Scientia Geographica Sinica 2012 , 32 (6): 725-730 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.06.725

Orginal Article

基于SCS和USLE的程海总磷总氮参照状态推断

周玉良, 刘丽, 金菊良, 张礼兵, 汪哲荪

合肥工业大学土木与水利工程学院, 安徽合肥 230009

Inference of Reference Conditions for Total Phosphorus and Total Nitrogen Based on SCS and USLE Model in Chenghai Lake

ZHOU Yu-liang, LIU Li, JIN Ju-liang, ZHANG Li-bing, WANG Zhe-sun

College of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China

中图分类号: X524

文献标识码: A

文章编号: 1000-0690(2012)06-0725-06

通讯作者: 金菊良,教授。E-mail:jinjl66@126.com

收稿日期: 2011-05-4

修回日期: 2011-06-28

网络出版日期: 2012-06-20

基金资助: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07106-001)、国家自然科学基金项目（51079037,51109052）、合肥工业大学发展基金（2010HGXJ0282）资助

作者简介:

作者简介：周玉良(1982-),男,安徽舒城人,博士,讲师,从事水文水资源研究。E-mail:zyl54600@163.com

展开

摘要

将流域入湖的氮磷负荷分为点源和非点源两部分,基于SCS模型和USLE模型,分别计算流域入湖的溶解态和颗粒态非点源负荷,根据工业、城镇生活及规模养殖废水排放,计算了流域入湖的点源负荷。通过计算的入湖负荷和现有的湖泊氮磷浓度数据,建立了湖泊氮磷质量守恒模型。根据计算的逐年入湖氮磷负荷和建立的湖泊氮磷质量守恒模型,逆推逐年的湖泊氮磷浓度,确定湖泊氮磷参照状态。应用建立的模型推断程海的TP、TN参照状态分别为0.014 mg/L和0.247 mg/L。构建的湖泊氮磷参照状态推断模型,所需资料少,概念清晰,在资料缺乏的其他湖泊流域具有推广应用价值。

关键词： SCS ; USLE ; 总磷 ; 总氮 ; 参照状态 ; 程海

Abstract

The loadings of total phosphorus and total nitrogen entering a lake were divided into two categories: point source and non-point source. The SCS (Soil Conservation Service) and the USLE (Universal Soil Loss Equation) models were used to calculate dissolved and particulate non-point source loadings, while the point source loading was estimated from the discharge of industrial, domestic and livestock wastewater. The mass conservation model of total phosphorus and total nitrogen in a lake was established, which was built upon the estimated input loadings of total phosphorus and total nitrogen entering a lake as well as the current concentration of total phosphorus and total nitrogen in the lake. Based on the calculated loadings entering a lake from the watershed and atmospheric deposition, along with the mass conservation model established, the previous annual average concentration of total phosphorus and total nitrogen in a lake was obtained by backward inference. Then, the reference condition of total phosphorus and total nitrogen, which was minimally impacted by human activities, could be established. The reference conditions of total phosphorus and total nitrogen in Chenghai Lake are 0.014 mg/L and 0.247 mg/L with the application of the proposed model. The reference conditions inference model is of clear physical concept, and less data required. Thus, the proposed methodology is applicable to other lakes under similar situations.

Keywords： soil conservation service ; universal soil loss equation ; total phosphorus ; total nitrogen ; reference conditions ; Chenghai Lake

PDF (503KB) 元数据多维度评价相关文章收藏文章

本文引用格式导出 EndNote Ris Bibtex

周玉良, 刘丽, 金菊良, 张礼兵, 汪哲荪. 基于SCS和USLE的程海总磷总氮参照状态推断[J]. , 2012, 32(6): 725-730 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.06.725

ZHOU Yu-liang, LIU Li, JIN Ju-liang, ZHANG Li-bing, WANG Zhe-sun. Inference of Reference Conditions for Total Phosphorus and Total Nitrogen Based on SCS and USLE Model in Chenghai Lake[J]. Scientia Geographica Sinica, 2012, 32(6): 725-730 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.06.725

湖泊参照状态是指湖泊受人为干扰最小或最可达的状态^[1~5],其确定方法主要有参照湖泊概率统计法、古湖沼学法和模型推断法等^[1,2]。美国环保局首推参照湖泊概率统计法作为确定湖泊参照状态的方法,其前提条件是区域内存在大量受人类活动影响小的湖泊。中国的大部分湖泊受人类活动影响大,富营养化较严重,湖泊历史水质资料稀缺,难以直接选择参照湖泊;应用湖泊群体分布的概率统计法确定参照状态时,参照状态对应的百分位点一般不同于美国的25%,需经验确定,具较强的主观性^[3]。古湖沼学法^[5]根据考察得到的湖底沉积物泥芯中硅藻或摇蚊等化石残骸及其与水质之间的关系推断湖泊营养物的历史状态,仅适用人类干扰小的深水湖泊。此外,确定湖泊参照状态的概率统计法和古湖沼学法没有把产生营养物负荷的流域考虑进来,割裂了流域与湖泊间的固有联系。参照状态的模型推断法主要分为回归分析法和湖泊流域过程模拟法,回归分析法通过建立流域压力-湖泊响应关系,推断低压力水平条件下的湖泊响应来确定湖泊的参照状态^[3],其可靠性受外推条件下的湖泊营养物响应是否也满足已建的回归关系;流域过程模拟法通过对流域营养物负荷的产生和输移模拟^[6~10],确定入湖的营养物负荷,再据湖内营养物质量守恒,反演人类活动影响小的条件下湖泊的营养物的状态。为此,针对中国湖泊资料普遍稀缺和富营养化较为严重的情况,采用对资料要求较低的SCS（Soil Conservation Service）流域水文模型和USLE（Universal Soil Erosion Equation）分别模拟流域地表径流过程和土壤流失过程,计算流域产生的非点源氮磷负荷,结合流域工业、生活和规模养殖产生的点源负荷,模拟逐年的入湖氮磷负荷;基于湖泊氮磷守恒及当前的湖泊氮磷浓度,逆推受人类活动影响小的湖泊营养物参照状态。

