流域"汇"型景观时空演化格局与磷污染蓄留响应过程的研究

Occurrence mechanism and diffusion process of non-point source pollution at multiple temporal and spatial scales are significant in controlling regional surface source pollution and improving local water source quality. Water body eutrophication in Yuqiao reservoir (Tianjin) is mainly phosphorus pollution. Preliminary research was conducted on phosphorus loading and pollution process. With the basin sink landscape pattern area ratio increases, the watershed phosphorus pollution load was also significantly increased. However, there are few studies on long-term evolution of phosphorus pollution and its interception process by sink landscape patterns. We will examine agricultural phosphorus pollution in watershed of Yuqiao Reservoir, and describe migration paths and landscape pattern traits of source-sink. Based on scale-pattern-process theory, the bottom-up analysis will be used from mechanistic patch model to structure and function at landscape scale. The relationship between source-sink landscape pattern and phosphorus pollution will be revealed via interpretation of remote sensing images, phosphorus measurement and analysis in typical small watershed, and spatial distribution arithmetic model simulation of phosphorus pollution. This project will provide theoretical support for water body protection and pollution prevention.

非点源污染在不同的时空尺度下的发生机理、扩散过程的研究对控制流域面源污染具有重要意义。天津于桥水库的水体富营养化主要为磷污染，最近研究表明：随着于桥水库流域"汇"型景观格局面积比例增加，流域磷污染负荷也显著的上升。但对"汇"型景观格局对磷污染过程如何进行截蓄的调控？以及"汇"型景观格局时空演变如何影响磷污染过程？即景观格局如何影响生态过程研究？这是我们现在面对的核心科学问题。本课题基于"3S"技术和模型模拟的方法，对天津于桥水库流域农业磷污染进行研究,分析污染的迁移路径及其"汇"景观格局变化特征。并以"尺度－格局－过程"原理和等级组织理论为基础采取"自下而上"的分析方法，从机理性的斑块模型入手，延伸到包括景观尺度的结构和功能过程。通过对遥感影像的解译，典型小流域磷的测定分析，数学模型磷污染的空间分布模拟，揭示"汇"景观格局与磷污染之间的关系，为水体污染防治与保护提供理论依据

近30年来，天津于桥水库流域“源-汇”景观格局发生重大改变，随着退耕还林工程实施，流域果园发展迅速，部分子流域“汇”型面积上升，而全流域氮磷污染呈上升趋势。流域城镇化引发的污染形式多样，且随机性、不确定性更强，而单纯的对流域农业面源污染引发的水体污染进行分析，已不能满足城镇化带来的水环境恶化问题。城镇化过程中，流域源汇景观格局演变与河流氮磷污染关系的研究，对流域水环境的管理具有重要意义。项目基于流域2013-2016年33个点的定位监测和模型模拟的方法，研究了流域源汇景观格局演变对氮磷污染过程的影响。研究表明：近30 年流域“源-汇”景观格局发生了重大改变，耕地面积比例由31.9%逐渐减少到22.5%；园地面积增长迅速，由1984年的6.17%增加到2013年的21.86%。而城镇建设用地从1984年的11.66%增加到2013年的18.10%。各景观类型破碎化程度上升,连通性降低,景观格局异质性高；“源-汇”景观空间负荷对比指数（LWLI）能较好地反映流域城镇化趋势。LWLI与流域氮、磷空间分布存在极显著的相关性，平水期TN与LWLI的复相关系数R2为0.811，丰水期LWLI与TP的复相关系数R2为0.741；冗余分析法（RDA排序）表明： LWLI和城镇面积比对河流中氮、磷的影响最大。多元逐步回归分析表明：LWLI、 For% 、Red%为主要的解释变量，能有效反映氮、磷输出特征。研究将不透水面覆盖度（ISP）做为城镇化的重要参数，用以推算CN值，构建了SCS-CN模型。参数优化后得到15个影响径流模拟和13个水质模拟精度的关键参数。优化参数后的SWAT模型，验证期模拟的径流、总氮和总磷的纳什系数（NSE）均大于0.7，R2均大于0.73，PBIAS小于13%，说明模型对于天津于桥水库流域水文水质过程模拟结果较好，可以反映流域的水文、水质的长期变化；在丰水年和枯水年情景下，汇景观水文调节功能减弱，产生的径流量增幅明显。源景观总磷、总氮污染负荷增加3.5%-8.4%，其中，城镇负荷增加了37.1%-68.4%，而耕地的污染负荷减少了28.1%-32.1%，园地对流域氮、磷的影响不大。说明流域城镇化改变了“源-汇”景观格局，从而对流域氮磷负荷产生较大的影响。