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桃溪流域日尺度產(chǎn)流產(chǎn)沙的非點(diǎn)源污染模型構(gòu)建
在世界變化和人類活動(dòng)日益增強(qiáng)的背景下,嚴(yán)重的土壤侵蝕導(dǎo)致了耕地的減少和土壤質(zhì)量的惡化,導(dǎo)致了一系列環(huán)境和環(huán)境問(wèn)題。以流域?yàn)閱卧芯慨a(chǎn)流產(chǎn)沙變化規(guī)律,對(duì)防治流域水土流失與保護(hù)流域水資源具有重要意義。分布式流域水文模型將流域劃分成若干個(gè)計(jì)算單元,考慮了下墊面的異質(zhì)性和水文氣象要素的時(shí)空變異性,能更真實(shí)地反映了產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程。目前,國(guó)外開(kāi)發(fā)了很多流域尺度的分布式水文模型用于產(chǎn)流、產(chǎn)沙過(guò)程的研究,如SWAT(soilandwaterassessmenttool),AnnAGNPS(annualizedagriculturalnon-pointsourcepollutionmodel),AN-SWERS(arealnon-pointsourcewatershedenvironmentresponsesimulation)和HSPF(hydrologicsimulateprogran)模型等,這些模型已成為模擬、預(yù)測(cè)氣候變化、人類活動(dòng)影響下流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙演化規(guī)律的重要工具。AnnAGNPS是美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的適用于流域尺度的連續(xù)時(shí)段非點(diǎn)源污染分布式模型,可以用來(lái)模擬流域的產(chǎn)流、產(chǎn)沙和化學(xué)養(yǎng)分遷移等過(guò)程,具有操作簡(jiǎn)單靈活與GIS高度集成的特點(diǎn)。由于模型的科學(xué)性和實(shí)用性,已被許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者所采用,并作為流域管理和水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方面的有效工具之一。目前在不同下墊面特征及氣候環(huán)境下得到廣泛應(yīng)用,如熱帶的加勒比群島桃溪流域位于我國(guó)東南沿海的福建省泉州市境內(nèi),伴隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人類活動(dòng)加強(qiáng),劇烈的土地利用變化已造成流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙過(guò)程發(fā)生顯著的改變。本研究以桃溪流域?yàn)檠芯繀^(qū),采用DSA(differentialsensitivityanalysis)方法識(shí)別流域徑流和泥沙敏感性參數(shù),構(gòu)建該流域日尺度產(chǎn)流產(chǎn)沙的AnnAGNPS模型,以期為區(qū)域水土流失治理與水土資源配置分析提供有力的工具。1村周邊入山美水庫(kù)桃溪是晉江流域的一條支流,發(fā)源于永春縣錦斗鄉(xiāng)珍卿村附近,出東關(guān)匯入山美水庫(kù)。本文選取桃溪流域永春水文站(118°18′24″E,25°17′56″N)以上流域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1),流域面積392km2.1agnps分布式模型AnnGNPS模型能連續(xù)地以日為步長(zhǎng)模擬流域地表徑流、泥沙侵蝕和氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽流失的分布式模型,是基于獨(dú)立事件的AGNPS模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。模型適用于小尺度到3000km2.2敏感性參數(shù)的間差異參數(shù)敏感性分析可以識(shí)別模型關(guān)鍵敏感性參數(shù),提高模型率定效率。由于下墊面的差異和氣象水文的異質(zhì)性,AnnAGNPS模型的敏感性參數(shù)在不同地區(qū)存在差別,而且同一個(gè)參數(shù)在不同地區(qū)敏感性程度也不一樣。