1 湖泊营养物参照状态确定的模型构建

1.1 基于SCS和USLE的流域非点源负荷模型构建

将入湖的流域非点源负荷分为溶解态和颗粒态两部分^[10],其中溶解态负荷采用基于SCS的流域水文模拟法计算,颗粒态负荷采用基于USLE的流域土壤侵蚀法计算。

1）基于SCS的流域溶解态氮磷非点源负荷估算。溶解态氮、磷入湖负荷模型为：

LD=0.001 CD×Q×TD (1)

式（1）中,LD为溶解态氮、磷负荷（t/km²）;CD为径流中溶解态氮、磷浓度（mg/L）;Q为计算时段径流深（mm）;TD为溶解态氮、磷迁移率,通常径流中溶解态氮、磷的迁移率取为1^[11]。

采用仅需流域降水、土壤、土地利用和植被资料的SCS曲线方程法计算流域径流Q：

Q = (P-I_a)²/[(P-I_a)+S] (2)

式（2）中,P为日降水量（mm）;S为径流开始后土壤滞留容量（mm）;I_a为初损量（mm）,与S关系密切,一般取I_a=λS（当P>I_a时,地表产流,当P<I_a时, Q为0）,在美国的实验农业小流域一般取λ=0.2,但由于美国的降水年内分布较均匀,约有70 %的降水通过入渗进入土壤,而中国的降水季节变化很大,且有集中性的大暴雨,仅有约40 %的降水通过入渗进入土壤^[12],因此,λ取值小于0.2,一般在0.05以下,具体取值可以根据流域水文资料加以率定。

滞留容量S用无量纲参数CN（Curve Number）表示：

S=(25400/CN)-254 (3)

CN取值与流域前期土壤湿润状况有关,美国土壤保持局已根据流域的土壤类型和土地利用方式确定了流域中等湿润状况下的CN₂（AMC2）,干燥（AMC1）CN₁和湿润（AMC3）状况下CN₃值,可据与中等湿润状况下CN₂的关系获得^[8]。

2）基于USLE的流域颗粒态氮磷非点源负荷估算。颗粒态氮、磷入湖负荷模型为：

LS=CS×X×TS×SD (4)

式（4）中,CS为土壤氮、磷质量含量（%）,可根据全国土壤普查资料制成的全国范围土壤氮、磷含量图直接获取^[13];X为年土壤流失量（t/km²）,据USLE计算;TS为氮、磷富集比（无量纲）;SD为流域泥沙输移比（无量纲）^[14]。

USLE因形式简单、因子意义明确,是目前应用最广泛的土壤侵蚀模型,其形式为：

X=R×K×LS×C×P (5)

式（5）中,R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm)/(hm²·h),通常以时段降雨量P_i表示^[15,16],如：

$\begin{matrix} R = α p_{i}^{β} \end{matrix}$ (6)

式（6）中,α、β为参数,具有一定的地区分布规律,其中云南地区α=0.889、β=1.591^[16]。R的美制单位为100 (ft·sh.t·in)/(ac·h)（sh.t为短吨）,相当于公制单位17.02（MJ·mm）/(hm²·h)。

K为土壤可蚀性因子,根据土壤质地和有机质含量进行确定^[8]：

$\begin{matrix} K = \{0.2 + 0.3 \exp [- 0.0256 S_{a} (1 - S_{i} / 100)]\} (\frac{S_{i}}{S_{i} + Cl}) \\ [1 - \frac{0.25 C}{C + \exp (3.72 - 2.95 C)}] \\ [1 - \frac{0.7 S_{n}}{S_{n} + \exp (- 5.51 + 22.9 S_{n})}] (7) \end{matrix}$

式（7）中,S_a、S_i、Cl、C分别为土壤砂粒、粉粒、粘粒和有机碳的含量（%）,S_n=1-S_a/100,均可在土壤类型和质地资料中获取^[13],K的美制单位为0.01 (sh.t·ac·h) / (ac·ft·sh.t·in),相当于公制单位0.1317(t·h)/(MJ·mm)。若R和K均取美制单位,需乘以224.2,换算为公制单位t/km²。

LS为坡长、坡度因子,通常采用下式计算^[8]：

$\begin{matrix} LS = \sqrt[]{\frac{L}{22.13}} (65.41 si n^{2} θ + 4.56 sinθ + 0.065) \end{matrix}$ (8)

式（8）中,L为坡长（m）,θ为坡度（°）,可通过DEM提取。

C为植被与经营管理因子,P为水土保持因子。

湖面大气沉降的氮、磷负荷分为湿沉降和干沉降两部分,大气湿沉降为湖区的降水中的TP、TN平均浓度和降水量的乘积,大气干沉降为降尘中的TP、TN含量和降尘量的乘积。可据实验数据直接计算,也可调研湖周区域降水水质和大气降尘的文献获得相关数据^[17,18]。

