（自然地理学专业论文）密云水库上游土地利用方式对地表水非点源污染的影响.pdf

摘要 摘要 密云水库是北京市的主要地表饮用水源地，对于首都人民的生产和生活具有 着重要的意义。目前水质处于中等富营养化程度，非点源是主要污染来源，土地 利用则是影响非点源的主要因素。 非点源污染影响因子空间差异性大，传统方法很难获得这些因子的数据， g i s 技术能够很好的生成、组织、和管理这些空间数据，同传统方法相比较大大 缩短了时间，节省人力。本文运用g i s 手段建立了研究区非点源污染的基本空 闻信息库，包括土地利用、壤类型、d e m 和小流域分布图。 应用揪进行流域刻划，结合小流域地表水质监测分析数据，分析了流域 水体中污染勃的时空分布特征以及土地利用方式对地表水质的影响。 首先在空间上依据地形、地貌划分出三个区域：西北部低中山区、北部丘陵 区和东北部低中山区。 总磷在水库北部和东北部地表水中含量较高，在水库西北部地表水含量较 低；无论雨中雨后，n 0 3 一n 是氮在水环境的主要存在形式，因此n 0 3 一n 与 t n 的时空分布极为相似，雨中三类地区地表水中t n 、n 0 3 一n 含量都较高，雨 后期，东北部、北部地区地表水中t n 、n 0 3 一n 含量都明显大于西北部；雨季 n 出一n 在三类地区地表水中含量大体相当，雨后西北部地表水中含量明显低于 北部和东北部地表水中含量。 从时间分布来看，除t p 在北部地区雨后期大于雨中期外，其他各项污染物 指标都是雨中期大于雨后期，证明了降雨对于非点源污染的即时效应。雨季同雨 后相讫较降雨集中，人类生产活动频繁，对于非点源污染约影响较大。通过分 薪土地利用方式与非点源污染物指标的关系发现：单一土地利用类型为主的土地 、剩用结构中，林地、草地具有消弱、抑制非点源污染的作用，其中林地控制非点 源污染物的效果最为明显、草地次之：林地、草地组合的土地利用类型结构中， 淋地二草地结构类型控制的小流域各项污染物指标较低。林地、草地分别与耕地 组合的土地祠用结构类型中，草地一耕地为主的结构类型控制的小流域污染物指 摘要 标要低于林地一耕地为主的结构类型控制的小流域的各项指标。土地利用对地表 水非点源污染的影响，不仅体现在各类土地利用类型所占的比重上，也体现在各 种土地利用的空间分布上，尤其当结构类型相差不大时，土地利用空间分布对于 非点源污染的影响将明显体现出来。 关键词：非点源污染 密云水库土地利用 小流域 i i a b s t r a c t 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 nt h e p e o p l e sd a i l yl i f e i n b e i j i n g t h ew a t e rq u a l i t yo fm i y u nr e s e r v o i r i sa t m 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 db yt h en o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o nf t o s ) i n t h ew a t e r s h e d n p si sm o s t l ya f f e c t e db yt h el a n du s ea c t i v i t i e s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d , g i st e c h n o l o g yi sa b l et op r o d u c e ，o r g a n i z e a n dm a n a g et h i sd a t aw e l l t h i st h e s i sc o n s t r u c t sab a s i cs p a t i a ld a t a b a s eu s i n gg i s w h i c hi n c l u d e sl a n d u s e ，t y p eo fs o i l ，d e ma n ds u b - w a t e r s h e d , t h ed i s t r i b u t i o no f f l u v i a lc o n t a m i n a t i o na n di n f l u e n c eo fl a n du s eo ns u r f a c ew a t e ra r ca n a l y z e db y c o m b i n i n gt h em o n i t o r i n gd a t ao fs u r f a c ew a t e r f i r s t l y , t h er e s e a r c ha l c ai sd i v i d e di n t o t h r e ed i s t r i c t sa c c o r d i n gt ot h e p h y s i o g n o m ya n dt h et e r r a i n ：t h en o r t h w