第1章 绪论
　　1.1 流域非点源污染研究背景及意义
　　1.1.1 研究背景
　　水资源是国家自然资源开发利用和保护的关键与核心之一，同时也是工农业生产和生态的基础(Stoddard et al.，2016;Shen et al.，2015)。自20 世纪70 年代以来，在人类活动和气候变化的背景下，全世界范围内水资源短缺、水资源污染、洪涝灾害、水土流失等问题日益突出，水资源问题已上升到全球战略高度，且流域水污染问题已成为21 世纪全球*大的挑战之一，其中影响水生态环境的非点源污染逐渐成为国际流域水环境研究工作者共同关注的话题(郝改瑞等，2018;黄康，2020;Xiang et al.，2017)。针对非点源污染的特征分析与相关模型构建，既是流域水资源与水环境领域的重要研究内容，也是实现科学决策、确保水质安全的基础和前提。通过监测和试验相结合的方式进行汉江流域陕西段非点源污染研究，探明污染物种类、来源及负荷，并构建径流过程中典型污染物迁移转化数学模型，能够为水源区非点源污染防治和水资源保护提供科学依据，有助于解决非点源污染控制有关的关键技术问题，为地方经济建设和社会发展服务。
　　非点源污染是指累积在地表的污染物随着降雨所产生的地表径流或地下径流迁移进入受纳水体造成的污染(郝改瑞等，2018)，其成分复杂、类型多样(陈广圣，2017;李怀恩和李家科，2013)。污染源有地表径流污染、土壤侵蚀、化肥农药、农村生活污水、畜禽粪便等(夏军等，2012)。非点源污染来源于非特定的及分散的区域，边界和位置难以识别和确定，其特征有随机性、成因复杂、潜伏时间长等(Du et al.，2014)。中国作为农业大国，耕地的非点源污染影响显著(任玮等，2015;罗倩等，2014)，一是下垫面条件造成地表水循环路径改变导致的水体污染；二是农业活动大量施用的化肥、农药等农业化学品，只有较少部分被农作物吸收，其余大部分残留在土壤中，成为潜在的污染源(李怀恩和李家科，2013)。近年来随着点源污染控制水平的提高，非点源污染成为水环境污染的主要来源。针对非点源污染的负荷源解析及迁移转化研究，既是流域水资源与水环境领域的重要研究内容，也是合理评估和水质规划的基础与前提(耿润哲等，2014)。
　　地表径流中含有大量自然及人类产生的污染物，其污染过程主要受降雨、地形、地表径流、地下蓄渗及植被截留等要素的影响，且污染过程比较复杂(李家科等，2020)。2020年中国生态环境公报显示，全国地表水1937 个水质断面(点位)中，Ⅰ～Ⅲ类占83.4%，劣Ⅴ类占0.6%；监测的110 个湖泊(水库)中，重度富营养、中度富营养、轻度富营养、中营养和贫营养的湖泊(水库)分别占比0.9%、4.5%、23.6%、61.8%和9.1%；2020 年水稻、玉米、小麦三大粮食作物化肥利用率为40.2%，农药利用率为40.6%。2020 年6 月8 日发布的《第二次全国污染源普查公报》，通过对工业、农业、生活、集中式污染处理设施及移动源进行普查，摸清在2017 年全国水污染排放量中，化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)分别达到2143.98 万t、96.34 万t、304.14 万t、31.54万t，其中七大水系水污染排放达到全国总量的90%左右；农业源和农村生活源所贡献的COD、NH3-N、TN 和TP 的污染物量占比达到65%左右，表明非点源污染对各流域水环境污染的影响巨大。目前，国家高度重视农业非点源污染的治理与防控。从国务院发布的“水十条”、《“十三五”生态环境保护规划》《中华人民共和国水污染防治法》及《全国新增1000 亿斤粮食生产能力规划(2009—2020 年)》中均提出了防治农业非点源污染，积极推进生态治理工程建设；建立健全农业非点源污染监测体系；强调大江大河的生态保护治理，重视不同类型的污染物协同控制和区域协同治理。长江流域生态保护国家战略、“十四五”规划、2022 年中央一号文件和2035 年远景目标中均提到农业非点源防控、建设农业非点源污染综合治理示范县等要求。
　　汉江流域陕西段横跨陕西省汉中和安康两市，干流长度超过700km，流域面积为