1.2 流域产生的点源负荷计算

点源负荷分为工业废水、生活废水和规模养殖废水中排放的TP、TN。排放的废水中TP、TN含量分别为废水排放量与废水中TP、TN浓度的乘积,其中,工业废水排放通过工业产值和单位工业产值废水排放量计算,数据可通过流域所在地的统计年鉴查得。城市生活废水中TP、TN负荷,可根据城市人口、人均用水量和生活废水中TP、TN浓度获得。中国目前每人每天排放的TP、TN分别为0.5~1.0 g和8~12 g^[19]。规模养殖废水排放中TP、TN负荷,根据养殖数量及单位排放量获得,在无实测（调查）数据地区,可参照《畜禽养殖业污染物排放标准》^[20]计算获得。

入湖的点源负荷与排放负荷的比例,主要与污水处理率、污水处理厂的废水排放标准有关,可据流域内污水处理厂的建设运行情况确定。

1.3 湖泊氮磷质量守恒模型

采用Vollenweider模型^[1]描述营养物的输入、输出和沉降的关系：

$\begin{matrix} 100 V \frac{dC}{dt} = W - 100 Q_{out} C_{out} - A_{s} v_{s} C \end{matrix}$ (9)

式（9）中,V为湖泊时段平均蓄水量（10⁸ m³）;C为湖泊水体中TP、TN的时段平均浓度（mg/L）;W为时段入湖总负荷（t/a）,即入湖的非点源和点源负荷之和;Q_out为时段出湖水量（10⁸m³/a）;C_out为时段出湖水体中TP、TN的平均浓度（mg/L）;A_s为湖泊时段平均面积（km²）;v_s为TP、TN的净沉降速度（m/a）。式（9）的差分形式为

$\begin{matrix} 100 (V_{i} C_{i} - V_{i - 1} C_{i - 1}) = \\ W_{i} - 100 Q_{out, i} C_{out, i} - A_{s, i} v_{s, i} C_{s, i} \end{matrix}$ (10)

式（10）中,下标i和i-1分别表示第i和i-1时段的数据。在湖泊容积、湖中营养物浓度、入湖营养物负荷、出湖水量、营养物浓度及湖泊面积已知的情况下,即可计算有资料时段的营养物净沉降速度v_s（当时段长为1时,可取C_s,i = C_i）：

$\begin{matrix} v_{s, i} = [W_{i} - 100 Q_{out, i} C_{out, i} - 100 (V_{i} C_{i} - V_{i - 1} C_{i - 1})] / (A_{s, i} C_{s, i}) \end{matrix}$ (11)

根据计算的逐年入湖点源和非点源负荷,可得逐年入湖的总负荷W_i,在出湖水量Q_out,_i、出湖水体营养物浓度C_out,_i、湖泊面积A_s,i及净沉降速度v_s,i已知的情况下,即可根据湖泊当前的营养物浓度C_i推算出前一时段的C_i-₁（C_s,i可取C_i或C_i与C_i_-1的均值）：

$\begin{matrix} C_{i - 1} = (100 Q_{out, i} C_{out, i} + {A_{s,}}_{i} V_{s, i} C_{s, i} \\ + 100 V_{i} C_{i} - W_{i}) / (100 V_{i - 1}) \end{matrix}$ (12)

一般湖泊缺少逐年的出湖水量Q_out和湖泊年平均面积A_s数据,但多年平均出湖水量和湖泊年平均面积数据,相对容易获得且更准确;净沉降速度v_s的影响因素众多,每年的具体取值难以确定,且反演的营养物浓度C_i-₁对v_s较敏感。因此,计算的时段步长应取多年,而不宜仅以1 a作为时段步长。如果选取的时段步长为n a,则式（10）变为

$\begin{matrix} 100 (V_{i} C_{i} - V_{i - 1} C_{i - 1}) = \overset{n}{\sum_{i = 1}} W_{i} - 100 n \bar{Q_{out}} \bar{C_{out}} - n \bar{A_{s}} \bar{v_{s}} C_{s} \end{matrix}$ (13)

式（13）中, $\begin{matrix} \bar{Q_{out}} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} \bar{A_{s}} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} \bar{C_{out}} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} \bar{v_{s}} \end{matrix}$ 分别为多年平均出湖水量（10⁸m³/a）、多年平均湖面面积（km²）、出湖水体营养物浓度均值（mg/L）和净沉降速度均值（m/a）;C_s为湖内营养物浓度多年均值（mg/L）,一般取C_i与C_i-₁的均值（因是多年情况,不宜直接取为C_i）。则：

$\begin{matrix} C_{i - 1} = \frac{100 V_{i} C_{i} - \overset{n}{\sum_{i = 1}} W_{i} + 0.5 n C_{i} (100 \bar{Q_{out}} + \bar{A_{s}} \bar{v_{s}})}{100 V_{i - 1} - 0.5 n (100 \bar{Q_{out}} + \bar{A_{s}} \bar{v_{s}})} \end{matrix}$ (14)

2 案例分析

程海位于云南永胜县中部,为内陆湖泊,湖水平均面积77.2 km²,平均水深25.9 m,平均蓄水量19.8×10⁸m³。湖面蒸发量约为流域降水量的3倍,水量长期入不敷出,导致湖泊水位持续下降,1993年建成仙人河引水隧洞工程,湖泊水位趋于稳定。程海远离城镇,长期以来开发程度较低,但自1994年人工生产螺旋藻以来,水体富营养化程度日渐严重。

基于3"网格DEM的SCS的分布式流域水文模拟,得流域逐日地表径流Q,其中λ取0.03时,水量误差最小,降水数据取自中国气象数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn）。根据模拟径流Q和径流中溶解态氮、磷浓度^[7],计算溶解态氮、磷负荷。

