收稿日期:2003-4-20;修订日期:2003-9-10基金项目:北京市科技新星计划(953810300)、教育部高等学校骨干教师计划(518)资助。
作者简介:王晓燕(1967-),女,甘肃宁县人,博士,副教授,主要研究方向为水环境污染控制和管理。E-mail:cnuwxy@sohu.co m
北京密云水库小流域非点源污染负荷估算
王晓燕1,王晓峰1,汪清平1,王振刚1,蔡新广2
(1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京100037; 2.北京市密云县水土保持工作站,北京101500)摘要:根据不同类型的非点源污染发生区,选择若干径流小区,进行降雨、径流量、径流水质同步监测,分析不同土地利用类型小区地表径流和泥沙中氮、磷的流失情况。根据地貌特征和土地利用情况,利用通用土壤流失方程和SCS 法分别计算不同土地利用类型区土壤侵蚀量和径流量,分析氮、磷的流失特点。结果表明:坡耕地和荒草坡单位面积土壤流失量比较严重;村庄中溶解态氮的流失量最多;村庄和坡耕地是氮、磷流失的重点区域。关 键 词:密云水库;小流域;非点源污染负荷;土地利用
中图分类号:X144 文献标识码:A 文章编号:1000-0690(2004)02-0227-05
随着人类经济活动的不断加剧,水环境污染已成为全球性问题。非点源污染的严重性随着点源污染控制能力的提高而逐渐表现出来,特别是当点源污染控制水平达到一定程度后,非点源污染必将成为水环境污染的主要原因。我国已有63.3%的湖泊水体达到富营养化,其中50%以上的磷、氮负荷来自农业非点源。北京密云水库、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,已成为威胁地表水的主要污染源
[1~4]
。
密云水库是北京市唯一的地表饮水水源,流域点源污染较少,非点源是影响水库水质的主要污染源,其中水土流失、农田施用的化肥、农药流失以及畜禽养殖是主要的污染形式[5]
。目前库区水体的
营养程度为中营养型,并出现向富营养型发展的特
征
[6]
。
研究区石匣小流域地处北京市北部山区密云水库的东北方向,总面积33km 2,位于潮河下游、水库边缘的丘陵地带。本文根据流域的地理条件和土地利用状况分成农田、林地、果园、荒草坡、村庄等几种不同的类型,选择若干径流小区进行监测。利用SC S 径流曲线法和通用土壤流失方程USLE,分别估算随地表径流输出的溶解态氮、磷和由泥沙携带的吸附态氮、磷,分析不同形态的氮、磷在不同土地利用类型下的流失特点,为控制氮、磷流失提供科学依据。
1 地表径流量的计算
美国水土保持局(Soil Conservation Service,简称SC S)提出的SCS 径流曲线法,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[7]
。当P 0.2S 时,
Q =(P -0.2S )2
/(P +0.8S )
(1)S =25400/C N -254
(2)
式中:Q 为径流深(mm);P 为降雨量(mm);S 为吸水参数(mm),为降雨和径流间的最大差值;C N 为径流曲线参数,代表地表产生径流的能力,与植被覆盖、水文土壤组和土壤前期含水量等因素有关,它的取值范围由1到100不等。以每一次降雨前5天降雨量为依据把前期土壤湿润程度分成干、平均和湿(AMCI 、AMCII 和AMC III )3级,其中平均土壤含水条件(AMCII )对应的径流曲线数(C NII )可以在美国水土保持局提供的有关表中直接查到,则对应的C NI 和C NIII 值分别为[7]
:
C NI =CNII /(2.234-0.01334C NII )
(3)C NIII =CNII /(0.4036+0.0059C NII )
(4)
由于SCS 对数据要求低,无降雨过程资料时,用SC S 径流曲线数进行径流计算,可满足一般精度
要求[8]
。石匣小流域土壤为砂性的淋溶褐土,按照美国水土保持局的土壤水文组分类为B 类[7]
。该
流域为旱作农业区,一般实行等高种植。
第24卷第2期2004年04月 地 理 科 学SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA Vol.24 No.2Apr.,2004
水浇地占耕地面积的40%,实行小麦、玉米间作。根据所在流域的土地利用方式、水土保护措施、水文条件以及土壤类别可以查出C NII 值,进而进行土壤湿度修正计算出C NI 或C NIII 的值,由公式(2)计算不同土地利用类型的吸水参数S 值。当每次降雨产流之后,降雨量P 可由自动雨量计监测获得,由公式(1)计算次径流深。年径流深Q 乘以流域面积即为总径流量Q T ,结果见表1。
表1 不同土地利用类型的年径流深Q (m m)
和径流量Q T (104
m 3
)
Table 1 Runoff volume Q and runoff amount Q T of different land use type( 104m 3)
土地利用类型1994年Q Q T
2000年Q Q T
旱地398.5 1.50.33水浇地30.19.84 1.20.4果园3940.2 1.5 1.56林地 5.17.4700荒草坡10.8 1.0700村庄68.38.5
4.8
