干旱区研究 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (2): 625-637.doi: 10.13866/j.azr.2022.02.29
邹凯波1(),张玉虎1(),刘晓伟2,薛淑慧1,杨博文1,崔艳欣1
收稿日期:
2021-05-21
修回日期:
2021-08-20
出版日期:
2022-03-15
发布日期:
2022-03-30
通讯作者:
张玉虎
作者简介:
邹凯波(1994-),男,硕士研究生,主要从事气候变化与水文模拟研究. E-mail: 基金资助:
ZOU Kaibo1(),ZHANG Yuhu1(),LIU Xiaowei2,XUE Shuhui1,YANG Bowen1,CUI Yanxin1
Received:
2021-05-21
Revised:
2021-08-20
Online:
2022-03-15
Published:
2022-03-30
Contact:
Yuhu ZHANG
摘要:
以新疆乌伦古河流域为研究区,基于SWAT模型构建适用于该流域的面源污染分布式水文模型,采用情景设置法设定9种气候变化情景。分析不同气候变化情景对流域径流及面源污染负荷的影响,识别重点影响区域,为流域面源污染防控提供科学依据。结果表明:(1) 径流、总氮和总磷在率定期和验证期的决定系数R2均在0.75以上,纳什系数Ens均在0.55以上,建立的SWAT模型能够用于乌伦古河流域农业面源污染负荷模拟;(2) 增加20%的降水量,径流量增加48.01%、总氮负荷增加23.19%、总磷负荷增加29.65%,气温变化对径流量的影响小于降水量变化对径流量的影响;(3) 各子流域年均单位面积总氮负荷为0.01~164.79 kg·hm-2·a-1,单位面积总磷负荷为0.01~45.10 kg·hm-2·a-1,气候变化对面源污染影响较大区域主要分布在福海县的阿尔达乡、富蕴县的吐尔洪乡、库尔特乡、恰库尔图镇,及青河县的阿热勒乡、阿热勒托别镇、塔克什肯镇等。说明降水增多是乌伦古河流域农业面源污染负荷的主要影响因素之一。未来在农业面源污染防治中应重点控制畜禽养殖和农田径流这两类污染源。
邹凯波,张玉虎,刘晓伟,薛淑慧,杨博文,崔艳欣. 气候变化下乌伦古河流域农业面源污染负荷响应[J]. 干旱区研究, 2022, 39(2): 625-637.
ZOU Kaibo,ZHANG Yuhu,LIU Xiaowei,XUE Shuhui,YANG Bowen,CUI Yanxin. Response of agricultural nonpoint source pollution load in the Ulungur River basin under climate change[J]. Arid Zone Research, 2022, 39(2): 625-637.
表1
模型构建采用的数据"
数据类型 | 分辨率 | 年份 | 格式 | 数据来源 | |
---|---|---|---|---|---|
空间数据 | 流域DEM | 30 m | 2009年 | 栅格 | 地理空间数据云( |
土地利用 | 1:250 000 | 2015年 | 栅格 | 清华大学地球系统科学系( | |
土壤类型 | 1:1000 000 | 栅格 | HWSD(世界土壤数据库) | ||
属性数据 | 气象数据 | 1/3°×1/3° | 2008—2018年 | Txt | CMADS V 1.0大气同化驱动数据集( |
土壤属性 | - | - | Excel | HWSD、SPAW | |
水文、水质 | - | - | Excel | 阿勒泰水文局 |
表3
乌伦古河流域土壤类型"
土壤类型编号 | 土壤名称 | 面积比例/% | 土壤类型编号 | 土壤名称 | 面积比例/% |
---|---|---|---|---|---|
1 | 简育灰色土 | 1.20 | 18 | 黏化砂性土 | 1.59 |
2 | 简育黑钙土 | 0.51 | 19 | 钙积石膏土 | 3.09 |
3 | 钙积黑钙土 | 5.11 | 20 | 钙积变性土 | 0.48 |
4 | 黏化栗钙土1 | 2.82 | 21 | 石灰性黑土 | 4.25 |
5 | 黏化栗钙土2 | 0.03 | 22 | 潜育黑土 | 0.15 |
6 | 石灰性冲积土 | 1.05 | 23 | 盐化冲积土 | 0.13 |
7 | 简育栗钙土1 | 5.58 | 24 | 松软潜育土 | 0.34 |
8 | 钙积栗钙土1 | 5.60 | 25 | 松软盐土1 | 0.08 |
9 | 钙积栗钙土2 | 0.09 | 26 | 松软盐土2 | 0.19 |
10 | 黏化钙积土1 | 17.43 | 27 | 石膏盐土 | 0.11 |
11 | 黏化钙积土2 | 0.20 | 28 | 钙积盐土 | 0.90 |
12 | 过渡性红砂土 | 4.13 | 29 | 永冻薄层土 | 2.88 |
13 | 干旱土1 | 2.24 | 30 | 饱和薄层土 | 5.84 |
14 | 简育砂性土 | 20.27 | 31 | 水体 | 3.71 |
15 | 冰冻潜育土 | 4.88 | 32 | 简育栗钙土2 | 0.08 |
16 | 干旱土2 | 0.08 | 33 | 永冻雏形土 | 0.01 |
17 | 黏化石膏土 | 4.93 | 34 | 简育钙积土 | 0.02 |
表4