　　62723km2，是我国南水北调和陕西引汉济渭的重要水源区。随着长江大保护战略的实施、秦岭环境大保护的深入和南水北调工程的建设，汉江流域陕西段水质优劣及周围生态环境情况与沿线受水区经济社会发展和人民群众生活密切相关。丹江口水库以及其水源区水质保护面临的主要问题体现在三个方面：一是库区及上游水土流失和农业非点源污染问题依然存在，是影响水质变化的重要因素；二是水库消落带范围上移后，库滨植被退化、新增淹没区土壤氮磷释放等问题突出，导致库湾出现富营养化风险；三是部分入库支流人类干扰强度高，区域社会经济发展对入库水质造成较大压力。
　　1.1.2 研究意义
　　与点源污染相比，非点源污染危害规模大，且难以监测和控制。如何明确汉江流域陕西段非点源污染产生特征和迁移转化机理，厘清径流过程中地表产流/产污与径流污染强度之间的关系，并构建流域分布式非点源污染模型，成为该研究面临的重要科学问题。以非点源污染物的迁移转化规律与水文要素间的响应关系为理论基础，以非点源污染模型为核心手段，对非点源污染量化识别具有重要的科学意义。尽管目前陕西省生态环境厅公布的监测数据显示，汉江水质优良，以Ⅱ类水质为主；但汉江上游农业、大气污染、地表径流、采矿、工业废水、城市生活污水和水土流失的影响均有可能引发汉江水质的突变，而极端气候条件及突发性污染事故会加剧水质污染，影响水源水质。据调查，近年来随着点源的严格把控和各种水保措施的实施，非点源污染成为汉江流域污染的主要来源。
　　本书在对汉江流域陕西段进行系统监测和试验的基础上，研究流域非点源污染物的污染特征、过程响应及与水文要素之间的响应关系，为非点源污染模型建立奠定理论基础；构建流域分布式非点源污染模型，实现流域多时空尺度下污染物的定量模拟；分析土地利用变化和气候变化对非点源污染的影响，从而对汉江流域陕西段非点源污染的控制和水资源保护提出建议。
　　因此本书的开展有利于：①汉江流域水源区非点源污染的防治，可以改善和提高水
　　资源利用价值，改善区域生态环境等生态功能，提高流域中下游的水资源管理利用，为水源区综合治理提供生态保障。②提升水环境保护与非点源污染治理的科学性，助力解决流域非点源污染控制有关的技术问题，为降雨径流污染治理、生态环境保护的推广提供依据，促进地区社会经济的可持续发展，生态、环境和社会效益明显。③本书的研究方法与结果不仅对汉江流域陕西段非点源污染特征和模型模拟提供科学依据和技术支撑，也可为具有类似非点源污染特性的流域提供良好的借鉴作用，从而为地方经济建设和社会发展服务，为国家重大水环境战略任务的顺利实施提供有力的科技支撑。
　　1.2 流域非点源污染研究现状
　　几十年来，国内外学者在非点源污染的机理、模型与控制方面进行了大量的研究和实践，取得了长足的进展，下面对非点源污染国内外进展和发展趋势及存在的主要问题进行分析。
　　1.2.1 非点源污染通量特征及过程研究
　　1. 非点源污染发生机理
　　对非点源污染的产生、迁移及转化机理的研究主要采用如下几种方法：①选择代表性小流域进行小区试验。由于降雨径流形成的非点源污染物来源于地表，各种地理特征及耕作制度都将影响污染物的流失过程，所以选择有代表性的试验小区，分析自然降雨条件下非点源污染的产生、迁移及转化规律的方法已被广泛应用。②人工降雨模拟非点源污染物的机理过程。在现场或实验室进行人工降雨条件下，污染物流失规律的研究，多用于模拟暴雨条件下径流中污染物的流失规律。③研究受纳水体水质的变化。各种非点源污染物*终汇入河流等天然水体，通过研究受纳水体的水质变化规律可以反映出非点源污染的影响。
　　流域非点源污染的迁移转化过程实质上是污染物从土壤圈向其他圈层尤其是水圈扩散的过程。其本质上是一种扩散污染，对其机理的研究包括两个方面：一是污染物在土壤圈中的行为；二是污染物在外界条件下(降水、灌溉等)从土壤向水体扩散的过程。前者是研究的基础，后者是研究的重点和关键。作为一个连续的动态过程，非点源污染的形成，主要由以下几个过程组成，即降雨径流过程、土壤侵蚀过程、污染物迁移转化过程，这三个过程相互联系、相互作用，成为非点源污染的核心内容。
　　1)降雨径流过程