如:席慶DSA式中:x2.3數(shù)據(jù)來(lái)源與整理建立AnnAGNPS產(chǎn)流產(chǎn)沙模型需要地形、土壤、氣象和土地利用等空間數(shù)據(jù)以及氣象和水文屬性數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)包括:分辨率為30m×30m的數(shù)字高程模型(DEM),下載于“中國(guó)科學(xué)院國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)”(http:∥/);1∶50萬(wàn)福建省數(shù)字化土壤圖,通過(guò)對(duì)福建省土壤肥料實(shí)驗(yàn)站1∶50萬(wàn)土壤類型圖數(shù)字化得到,并概化成7種主要土壤類型,土壤屬性數(shù)據(jù)參照《福建土壤》和《福建土種志》;根據(jù)1995年TM影像進(jìn)行目視解譯的土地利用數(shù)據(jù);1995—1997年流域11個(gè)雨量站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)以及永春氣象站逐日最高、最低氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度數(shù)據(jù);永春水文站1995—1997年逐日徑流數(shù)據(jù),1996—1997年4—10月逐日輸沙量數(shù)據(jù)??紤]到研究區(qū)地處丘陵地帶,地勢(shì)起伏大,CSA取15hm3結(jié)果分析3.1土壤侵蝕因子k參考AnnAGNPS模型在不同區(qū)域的參數(shù)敏感性分析結(jié)果,選取影響徑流的CN值、土壤有效含水量、凋萎系數(shù)和溝道曼寧系數(shù)4個(gè)參數(shù),影響泥沙的土壤可侵蝕因子K、地表殘留物覆蓋率、年根系生物量、耕作后地面殘留物覆蓋率、隨機(jī)粗糙率、溝道曼寧系數(shù)、耕作擾動(dòng)面積、年降水降落高度、年冠層覆蓋度等9個(gè)參數(shù),采用DSA方法進(jìn)行AnnGNPS模型徑流和泥沙參數(shù)敏感性分析。從圖2和表1可以看出,CN值對(duì)徑流量的影響最明顯,敏感性指數(shù)為0.719,屬于非常敏感的參數(shù);土壤有效含水量敏感性值為0.075,屬于中等敏感的參數(shù),凋萎系數(shù)對(duì)徑流量有一定的影響,但影響并不顯著,敏感性指數(shù)僅為0.001。此外,溝道曼寧系數(shù)雖對(duì)徑流量影響不顯著,但對(duì)洪峰流量和匯流時(shí)間具有較大影響,也是調(diào)整徑流的重要參數(shù)。由圖2和表1可知:(1)土壤侵蝕因子K對(duì)輸沙量的影響非常顯著,敏感性指數(shù)為0.988,屬非常敏感。(2)地表殘留物覆蓋率、年根系生物量與輸泥沙呈高度負(fù)相關(guān),敏感性指數(shù)分別為-0.81,-0.77,即隨著參數(shù)值的提高輸沙量將顯著下降;(3)耕作后地面殘留物覆蓋率、隨機(jī)粗糙率和溝道曼寧系數(shù)的敏感性取值均位于-0.05~-0.2,屬中等敏感參數(shù);(4)年降水降落高度和年冠層覆蓋率的敏感性指數(shù)小于0.05,敏感性等級(jí)低,對(duì)輸沙量影響輕微。此外,耕作擾動(dòng)面積對(duì)研究區(qū)的產(chǎn)沙量也有一定的影響,敏感性指數(shù)為0.057,呈中等敏感。在確定敏感性參數(shù)的基礎(chǔ)上,遵循先率定徑流再率定泥沙,先保證總量平衡再確保過(guò)程匹配的原則,對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)參。由于AnnAGNPS模型目前沒(méi)有考慮基流模擬,本文采用數(shù)字濾波法計(jì)算基流,與模擬值合并形成總徑流,繼而通過(guò)與實(shí)測(cè)值對(duì)比,比較模擬效果。采用1995—1996年徑流數(shù)據(jù)和1995年4—10月泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn),1997年徑流數(shù)據(jù)和1996年4—10月泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證,并選取Nash—Suttcliffe效率系數(shù)(Ens)、相關(guān)系數(shù)(R3.2模擬效果分析3.2.1流量模擬效果3.2.2砂量模擬效果4農(nóng)業(yè)擾動(dòng)與地表土流失由于不同地區(qū)降水、蒸發(fā)等氣象因素和地形、土壤、土地利用等下墊面因素的空間變異,各區(qū)域的參數(shù)敏感性也存在差異。與其他研究區(qū)相比,桃溪流域耕作擾動(dòng)面積對(duì)產(chǎn)沙量有一定的影響并呈中等敏感,而這個(gè)參數(shù)在其他研究區(qū)并不敏感,這可能是流域內(nèi)園地、耕地所占比例較大,分別為13%和9%,人類對(duì)地表的擾動(dòng)較活躍成為影響水土流失的重要因素。此外,流域年冠層蓋度對(duì)泥沙影響較弱,而在陜西省黑河流域目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用AnnAGNPS型進(jìn)行日尺度徑流、泥沙模擬的研究較少,僅見(jiàn)在斂水河5土壤侵蝕因子k(1)研究區(qū)AnnAGNPS模型徑流敏感性參數(shù)主要為CN值、土壤有效含水量,溝道曼寧系數(shù);輸沙量的敏感性參
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