e s tl o wm o u n t a i n o u sa r e a , n o r t hh i l l ya r e a a n dn o r t h e a s tl o wm o u n t a i n o u sa r e a t pc o n c e n t r a t i o n so fs u r f a c ew a t e ri nn o r t h e r n a n dn o r t h e a s t e r np a r to fr e s e r v o i ra r eh i g h e r , a n dt h a to fn o r t h w e s t e r np a r to fr e s e r v o i r i sl o w ne x i s t sm a i n l yi nt h ef o r mo fn 0 3 - n , n om a t t e ri nr a i n yr e a s o no ra f t e rr a i n y s e a s o n s ot h ed i s t r i b u t i o no fn 0 3 n ti ss i m i l a rw i t ht n , t h ec o n c e n t r a t i o no ft na n d n 0 3 - ni sh i 曲i na l l t h r e er e s e a r c hs i t e sw h e ni ti s r a i n i n g , a f t e rr a i nt h e c o n c e n t r a t i o no ft na n dn 0 3 - ni nn o r t h e r na n dn o r t h e a s t e r np a r to fr e s e r v o i ri s h i g h e rt h a nt h a to fn o r t h w e s t e r np a r to fr e s e r v o i r ；t h ec o n c e n t r a t i o no fn m ni s s i m i l a ra m o n gt h et h r e er e s e a r c hs i t e si nt h er a i n ys e a s o n ，h o w e v e r , i ti ss h a r p l yl o w i nn o r t h w e s t e r np a r to fr e s e r v o i r ，c o m p a r e dw i t ht h en o r t h e r na n dn o r t h e a s t e r np a r t a f t e r r a i n t h ec o n c e n t r a t i o no fo t h e rc o n t a m i n a n td u r i n gt h er a i n ys e a s o ni sh i g h e rt h a n t h a to fa f t e rr a i n ys e a s o n ，e x c e p tt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no ft pi nn o r t h e r na r e ad u r i n g r a i ni sl e s st h a nt h a to fa f t e rr a i n ys e a s o n ，i tp r o v e st h a tn o n - p o i n tp o l l u t i o ni se x a c t l y c o r r e s p o n d i n gw i t hr a i n f a l l r a i ns e a s o nh a sd e n s er a i n f a l l ，h u m a na c t i v i t yi sm o r e i a b s t r a c t f r e q u e n t ，a n da l io ft h e s ew i l lh a v ea no b v i o u se f f e c t0 1 1n o n - p o i n tp o l l u t i o n b y a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a n du s ea n di n d e xo fn o n p o i n tp o l l u t i o n ，w e d r a wt h ec o n c l u s i o nt h a ti nt h es t r u c t u r eo fl a n dw h i c hi sd o m i n a t e db ys i n g l el a n d u s e ，f o r e s tl a n da n dg r a s sl a n dc a nc o n s t r a i nt h en o n - p