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三峡库区流域泥沙流失及吸附态氮负荷研究

牟东阳

成都理工大学地球科学学院,四川成都,610059

摘要: 三峡库区泥沙淤积和面源污染严重,科学评估库区典型流域吸附态氮污染负荷空间分布特征,对三峡库区流域尺度非点源污染控制及生态环境建设具有重要意义。利用三峡库区流域泥沙流失和吸附态氮污染负荷等实测数据,结合该区流域特征,建立土壤侵蚀模型和泥沙输移比空间分布模型。结果表明:2020年小江流域出口泥沙负荷350.59×104t,平均输沙模数677.80t/km2a,流域出口吸附态氮负荷模数0.364t/km2·a,输出负荷1882.79t。东河子流域、浦里河流域、彭溪河子流域出口吸附态氮负荷分别为744.41t/a、359.19t/a、358.92t/a,占小江流域出口总负荷的77.68%。通过已有研究数据对模型模拟结果进行的检验表明:修正后的USLE模型可为三峡库区泥沙治理提供技术支撑。
关键词: 三峡库区;典型流域;泥沙流失;吸附态氮负荷;空间分布
DOI:10.12721/ccn.2022.157105
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三峡库区土壤侵蚀严重,产沙量巨大,泥沙携带的氮、磷等养分甚至可以占到养分流失总量的90%以上[1]。三峡库区自2003年6月开始139m蓄水后,其库区北岸流域最大支流小江年年暴发水华,流域水环境首要污染源即为非点源污染源[2],但其污染负荷的空间分异规律仍有待于揭示,从而控制关键污染源[3]。本文借助RUSLE土壤侵蚀模型,结合地理信息系统(GIS)的空间分析功能模拟小江流域泥沙迁移量,并建立吸附态N污染负荷模型,旨在(1)揭示该流域吸附态氮污染负荷空间分布规律,对小江流域非点源污染状况进行分析和评价;(2)探讨流域尺度非点源吸附态氮素流失控制策略,为流域生态环境管理提供科学依据和参照。

1研究区域及数据源

1.1研究区域

小江流域位于四川盆地东端,干流全长约182.4公里,流域面积5172.5km2,流域处在东径107°56′-108°54′,北纬30°49′-31°42′之间。流域以第二产业经济为主,陡坡耕地较多,土地利用管理措施不当以及不能合理利用土地,导致严重的水土流失,是三峡库区典型的泥沙输出和氮污染源。

1.2数据与方法

根据ULSE美国通用土壤流失方程模型和吸附态N污染模拟的输入条件,收集研究流域的相关数据。基于(RUSLE)修正通用土壤流失方程对小江流域进行土壤侵蚀评估。该方程能综合考虑影响土壤侵蚀的各类因素。

2通用土壤流失方程计算结果

2.1降雨侵蚀力因子R

降雨侵蚀力R值的简易计算公式由Wischmeier通过对常规降雨资料的经验总结后提出,利用2020年流域各雨量站的月降雨量依据上式估算各雨量站降雨侵蚀力因子R,并通过ArcGIS将数据空间化并插值[14]。

2.2土壤可蚀性因子K

Williams等以EPIC模型为基础,提出了土壤可蚀性因子K的估算方法,史东梅等对比5种K值估算方法发现,EPIC模型在重庆紫色土丘陵区的土壤可侵蚀性K值预测方法结果较好,可用于该地区土壤流失估算。

2.3坡度坡长因子

基于Hickey和VanRemortel提出的DEM提取区域LS方法,使用Arcgis中水文分析模块,以高精度DEM数据为基础,结合地表水流方向,利用D8算法提取坡度,并用陡坡LS因子公式计算流域LS专题层。

2.4植被覆盖因子

区域植被覆盖度由归一化植被指数NDVI进行计算,本研究应用像元二分法计算小江流域流域的植被覆盖因子C。

2.5水土保持措施因子

P因子定义为采取特定水土保持措施后的土壤流失量与标准条件下种植过程中的土壤流失量之比。常见的水土保持措施包括等高栽培、疏带和修筑梯田。P值主要依据流域内不同土地利用类型采取的水土保持措施,结合土地利用类型后给出。