据USLE,计算程海流域逐年流域土壤侵蚀。计算得到流域的土壤侵蚀模数多年均值为2 179

t/km²,与景可等^[21]绘制的全国土壤侵蚀模数等值线图中数值十分接近。参考金沙江流域的养分富集比研究成果^[22],取程海流域TP和TN的富集比为1.46和1.68;泥沙输移比SD取值参考长委会对长江流域的研究成果,取为0.28^[14]。据式（4）,计算程海流域逐年的颗粒态氮、磷负荷。

程海流域的点源主要来自螺旋藻养殖和仙人河引水。螺旋藻养殖自1993年开始,按每年产干粉1 000 t计,排入湖中的TP、TN约为7 t和41 t^{[18, 23]}。仙人河引水隧洞设计流量为4 560×10⁴m³/a,实际上1994~2000年,共补水12 025.9×10⁴m^{3 [24]},云南省丽江地区环境监测站对仙人河水质监测表明TP、TN均超Ⅳ类水^[25],TP、TN浓度按0.35 mg/L和1.75 mg/L计,引水带入的TP、TN为6.013 t/a和30.065 t/a。1996年,沿湖村镇废水排放^[18]带入的TP、TN为0.158 t/a和1.050 t/a,据《云南省统计年鉴》^[26],废水排放按人口年增长率1.25 %计。禽畜养殖废水TP、TN排放按《云南省统计年鉴》^[26]和《畜禽养殖业污染物排放标准》^[20]计算。1996年湖面大气沉降的TP、TN负荷^[18]为0.926 t 和81.06 t,因缺少大气干沉降观测,其余年份按降水量比例计算大气总沉降。程海无出湖河流,每年湖内的工农业取水深约为16 mm^[27]。流域上各种途径入湖的TP、TN负荷见表1。

表1 程海流域历年入湖营养物负荷（t/a）

Table 1 The input loadings of total phosphorus and total nitrogen entering Chenghai Lake from the watershed in different years

年份	TP poi	TN poi	TP non	TN non	TPtot	TNtot	年份	TP poi	TN poi	TP non	TN non	TPtot	TNtot
1960年	1.0	9.7	119.2	374.0	120.2	383.7	1985年	1.2	11.3	109.4	349.0	110.5	360.3
1961年	1.0	9.8	88.6	284.3	89.6	294.0	1986年	1.2	11.4	133.7	429.2	134.8	440.6
1962年	1.0	9.8	148.8	473.4	149.8	483.3	1987年	1.2	11.4	177.3	571.6	178.5	583.1
1963年	1.0	9.9	220.5	710.5	221.5	720.4	1988年	1.2	11.5	86.6	274.6	87.8	286.1
1964年	1.0	10.0	116.0	373.3	117.0	383.3	1989年	1.2	11.6	204.2	647.5	205.4	659.1
1965年	1.0	10.0	119.1	386.3	120.1	396.3	1990年	1.2	11.6	150.2	481.3	151.4	492.9
1966年	1.0	10.1	147.6	476.9	148.7	487.0	1991年	1.2	11.7	150.7	477.5	151.9	489.2
1967年	1.0	10.2	83.2	260.9	84.2	271.1	1992年	1.2	11.8	85.3	269.4	86.5	281.2
1968年	1.1	10.2	133.2	436.0	134.3	446.2	1993年	3.2	27.8	180.2	584.1	183.4	611.9
1969年	1.1	10.3	92.2	294.1	93.2	304.4	1994年	3.5	35.7	103.1	331.9	106.6	367.5
1970年	1.1	10.4	100.5	315.8	101.6	326.1	1995年	3.4	34.0	127.3	401.5	130.7	435.4
1971年	1.1	10.4	144.1	461.2	145.2	471.6	1996年	3.6	34.4	154.5	485.2	158.1	519.6

注：表中poi表示点源,non表示非点源,tot表示流域入湖的点源与非点源之和,不包括湖面沉降。

新窗口打开

从表1可得,最近10 a来,流域入湖的氮、磷非点源负荷分别占入湖的总负荷的88%和93%,和王志芸等^[28]调查的云南八大高原湖泊非点源氮、磷负荷占总负荷的比例为92%和91%极为接近,非点源负荷比重高的主要原因是程海流域坡陡流急,水土流失严重及土壤氮、磷本底值高。

程海水质资料稀缺,现有2002~2009年程海逐年平均TP、TN浓度资料。采用式（11）计算该时段TP和TN的年净沉降速度v_s_TP和v_s_TN,其均值分别为100.2 m/a和14.9 m/a。

据式（14）和v_s_TP、v_s_TN值,得程海1960~2001年及2010年的TP、TN浓度见表2和图1。

表2中1996年TN年均浓度为0.467 mg/L,与周钦等^[23]调查的TN年均浓度0.45 mg/L接近;1998~2002年TP浓度均值为0.028 mg/L,与王金玲等^[29]获得的同期TP浓度均值为0.030 mg/L接近;1988~1992年TN浓度均值为0.394 mg/L,与同期湖泊调查^[30]的TN浓度均值0.44 mg/L较为接近。据计算的2010年入湖的氮、磷负荷（TP、TN分别为155.1 t和601.0 t）和v_s_TP、v_s_TN,经式（10）,得2010年程海TP、TN平均浓度分别为0.020 mg/L和0.606 mg/L,与实测TP、TN平均浓度0.02 mg/L和0.6 mg/L（据云南省九大高原湖泊水质环境月报数据计算,http://www.ynepb.gov.cn）十分接近。逆推（1988~1992年、1996年和1998~2002年）和顺推（2010年）湖泊TP、TN浓度均与调查数据或其它文献的结果接近,说明建立的推断湖泊营养物年均浓度模型具有较高精度和可信度。

