) 面积最大，占总 砸积的5 2 ，9 7 ；其次是林地，占3 8 6 5 。由于自然条件恶劣和人为活动的影响，研究 区内植被较差。 2 用扫描仪将地形图和土壤图输入到计算机中，利用p h o t o s h o p 进行地图拼接成一 副完整的专题地图。接着利用屏幕矢量化软件r 2 v 进行配准和图形数字化，将栅格图 像转成矢量图。 土壤类型对于确定非点源污染负荷也是非常重要的。石头口门水库流域上游地区土 壤主要有2 3 个土类，4 8 个亚类。为适合非点源污染负荷计算的参数确定，将原有：土 壤类型概化为1 2 类：暗棕壤、白浆土、草甸白浆土、潜育白浆土、黑土、黑钙土、栗 钙土、草甸土、水稻土、草甸沼泽土、低位泥炭土、冲击土，并重新进行编码。流域内 土壤以暗棕壤为主，占研究区总面积的4 4 2 6 。 3 最后将重新编码的土地利用、土壤类型图层和d e m 转化为g r i d 格式，其栅格 大小为5 0 mx 5 0 m 。 4 属性数据在g i s 中以关系型数据库形式存储，在该数据库中，主要的字段包括： 地块面积、坡度、地形参数l s 、水保措施作物经营因子、单位面积泥沙流失量、各地 块的泥沙流失总量、单位面积氮的流失量、单位面积磷的流失量。属性数据以d b f 的 格式的形式输入输出，便于引入外部数据库，从而实现数据的共享和动态更新。 三、空间数据库的功能 ( 一) 数字高程模型的生成 应用a r c g i s 的空间分析模块( 3 d 觚l y s t ) 建立了流域的数字地面模型( d e m ) ，该模 型的格式是三角格网f 唧) ，它是由一组不规则的空间点和基线建立起来的，这些点具 有x ，y 坐标和z 值。 d e m 转成为栅格( 鲥d ) 数据格式更能直观的显示地貌特征线和地貌部位，模拟地貌 形态。栅格数据可以计算坡度、坡向、体积、剖面，决定河网和山脊线以及泰森f r 拙s s e n ) 多边形的生成，小流域的数字地面模型包含了流域内每个点的地面高程值，它可以给基 于小流域的研究提供基础地理数据。数字高程模型是非点源污染研究中确定坡度坡长参 数l s 的基础。 ( 二) 空间分析与专题图的生成 小流域非点源污染信息数据库建立后，可以方便地应用g i s 软件分析和运算数据， 输出专题图片和统计表格。小流域的基础专题图片不仅显示了流域的直观影像，而且直 接显示出非点源污染物的空间分布规律，为流域的专题研究提供了重要的基础数据。矢 量图转为栅格数据格式后，利用g i s 强大的空间分析能力，可以综合分析d e m 、坡度、 土地利用、各种分级专题图，研究它们之间的相互关系。 1 0 1 从数据库中提取植被、坡度、土壤侵蚀模数、n 流失量、p 流失量的数据，生成 相应的栅格图。通过a r c i n f o 制图模块，输出高程图、土地利用类型图、土壤流失量图、 吸附态氮和磷流失模数图等。 2 r 值、k 值、l s 值、c 值、p 值图层相互叠加，并代入u s l e 公式计算，获得土 壤侵蚀模数a 值栅格图层。 3 将实测的各种土地利用类型中不同形态的总氨、总磷的浓度赋值，获得污染物浓 度图层。分别将吸附态总氮、总磷浓度与土壤流失量代入公式计算，建立吸附态总氮、 总磷流失量图层；将溶解态总氮、总磷浓度代入降雨径流模型，获得溶解态总氮、总磷 流失量圈层。 4 利用g i s 的空间分析功能对土地利用类型的空间异质性进行分析。 第四章非点源污染物流失量的计算 一、土壤侵蚀量的计算 水土流失与农村非点源污染是一对密不可分的共生现象，水土流失是非点源污染的 主要发生形式，所以土壤侵蚀研究是非点源污染研究的重要组成部分。 众所周知，土壤侵蚀的结果是：降低了土地的肥力及可耕性；导致沟渠塘库的淤积， 进而降低了排灌能力而引起农业生产力的下降；而维持受侵蚀地块的肥力，则加大了农 业的投入。土壤侵蚀是一个全球性的问题、在我国其严重性勿需在此阐述。因此、估算 土壤侵蚀量是基于以下三个理由：确认需采取水土保护的地域：通过确定引起水土 流失的关键因子，制定相应的措旌；探讨土壤侵蚀与土地生产力之间的关系。 ( ) 土壤侵蚀程度及强度 土壤侵蚀量( a m o u n to f s o i le r o s i o n ) 是指土壤侵蚀作用的数量结果。通常把土壤、 母质及地表散松物质在外营力的破坏、剥蚀作用下产生分离和位移的物质量。称为土壤 侵蚀量。