3结果与分析

3.1小江流域土壤侵蚀量估算

根据2020年降雨数据、NDVI遥感数据和研究区数字高程模型数据,定量计算出各影响因子,根据RUSLE将各变量叠置相乘,得到流域土壤侵蚀量,并分析流域各侵蚀类型分布面积及流域平均侵蚀模数。

结果显示:2020年小江流域侵蚀总量1410.12×104t,低于葛永刚等[20]利用Markov-CA(马尔可夫—元胞自动机)预测模型估算的小江流域多年平均侵蚀量8.17×106t;平均土壤侵蚀模数2727.15t/km2·a,属于中度侵蚀。由结果可以得出2020年流域土壤侵蚀面积降序为轻度、微度、中度、强度、极强度,剧烈侵蚀最少,但侵蚀模数达20424.67t/km2·a。该地区主要以轻度、微度、中度侵蚀为主,占流域总面积的85.26%。通过流域划分,得到小江流域7条支流土壤侵蚀情况。位于开县境内的桃溪河支流土壤侵蚀模数最高,达4491.58t/km2·a,区域以多低山岭谷,植被覆盖度低,坡耕地广泛分布,侵蚀强度较大,达到中度、强度侵蚀,部分地区为极强侵蚀。开县县城至渠口段支流土壤侵蚀模数最低,仅923.82t/km2·a,属于微度侵蚀,该支流坡度较缓,平坝稻田分布较多,坡耕地分布面积比例较低。

3.2泥沙输移比空间分布及泥沙负荷模拟

泥沙负荷模拟结果显示,2020年小江流域出口泥沙负荷350.59×104t,平均输沙模数677.80t/km2·a,高于龙天渝等利用盲数理论估算的小江流域输沙模数640.0t/km2·a,低于三峡库区多年平均输沙模数1076t/km2·a。小江流域各支流中,东河子流域泥沙输移比最大,且流域面积和土壤侵蚀量都是各支流中最大,年输沙量119.54×104t,成为小江流域输沙量最大源,桃溪河子流域由于较脆弱的生态环境和地形植被,土壤侵蚀模数和输沙模数都最大。

4结论

(1)小江流域2020年土壤侵蚀总量1410.12×104t,平均壤侵蚀模数2727.15t/km2·a,流域出口泥沙负荷350.59×104t,平均输沙模数677.80t/km2·a,总氮负荷模数0.364t/km2·a,总氮负荷1882.79t。由于2020年降水量较正常年略高,使得模拟结果泥沙流失和吸附态氮负荷仍然严重。

(2)小江流域各支流中,东河子流域、浦里河流域、彭溪河子流域出口吸附态氮负荷分别为744.41t/a、359.19t/a、358.92t/a,占小江流域出口总负荷的77.68%,这三个流域应作为流域非点源污染治理工作的重点区域。

(3)今后应加强三峡库区典型流域内不同土地利用类型泥沙输移及非点源污染相关模型基础参数的田间尺度研究,以减少模型研究的不确定性,提高流域尺度模型模拟的适应性和可信度。

参考文献:

[1]戴卓,李文杰,杨胜发,杨威,肖毅.三峡水库泥沙淤积对氮磷污染物的影响.人民长江,2020,51(02):23~27.

[2]冉娇娇,黄平,陈成龙,慈恩,吕明权.“稻转旱”对低山丘陵区氮素流失通量的影响——以三峡库区渠溪小流域为例.水土保持研究,2022,29(02):70~75.

[3]刘洁,沈颖,杨树青.长江上游不平衡水沙输运对三峡库区泥沙淤积影响.长江流域资源与环境,2020,29(06):1333~1342.

作者简介:牟东阳(1997—),男,汉族,四川宜宾人,学历:硕士在读,单位:成都理工大学学地球科学学院,研究方向:3s技术与数字国土