土壤属性数据库相关参数"
参数名称 | 含义 | 注释 |
---|---|---|
NLAYERS | 土壤分层数 | HWSD |
HYDGRP | 土壤水文学分组 | 公式计算 |
SOL_ZMX | 土壤剖面最大根系深度/mm | HWSD |
ANION_EXCL | 阴离子交换孔隙度 | 模型默认值为0.5 |
SOL_CRK | 土壤最大可压缩量 | 模型默认值为0.5, 可选 |
TEXTURE | 土壤层结构 | SPAW计算 |
SOL_Z | 各土壤层底层到土壤表层的深度/mm | HWSD |
SOL_BD | 土壤湿密度/(mg·m-3或g·cm-3) | SPAW计算 |
SOL_AWC | 土壤层有效持水量/mm | SPAW计算 |
SOL_K | 饱和导水率、饱和水力传导系数/(mm·h-1) | SPAW计算 |
SOL_CBN | 土壤层中有机碳含量 | HWSD |
CLAY | 黏土含量(直径<0.002 mm的土壤颗粒) | HWSD |
SILT | 壤土含量(直径0.002~ 0.05 mm的土壤颗粒) | HWSD |
SAND | 砂土含量(直径0.05~2.0 mm的土壤颗粒) | HWSD |
ROCK | 砾石含量(直径>2.0 mm的土壤颗粒) | HWSD |
SOL_ALB | 地表反射率 | 模型默认值0.01 |
USLE_K | USLE方程中土壤侵蚀力因子 | 公式计算 |
SOL_EC | 土壤电导率/(dS·m-1) | 默认为0 |
表6
SWAT模型参数取值"
参数名称 | 参数阈值 | 最终取值 | |
---|---|---|---|
径流 | SCS径流曲线系数CN2 | -0.5~0.5 | 0.480 |
主河道曼宁系数CH_N2 | -0.5~1 | -0.411 | |
土壤蒸发补偿系数ESCO | 0~1 | 0.296 | |
最大冠层蓄水量CANMX | 0~100 | 30.650 | |
土壤有效水容量SOL_AWC | 0~1 | 0.939 | |
饱和水力传导系数SOL_K | 0~1 | 0.502 | |
基流退水系数ALPHA_BF | 0.05~24 | 13.450 | |
地下水滞留时间系数GW_DELAY | 0~0.3 | 0.012 | |
积雪温度滞后因子TIMP | -0.5~0.5 | -0.224 | |
土层底部的埋深SOL_Z | 0~500 | 62.750 | |
湿土的反照率SOL_ALB | 0~0.25 | 0.034 | |
地表径流滞后系数SURLAG | 0~0.5 | 0.304 | |
水质(氮循环) | 反硝化指数速率系数CDN | 0~3 | 1.725 |
发生反硝化作用的土壤含水量阈值SDNCO | 0~1 | 0.325 | |
硝酸盐的渗流系数NPERCO | 0~1 | 0.025 | |
泥沙运移中有机氮的富集比ERORGN | 0~5 | 0.125 | |
降雨中的氮浓度RCN | 0~15 | 13.875 | |
NH3生物氧化的速率常数BC1_BSN | 0.1~1 | 0.258 | |
从NO2到NO3的生物氧化速率常数BC2_BSN | 0.2~2 | 1.415 | |
从有机氮到氨基的水解速率常数BC3_BSN | 0.02~0.4 | 0.239 | |
水质(磷循环) | 从有机磷到可溶性磷的腐化速率常数BC4_BSN | 0.01~0.7 | 0.165 |
土层中有机磷的起始浓度SOL_ORGP | 0~100 | 22.500 | |
磷吸收分布参数P_UPDIS | 0~100 | 17.500 | |
磷的土壤分配系数PHOSKD | 100~200 | 122.500 | |
磷的可利用率指数PSP | 0.01~0.70 | 0.614 | |
泥沙运移中有机磷的富集比ERORGP | 0~5 | 0.125 | |
磷渗流系数PPERCO | 10~17.5 | 13.563 |
表9
不同情景下流域多年平均总氮、总磷负荷量及变化百分比"
气温变化/℃ | 降水量变化 | ||||
---|---|---|---|---|---|
0% | 10% | 20% | |||
总氮负荷 | 0 | 总氮负荷量/103 t | 10.17 | 11.31 | 12.53 |
总氮变化率/% | 0 | 11.25 | 23.19 | ||
+1 | 总氮负荷量/103 t | 9.98 | 10.98 | 12.15 | |
总氮变化率/% | -1.86 | -7.92 | -19.46 | ||
+2 | 总氮负荷量/103 t | 9.59 | 10.47 | 11.7 | |
总氮变化率/% | -5.66 | -2.92 | -15.07 | ||
总磷负荷 | 0 | 总磷负荷量/103 t | 1.88 | 2.15 | 2.44 |
总磷变化率/% | 0 | 14.32 | 29.65 | ||
+1 | 总磷负荷量/103 t | 1.82 | 2.07 | 2.35 | |
总磷变化率/% | -3.21 | -10.12 | -25.18 | ||
+2 | 总磷负荷量/103 t | 1.75 | 1.98 | 2.26 | |
总磷变化率/% | -7.11 | -5.36 | -20.22 |
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