o i n tp o l l u t i o n ，a n df o r e s tl a n d h a sa no b v i o u sc o n s t r a i n te f f e c to nn o np o i n tp o l l u t i o nt h a nt h a to fg r a s sl a n d ；i nt h e l a n dm i x e dw i t hb o t hf o r e s ta n dg r a s s p l o t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa l lc o n t a m i n a n ti s r e l a t i v e l yl o w t h ee f f e c to fl a n du s eo ns u r f a c ew a t e rn o np o i n tp o l l u t i o ni sn o to n l y m a n i f e s t e db yt h ep r o p o r t i o no f e a c hk i n do fl a n d ，b u tt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fl a n d u s e ，e s p e c i a l l yw h e nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ne a c hl a n ds t r u c t u r ei ss m a l l ，t h ee f f e c to f s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fl a n do nn o np o i n tp o l l u t i o ni sm u c hm o r eo b v i o u s k e yw o r d ：n o n - p o i n ts o u l x t ：e $ p o l l u t i o nm i y u nr e s e r v o i r s l l b - w a t e r s h e dl a n d u s e 第一章概述 第一章概述 1 1 非点源污染现状及其特征 1 1 1 非点源污染现状 随着人类活动的增加，水环境问题已经成为全球人类共同面对的问题，水污 染已经成为全球性问题之一。点源污染：、一包括我国在内的许多国家已经得到较好 的控制和治理，而非点源污染，由于涉及范围广、控制难度大，目前已成为影响 水体环境质量的重要污染源。其中农业非点源是非点源污染的重要组成部分。2 0 世纪9 0 年代，全球3 0 一5 0 的地表水受到非点源污染的影响。在美国6 0 的 水环境污染起源于非点源( 贺缠生、傅伯杰、陈利顶等，1 9 9 8 ) ，美国水土保持 基金会1 9 8 5 年的调查显示，美国江河中7 3 的b o d 、9 2 的悬浮泥沙和8 3 的细 菌均来自于非点源污染物。欧洲其他国家也得出了相近的结论，丹麦2 7 0 条河流 9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染引起( k r o n v a n g ，1 9 9 6 ) 。荷兰农业 提供的总氮、总磷占水环境污染总量的6 0 和4 0 - - 5 0 ( b o e r s ，1 9 9 6 ) 。在全 世界不同程度退化的1 2 亿hm t 耕地中，约1 2 是由非点源污染引起的( d e n n i s ， 1 9 9 8 ) 。 在我国“七五”期间，农业非点源氮量占入湖总氮量的7 2 7 5 ，有些水 域如天津于桥水库、安徽巢湖、云南洱海、上海淀山湖等水域，非点源污染比例 超过点源污染，非点源污染物已经成为地表水环境的主要的污染物来源。阎伍玖 通过对巢湖流域非点源污染的研究指出了非点源污染已经成为巢湖水体富营养 化的主要原因( 阎伍玖，王心源，1 9 9 8 ) 。崔秀丽通过对白洋淀污染源的调查发 现，农业非点源污染物是自洋淀的第一大污染源，其中氮和磷的输入量占总输入 量的5 0 6 和3 4 6 ( 崔秀丽，1 9 9 5 ) 。通过对密云水库研究( 王晓燕，2 0 0 3 ) ， 表明非点源污染负荷对水库水质的“贡献”最大，在密云水库年总负荷量中，c o d 7 3 、b o d 的7 1 、氨氮的9 4 、总氮的7 5 及总磷的7 5 都是来自非点源污染， 第一章概述 非点源污染是造成水库污染的主要原因。每年进入到云南洱海的总氮总磷，非点 源污染分别占9 7 1 和9 2 5 ，点源仅仅占3 和7 5 ( 扬苏树、倪喜云，1 9 9 9 ) 。 1 1 2 非点源污染的特征 与点源污染相比较，非点源污染具有许多显著不同的特点( n o v o t n y ，1 9 8 1 ： c a r p e n t e re ta l ，1 9 9 8 ；李怀恩，1 9 9 6 ) ，非点源污染的主要特点如下： 1 污染发生的随机性 从非点源污染的起源、形成过程分析和影响因素来看，非点源污染主要与降 水过程紧密相关，无论城市地表径流、矿区地表径流、还是土壤侵蚀，其规模和 强度均和降雨过程密切相关，因此国外有时称为降雨径流污染。