表2 程海历年总磷总氮浓度反演结果（mg/L）

Table 2 The backward inference results of concentrations of total phosphorus and total nitrogen in Chenghai Lake

年份	TP	TN	年份	TP	TN	年份	TP	TN	年份	TP	TN
1960年	0.014	0.249	1971年	0.014	0.249	1982年	0.017	0.307	1993年	0.023	0.418
1961年	0.014	0.252	1972年	0.015	0.250	1983年	0.018	0.328	1994年	0.023	0.413
1962年	0.014	0.253	1973年	0.015	0.254	1984年	0.019	0.353	1995年	0.025	0.449
1963年	0.014	0.244	1974年	0.015	0.257	1985年	0.020	0.369	1996年	0.026	0.467
1964年	0.014	0.238	1975年	0.015	0.259	1986年	0.021	0.379	1997年	0.028	0.565
1965年	0.014	0.238	1976年	0.015	0.269	1987年	0.021	0.375	1998年	0.030	0.693
1966年	0.014	0.236	1977年	0.016	0.286	1988年	0.021	0.384	1999年	0.028	0.799
1967年	0.014	0.238	1978年	0.017	0.291	1989年	0.022	0.394	2000年	0.027	0.748
1968年	0.014	0.241	1979年	0.017	0.290	1990年	0.021	0.388	2001年	0.036	0.601
1969年	0.014	0.243	1980年	0.017	0.293	1991年	0.022	0.387
1970年	0.014	0.249	1981年	0.017	0.298	1992年	0.023	0.416	2010年	0.020	0.606

新窗口打开

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 程海1960~2010年总磷(a)总氮(b)年均浓度

Fig. 1 Annual average concentration of total phosphorus and total nitrogen in Chenghai Lake from 1960 to 2010

图1、表2看出,1994年后程海TP、TN浓度出现较快增长,主要是螺旋藻养殖废水排放和仙人河引水带来的入湖营养物的快速增加引起的。1998年和1999年程海TP、TN浓度较高,主要是由于这2年的降水较多（为多年均值的1.26倍和1.33倍）带来入湖的面源负荷较大导致的。推算的程海2000年TN和2001年TP浓度较高,可能与推算该年份TP、TN浓度所采用的净沉降速度多年均值v_s_TP、v_s_TN与该年的实际值差异较大,但随着逆推时间的延长（式（14）中n的增加）,逆推时段的平均净沉降速度应与通过实测资料推算的2002~2009年净沉降速度多年均值接近,推断的TP、TN浓度更为合理。

图1、表2可见,从1960年至20世纪70年代中期,湖泊TP和TN浓度保持相对稳定,调研流域社会经济发展历史可知^[18,24,27],此时人类活动对湖泊的影响小（无引水和螺旋藻养殖,人类活动影响相对较小）,可以作为参照状态,取程海1960~1975年TP和TN浓度的均值作为程海TP和TN的参照状态,其值分别为0.014 mg/L和0.247 mg/L。

3 结论

基于SCS和USLE模型,模拟湖泊所在流域逐年的非点源氮、磷负荷,结合流域的工业、城镇生活和规模养殖的点源负荷及湖面氮、磷大气沉降,根据湖泊氮、磷质量守恒和湖泊TP、TN现状浓度,逆推湖泊TP、TN历年平均浓度。据模型在程海的实证分析,得以下结论：

1）程海在20世纪80年代前,受人类活动影响较小,水质变化缓慢,以1960~1975年TP和TN浓度的均值作为程海TP和TN的参照状态,其值分别为0.014 mg/L和0.247 mg/L。

2）基于SCS和USLE的湖泊营养物参照状态模型,逆推得1988~1992年、1996年及1998~2002年的TP、TN年平均浓度与调查数据或其它文献的结果接近;顺推2010年的程海TP、TN年平均浓度分别为0.020 mg/L和0.606 mg/L,与程海实测TP、TN平均浓度0.02 mg/L和0.6 mg/L十分接近,表明湖泊营养物参照状态推断模型在推算TP、TN年均浓度时具有较高精度。