0.6合计
75.6
2.89
从表中可以看出,果园产生的径流量最大,其次是旱地、水浇地和村庄,林地和荒草坡产生的径流量最小。利用SC S 径流曲线计算出的径流量与通过坡面观测数据计算出的径流量相比,2000年的数据偏低(2000年汛期的总径流量为3.93 104m 3),这是由于2000年降雨量只有多年平均的70%左右,雨强小于正常年份的50%;C N 参数是一个经验值,对坡度的影响考虑也明显不足。另外,小流域土地利用变化较大,如1999年果园面积比1992年增加3倍多,而耕地减少一半,荒草坡面积也减少为原来的1/3。这些因素都影响了不同土地利用类型年径流量的变化。
2 土壤侵蚀量计算
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它污染物。通用土壤流失方程(USLE)及其修订方程是目前预测土壤侵蚀最广泛使用的方法之一[9,10]
。
X =1.29E !K !LS !P !C
(5)式中:X 为年平均土壤侵蚀量(t/hm 2);E 为降雨侵蚀因子;K 为土壤可蚀性因子;LS 为地形因子;P 为水土保护措施参数;C 为地表植被覆盖因子。2.1 降雨侵蚀因子E
Wischmeier 和Smith 等人利用美国35个土壤
保持试验站8250个休闲小区的降雨侵蚀实测资料,得出E 的计算方法
[11]
:
E =
?E i
I 30/100
(6)E i =210+89lg I i r i
(7)
式中:?E 为降雨的总动能,E 为降雨侵蚀因子[(100MJ !mm)/(hm 2
!h)];E i 为一次降雨过程中第i 时段降雨量产生的动能[(MJ !mm)/hm 2];I 30为一次降雨中连续30分钟最大降雨强度(m m/h);I i 为一次降雨过程中第i 时段的降雨强度(mm/h);r i 为第i 时段的降雨量(mm)。
全年E 值为每次降雨的E i I 30值的加和。此法既考虑了年降水总量,又考虑了降水的年内分布,数据也容易获取,具有较好的应用价值
[12~14]
。
本文利用小流域气象站的自动雨量器所记录的多年降雨资料进行统计,根据降雨量按月分布情况计算出E i ,同时可求出全年平均降雨侵蚀参数为246.75。由于小流域面积不大,该降雨资料基本上能反映流域的降雨情况。从降雨侵蚀因子的年内分布可以看出,石匣小流域的降雨侵蚀因子的年内分布极不均匀,主要分布在7、8月,这两个月的E 值约占全年E 值的95%(见图1),说明降雨冲刷基本上都发生在这两个月。1999年和2000年与往年相比,降雨强度较低,降雨量减少(分别为420.5mm 和467mm),大约是多年平均降雨量的75%左右,相应的次降雨的E 值也明显偏低。
图1 石匣小流域降雨侵蚀因子年内分布图
Fig.1 Monthly rainfall erosivi ty factor E
i n Shixi a small waters hed
2.2 土壤可蚀性因子K
K 表示土壤被冲蚀的难易程度,是影响土壤流失量的内在因素。Williams 等人在EPIC (Erosion-Productivity Impact Caculator)模型中,定义K 值的计算公式为
[15]
:
K ={0.2+0.3exp [-0.0256S a (1-S i /100)]
228
地 理 科 学 24卷
[S i/(C l+S i)]0.3}{1.0-0.25C/[C+
exp(3.72-2.95C)]}{1.0-0.7S n/
[S n+exp(-5.51+22.9S n)]}(8)式中:S a-砂粒含量(%);S i-粉砂含量(%);C l-粘粒含量(%);C-有机碳含量(%);S n=(1-S a)/100。
在降雨前后按照土地利用类型从小流域中抽取48个土壤样本,分析土壤的有机质含量和土壤的机械组成,这两种指标符合正态分布曲线,且小流域的土壤都是淋溶褐土,所以可取其平均值。结果为:有机质1.91%,砂粒47.4%,粉砂粒(0.05~ 0.01mm)20.9%,粘粒(<0.001m m)17.6%。根据石匣小流域的土壤种类和机械组成,可以判断土壤的质地为砂质壤土;参考土壤有机质含量,对照USLE中K值表,可知K值为0.24。
2.3 地形因子L S
小范围内坡长L和坡度S合成为地形因子LS,它代表地形条件变化产生侵蚀的主要水力因素,也是一个无量纲的数值。USLE配套的LS计算公式为[16]:
LS=(0.045L)a(65.41sin2 +4.56sin
+0.065)(9)式中:L为坡长,指由开始发生径流的一点到坡度下降至泥沙开始沉淀或径流进入水道这一点的长度; 为坡面的角度,当坡降(sin )大于5%时, a=0.5;坡降为4.5%~3.5%时,a=0.4;当坡降为3%~1%时,a=0.3;坡降小于1%时,a=0.2。
按土地利用分类,以面积作为权重来计算每一种土地的平均LS(见表2)。
表2 不同土地利用类型的因子值及
多年平均土壤流失量
Table2 Annual soil erosi on amount and factors
from different land use types
土地利用类型R K C LS P
单位流失
量(t/km2)
总流失
量(t)
旱 地246.750.240.223 5.170.652.811531
水浇地246.750.240.25 1.730.619.86488
