南水北調(diào)中線水源區(qū)典型流域土壤侵蝕與水環(huán)境特征研究.pdf

1、水環(huán)境污染是當(dāng)今全球化的重大環(huán)境問題。我國水資源短缺且時空分布不均，水土流失面源污染引發(fā)的地表水體污染嚴(yán)重制約了人類生存與社會經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展。針對我國規(guī)模宏大的跨流域水資源配置戰(zhàn)略工程—南水北調(diào)中線工程水源區(qū)面臨的潛在水土流失面源污染問題，以及丹江口水庫水質(zhì)安全、水環(huán)境健康與水資源長效利用的環(huán)境保護(hù)需求，基于水源區(qū)地形、土壤、氣候、土地利用組成及土地利用格局等自然景觀因子，借助遙感和地理信息系統(tǒng)等信息技術(shù)手段，綜合采用野外實(shí)地調(diào)查

2、、模糊決策理論方法、SWAT模型模擬預(yù)測、景觀格局特征分析、偏最小二乘回歸PLSR等多種方法手段，借鑒生態(tài)環(huán)境綜合集成研究的思路，將南水北調(diào)中線工程水源區(qū)劃分為多層次系統(tǒng)，從多方位、多角度逐級開展水源區(qū)不同流域土壤侵蝕影響因素的重要性差異、土壤侵蝕風(fēng)險的時空分布與變化特征、土壤侵蝕產(chǎn)沙時空特征與演變趨勢、流域水化學(xué)特性時空差異、不同景觀特征與流域侵蝕產(chǎn)沙及水化學(xué)特性耦合關(guān)系的集成研究，為水源區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)、流域水環(huán)境質(zhì)量保障、區(qū)域環(huán)境保

3、護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。本文取得的主要結(jié)論和成果如下:
　　(1)以南水北調(diào)中線水源區(qū)的核心生態(tài)安全保障區(qū)和水質(zhì)保護(hù)最敏感區(qū)域丹江口庫區(qū)為研究對象，在提取侵蝕響應(yīng)單元基礎(chǔ)上提出了適于大尺度區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險快速評估的方法，構(gòu)建的侵蝕風(fēng)險評估最優(yōu)化模糊決策樹分類結(jié)果表明，庫區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險等級被劃分為5個類別:極低侵蝕風(fēng)險、低侵蝕風(fēng)險、中侵蝕風(fēng)險、高侵蝕風(fēng)險和極高侵蝕風(fēng)險。月均降雨量為侵蝕最顯著影響因素，當(dāng)其處于相對較低等級

4、時，土壤侵蝕其他因素影響明顯偏小，侵蝕風(fēng)險等級也相對較低;反之則地形坡度、土壤可蝕性和植被覆蓋度的多因素綜合影響作用更突出，且侵蝕風(fēng)險也相對較高。
　　(2)基于模糊決策樹判別結(jié)果，綜合分析庫區(qū)侵蝕風(fēng)險時空分布表明，庫區(qū)高等級和極高等級侵蝕風(fēng)險主要集中在6月到8月，其中以7月和8月分布最廣，超過研究區(qū)總面積80％;其次為6月，分布達(dá)研究區(qū)總面積65％。11月到次年3月主要為低等級侵蝕風(fēng)險，面積占研究區(qū)總面積超過90％。而中等級侵蝕

5、風(fēng)險主要分布在4月、5月、9月和10月，面積超過研究區(qū)總面積79％。此外，大量農(nóng)田、稀疏草地和未利用地分布的陡坡區(qū)域在雨季顯示出相對偏高的侵蝕風(fēng)險，驗(yàn)證表明本研究提出的評估方法精度達(dá)到76％，在該區(qū)域適用且有效，值得推廣應(yīng)用到其他相似的大尺度區(qū)域。
　　(3)以長江流域漢江水系最大支流、水源區(qū)水土流失多發(fā)地區(qū)堵河上游流域?yàn)檠芯繉ο螅眯?zhǔn)和驗(yàn)證后的SWAT模型進(jìn)行1978、1987、1999和2007年的侵蝕產(chǎn)沙模擬，結(jié)果表明，

6、4年中土壤侵蝕強(qiáng)度最大的子流域集中在流域北部;流域年均土壤侵蝕率分別為9.47、10.40、14.14、7.64t/ha;1978年和1987年子流域土壤侵蝕最大負(fù)荷位于8號子流域，1999年和2007年轉(zhuǎn)移到34號子流域;流域年均產(chǎn)沙量分別為3.72、5.36、7.30、3.69t/ha，1978年流域最大產(chǎn)沙量為8號子流域，而1987年、1999年和2007年流域最大產(chǎn)沙量則分別為6、39和21號子流域。研究區(qū)侵蝕產(chǎn)沙變化與區(qū)域土地

7、利用變化趨勢一致。
　　(4)研究選取的15個具有代表性的景觀指數(shù)分析流域侵蝕產(chǎn)沙景觀格局特征表明，107個子流域的景觀格局特征相差較大，特別是平均斑塊面積、斑塊密度、Shannon多樣性指數(shù)、邊界密度、平均最近鄰距離和最大斑塊指數(shù)具有較明顯的變異。利用偏最小二乘回歸方法對研究區(qū)子流域尺度上的土壤侵蝕、產(chǎn)沙和泥沙輸移比與土地景觀格局耦合關(guān)系研究表明，三者與流域土地景觀格局關(guān)系密切，其中Shannon多樣性指數(shù)、聚集度指數(shù)、最大斑塊

8、指數(shù)、蔓延度和斑塊連通度指數(shù)是控制流域土壤侵蝕和產(chǎn)沙的主要景觀指數(shù);當(dāng)土地景觀格局分散性較強(qiáng)且斑塊數(shù)目較多時，土壤侵蝕和泥沙輸出顯著增加。
　　(5)以丹江口水庫水環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測的9個典型入庫支流流域?yàn)檠芯繉ο蠓治鏊瘜W(xué)特性時空差異發(fā)現(xiàn)，2005年溶解氧含量最高為白河、陶岔和旬陽，高錳酸鹽指數(shù)和總磷含量神定河和張灣較高，氨氮含量神定河遠(yuǎn)高于其他支流，重金屬砷含量差異不明顯，石油類含量神定河最高。對比發(fā)現(xiàn)2006年至2009年水化學(xué)特

9、性與2005年基本保持一致趨勢，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮含量神定河遠(yuǎn)高于其他流域，總磷含量總體較低且神定河最高。研究區(qū)入庫支流中神定河水質(zhì)狀況相對較差。
　　(6)入庫支流景觀特征分析表明，城鎮(zhèn)、林地、草地和農(nóng)地面積比、地形坡度、流域面積和土壤有機(jī)質(zhì)與其他變量相比變異更明顯，景觀指數(shù)中變異最明顯的是最大斑塊指數(shù)、蔓延度、景觀形狀指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)。溶解氧主控因素為4個形態(tài)變量;對高錳酸鹽指數(shù)貢獻(xiàn)較大