　　降雨径流是非点源污染迁移转化的主要驱动力和载体，主要影响因素包括降水量、降雨强度和降水历时等。降水量与硝氮(NO3-N)的淋溶量及淋溶深度均呈现正线性相关，降雨强度与污染物的养分流失量呈指数函数关系，降水历时与累积径流量呈正相关关系(王辉，2006;沈奕彤等，2016)。关于降雨径流与非点源污染之间的研究多集中于大雨或暴雨阶段，Rodríguez-Blanco 等(2013)在西班牙的一个小流域连续5 年进行野外监测，结果表明降雨径流过程中输出的磷负荷占总负荷的比例为68%，且在2%的暴雨事件中，输出的颗粒态磷负荷占比为19%，溶解态磷负荷为35%。张桂轲(2016)分析了氮素浓度对水文过程的响应，结果表明在农业区域，化肥施用导致氮素的补给比较充足，在降雨径流比较强的作用下，使得汛期氮素浓度高于非汛期，在非农业流域，结果则恰恰相反。
　　2)土壤侵蚀过程
　　土壤侵蚀是非点源污染的重要来源(张铁钢， 2016)，不但会导致土壤退化、生产力下降，而且土壤侵蚀和泥沙运移作用会影响土壤中营养元素的含量和组分，进而导致元素地球化学循环发生变化(Quinton et al.，2010)。植被覆盖度、造林面积和降水量是影响流域土壤侵蚀空间分布的主要因素，且不同因子的交互作用均会增强对土壤侵蚀的解释力(贾磊等，2020)。Hao 等(2020)对北洛河流域的非点源颗粒态氮磷污染进行定量分析，发现颗粒态氮磷负荷空间分布与土壤侵蚀分布具有一致性，耕地对应的颗粒态氮磷输出系数较高，在坡度8&deg;～15&deg;区域上颗粒态氮磷的输出系数*大，可见黄土区土壤侵蚀与坡度具有一定关系。Ma 等(2018)根据三种不同的土壤颗粒等级(<20μm，20～105μm和>105μm)分析非点源污染物的迁移转化过程，结果表明<20μm 的土壤颗粒的迁移率*高，>105μm 的土壤颗粒的迁移率*低，而20～105μm 的土壤颗粒的迁移率随机性强。
　　3)污染物迁移转化过程
　　径流流失和淋溶流失是非点源污染迁移过程的两个主要途径(李明涛，2014)。非点源污染的研究对象多集中于氮素和磷素，氮素以NO3-N 和NH3-N 为主，磷素以颗粒态磷和溶解态磷为主。其中NO3-N 难以被土壤颗粒吸附，它的浓度变化主要受淋溶流失的影响，随着淋溶次数的增加，浓度不断减小，*终趋于稳定(许昌敏等，2012)。在农业生产中，由于氮肥的过量使用及氮磷肥的混合使用使得NH3-N 的浓度显著增加，而磷肥施入土壤后，只有极小部分以溶解态磷存在，极大部分被土壤吸附固定，易在地表富集，不易发生淋溶，当降雨事件发生时，颗粒态磷随泥沙侵蚀而流失，而溶解态磷随地表径流迁移(仓恒瑾等，2005;薛金凤等，2005)。
　　2. 非点源污染的影响因素
　　非点源污染由于涉及方面广，时空尺度大，在治理和控制上更为艰难。我国自然环境复杂、污染种类多样，探究各项因素对非点源污染的影响方式及程度可为后续的工作奠定基础(朱瑶等，2013)。从形成机制上看，主要受到降雨径流、地形地貌、土地利用、植被种类及覆盖度等多种自然因子共同作用。
　　1)降雨径流
　　降雨和径流均是引发非点源污染的先决条件。降水量、降水强度及其空间分布等均会左右地表径流的产出时间及量值，进而对污染负荷的输出及迁移过程产生一定程度的影响。国内外的研究主要集中在不同降水强度、降水历时以及不同雨型下的氮素、磷素的流失

目录
前言
第1章绪论1
1.1流域非点源污染研究背景及意义1
1.1.1研究背景1
1.1.2研究意义2
1.2流域非点源污染研究现状3
1.2.1非点源污染通量特征及过程研究3
1.2.2非点源污染模拟模型及不确定性分析方法研究12
1.2.3非点源污染控制研究24
1.2.4汉江流域陕西段非点源污染研究进展26
1.2.5非点源污染研究展望28
1.3本书主要内容及技术路线29
1.3.1研究内容29
1.3.2技术路线30
1.4本章小结31
参考文献31
第2章研究流域概况44
2.1自然地理概况44
2.1.1自然地理范围44
2.1.2地形地貌44
2.1.3气候气象46
2.1.4土壤植被46
2.1.5水文水系48
2.2社会经济概况50
2.2.1人口数量50
2.2.2国民经济概况51
2.2.3农业产业发展51
2.3污染源状况与河库水质现状54
2.3.1点源污染54
2.3.2非点源污染55
2.3.3“河流-水库”水质情况58
2.4本章小结61
参考文献61
第3章流域气象水文要素变化特征分析62
3.1研究数据与方法62
3.1.1研究数据62
3.1.2研究方法62
3.2降水变化特征67
3.2.1趋势性分析67
3.2.2周期性分析70
3.2.3年际及持续性分析71
3.2.4空间分布特性71
3.3气温变化特征72
3.3.1趋势性分析72
