基于分布式水文模型的流域水生态功能区划与河流健康评价

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河流具有重要的生态和社会服务功能,河流健康是这些功能得以正常发挥的重要保证。在全球气候变暖和人类活动影响下,水资源短缺、水环境恶化、水生态退化等河流问题日益突出,甚至威胁人类生存和社会经济发展。河流健康评价作为监测和诊断河流问题,指导受损河流修复和保护的重要手段,在全球范围内得到了广泛的应用。流域尺度作为水资源、水环境和水生态管理的重要单元,开展流域尺度的河流健康评价,可以更好地平衡河流的开发和保护。然而,由于流域不同空间位置的地形、气候、水文等自然条件不尽相同,以及人类社会经济活动的空间不平衡性,使得河流的自然生态特征及其受人类活动影响均存在着较大的空间差异性。如何从流域尺度,综合考虑河流自然生态特征和人类影响的空间差异,实现流域河流健康空间变化与总体状况的系统评估,有待进一步研究。为此,本文在流域水生态功能区划的基础上,提出了流域尺度河流健康的分区-综合评价法,系统评估流域河流健康的空间变化和总体状况;提出了应用流域分布式水文模型SWAT(Soil&Water Assessment Tool),解决流域水生态功能区划和河流健康评价空间指标获取难度大的问题;系统探讨了子流域划分对SWAT模型模拟输出的影响,确定合理的子流域划分阈值,提高模型对于河流健康空间评价指标模拟的合理性。以我国东南沿海的晋江流域为例,主要开展了3方面的内容研究:(1)区分坡面和河道水沙过程,系统探讨SWAT模型子流域划分对流域水沙空间分布模拟的影响,确定合理的子流域划分阈值,以构建真实反映晋江流域水量、泥沙和污染物空间变化的SWAT模型。(2)根据SWAT模型的模拟结果,获取反映流域水文空间分布特征的区划指标,结合地形、气候等其他区划指标,对晋江流域进行二级水生态功能区划。(3)以水生态功能区河流为基本空间评价单元,主要采用SWAT模型模拟结果,结合部分遥感、统计调查资料,获取各水生态功能区的河流健康评价指标;采用多种数学评价模型对各水生态功能区河流的健康状况进行评价,揭示流域河流健康的空间变化;在此基础上,综合不同水生态功能区河流健康的评价结果,实现对晋江全流域河流健康的总体评价。研究结果表明:(1)SWAT模型子流域划分对径流模拟影响不大,主要是由于控制地表径流的关键参数CN值,以及坡面地形因子不会随着子流域划分的改变而发生显著变化;相反,子流域划分对坡面产沙和河道输沙模拟均有显著影响,其中水文响应单元面积变化是引起坡面产沙变化的主要因素,河道形态和水动力特征变化是引起河道输沙变化的主要因素;对于整个流域泥沙过程,其合理的子流域划分阈值为40.42km~2,在该阈值下模型可以合理反映流域坡面产沙和河道输沙的空间分布特征。(2)基于子流域划分阈值构建的晋江流域SWAT模型,多个站点日径流模拟的NSE均大于0.8、Re小于10%,月输沙模拟的NSE大于0.6、Re小于30%,日氨氮和总氮浓度的Re均小于30%,模型可以较好模拟晋江流域径流、泥沙和水质的空间变化,适用于流域水生态功能区划与河流健康评价。(3)以地形、气候、植被、水文为一级区划指标,将晋江流域划分为山地河流、丘陵河流和山前平原河流3类6个一级水生态区,反映了河流自然生态特征的空间差异性;在此基础上,以土地利用类型、水利工程设施为二级区划指标,将各水生态功能区进一步划分为森林水源涵养、园地水土保持、农业发展和水环境维持、水库水文调蓄、城镇发展支持5类18个二级水生态功能区,反映人类活动的影响和河流服务功能的空间差异性。(4)晋江流域18个水生态功能区的河流,有7个处于健康状态、8个处于亚健康状态、3个处于不健康状态,其中不健康的河流主要位于东溪上游-山地园地水土保持-水生态功能区、东溪中游-丘陵园地水土保持-水生态功能区、西溪中游安溪县城北部-丘陵农业生产和水环境维持-水生态功能区。(5)晋江流域河流总体上处于健康状态,其中存在的主要潜在河流健康问题是总氮超标、中上游的土壤侵蚀,以及中游河道大量水利工程设施建设引起的河流连通性不足。综上所述,本文在系统探讨了子流域划分对SWAT模型水沙空间变化模拟影响的基础上,提出了集成SWAT模型进行流域水生态功能区划与河流健康分区-综合评价方法,实现了综合反映流域尺度河流自然生态特征和人类活动影响空间差异的河流健康评价;揭示了晋江流域河流健康的空间差异性,反映了河流的总体健康状况,成果具有重要的理论意义和应用价值。
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