3）基于SCS和USLE的湖泊营养物参照状态推断模型,所需资料较少,物理概念清晰,适合应用于水文资料稀缺和受人类活动影响较大的湖泊的参照状态的推断。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]	Gibson G,Carlson R,Simpson J,et al. Nutrient Criteria Technical Guidance Manual Lakes and Reservoirs [S].US,2000. [本文引用: 3]
[2]	霍守亮,陈奇,席北斗,等. 湖泊营养物基准的制定方法研究进展 [J].生态环境学报,2009,18(2):743~748. [本文引用: 1]
[3]	陈奇,霍守亮,席北斗,等. 湖泊营养物参照状态建立方法研究 [J].生态环境学报,2010,19(3):544~549. [本文引用: 2]
[4]	Dodds W K,Carney E,Angelo R T. Determining ecoregional reference conditions for nutrients, secchi depth and chlorophyll a in Kansas lakes and reservoirs [J].Lake and Reservoir Management,2006,22(2):151-159.
[5]	Yang X D,Anderson N J,Dong X H. Diatom-based total phosphorous transfer function in shallow lakes of Yangtze flood plain, Southeastern China [J]. Freshwater Biology,2008,53:1273-1290. [本文引用: 2]
[6]	李斌兵,郑粉莉,龙栋材,等. 基于GIS纸坊沟小流域土壤侵蚀强度空间分布 [J].地理科学,2009,29(1):105~110. [本文引用: 1]
[7]	刘腊美,龙天渝,李崇明,等. 嘉陵江流域非点源溶解态氮污染负荷模拟研究 [J].农业环境科学学报,2009,28(4):808~813. [本文引用: 1]
[8]	Neitsch S L,Arnold J G,Kiniry J R,et al. Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation(Version 2000),TWRI Report TR-191[R].Texas:Texas Water Resources Institute, College Station,2002. [本文引用: 3]
[9]	王秀娟,刘瑞民,何孟常. 土地利用及其变化对松辽流域非点源污染影响研究 [J].地理科学,2009,29(4):555~560.
[10]	岳勇,程红光,杨胜天,等. 松花江流域非点源污染负荷估算与评价 [J].地理科学,2007,27(2):231~236. [本文引用: 2]
[11]	屠清瑛,顾丁锡,尹澄清,等.巢湖-富营养化研究[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1990. [本文引用: 1]
[12]	贺宝根,周乃晟,高效江,等. 农田非点源污染研究中的降雨径流关系-SCS法的修正 [J].环境科学研究,2001,14(3):49~51. [本文引用: 1]
[13]	地球系统科学数据共享网项目,中国科学院南京土壤研究所于东升史学正课题组数字化加工制作 [G/OL].全国1:400万土壤化学属性空间分布数据集,2007.. URL [本文引用: 2]
[14]	李林育,焦菊英,陈杨. 泥沙输移比的研究方法及成果分析 [J].中国水土保持科学,2009,7(6):113~122. [本文引用: 2]
[15]	信忠保,许炯心,马元旭. 近50年黄土高原侵蚀性降水的时空变化特征 [J].地理科学,2009,29(1):98~104. [本文引用: 1]
[16]	章文波,谢云,刘宝元. 利用日雨量计算降雨侵蚀力的方法研究 [J].地理科学,2002,22(6):705~711. [本文引用: 2]
[17]	李宗省,何元庆,张宁宁,等. 丽江市大气环境特征分析 [J].地理科学,2010,30(4):588~593. [本文引用: 1]
[18]	陶文东,夏峰,荆春燕. 程海的环境问题及其管理对策探讨 [J].长江流域资源与环境,1999,8(2):210~214. [本文引用: 5]
[19]	朱兆良,David Norse,孙波.中国农业面源污染控制对策[M].北京:中国环境科学出版社,2006. [本文引用: 1]
[20]	国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局. 畜禽养殖业污染物排放标准 [S].中国,2001. [本文引用: 2]
[21]	景可,王万忠,郑粉莉.中国土壤侵蚀与环境[M].北京:科学出版社,2005. [本文引用: 1]
[22]	曹彦龙,李崇明,郭劲松,等. 重庆三峡库区非点源污染来源分析及负荷计算 [J].重庆建筑大学学报,2007,29(4):1~5. [本文引用: 1]
[23]	周钦. 螺旋藻开发对程海水质的影响及对策 [J].云南环境科学,1997,16(2):35~37. [本文引用: 2]
[24]	吉成,木丁,刘建华,等. 苦难的丽江 [J].生态经济,2002,(3):5~7. [本文引用: 2]
[25]	昆明理工大学.《永胜工业园区县城中心片区规划环境影响报告书》公示 [R/OL].2009-06-15,. URL [本文引用: 1]
[26]	云南省统计局.云南统计年鉴(1985~2010)[M].北京:中国统计出版社,1985~2010. [本文引用: 2]
[27]	胡文英,季江,潘红玺. 程海的水质状况及咸化趋势 [J].湖泊科学,1992,4(2):60~66. [本文引用: 2]
[28]	王志芸,贺彬,张秀敏,等. 云南省九大高原湖泊水污染现状调查与分析 [J].云南环境科学,2006,25(增刊1):77~79. [本文引用: 1]
[29]	王金玲. 云南省九大高原湖泊统一环境立法构建研究[D] .昆明:昆明理工大学,2004. [本文引用: 1]
[30]	王苏民,窦鸿身.中国湖泊志[M].北京:科学出版社,1998. [本文引用: 1]

Nutrient Criteria Technical Guidance Manual Lakes and Reservoirs

2000

... 湖泊参照状态是指湖泊受人为干扰最小或最可达的状态^[1~5],其确定方法主要有参照湖泊概率统计法、古湖沼学法和模型推断法等^[1,2].美国环保局首推参照湖泊概率统计法作为确定湖泊参照状态的方法,其前提条件是区域内存在大量受人类活动影响小的湖泊.中国的大部分湖泊受人类活动影响大,富营养化较严重,湖泊历史水质资料稀缺,难以直接选择参照湖泊;应用湖泊群体分布的概率统计法确定参照状态时,参照状态对应的百分位点一般不同于美国的25%,需经验确定,具较强的主观性^[3].古湖沼学法^[5]根据考察得到的湖底沉积物泥芯中硅藻或摇蚊等化石残骸及其与水质之间的关系推断湖泊营养物的历史状态,仅适用人类干扰小的深水湖泊.此外,确定湖泊参照状态的概率统计法和古湖沼学法没有把产生营养物负荷的流域考虑进来,割裂了流域与湖泊间的固有联系.参照状态的模型推断法主要分为回归分析法和湖泊流域过程模拟法,回归分析法通过建立流域压力-湖泊响应关系,推断低压力水平条件下的湖泊响应来确定湖泊的参照状态^[3],其可靠性受外推条件下的湖泊营养物响应是否也满足已建的回归关系;流域过程模拟法通过对流域营养物负荷的产生和输移模拟^[6~10],确定入湖的营养物负荷,再据湖内营养物质量守恒,反演人类活动影响小的条件下湖泊的营养物的状态.为此,针对中国湖泊资料普遍稀缺和富营养化较为严重的情况,采用对资料要求较低的SCS（Soil Conservation Service）流域水文模型和USLE（Universal Soil Erosion Equation）分别模拟流域地表径流过程和土壤流失过程,计算流域产生的非点源氮磷负荷,结合流域工业、生活和规模养殖产生的点源负荷,模拟逐年的入湖氮磷负荷;基于湖泊氮磷守恒及当前的湖泊氮磷浓度,逆推受人类活动影响小的湖泊营养物参照状态. ...