此外非点源污染 的形成还与其他因素，如土壤结构、农作物类型、气候、地址地貌因素密切相关 ( s o u t h w i c h 等，1 9 9 3 ) 。由于降雨的随机性和其他因素的不确定性，决定了由此 产生的非点源污染也具有相应的随机性。 2 排放途径和排放污染物具有不确定性。 随着社会经济的发展，人类生产的自然环境无法接受的化学物质增加，并在 地表径流的作用下进入水体的污染物随处可见，再加上非点源污染影响因子复杂 多样，而且不象点源污染物排放那么有规律，因此很难确定其污染物的种类、数 量和排放途径。 3 污染负荷的时空差异性 非点源污染物的浓度变化过程与地表径流的变化过程呈现大体相同的变化 趋势，由于不同时间和地点的径流变化大，因此污染负荷的浓度也随着不同时间 和地点变化。如农业非点源污染中，农药化肥造成的污染在很大程度上与降雨和 径流密切相关。在使用之后，如果没有降水和灌溉形成的非点源污染十分薄弱， 若有高强度的降雨则造成非常严重的污染( 丁疆华，2 0 0 0 ；关伯仁等，1 9 9 8 ) 。 4 污染发生的滞后性 非点源污染尤其农业非点源污染中的化肥和农药等化学药品在地表农田中 存在的时间比较长，使得非点源污染具有一定的时滞性，会潜伏一定的时间( 丁 2 第一章概述 疆华，2 0 0 0 ) ，研究还表明，农药和化肥在农田中存在时间的长短也决定了非点 源污染形成的滞后期的长短( l i n e ，o s m a n d 等，i 9 9 4 ) 。 此外，非点源污染的发生在陆地表面，而不是发生在水体之中，且污染源很 难找到，所以其监测比较困难，因而造成了非点源污染的研究和控制与管理难度 很大。 1 2 土地利用在非点源研究、控制中的重要意义 影响非点源污染的因素多而复杂，美国环保局( 美国环保局网站，2 0 0 4 ) 归 结为以下几种 1 土壤侵蚀：土壤侵蚀是指地表土壤在水或风的作用下，发生迁移和运动的 现象。当侵蚀过程进展缓慢并能够保持自然生态系统平衡时，表现为正常侵蚀， 而当自然生态系统的平衡受到干扰或破坏时，则为加速侵蚀或超常侵蚀。加速侵 蚀会造成土粒和化学物质迁移和运动的危险( 霍利m ，1 9 8 7 ) 。土壤侵蚀是规模 最大、危害程度最严重的一种非点源污染。土壤侵蚀不仅仅表现为土壤表层的有 机质层的损失，同时有许多污染物进入水体，严重污染地表水环境。到目前，全 球约有4 3 亿h m 的土地遭受严重的土壤侵蚀而废弃，现在每年因遭受突然侵蚀而 弃耕的土地多达5 0 0 万h m ( l a ir ，1 9 9 4 ) 。 2 农田化肥、农药使用、农村家畜粪便与垃圾堆放：农药、化肥、家畜粪便 和垃圾堆放是另外一个重要的污染源。许多研究表明，农药和化肥的使用量、使 用时间、及其使用方式的不合理性是造成水体污染和富营养化的最主要来源。美 国每年生产约5 亿t 的农药，其中7 0 用于农田，由此引起的地下水和地表水污染 的事例不胜枚举。u s e p a 把农业列为全美河流和湖泊污染的第一污染源( u s e p a ，1 9 9 5 ) 。我国在化肥使用方面从7 0 年代以后发展迅速，1 9 6 7 1 9 8 6 年，我 国化肥使用量增加了5 2 倍( 周健等，1 9 9 3 ) ，但是我国化肥的利用率不高，我 国农田的氮肥损失率是3 3 7 3 6 ，平均总损失率约6 0 ( 刘吉涛，1 9 8 8 ) ， 其中仅1 9 8 3 年因氮肥损失所带来的直接经济损失就高达1 2 0 1 3 0 亿元人民币 ( 郭志凯，1 9 8 7 ) 。此外。农村家畜粪便和垃圾堆放储存不合理，导致降雨季节在 3 第一章概述 降雨动力作用下，随着地表径流进入水体会形成大面积的非点源污染。 3 农田污水灌溉：农田污水灌溉是利用土壤对污染物的自然净化作用和作物 对营养物质的吸收作用来净化污水，但是如果污水灌溉过量或者灌溉的时间掌握 不好，也会导致土壤及其地表水、地下水体的污染。在美国约有1 5 的地表 水体污染来自农田污水灌溉( g r i f f i n ，1 9 9 4 ) 。 4 城镇地表径流：主要指在降雨径流过程中，雨水及所形成的径流冲刷建筑 物( 如屋顶) 、街道、草地、工厂与住宅区等地面，使各种污染物随地表径流进 入受纳水体。在美国环保局把城市地表径流刘伟导致全美河流和湖泊污染的第三 污染源( u se p a ，1 9 9 5 ) 。 5 矿区、建筑地表径流污染：主要是因为人为采矿等生产活动，破坏了原有 的土壤、植被，使表土裸露，增加了侵蚀程度，在降雨过程中，矿区中的泥沙、 营养盐类、酸类和矿物等污染物随地表径流进入受纳水体。美国约5 的地表水 污染来源于此( g r i f f m ，1 9 9 4 ) 。 6 林区地表径流污染：主要是指在降雨径流过程中，所发生的地表侵蚀使地 表的植被、落叶等有机物随径流进入水体，由于林区人为活动强度低，地表植被 覆盖度高，引起的非点源污染较少。但是由于近年来，森林砍伐严重，地表植被 破坏严重，增加了地表径流及其水土流失，增加了该区域的非点源污染。 