丹江口库区小流域汇水区景观特征对径流水质的影响

作     者：丁飞霞 

作者单位：华中农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周志翔

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 0834[工学-风景园林学（可授工学、农学学位）] 

主      题：丹江口库区 小流域 汇水区 “源—汇”格局 径流水质 

摘      要：随着农业集约化经营程度的提高,流域面源污染显著增加,河流水质不断退化。流域景观类型组成和空间布局的变化能在不同程度影响生态过程,进而改变面源污染的产生和输出。因此,探究流域景观特征变化对水质的影响,对水环境质量保护具有重要意义。本文选取丹江口库区张家山小流域为研究对象,在小流域汇水区划分及不同时期（雨季和旱季）径流水质采样分析基础上,计算了汇水区景观格局指数和景观负荷对比指数。并使用Spearman相关分析和RDA冗余分析相结合的多元统计方法,分别从景观数量特征和景观格局特征探讨汇水区景观特征对小流域径流水质的影响,以期为提升小流域水质净化功能的景观空间布局调控与优化提供理论依据。主要研究结果如下:（1）基于DEM高程数据,借助ArcGIS水文分析工具将张家山小流域划分为22个汇水区,汇水区平均面积为1.43km,面积最小为0.12km,最大7.22km。（2）林地和果园是张家山小流域内主要的土地利用类型,二者面积占比为77.89%;耕地和休耕地面积次之,分别占小流域总面积的9.28%和7.04%;建设用地和水体面积占比最小,仅占小流域总面积的1.56%和0.78%。林地多分布于小流域的上部和下部区域,果园、耕地及建设用地主要分布于小流域中部区域。林地和休耕地面积占比随着坡度和高程的增大而逐渐增大;果园、耕地和建设用地主要分布于300m00m的缓坡及较陡坡地。（3）基于“源—汇理论对小流域和各个汇水区的景观负荷对比指数（LCI）计算结果显示,张家山小流域总体LCI为0.70,小于阈值1.0,表明小流域整体景观空间格局较好,面源污染发生可能性小。从小流域上部至下部,LCI呈现先增加后减小的趋势,中部区域面源污染风险最高。（4）张家山小流域总体水质特征为高氮高有机物低磷。各汇水区在不同时期的总磷含量基本达到国家Ⅱ类水标准;但受到氮和有机物污染,雨季时总氮含量和化学需氧量超标率达80%以上,部分汇水区超出国家Ⅴ类水标准;氮污染中以硝态氮为主,氨态氮基本能满足国家Ⅲ类水标准。（5）基于汇水区水质指标浓度的聚类分析将张家山小流域22个汇水区分为4类,对4类汇水区不同时期径流水质指标的方差分析显示,除总磷和硝态氮,总氮、氨态氮、化学需氧量均表现出明显的时空变化。时间尺度上径流水质指标浓度呈现趋势为雨季﹥旱季;空间尺度上,小流域从上部至下部各水质指标浓度呈现先增大后减小的趋势,小流域上部区域径流水质最好,其次是小流域左、右支流水质,中下部区域径流水质较差。（6）Spearman相关分析和RDA冗余分析表明,在雨季林地面积占比是对径流水质影响最大的景观变量,其次为果园面积占比。林地面积占比与径流水中氮含量呈显著极显著负相关,表明林地面积的增大能有效增强氮污染的削减作用。除林地外其他景观类型面积占比与水质指标均呈负相关,果园为氮污染的主要来源之一,建设用地和总磷呈极显著正相关。旱季果园、耕地、建设用地和休耕地等景观的总面积占比是对径流水质影响最大的指标,贡献率达72.7%,其中,果园面积占比起主导作用。此外,林地在旱季也对但污染和有机污染起到一定的削减作用。（7）Speramn相关分析显示,景观负荷对比指数（LCI）与所有水质指标呈现显著或极显著正相关关系,表明小流域和汇水区的景观空间格局会显著影响径流水质;RDA排序显示,LCI对不同时期径流水质时空变化解释率和贡献率均排在较前位置,说明景观空间负荷对比指数可以很好地反映小流域和汇水区面源污染分布特征。景观斑块密度（PD）和蔓延度（CONTAG）也能在一定程度解释径流水质时空变异特征,表明景观斑块的破碎化程度和优势度对径流水质有较大影响。（8）以张家山小流域景观特征与径流水质的关系为优化依据,可提出基于水环境保护的小流域景观格局调控和优化方案。在景观数量特征上,将面源污染风险最大的9、10、11号汇水区林地面积占比提升到50%以上。在景观格局特征上,将坡度大于25°、高程小于200m、距离水体50m以内的果园、耕地、休耕地等景观转换为林地;并将小流域中下部区域较为分散的林地连接成完整斑块,荒草地转换为林地,提升林地的景观优势度。对于关键地段,可在大面积果园中镶嵌雨水调节池或小型人工湿地,并将对污染物起传输作用的狭长型果园转换为林地,或在下坡位置增设一定宽度林地。此外,在面源污染负荷较高的果园、建设用地、耕地和受纳水体间设置一定宽度的植被缓冲带或人工湿地也是减小面源污染对水体威胁的有效手段。