3.3.2周期性分析74
3.3.3年际及持续性分析74
3.3.4空间分布特性75
3.4径流变化特征76
3.4.1趋势性分析76
3.4.2周期性分析80
3.4.3年际及持续性分析81
3.5泥沙变化特征81
3.5.1趋势性分析81
3.5.2周期性分析84
3.5.3年际及持续性分析84
3.6本章小结88
参考文献89
第4章流域非点源污染的通量特征及过程研究90
4.1不同空间尺度流域非点源污染监测方案90
4.1.1小流域及径流小区概况91
4.1.2采样布点及方法102
4.1.3分析方法102
4.2丹江鹦鹉沟小流域非点源污染特征及过程研究102
4.2.1降雨径流过程及其响应关系102
4.2.2径流-泥沙和污染负荷过程及其响应关系113
4.2.3小结127
4.3丹江流域非点源污染特征分析127
4.3.1丹江区域概况127
4.3.2流域水质评价129
4.3.3典型断面非点源污染特征分析133
4.3.4非点源污染负荷估算139
4.3.5小结144
4.4汉江上游张家沟小流域非点源污染的特征及过程研究145
4.4.1径流小区非点源污染研究145
4.4.2张家沟小流域非点源污染特征分析155
4.4.3小结159
4.5汉江中游杨柳小流域非点源污染特征分析及过程研究159
4.5.1径流小区径流-泥沙-污染物过程研究159
4.5.2杨柳小流域径流-泥沙-污染物过程研究175
4.5.3非点源污染特征分析及负荷估算183
4.5.4小结188
4.6汉江洋县断面以上流域非点源污染特征分析189
4.6.1汉江洋县断面以上流域概况189
4.6.2流域水质评价190
4.6.3非点源污染负荷估算194
4.6.4小结196
4.7洋县–安康断面区间流域非点源污染负荷研究197
4.7.1洋县-安康断面间流域概况197
4.7.2年径流量分割198
4.7.3负荷量计算199
4.7.4小结201
4.8汉江干流安康断面以上流域径流-泥沙-污染物特征研究201
4.8.1材料与方法201
4.8.2降雨特征变化及径流预测分析204
4.8.3降雨–径流–泥沙过程211
4.8.4水质评价及过程分析213
4.8.5不同尺度非点源输出对比分析216
4.8.6小结218
4.9基于输出系数法的流域农业非点源污染负荷估算及分析218
4.9.1材料与方法218
4.9.2丹江流域农业非点源污染负荷估算及分析219
4.9.3汉江流域农业非点源污染负荷估算及分析223
4.9.4小结228
4.10本章小结228
参考文献229
第5章基于时变增益和暴雨径流响应的流域分布式非点源污染模型构建及应用232
5.1非点源污染模型的构建232
5.1.1降雨径流过程233
5.1.2土壤侵蚀过程240
5.1.3污染物迁移转化过程242
5.2模型的校准与应用245
5.2.1数据库建立246
5.2.2模型效率评价指标252
5.2.3径流的校准与验证252
5.2.4泥沙的校准与验证261
5.2.5营养物的校准与验证264
5.3其他模型的改进及应用270
5.3.1TOPMODEL和新安江模型在半湿润地区径流模拟中的应用比较270
5.3.2基于RUSLE的非点源颗粒态氮磷污染定量评估282
5.4本章小结293
参考文献294
第6章流域非点源污染模型模拟研究及关键源区识别299
6.1SWAT模型介绍及原理299
6.1.1概述299
6.1.2模型基本原理及结构299
6.2MIKE模型介绍及原理304
6.2.1概述304
6.2.2MIKE11模型基本原理及结构304
6.2.3MIKESHE模型原理310
6.3基于SWAT模型的鹦鹉沟小流域非点源污染模拟314
6.3.1模型数据准备315
6.3.2模型率定及验证318
6.3.3时间分布特征及相关性分析321
6.3.4空间分布特征及关键源区识别323
6.3.5不同土地利用类型的非点源污染特征及关键污染负荷识别325
6.3.6小结328
6.4丹江流域非点源污染模拟329
6.4.1基于SWAT模型的丹江流域非点源污染模拟329
6.4.2基于MIKE模型的丹江流域非点源污染模拟355
6.4.3不同模型非点源污染模拟结果对比分析379
6.5汉江洋县断面以上流域非点源污染模拟379
6.5.1基于SWAT模型的汉江洋县断面以上流域非点源污染模拟379
