晉江市粵西流域非點源污染與水系分維關(guān)系研究

自1978年分維理論的創(chuàng)始人madderbrot首次提出了流域土地的三維研究以來，國內(nèi)外科學(xué)家對土地特征的統(tǒng)計維進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，水系的組成與地形的發(fā)育、地形的類型、土地利用等因素密切相關(guān)。水系分維反映的是水系所處流域地貌侵蝕發(fā)育的程度,水系分維的差異反映的是流域地貌發(fā)育程度的差異,當(dāng)水系的分維值小于1.6時,流域地貌處于侵蝕發(fā)育的幼年期,分維值越接近1.6,流域地貌越趨于幼年晚期。河網(wǎng)密度及切割強(qiáng)度越高,水系分維值越高,且地貌類型為低地和平原,其水系分維值較高;水系分維可以反映河流的平均河網(wǎng)密度,反映地面被徑流切割的程度,從而間接反映出區(qū)域土壤侵蝕的程度。但目前國內(nèi)的水系分維研究大多運(yùn)用GIS技術(shù)分析數(shù)字高程模型(DEM),計算分維值,而對水系分維值的生態(tài)環(huán)境意義研究較少。研究還表明非點源污染與徑流量、土地利用也關(guān)系密切,徑流量及切割強(qiáng)度越大,非點源污染負(fù)荷越高,且主要地處于低地平原的農(nóng)田面積越大,非點源污染負(fù)荷越高。從上述結(jié)論看,水系分維值、非點源污染負(fù)荷均與土地利用等有密切關(guān)系,水系分維與非點源污染應(yīng)該存在某種相關(guān)性。由于非點源污染的難以監(jiān)測等特點,目前流域非點源污染的定量化研究大都通過SWAT、AGNPS等模型模擬研究。因此,本文以東南沿海晉江西溪流域為例,基于該流域SWAT模型的非點源污染模擬和水系的分維值計算,來探討流域非點源污染與水系分維的關(guān)系。1基于gis的西溪流域分類研究1.1水系分維數(shù)的擬合目前,水系分維常用的計算方法是傳統(tǒng)的計盒方法。設(shè)粗視化網(wǎng)格的邊長為ε,包含河流片段的網(wǎng)格數(shù)為N(ε),當(dāng)ε不斷變化時,即對應(yīng)一組ε1,ε2,ε3,…,εk,得到一組N(ε1),N(ε2),N(ε3)….以點(lnε,lnN(ε))為坐標(biāo)作雙對數(shù)圖,用最小二乘法可以擬合一條直線:lgN(ε)=A-Dlgε(1)直線的斜率D即為水系分維數(shù)?？梢岳貌煌谋壤哌M(jìn)行測量,計算河長、河網(wǎng)密度的分維數(shù),河網(wǎng)的形態(tài)特征一般用河網(wǎng)密度來表示。比例尺比值不同時對應(yīng)不同的ε,分別對河長和河網(wǎng)中的干支流總長度進(jìn)行測量,得到不同測量次數(shù)N(ε),代入式(1),進(jìn)行直線擬合所得斜率D分別為河長分維數(shù)D1和河網(wǎng)分維數(shù)Dn。研究選用1∶10000柵格形式(30m×30m)的DEM,運(yùn)用美國ESRI公司地理信息系統(tǒng)軟件ArcViewGIS3.2的水文分析功能,結(jié)合水系分維的計盒方法,對西溪流域進(jìn)行水系的河網(wǎng)分維研究。1.2流域水系概況晉江流域是福建省內(nèi)水土流失最嚴(yán)重的流域之一,年均侵蝕模數(shù)為835t/km2,非點源污染比較嚴(yán)重。晉江西溪發(fā)源于福建省安溪縣戴云山脈東麓的梯仔嶺,向東南流經(jīng)福建東南部泉州市的安溪、永春、南安等縣,研究區(qū)內(nèi)的西溪全長105km,流域集水面積約2451km2,占晉江流域總面積的55%。晉江有東西兩源,其正源為西溪,兩溪匯于南安的雙溪口。晉江西溪流域海拔在50～1500m,其中海拔在200m以下的占12.15%;境內(nèi)地形以山地丘陵為主。土地利用以林地(49%)、草地(25%)、水田(11%)和旱地(10%)等4類為主,約占95%。通過計算得到西溪流域水系分維的相關(guān)系數(shù)都在0.999以上,說明格網(wǎng)邊長取值范圍在50～4000m能很好地作為該分維的無標(biāo)度區(qū)間。計盒方法計算的西溪流域水系分維值為1.0587,此值與王林等人應(yīng)用水系的河網(wǎng)分維方法通過ArcViewGIS3.2軟件計算得到的晉江流域水系分維值1.056相近。1.3界定各亞流域的水系分維水系分維的研究可分為宏觀與微觀兩方面,從整個流域的角度來探討的分維可稱為水系的宏觀分維,目前大多數(shù)對水系分維的研究都是宏觀上的,當(dāng)要進(jìn)行流域間的比較研究時,宏觀分維是具有參考價值的。就河網(wǎng)的分維來說,對于同一流域的不同亞流域,它們的土地利用、地貌類型、侵蝕發(fā)育程度等都不完全相同,其水系的河網(wǎng)分維(微觀分維)也是不同的。就本文所要探討的非點源污染問題來說,對于不同的亞流域,其非點源污染負(fù)荷是不同的,那么其水系宏觀分維的意義就不大了。因此,研究流域內(nèi)部水系分維與非點源污染的關(guān)系時,要從微觀上考慮,把流域根據(jù)某一標(biāo)準(zhǔn)劃分為若干個亞流域,分別計算出每個亞流域的水系分維,然后把各亞流域的水系分維值與該亞流域的產(chǎn)沙量、非點源污染負(fù)荷等對應(yīng)起來研究,只有這樣對水系分維的研究才有實際意義?