7 大气沉降：是指大气中的污染物通过降雨、固体沉降或漂移直接进入水体。 大气沉降的污染物包括颗粒态和溶解态物质，颗粒态通常占优势。酸雨是大气沉 降的典型代表，酸雨形成的污染已经成为人类公认的环境灾害，不仅仅对植被、 建筑物造成破坏，而且严重危害着土壤和水体环境，美国著名的五大湖第一大污 染源就是大气沉降( g r i f f i n ，1 9 9 4 ) 。 从以上因素来看，每种影响因素跟土地利用都有密切的关系，因此从土地利 用为基础进行研究成为热点( 傅伯杰、陈利顶等，2 0 0 0 ) 。土地利用方式影响着 诸如化学物质输入输出、径流、土壤、植被类型、地形地貌、耕作方式等因素( 付 永锋、陈文辉、赵基花，2 0 0 3 ) 。研究表明，不合理的土地利用是形成非点源 污染的首要原因( u sn a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ，1 9 9 3 ；鲍全盛，1 9 9 6 ) 。陈利顶 等( 2 0 0 2 ) 运用景观分析方法将流域景观类型分为两类：一类是具有较高非点源 4 第一章概述 污染危险的景观( “源”景观) ，如农田、果园等；另一类是对农业非点源污染物 起到一定截留作用的景观类型( “汇”景观) ，如林地、草地等。 不同的土地利用方式将会产生不同的生态系统管理措施，不恰当的管理措 施往往是非点源污染形成的主要原因。例如农田系统中，不同管理措施将会导致 化肥、农药、耕作、灌溉方式的不同，这些不同的管理措施对非点源的产生、强 度及其分布有显著的影响( 陈利顶等，2 0 0 0 ) 。 1 3 国内外研究动态 国外农业非点源污染研究起步于上世纪6 0 年代，首先美、英、日等一些发达 国家率先开展，7 0 年代以后在世界各地逐渐受到重视，尤以美国研究历史较长。 7 0 年代初进行的非点源的研究仅限于非点源污染特征、影响因素、平均污染负荷 输出等方面初步研究( 李怀恩、沈晋，1 9 9 6 ) 。7 0 年代中后期有很大的发展，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( 危险区域) 空间分析( h e l t i n g ，1 9 7 8 ；c h e s t e r s ， 1 9 7 8 ) ，有关非点源污染物迁移和转化也有初步的研究。8 0 年代非点源污染基础 研究范围更广、类型多样，因素分析和污染物( 特别是农药) 的迁移机理研究更 加深入，特别加强了非点源污染模型与3 s 技术的结合非点源在估算负荷、管理和 控制中的应用研究( 扬爱玲、朱颜明，1 9 9 9 ) 。进入9 0 年代以来，与非点源污染 控制因子的研究更加活跃。 我国的非点源污染研究始于2 0 世纪8 0 年代的湖泊富营养化调查( 刘枫等， 1 9 8 8 ) ，真正意义上的非点源污染研究是北京城市径流污染研究( 夏青，1 9 8 2 ) ， 之后相继在上海、杭州、苏州、长沙、南京、成都等城市开展了城市非点源污染 ( 城市暴雨径流污染) 研究；与此同时，农村非点源污染研究先后在于桥水库、 滇池、太湖、巢湖、晋江流域等地方开展了工作。8 0 年代我国的非点源污染研究 仅是农业非点源和城区径流污染的宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研 究。通用土壤流失方程开始在我国非点源污染的危险区域识别研究中得到应用。 刘枫等人利用土壤流失方程定量的研究了于桥水库的非点源污染规律，发现流域 5 第一章概述 地貌和植被是制约非点源污染空间差异的两个关键因素( 林方荣、李学灵、吴亚 蒂等，1 9 9 3 ) 。进入2 0 世纪9 0 年代，我国非点源污染更加活跃农药、化肥污染的 宏观特征研究、影响因素在农业非点源污染中占有重要地位。这一时期非点源污 染负荷模型与3 s 技术结合来管理非点源污染成为一个重点( 陈西平，1 9 9 3 ) 。 总结4 0 多年的研究历史我们可以看出，研究手段，野外实地考察、监测是 水环境非点源污染研究中获取各种基础数据的最基本的方法。非点源研究开展之 初，基础数据的获取及数据处理等几乎依赖野外实地考察、监测与人工分析，但 是这种手段的缺点是周期长、劳动强度大、工作效率低、费用高、精度较差。随 着研究工作的深入，现在已经将遥感技术、地理信息系统技术及其人工模拟试验 技术运用到非点源污染的研究领域之中。计算机技术和卫星遥感技术的发展为非 点源污染研究提供了全新的手段( 郑一、王学军，2 0 0 2 ；陈为峰，史衍尔，2 0 0 2 ) 。 非点源污染研究所需的数据传统上都是靠搜集现有资料或野外实测获得，卫星遥 感技术的发展则提供了崭新的数据获取方式。通过卫星图片解译，可获取土壤、 植被、地形地貌、土地利用方式及水质的数字化信息。遥感手段获取数据具有便 捷、量大、可视性强、便于与gis 结合等优点，今后的努力方向则是提高数据 的精确度，特别要研究如何通过遥感影像精确提取水环境信息( 路月仙等，2 0 0 3 ) 。 研究方法上( 1 ) 立足于迁移过程的分析，这种方法有助于污染发生机理、 影响因素的研究；通过径流实验场，监测降雨径流的水质水量，确定污染物单位 负荷量，从而估算污染物的污染负荷，但是这种方法由于空间的异质很难推广到 大尺度大范围的流域中去。