单位时间单位面积内产生的土壤侵蚀量，称为壤侵蚀速率( 或速度) ，或称为 土壤侵蚀模数，量纲是饥2 a 。 土壤侵蚀强度( i n t e n s i t yo fs o i le r o s i o n ) 所指的是某种土壤侵蚀形式在特定外营力种 类作用和其所处环境条件不变的情况下，该种土壤侵蚀形式发生可能性的大小。常用单 位面积上在一定时间内土壤及土壤母质被侵蚀的重量来表示。 土壤侵蚀强度是根据土壤侵蚀的实际情况，按轻微、中度、严重等分为不同级别。 由于各国土壤侵蚀严重程度不同，土壤侵蚀分级强度也不尽一致，一般是按照允许土壤 流失量与最大流失量值之间进行内插分级。土壤侵蚀强度也称为土壤侵蚀潜在危险性。 依据土壤侵蚀分类分级标准( s l l 9 0 - 9 6 ) ，土壤侵蚀强度分级见表4 1 。 表4 1 土壤侵蚀强度分级表 级别侵蚀模数( t k m 2 a )年均流失厚度( 衄) 1 、微度侵蚀 1 2 0 ( 二) 土壤侵蚀模型： 通用土壤流失方程( u s l e ) f 3 2 l 由w i s c h m e i e r 和s m i t h 于2 0 世纪5 0 年代提出的，该 模型是建立在土壤侵蚀理论及大量实地观测数据统计分析的基础上。是美国1 9 5 8 年分 析3 6 个地区80 0 0 个径流小区一年的观测数据得出的研究成果。因其较好地解决了估算 特定条件下的长期平均土壤流失量问题而广泛应用于非点源污染模拟模型之中。 由于该方程的经典性和因子的解释具有物理意义，仍是目前预测土壤侵蚀最为广泛 使用的方法。该方程是将影响水土流失的6 个因子用连乘的形式组成，表达式为： a = r k x l s c p 其中，a 为年平均土壤侵蚀薰f 饥衄2 ) ；r 为降雨和径流因子；k 为土壤可蚀性因子； l s 为坡度坡长地形因子；c 为地表植被覆盖因子；p 为水土保持措施因子。 应用u s l e 的关键是选用合适的算法获取方程各因子指标值，应用g i s 和u s l e 模 型预测土壤侵蚀的关键也是各因子图的生成。 根据通用土壤侵蚀方程的构成，以下分别计算各因子的值。 1 r _ 一降雨侵蚀力因子的估算 r = 三 1 7 3 5 印【1 5 e 曙1 0 ( p f 2 p ) 一o 8 1 8 8 】) 式中：p 为流域内年平均降雨量( m m ) ：p j 为流域内各月平均降雨量( m m ) 。 在石头口门水库流域上选取具代表性的四个雨量站1 9 8 8 2 0 0 2 年降雨资料，整理得 出各月平均降雨量及年平均降雨量，代入公式计算出流域的r 值，该区的年均降雨量为 6 1 5 3 m m ，r 值为2 7 5 9 。r 值计算结果见表4 2 。 新安双阳河 烟筒山饮马河岔路河星星哨水库石头口门均值 p ( m m )5 6 4 2 0 6 77 0 4 2 7 3 36 7 3 6 6 6 75 1 9 1 46 1 5 3 2 1 7 r2 6 4 4 0 2 63 0 2 1 0 0 22 9 2 2 5 8 22 4 4 9 2 4 82 7 5 9 2 1 5 2 1 ( 一土壤可蚀性因子的估算 k 因子反映了土壤对侵蚀的敏感性及降水所产生的径流量与径流速率的大小。影响 k 因子的有多方面的因素，但一般说来，质地越粗或越细的土壤有较低k 值，而质地适 中的反而有较高的k 值。 k 值估算常用的方法是w i s c l 蚰e i e r 诺谟图，根据土壤质地、土壤有机质百分含量、 土壤结构、土壤透水性等几个主要因子，查土壤可蚀性因子诺谟图。但并不适合我国大 多数土壤。因此，本文采用r u s l e 推荐的缺少资料时采用土壤颗粒的几何平均直径计 算k 值的方法【3 3 】。公式如下： k 一7 s ，4 。s 4 + 。c 晤e x p l 一三( ! 里! ( ：等 ；竺) 2l 式中d 厂土壤颗粒的几何平均直径，m m ，计算公式如下 哝2 e 印( o o ，纳强) 式中：m 卜不同组j 下的土壤颗粒粒径的数学平均值，m 1 1 1 f i 在m i 颗粒下的质量分数。 k 值计算结果见表4 3 。 表4 3 土壤可蚀性因子k 土壤类型代码k 值 暗棕壤 6 、7 、1 0 、1 1 、1 2 、1 4 、1 6 、1 7 、2 0 、2 1 、2 2 、2 4 、2 5 、2 6o 2 6 7 5 6 7 白浆土2 9 、3 0 、3 1 、3 2o