；谏鲜鱿敕?將晉江西溪流域劃分為5個亞流域如圖1所示。計算某亞流域的水系分維時,采用了實際距離從50～4000m不等的柵格邊長來進(jìn)行網(wǎng)格分析,算出的各亞流域水系分維值如表1中所示。表中的各分維值,其相關(guān)系數(shù)均在0.999以上,說明格網(wǎng)邊長取值范圍(實際距離50～4000m)能很好地作為該分維的無標(biāo)度區(qū)間,在該區(qū)間內(nèi)分維值能很好地反映流域河網(wǎng)的特征。2土壤侵蝕量預(yù)測模型SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型是20世紀(jì)90年代初美國農(nóng)業(yè)部(USDA)開發(fā)的分布式非點源污染負(fù)荷模型,主要用于模擬土地管理措施對農(nóng)業(yè)非點源污染物排放的影響,包括水文、土壤侵蝕和營養(yǎng)物遷移等子模型。SWAT模型的水文子模型采用SCS曲線數(shù)方程CN(CurveNumber)進(jìn)行計算,土壤侵蝕子模型采用MUSLE方程預(yù)測土壤侵蝕量,對于河道內(nèi)的水質(zhì)變化,模型采用QUAL2E模型進(jìn)行模擬。模型運(yùn)行時,首先將研究流域按一定的面積閾值劃分為若干個子流域,在子流域上進(jìn)一步按土地利用與土壤劃分水文響應(yīng)單元(HRU),并應(yīng)用各子模型來估算HRU上的徑流、泥沙和污染物產(chǎn)生量,通過河道匯流演算,最后求得出口斷面流量、泥沙和污染負(fù)荷。晉江西溪流域產(chǎn)流模擬的SWAT模型見文獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,開展了非點源污染的模擬分析。徑流模擬的校準(zhǔn)期(1972-1975年)月模擬效率系數(shù)(Ens)為0.91,相關(guān)系數(shù)(R2)為0.92;徑流模擬的驗證期(1976-1979年)月模擬Ens為0.85,R2為0.90。產(chǎn)沙模擬中以1972年為預(yù)熱期,1973-1979年的產(chǎn)沙月模擬Ens為0.63,R2為0.65,7年平均相對誤差(RE)為-14.1%。非點源污染模擬中以1972年為預(yù)熱期,1973-1979年的氨氮年模擬Ens為0.69,R2為0.95,7年平均RE為-18.6%;同期礦物磷年模擬Ens為0.79,R2為0.85,7年平均RE為-1.5%。通過SWAT模型模擬輸出文件中的亞流域輸出文件(.bsb),可以得出西溪及其亞流域模擬期7a的年均產(chǎn)沙量、非點源污染負(fù)荷如表1中所示。3亞流域的水系分維特征從表1和圖2可以看出,西溪各亞流域的農(nóng)田面積比例與水系分維值有較強(qiáng)的相關(guān)性,兩者的相關(guān)系數(shù)(R)為0.8,說明分維值越高,其農(nóng)田面積比例相對越大,反之越小。從表1和圖2還可以看出,西溪各亞流域的產(chǎn)沙模數(shù)與水系分維值也有較強(qiáng)的相關(guān)性,兩者的相關(guān)系數(shù)(R)為0.82,說明分維值越高,其產(chǎn)沙量相對越大,反之越小。分析表1和圖3所示結(jié)果,可以看出,亞流域1、亞流域2和亞流域3的水系分維值分別為1.05858,1.05741和1.05647,低于亞流域4和亞流域5的1.06839和1.06923,前三個亞流域總磷流失量分別為為0.82kg/(hm2·a)、0.97kg/(hm2·a)和0.92kg/(hm2·a),也低于后兩個亞流域的1.38kg/(hm2·a)和1.19kg/(hm2·a)。前三個亞流域的水系分維值相差不多,其總磷流失量也相差不多,后兩個亞流域的水系分維值變化不大,其總磷流失量也變化很小,總磷流失量與分維值的相關(guān)系數(shù)(R)為0.86,有較強(qiáng)的相關(guān)性。從圖3中可以發(fā)現(xiàn),總氮流失量與分維值也存在上述關(guān)系,總氮流失量與分維值的相關(guān)系數(shù)(R)為0.89,相關(guān)性也較強(qiáng)。以上分析表明,非點源污染負(fù)荷越大,水系分維值也越大。究其原因,根據(jù)王倩等人的研究,水系分維值與地貌類型、土地利用有密切關(guān)系,低地和平原的水系分維值較高,且農(nóng)田主要分布在分維值較高的區(qū)域;而同時山地和丘陵的水系分維值較低,且森林植被主要分布于分維值較低的區(qū)域。晉江西溪流域特征也反映了這一點,表明農(nóng)田面積比例越大,水系分維值越大。由于產(chǎn)沙量與土地利用也有密切關(guān)系,農(nóng)田的產(chǎn)沙模數(shù)較森林高,同時農(nóng)田多分布于水系分維值較高的區(qū)域,所以水系分維值較高的區(qū)域產(chǎn)沙模數(shù)也較高。由于水系分維可以反映河流的平均河網(wǎng)密度,分維值越大,河網(wǎng)密度越大,徑流量、地面被徑流切割的程度、泥沙流失量均越大,而徑流和泥沙是非點源污染物的兩種載體,所以非點源污染負(fù)荷也越大;此外,水系分維值還反映了土地利用信息,水系分維值大的區(qū)域農(nóng)田相對較多、林地相對較少,而農(nóng)田面積越大、林地覆蓋面積