( 2 ) 立足于对受纳水体的水质( 水量) 分析，通过分 析水质的连续的变化趋势来研究非点源污染，如张之源( 2 0 0 3 ) 通过对近十年水 质监测评价来研究巢湖富营养化状况，这是一种间接的方法。 近年来，许多工作科研工作者以剖析土地利用方式与非点源内在联系为出 发点进行研究。例如，李俊然等( 2 0 0 0 ) 在于桥水库流域研究了土地利用结构对 非点源污染的影响，指出林地、草地对于非点源污染有很好的控制作用；l e v a r o n ( 1 9 9 3 ) 通过对农田、草地、林地三种主要土地利用方式为流域的养分流失研究， 发现农田为主要土地利用的流域总氮、总磷的流失明显高于草地、林地流域的总 氮、总磷的流失。傅伯杰( 1 9 9 8 ) 在黄土高原坡面研究中，发现从坡顶到坡脚土 6 第一章概述 地利用以次为林地坡耕地草地的土地利用组合有利于土壤中养分的保护，减少 水土流失。 密云水库是北京市最重要水库之一，是首都北京唯一饮用水源地，约占全市 年地表供水量的7 3 3 。随着工农业的发展，北京市用水日趋紧张，人均水资 源不足3 0 0 立方米，为全国人均占有量的1 8 ，世界人均占有量的1 3 2 。北京已 经成为世界严重缺水的大城市之一，为了缓解北京市的用水困难，市政府已决定 把密云水库作为首都地面供水水源，水库性质由原来以防洪为主转为以供水为 主。保护好密云水库的水质，是直接关系到首都人民生活和健康的重大问题。水 库水质处于中等营养程度，并出现向富营养型发展的趋势( 杜桂森，孟繁艳， 1 9 9 9 ) 。目前研究证明，密云水库主要营养元素氮、磷的输入主要有三条途径： 点源污染：由于密云水库上游非常重视水库水质的保护，很少建有污染严重的 工厂，过去的一些小型企业，采取了严格的控制措旌。因此，点源污染对密云水 库的威胁不大。降雨：湖面降雨，含有一定浓度的氮、磷可随降雨进入水库， 但据测定雨水中的氮、磷含量比水库水中氮、磷的含量低，也就是说氮、磷随雨 水进入水库的量很少。密云水库中的氮、磷主要是由于降雨形成径流将带有大 量氮、磷的地表土壤侵蚀、冲刷，通过河流而进入水库( 王晓燕等，2 0 0 2 ；金相 灿等，2 0 0 1 ) 。 1 4 本研究的目的、意义及其内容 论文通过研究各种土地利用方式及其组合对地表非点源污染的影响，得出非 点源污染与土地利用方式之间的内在联系，为非点源的控制管理提供帮助，本论 文主要研究内容主要包括以下几部分： 建设流域g i s 空间数据库：利用h r c v i e w 和a r c i n f o 软件作为g i s 开 发平台，力图建立一个包含所有土地利用、土壤类型、流域图等非点源 污染信息的数据库，为进一步研究密云水库周边地区非点源污染提供有 力的资料支持。 7 第一章概述 定点采取水样，并对样品进行实验分析，非点源污染的时空变化，不同 土地利用景观与流域地表水质的关系。 探讨土地利用与地表水非点源污染的关系，为非点源污染的控制和管理 提供帮助。 8 第二章研究区概况和研究方法 第二章研究区概况和研究方法 2 1 研究区概况 2 1 1 地理位置 研究区域位于北京市东北部，东经1 1 6 。4 1 1 1 7 。3 0 ，北纬4 0 。2 1 4 0 。4 8 ，包括密云县境内的北部和东部的八个乡镇。北东与河北省丰宁、滦平、 兴隆县接壤，西与北京市怀柔县相邻，南依密云水库。该区域东西长约6 9 公里， 南北宽约4 0 公里，研究区面积约为1 3 1 0 8 3 平方公蓦( 见图2 1 ) 。 2 1 2 地质地貌 2 1 2 1 地质 本区地层古老，地质构造复杂。中低山为中生代及远古代的火成岩，主要是 花岗岩( 多在顶部) 、闪长岩、石英正长岩。在水库周围多为太古代变质岩。其 中，西起白马关河，东至潮河的水库北部地区阱角闪黑云片麻岩和斜长片麻岩为 主：水库东部地区以黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩为主；自马关河以西，白 河以北地区以黑云石英片麻岩、黑云石英片岩、石英岩为主：潮河以东的古北口、 东庄乔、新城子乡及太师屯的东北部地区，以砂岩、砾岩、片岩为主。 2 1 2 2 地貌 本区处于华北平原与内蒙古高原的过渡地带，属于燕山山脉。山峦起伏， 沟壑纵横，地面切割破碎，海拔高度在1 5 0 1 7 3 ( 1 2 _ 间( 见附图1 ) 。根据北京 市农业地貌调查的地貌分类系统，可分为山地与丘陵两个i 级地貌类型和十个 i i 级地貌类型，各地貌间阶梯显著、界限分明、相对高度大。 9 驾 匝倏*鹫糕捷叫世*悯街【_n匝 螂椒鬣奄冥璐骣凶妖摩褂瓣 第二章研究区概况和研究方法 丘陵 主要分布于潮河流域和水库周边，大部分海拔高度在1 5 0 - - 4 0 0 米之间，山 体浑圆，坡度较小、坡度在5 1 5 度的占4 8 9 。阶、坡地和沟谷土层较厚， 土质较好，沟谷开阔，有一定的水源保证，光、热资源丰富，垦殖率在3 0 一 5 0 之间，特别是阶地、河漫滩等地块较大，适宜农作物和果树生长。 山地区 低山 主要分布在水库的西北、东北部，海波高度在4 0 0 - - 8 0 0 米，山体陡峻，地 势起伏大，大于2 5 度的山体占一半以上，除安达木河谷两侧外，总的特点是坡 陡土薄( 7 0 以上的面积土层 2 5 度山体占9 1 6 。