果 园246.750.240.0212.260.81515466
林 地246.750.240.00317.711 4.15951
荒草坡246.750.240.0313.5130.93054
2.4 水土保护措施参数P
P因子反映了水土保持措施对于坡地土壤流失量的控制作用。根据石匣小流域农田的地貌特征和水土保持措施,查USLE中P值表[17],可知农田的P值。至于非农田类土地,其影响因素已经反映在LS因子之中,可以把P值看作1(见表2)。
2.5 地表覆盖因子C
C是地面植被覆盖状况对土壤侵蚀影响的因素无量纲,取值范围在0到1之间。在地表完全没有植被保护的情况下,C值定为1;地面完全被植被覆盖,则C值可取为0。农作物在不同生长阶段C有所不同。在整个生长期内,某作物的C值为某个时期内土壤流失率与作物在某个生长期内的降雨侵蚀力E值占全年E值的百分数的乘积。
我们根据密云水库流域农作物的生长发育状况,可将农作物的生育期划分为以下4个时期:苗期:从播种到播种后45天左右;生长期:在苗期后的40天左右;成熟期:在生长期后到收割为止;残茬期:收获以后。对于水浇地,普遍实行一年二熟的冬小麦春玉米套种,小麦一般在10月上旬播种,六月中旬收获,在小麦生长季节降雨侵蚀因子约占全年的4%,玉米在5月1日左右播种,9月下旬收获,在玉米的整个生长季节降雨侵蚀因子约占全年的96%,所以大部分水浇地的C=0.25;对于坡耕地,因无法灌溉,多种植一年一熟的秋粮作物,每年70%的旱地种植玉米,15%的旱地种植豆类作物, 15%的旱地种植高梁、谷子、花生等旱地作物,每年在这些旱地作物之间进行轮作种植,因此旱地的C 值采用各作物占地百分比乘各作物C值求和得到, C=0.223。根据小流域的植被类型,查USLE中C 值[17],小流域各种土地利用类型的C值见表2。2.6 土壤流失量
综合石匣小流域不同土地利用类型的降雨、土壤、地形、植被、耕作方式和水土保持措施的值,利用通用土壤流失方程,即可计算出小流域多年平均土壤流失量(见表2)。
从单位面积土壤流失量来看,本地区土壤流失比较严重的土地类型是坡耕地和植被覆盖率较低的荒草坡,其次是水浇地、果园,村庄和林地的泥沙流失量最小。采用石匣小流域的实测资料来验证USLE方程,误差范围在-18.3%~+24%之间,总量误差为-13.2%,取得较为理想的结果[18]。
3 氮、磷流失
我们对流域内不同土地利用类型中径流污染物的含量,进行10个小区三年的监测分析,选取不
229
2期 王晓燕等:北京密云水库小流域非点源污染负荷估算
同的坡度、坡向、水保措施,得出不同土地利用类型平均溶解态氮、磷浓度和吸附态氮、磷浓度。不同土地利用类型小区氮、磷的浓度分布多呈正态分布类型[19],因此可计算出氮、磷浓度平均值(见表3)。
表3 不同土地利用类型径流中氮、磷的平均浓度Table3 Average concentrati on of nutrients in runoff
土地利用类型溶解态总
氮(mg/L)
溶解态总
磷(mg/L)
吸附态总
氮(mg/kg)
吸附态总
磷(mg/kg)
农田 3.8280.3952579373
果园 3.9910.2793380368
林地 3.3780.0485405392
荒草坡 3.7510.1014088326
村庄27.4960.312881383
溶解态氮、磷是指通过径流携带的总氮和总磷,其负荷为径流中含量与径流量的乘积。吸附态氮、磷的负荷为泥沙中氮、磷的浓度与土壤实际流失量的乘积(见表4)。
表4 不同土地利用类型之间氮、磷的分配关系 (%) Table4 Percentage of nutrients load fro m
different land use types(%)
土地利用类型
溶解态
1994年
氮磷
2000年
氮磷
吸附态
1994年
氮磷
2000年
氮磷
农 田20.343.7 4.831.732.241.732.542.9
果 园30.24422.247.936.135.536.136.3
林 地 4.7 1.40022.313.922.714.9
荒草坡0.70.4008.7 6.28.7 6.4
村 庄4410.47320.50.7 2.60.30.1
小流域每年氮、磷输出量的差别很大,不同土地利用类型间溶解态氮、磷输出比例变化很大。1994年溶解态磷流失量是2000年的30倍,这主要与降雨量和径流量的变化有关。村庄中溶解态氮的流失量最多,其次为果园和农田,荒草坡和林地最少。无论是正常年份还是少水年,村庄溶解态氮在总氮流失中占绝对优势,特别是在少水年,由于降雨量和雨强的减弱,一般林地、灌丛极难产生径流,而在村庄比较容易形成径流,径流含沙量低,使村庄中溶解态氮流失的比重上升。
果园、农田溶解态磷流失最多,其次为村庄,灌草丛和林地最少。这主要因为果园的径流量较大,浓度较高,相应地果园径流携带的总磷也相对较高。随着降雨量和径流量的减少,村庄中溶解态磷流失的比重上升,农田中溶解态磷流失的比重逐渐下降。
从吸附态氮、磷的流失比例关系来看,果园、农田流失的吸附态氮最多,其次为林地、荒草坡,村庄最少。这主要因为果园和农田径流的含沙量较高,村庄径流的含沙量较少,相应地,氮、磷的流失量也有所不同。