6.5.2基于MIKE模型的汉江洋县断面以上流域非点源污染模拟392
6.5.3不同模型非点源污染模拟结果对比分析405
6.6基于MIKE模型的洋县至安康断面间流域非点源污染研究406
6.6.1模型建立与参数估算406
6.6.2模型率定和验证411
6.6.3洋县–安康断面间流域非点源污染定量化研究413
6.6.4小结416
6.7基于SWAT模型的安康断面以上流域非点源污染研究416
6.7.1模型构建416
6.7.2模型率定与验证419
6.7.3非点源污染特征分析及关键源区识别423
6.7.4小结432
6.8本章小结432
参考文献433
第7章基于“源-汇”景观理论的非点源污染风险评价436
7.1汉江流域安康段以上流域土地利用/景观格局特征436
7.1.1研究方法436
7.1.2土地利用特征分析436
7.1.3景观格局特征分析438
7.2非点源污染负荷估算441
7.3“源”“汇”景观对非点源污染的贡献445
7.3.1“源”“汇”景观分布特征445
7.3.2污染负荷空间对比指数446
7.3.3非点源污染与“源-汇”景观响应研究447
7.4非点源污染风险评价449
7.4.1非点源污染风险评价方法构建449
7.4.2汉江流域安康段以上流域非点源污染风险评估453
7.5本章小结459
参考文献460
第8章土地利用变化对汉江流域非点源污染的影响462
8.11995～2020年土地利用类型变化462
8.21995～2020年土地利用空间格局变化465
8.3汉江流域陕西段非点源污染空间分布467
8.3.1颗粒态氮磷负荷的空间分布468
8.3.2溶解态氮磷负荷的时空分布469
8.3.3模型间结果对比473
8.4土地利用/地形与非点源污染关系探讨474
8.4.1土地利用/地形与颗粒态非点源污染关系探讨474
8.4.2土地利用/地形与溶解态非点源污染关系探讨477
8.4.3土地利用空间格局与负荷的关系讨论479
8.5汉江洋县断面以上流域景观格局变化及非点源污染响应关系479
8.5.1流域土地利用特征分析479
8.5.2土地利用转换分析481
8.5.3景观格局特征分析482
8.5.4景观格局与流域非点源污染间相关性分析483
8.5.5景观格局与非点源污染的逐步回归分析484
8.6本章小结485
参考文献486
第9章气候变化对汉江流域非点源污染的影响488
9.1气候变化预测488
9.1.1NCC/GU-WG模拟结果的验证488
9.1.2未来气候情景模拟493
9.2气候变化环境下非点源污染负荷的响应497
9.2.1未来情景下径流量的响应497
9.2.2未来情景下NH3-N的响应498
9.2.3未来情景下TP的响应499
9.3本章小结499
参考文献500
第10章流域非点源污染控制规划研究501
10.1基于SWAT模型的丹江鹦鹉沟小流域非点源污染控制研究501
10.1.1情景方案设置501
10.1.2污染负荷削减效果评估502
10.1.3优化控制方案综合评价分析504
10.1.4小结507
10.2基于不同模型的丹江流域非点源污染控制研究508
10.2.1基于SWAT模型的丹江流域非点源污染控制研究508
10.2.2基于MIKE模型的丹江流域非点源污染控制研究520
10.2.3不同模型结果对比分析527
10.3基于不同模型的汉江洋县断面以上流域的非点源污染控制研究528
10.3.1基于SWAT模型的洋县断面以上流域非点源污染控制研究528
10.3.2基于MIKE模型的洋县断面以上流域非点源污染控制研究533
10.3.3不同模型结果对比分析539
10.4基于MIKE模型的洋县—安康断面间非点源污染控制研究540
10.4.1聚类分析540
10.4.2非点源污染控制措施模拟研究542
10.4.3水环境容量计算543
10.4.4非点源污染防治对策546
10.4.5小结547
10.5基于SWAT模型的汉江安康断面以上流域非点源污染控制研究547
10.5.1控制措施布设547
10.5.2非点源污染控制措施模拟549
10.5.3生态缓冲带对非点源污染的响应分析555
10.5.4控制措施综合评价分析557
10.5.5小结558
10.6污染控制对策及建议559
10.7本章小结560
参考文献560