热量条件差，气候湿润，多为棕壤，土 质好，有相当面积的天然次生林，宜封山育林。云蒙山、大洼尖山区易发生泥石 流。 2 1 3 气象气候 本区属暖温带季风型大陆行半湿润半干旱气候。冬季受西伯利亚、蒙古高压 控制，夏季受大陆低压和太平洋高压影响，四季分明，干旱冷暖变化明显。全年 平均气温1 0 9 。c ，日照总时数2 7 6 2 6 小时，全年太阳辐射总量为5 2 4 3 6 - - 5 2 8 2 6 8 m t m 2 ， i o o c 积温4 4 1 3 6 。c 。本区年平均降水量为6 6 0 毫米，蒸发量 1 7 8 3 2 毫米。在温度递减规律作用下，受地形、海拔影响，造成近距离内四季 长短、水热条件有显著差异，海拔每升高1 0 0 米，气温下降0 6 5 。c ， 1 0 0 c 积温 减少了1 9 7 3 0 c 。 受地形 第二章研究区概况和研究方法 年降雨量6 5 0 毫米以上；新城子、番子牌和四合堂为少雨区，年降水量5 5 0 毫米 以下：其他地区在6 0 0 - - 6 5 0 毫米之间。 受季风气候控制，本区降雨有如下特点： 第一，年际问不均衡。据密云县气象站1 9 5 7 1 9 8 1 年资料，多雨年( 1 9 5 9 年) 降水量为9 7 7 2 m m ，少雨年( 1 9 8 0 ) 仅为3 5 2 9 r a m ，相差2 8 倍。降水年际 平均变频为2 2 8 ，其变化趋势为少雨年多在二、三年内发生，多雨年则出现 在特少雨季活平水年的翌年。 第二，各季节分配不均。降雨集中在夏季，6 - - 8 月份降水占年降水的7 6 5 ，7 月下旬至八月上旬平均降水量为1 9 4 1 m m ，占年降水量的3 0 。 表2 1 不同季节平均降水情况 季节春夏秋冬 盔 降水量( 啪) 5 6 05 0 4 69 0 88 46 5 9 8 占年降水量( ) 8 47 6 51 3 81 31 0 0 降雨天数( 天) 1 44 01 5 67 5 第三，雨季来临早晚和持续关系和持续天数变化较大。雨季来临最早在6 月1 0 日，最晚在7 月1 9 日，相距4 0 天。雨季最长持续天数为1 0 9 天，最短只 有l o 天，相差9 9 天。这些降水不均衡特点，形成了本区春末夏初十年九旱，夏 季山洪爆发，降水难贮，水土流失严重。 2 1 4 土壤类型和土地利用方式 本区土壤可以分为褐土和棕壤两个大类。褐土分布于低山和丘陵地区，是本 区的主要土壤类型，棕壤则分布于流域西北部、东北部海拔高度8 0 0 米以上的中 山林地( 见附图2 ) 。受成土母质的影响，区域内土壤的物理性质存在着较大的 差异。不同岩石风化物形成的土壤，矿物颗粒和土壤粘粒含量、土壤容重、总孔 隙度、有效水分含量等不同。西部石质山区，土层厚度大多3 0 厘米，易侵蚀： 第二章研究区概况和研究方法 东部黄土丘陵地区，土壤多呈块状、片状结构，易漏水漏肥。冬、春季土壤水分 含量明显低于夏、秋季，旱季土壤中自然含水量一半接近或低于凋谢湿度。 根据遥感图像的土地利用解译，可以看出本区土地利用以林地为主，占本区 土地面积的7 6 ，其次是草地，占本区土地面积的1 0 ，耕地面积占本区面积的 7 ( 见图2 2 ) 。从分布来看，林地主要分布于山地地区，农田和果园多集中分 布于水库流域东部的丘陵地区和山间河谷阶地两岸，在环水库地区农田由比较集 中的分布( 见附图3 ) 。 2 1 5 水文 图2 2 研究区不同土地利用类型所占比例 2 1 5 1 地表水 本区有西向东以次分布有白河、蛇鱼川河、白马关河、牛亡牛河、潮河、安达 木河、清水河，以及汤河的上游支流。其中，白河、潮河流量最大，是向密云水 库供水的主要地表河流，潮河源于河北省丰宁县草碾沟南山下，由滦平县入古北 口，境内流域面积4 5 1 平方公里，多年平均径流总量4 5 4 2 4 万立方米，自河源 于河北省沽源县境内，由怀柔入四合堂，境内流域面积3 2 0 平方公里，多年平均 径流量为3 9 9 4 2 万立方米，受降水影响，径流量年内、年际变化很大。安达木 第二章研究区概况和研究方法 河、清水河等为季节性河流，只有汛期有水。另外，区域内有用于农业灌溉河旅 游的白龙潭水库、半城子水库、塘坝2 0 多座，总流域面积1 0 0 多平方千米。 资料来自密云水库水文手册 图2 31 9 7 0 - - 1 9 9 9 年潮白河入库水量 2 1 5 2 地下水 本区地下水主要埋藏在基岩裂缝中，其次是山间河谷第四系地层中，含水层 富水性不均，水位变化大。第四系孔隙水多沿河谷富水，风化裂隙水水量小，季 节性交化强，不稳定。 2 1 6 植被 在自然植被方面，属乔木的有十八科。其中分布广，面积较大的有杨柳科、 椴科、桦木科、山毛举科、松科、柏科，主要树种有杨、椴、槭、松、柏等。人 工林主要树种有油松、刺槐和干鲜果树，四旁植树以杨为主。经济林主要树种有 梨、苹果、板栗、杏、柿、核桃、枣和桑等。近年来在低山丘陵区，经济林发展 较快。 1 4 第二章研究区概况和研究方法 属于灌木的有十二科，主要有马鞭革科、豆科、蔷薇科等。分布较广的有荆 条、胡枝子、绣线菊等。 