... [1,2].美国环保局首推参照湖泊概率统计法作为确定湖泊参照状态的方法,其前提条件是区域内存在大量受人类活动影响小的湖泊.中国的大部分湖泊受人类活动影响大,富营养化较严重,湖泊历史水质资料稀缺,难以直接选择参照湖泊;应用湖泊群体分布的概率统计法确定参照状态时,参照状态对应的百分位点一般不同于美国的25%,需经验确定,具较强的主观性^[3].古湖沼学法^[5]根据考察得到的湖底沉积物泥芯中硅藻或摇蚊等化石残骸及其与水质之间的关系推断湖泊营养物的历史状态,仅适用人类干扰小的深水湖泊.此外,确定湖泊参照状态的概率统计法和古湖沼学法没有把产生营养物负荷的流域考虑进来,割裂了流域与湖泊间的固有联系.参照状态的模型推断法主要分为回归分析法和湖泊流域过程模拟法,回归分析法通过建立流域压力-湖泊响应关系,推断低压力水平条件下的湖泊响应来确定湖泊的参照状态^[3],其可靠性受外推条件下的湖泊营养物响应是否也满足已建的回归关系;流域过程模拟法通过对流域营养物负荷的产生和输移模拟^[6~10],确定入湖的营养物负荷,再据湖内营养物质量守恒,反演人类活动影响小的条件下湖泊的营养物的状态.为此,针对中国湖泊资料普遍稀缺和富营养化较为严重的情况,采用对资料要求较低的SCS（Soil Conservation Service）流域水文模型和USLE（Universal Soil Erosion Equation）分别模拟流域地表径流过程和土壤流失过程,计算流域产生的非点源氮磷负荷,结合流域工业、生活和规模养殖产生的点源负荷,模拟逐年的入湖氮磷负荷;基于湖泊氮磷守恒及当前的湖泊氮磷浓度,逆推受人类活动影响小的湖泊营养物参照状态. ...

... 采用Vollenweider模型^[1]描述营养物的输入、输出和沉降的关系： ...

湖泊营养物基准的制定方法研究进展

2009

湖泊营养物参照状态建立方法研究

2010

... [3],其可靠性受外推条件下的湖泊营养物响应是否也满足已建的回归关系;流域过程模拟法通过对流域营养物负荷的产生和输移模拟^[6~10],确定入湖的营养物负荷,再据湖内营养物质量守恒,反演人类活动影响小的条件下湖泊的营养物的状态.为此,针对中国湖泊资料普遍稀缺和富营养化较为严重的情况,采用对资料要求较低的SCS（Soil Conservation Service）流域水文模型和USLE（Universal Soil Erosion Equation）分别模拟流域地表径流过程和土壤流失过程,计算流域产生的非点源氮磷负荷,结合流域工业、生活和规模养殖产生的点源负荷,模拟逐年的入湖氮磷负荷;基于湖泊氮磷守恒及当前的湖泊氮磷浓度,逆推受人类活动影响小的湖泊营养物参照状态. ...

Determining ecoregional reference conditions for nutrients, secchi depth and chlorophyll a in Kansas lakes and reservoirs

2006

Diatom-based total phosphorous transfer function in shallow lakes of Yangtze flood plain, Southeastern China

2008

... [5]根据考察得到的湖底沉积物泥芯中硅藻或摇蚊等化石残骸及其与水质之间的关系推断湖泊营养物的历史状态,仅适用人类干扰小的深水湖泊.此外,确定湖泊参照状态的概率统计法和古湖沼学法没有把产生营养物负荷的流域考虑进来,割裂了流域与湖泊间的固有联系.参照状态的模型推断法主要分为回归分析法和湖泊流域过程模拟法,回归分析法通过建立流域压力-湖泊响应关系,推断低压力水平条件下的湖泊响应来确定湖泊的参照状态^[3],其可靠性受外推条件下的湖泊营养物响应是否也满足已建的回归关系;流域过程模拟法通过对流域营养物负荷的产生和输移模拟^[6~10],确定入湖的营养物负荷,再据湖内营养物质量守恒,反演人类活动影响小的条件下湖泊的营养物的状态.为此,针对中国湖泊资料普遍稀缺和富营养化较为严重的情况,采用对资料要求较低的SCS（Soil Conservation Service）流域水文模型和USLE（Universal Soil Erosion Equation）分别模拟流域地表径流过程和土壤流失过程,计算流域产生的非点源氮磷负荷,结合流域工业、生活和规模养殖产生的点源负荷,模拟逐年的入湖氮磷负荷;基于湖泊氮磷守恒及当前的湖泊氮磷浓度,逆推受人类活动影响小的湖泊营养物参照状态. ...