可以看出,石匣小流域输入到水体中的氮、磷营养物以吸附态为主,特别是磷,泥沙携带占绝对优势,因此石匣小流域非点源污染物流失的主要途径是土壤侵蚀。因此,要防止密云水库的水体富营养化,应重点控制水库上游流域的土壤侵蚀和水土流失,减轻水库吸附态氮、磷的负荷量。
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Loss of Non point S ource Pollutants from Shixia Small
Watershed,Miyun Reservoir,Beijing
W ANG Xiao Yan 1
,WANG Xia o Feng 1
,WANG Qing Ping 1
,Wang Zhen Gang 1
,C AI Xin Guang
2
(1.College o f Resource,En vironment and Tourism,Capita l N ormal University ,Beijin g 100037;
2.Soil Conservation Station of Miyun County ,Beijin g 101500)
Abstract:Nitrogen and phosphorus,coming mainly from non point sources (NPS),are major nutrients to cause eu
trophication to degrade water quality of Miyun Reservoir,and the only source of surface drinking water in Beijing,Chi na.Based on the land use and geographical c ondition,the research area is classified into different types of non point source areas as follows:agricultural land,forestland,orchard,garigue and village.Se veral runoff units of various land use areas are selected to monitor rainfall,runoff and water quality synchronously for nutrient loss from runoff and sedi ment at various land use areas.On the basis of geomorphic and land use,this small watershed is divided into several https://www.doczj.com/doc/5613862718.html,ing USLE equation and SC S runoff curve,soil erosion mount and runoff of each plot are calculated.Consider ing the actual concentration of nutrient,loading of nutrient of surface runoff and sediment are estimated.The results show that TP,TN concentrations of diffuse samples from villages and livestock units are nearly 10times of that in other land use areas.High nutrient loads are associated with villa ge land use,which has improper livestock breeding.These areas should be treated as critical areas of non point source pollution.Different land use influences intensively the loss of pollutants,especially slope tilling in agricultural land.The amount of nutrient loss from per agricultural land and or chard is the highest,then is that from garigue.Nutrient is enriched in sediment.Phosphorus is migrated with sedi ment,while the dissoluble form in runoff is very little.Being carrier of loss nutrients,the fine particles are thought to be the controlling focus.
Key words:Miyun Reservoir;small watershed;non point source pollution load;land use
2312期 王晓燕等:北京密云水库小流域非点源污染负荷估算