珠江典型小流域同位素水文示踪实验研究

The project intends to select the Si heshui small basin with typical meteorological geographical features as the representative area for rainfall runoff hydrological tracer experiment. According to the different underlying surface condition, the Si Heshui basin is divided into several sub-catchments. The monitoring points are established in every catchment, with the simultaneous observation of hydrology, environmental isotope and pollutant content. Using the regression analysis and statistic method, the monitoring data are analyzed, and the temporal and spatial distribution characteristics, variation and its influencing factors of the isotope and the contaminant content in various water sources are studied. The environmental isotope tracer technique is used to analyze the influence of changes in different underlying surface condition on the redistribution of precipitation, overland runoff yield and concentration, law of contaminant migration and transformation, to discuss the influence mechanism of runoff yield and concentration (or pollutant) in small basin, to study the hydrological response mechanism and the transforming relationship between different sources of water. Based on the multidisciplinary theories and method, such as hydrology, hydrodynamics, environmentology and geography, the rainfall-runoff non-point source pollution model is established, and the use of isotope-assisted data to increase modeling information is proposed to reduce the uncertainty of model parameters. In conclusion, the study has an important reference value for revealing the rule of the spatial and temporal changes in the runoff formation,as well as the pollutant migration and transformation rule, and it will be helpful for promoting the development of the hydrological mechanism research.

本项目拟选择珠江具有典型气象地理特征的泗合水小流域进行降雨径流水文示踪实验研究。针对泗合水小流域内不同的下垫面条件，将其划分成若干个子集水区，在集水区内设立监测点，进行水文、环境同位素和污染物含量同步观测；采用回归分析和数理统计方法，对监测数据进行分析，研究流域内各水源同位素和污染物含量的时空分布特征、变化规律及其影响因素；利用环境同位素示踪技术，分析小流域内不同的下垫面条件变化对降水再分配、坡面产汇流、污染物迁移和转化规律的影响，探讨小流域产汇流（污）影响机制，研究流域水文响应机理和不同水源间的转化关系；基于水文学、水动力学、环境学、地理学等多学科理论和方法，构建降雨径流非点源污染模型，提出利用同位素辅助数据增加建模的信息量，降低模型参数的不确定性。该研究对揭示流域径流形成时空变化和污染物迁移转化规律具有重要的参考价值，有助于促进水文机理研究的发展。

项目选择珠江具有典型气象地理特征的泗合水小流域进行降雨径流水文示踪实验研究。在流域集水区内设立监测点，进行野外实验观测，2014至2015年期间，共获得了6场不同季节降雨事件各水体的水文、污染物、氢氧同位素数据，以及流域月径流污染物、同位素数据；采用回归分析和数理统计方法，对监测数据进行分析，揭示不同降雨径流条件下流域非点源污染物的流失过程和变化规律。结果表明，降雨事件中径流BOD5、 CODMn、 TSS、TP、TN和NH3-N污染物含量大于枯季径流污染物含量。前期降雨情况对污染物的输出浓度有较大影响，前期降雨量越大，本次径流污染物平均输出浓度越小；大多数污染物通量和径流量变化趋势大体相同，其同步性优于浓度与流量过程；采用平均浓度法估算了泗合水流域年非点源污染负荷量，泗合水流域非点源污染负荷占总污染物负荷的80%以上，降雨径流非点源污染物对该典型农业小流域影响较大。利用环境同位素示踪技术，探讨了流域径流水源的形成机理，揭示了不同水源转化、循环机制，并估算了不同水源在不同季节降雨事件中各自的贡献比例，从而更好地把握流域生态水文循环过程。利用泗合水小流域水量水质同步观测数据，根据实际调查资料，构建泗合水小流域SWAT非点源污染模型，针对不同下垫面类型进行产汇污计算，模拟流域控制断面各非点源污染物的变化过程，分析流域泥沙、总氮、总磷流失的时空分布特征，结果表明：该模型在南方湿润地区适用性较高(月径流有效性系数在率定期和验证期分别达到0.83、0.92，月污染负荷相对误差R控制在50%以内)；流域汛期集中了全年污染80%以上的负荷，流域中下游受人口密度及人类活动的影响污染产量较大；不同土地利用类型单位面积的泥沙、磷素、有机氮流失负荷由高到低依次为耕地>草地>建设用地>林地；在流域内实行退耕还林措施，径流量、泥沙、氮、磷负荷依次减少3.2%、35.8%、46.1%、35.8%；降低50%氮肥施用量，可减少总氮负荷18.1%；降低50%磷肥施用量，可减少总磷负荷8.9%。