属于草本的有二十余科，二百多种，主要有白羊草、苔草、隐子草、野古草 等。 在种植业方面，以早生乔本科作物为主，其次是豆科作物，主要有玉米、小 麦、大麦、栗、薯、豆类及花生。农业植被主要分布于阶地、坡地和沟谷，林地 则主要分布于丘陵坡地。 2 1 7 社会经济情况 2 1 7 1 行政区划及其人口 本区包括北庄镇、太师屯镇、新城予镇、古北口镇、高岭镇、不老屯镇、冯 家峪镇和石城镇等8 个乡镇1 5 3 个自然村。据2 0 0 2 年统计( 密云县统计年鉴) ， 该区共有4 2 6 3 8 户，1 2 0 5 0 0 人，占全县总人口的3 0 多，其中自河流域人口密 度为6 8 人平方公里，潮河流域平均人口密度为约1 3 0 人平方公里，潮河流域 是白河流域的1 9 倍，反映出潮河流域的区域人文、经济活动相对于白河流域活 跃。 2 1 7 2 经济状况 本区的2 0 0 2 年的社会总产值为3 0 6 8 2 4 万元，其中农业总产值为6 8 8 0 7 万元， 工业总产值为1 4 4 6 9 6 万元，分别占本区工农业产值的3 2 2 和6 7 8 ，其中农 业产值的构成比例为种植业：牧业：林业：渔业= 1 1 5 3 ：1 7 5 ：2 7 7 6 ：1 ，反 映出在大农业生产中，特业和种植业为主，裴业和渔业相对薄弱。 2 1 8 生态环境 本区库北地区为低山丘陵林木带，人口相对于东部较少，而且居住比较分散， 其中农民的收入主要靠畜牧业，而且畜牧业的模式主要是放养，另外当地农民山 坡上开垦了很多零散的耕地，导致了营养物成分很容易在降雨径流的作用下进入 第二章研究区概况和研究方法 到地表水环境。 水库东部主要是低山丘陵地带，那里也是果木业生产带，土地耕作频繁，土 壤中过多的肥料在降雨径流的作用极易流失进入地表水环境。密云县从保护水资 源，加快农业发展的角度提出了“畜牧强县”的口号。近几年畜牧养殖业发展很 快，其中以太师屯、不老屯、高岭等乡镇的养殖数目较多。由于经济林发展较快， 当地产生的畜禽粪便大部分可以归还农田，对地表水环境不会造成直接影响。但 是农田、果园中的多余营养物质也会因降雨淋溶到土壤环境中，最终在地表径流 的作用下进入到地表水中。 本区的水土流失比较严重，据估算( 曾琪明、贺伟，1 9 9 6 ) ，本区密云水库 上游水土流失面积为8 0 5 8 5 平方公里，占总面积的5 7 3 7 。其中轻度侵蚀面 积6 2 5 1 8 平方公里，占侵蚀面积的7 7 5 8 ，中度侵蚀面积1 3 3 3 2 平方公里， 占侵蚀面积的1 6 5 5 ，强度侵蚀1 3 0 8 平方公里，占侵蚀总面的1 _ 6 2 ，极强 侵蚀3 4 2 8 平方公里占侵蚀总面积的4 2 5 ，每年土壤的侵蚀量为1 9 4 万吨。 尽管强度侵蚀所占比重很少，但是水库上游多属石质山区，土层较薄，土壤潜在 危险程度较大。 2 2 研究方法 2 2 1 空间数据的获取 运用g i s 手段获取与非点源密切相关的空间数据，建立研究区非点源污染 空间数据库，主要包括：d e m 、土地利用、小流域分布、土壤类型等。 2 2 2 地表水质监测点的设置 根据密云水库上游流域1 ：5 万d e m 生成密云水库水系图和次级小流域分 布图，然后根据土地利用和水文特征在全流域范围设置2 3 个水质监测点，每个 监测点控制的区域，是本监测点控制的一个次级流域( s u b - - w a t e r s h e d ) ，即在 每个次级流域的出口处设置监测点，利用监测点的水质监测结果代表该次级流域 1 6 第二章研究区概况和研究方法 内地表水水质的平均状况，来探讨土地利用变化与地表水水质之间的关系。流域 内各个水质监测点的位置分布如图2 4 。 图2 4 密云水库上游水系及监测点的设置 2 2 3 取样和样品分析方法 密云水库现在的主要问题是营养化有加快的趋势，因此本次研究的地表水水 质指标主要包括总氮( t n ) 、总磷( t p ) 、硝态氮( n 0 3 n ) 以及氨氮( n h 4 一n ) 。 由于研究区域属于大陆性气候，属于半湿润地区，地表径流通常不大，取样点要 远离村庄、畜禽养殖场等易受点源污染影响的河道中，流域内主要土地利用类型 为林地、草地、农田，而且基本上无工业污染源。每个取样点每次取水样8 0 0 m l 左右，密封保存带到实验室分析。一年分为雨中( 8 月) 和雨后( 1 0 月) 两次取 1 7 第二章研究区概况和研究方法 样。 水样污染物的测定方法按照水和废水检测分析方法进行。总氮用重铬酸 钾硫酸消化法：总磷用钼蓝比色法；n h 4 n 用纳氏试剂比色法；n 0 3 n 用酚二 磺酸比色法。 第- - i tg i s 空间数据库的建立 3 1 引言 第三章g i s 空间数据库的建立 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是用来对地理数 据进行采集、存储、管理和显示的计算机技术系统，将具有空间特性的各环境要 素抽象为点、线、面的空间实体及相关属性。g i s 与非点源污染分别属于不同的 领域，但是他们之间都具有空间概念，因此，g i s 能够为非点源污染的研究提供 技术支持，在国外已广泛用于非点源污染研究工作，并建成了许多流域管理信