基于GIS纸坊沟小流域土壤侵蚀强度空间分布

2009

嘉陵江流域非点源溶解态氮污染负荷模拟研究

2009

... 基于3"网格DEM的SCS的分布式流域水文模拟,得流域逐日地表径流Q,其中λ取0.03时,水量误差最小,降水数据取自中国气象数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn）.根据模拟径流Q和径流中溶解态氮、磷浓度^[7],计算溶解态氮、磷负荷. ...

Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation(Version 2000),TWRI Report TR-191[R].Texas:Texas Water Resources Institute,

2002

... CN取值与流域前期土壤湿润状况有关,美国土壤保持局已根据流域的土壤类型和土地利用方式确定了流域中等湿润状况下的CN₂（AMC2）,干燥（AMC1）CN₁和湿润（AMC3）状况下CN₃值,可据与中等湿润状况下CN₂的关系获得^[8]. ...

... K为土壤可蚀性因子,根据土壤质地和有机质含量进行确定^[8]： ...

... LS为坡长、坡度因子,通常采用下式计算^[8]： ...

土地利用及其变化对松辽流域非点源污染影响研究

2009

松花江流域非点源污染负荷估算与评价

2007

... 将入湖的流域非点源负荷分为溶解态和颗粒态两部分^[10],其中溶解态负荷采用基于SCS的流域水文模拟法计算,颗粒态负荷采用基于USLE的流域土壤侵蚀法计算. ...

1990

... 式（1）中,LD为溶解态氮、磷负荷（t/km²）;CD为径流中溶解态氮、磷浓度（mg/L）;Q为计算时段径流深（mm）;TD为溶解态氮、磷迁移率,通常径流中溶解态氮、磷的迁移率取为1^[11]. ...

农田非点源污染研究中的降雨径流关系-SCS法的修正

2001

... 式（2）中,P为日降水量（mm）;S为径流开始后土壤滞留容量（mm）;I_a为初损量（mm）,与S关系密切,一般取I_a=λS（当P>I_a时,地表产流,当P<I_a时, Q为0）,在美国的实验农业小流域一般取λ=0.2,但由于美国的降水年内分布较均匀,约有70 %的降水通过入渗进入土壤,而中国的降水季节变化很大,且有集中性的大暴雨,仅有约40 %的降水通过入渗进入土壤^[12],因此,λ取值小于0.2,一般在0.05以下,具体取值可以根据流域水文资料加以率定. ...

地球系统科学数据共享网项目,中国科学院南京土壤研究所于东升史学正课题组数字化加工制作

... 式（4）中,CS为土壤氮、磷质量含量（%）,可根据全国土壤普查资料制成的全国范围土壤氮、磷含量图直接获取^[13];X为年土壤流失量（t/km²）,据USLE计算;TS为氮、磷富集比（无量纲）;SD为流域泥沙输移比（无量纲）^[14]. ...

... 式（7）中,S_a、S_i、Cl、C分别为土壤砂粒、粉粒、粘粒和有机碳的含量（%）,S_n=1-S_a/100,均可在土壤类型和质地资料中获取^[13],K的美制单位为0.01 (sh.t·ac·h) / (ac·ft·sh.t·in),相当于公制单位0.1317(t·h)/(MJ·mm).若R和K均取美制单位,需乘以224.2,换算为公制单位t/km². ...

泥沙输移比的研究方法及成果分析

2009

... t/km²,与景可等^[21]绘制的全国土壤侵蚀模数等值线图中数值十分接近.参考金沙江流域的养分富集比研究成果^[22],取程海流域TP和TN的富集比为1.46和1.68;泥沙输移比SD取值参考长委会对长江流域的研究成果,取为0.28^[14].据式（4）,计算程海流域逐年的颗粒态氮、磷负荷. ...

近50年黄土高原侵蚀性降水的时空变化特征

2009

... 式（5）中,R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm)/(hm²·h),通常以时段降雨量P_i表示^[15,16],如： ...

利用日雨量计算降雨侵蚀力的方法研究

2002

... 式（5）中,R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm)/(hm²·h),通常以时段降雨量P_i表示^[15,16],如： ...

... 式（6）中,α、β为参数,具有一定的地区分布规律,其中云南地区α=0.889、β=1.591^[16].R的美制单位为100 (ft·sh.t·in)/(ac·h)（sh.t为短吨）,相当于公制单位17.02（MJ·mm）/(hm²·h). ...

丽江市大气环境特征分析

2010

... 湖面大气沉降的氮、磷负荷分为湿沉降和干沉降两部分,大气湿沉降为湖区的降水中的TP、TN平均浓度和降水量的乘积,大气干沉降为降尘中的TP、TN含量和降尘量的乘积.可据实验数据直接计算,也可调研湖周区域降水水质和大气降尘的文献获得相关数据^[17,18]. ...

程海的环境问题及其管理对策探讨

1999

... 程海流域的点源主要来自螺旋藻养殖和仙人河引水.螺旋藻养殖自1993年开始,按每年产干粉1 000 t计,排入湖中的TP、TN约为7 t和41 t^{[18, 23]}.仙人河引水隧洞设计流量为4 560×10⁴m³/a,实际上1994~2000年,共补水12 025.9×10⁴m^{3 [24]},云南省丽江地区环境监测站对仙人河水质监测表明TP、TN均超Ⅳ类水^[25],TP、TN浓度按0.35 mg/L和1.75 mg/L计,引水带入的TP、TN为6.013 t/a和30.065 t/a.1996年,沿湖村镇废水排放^[18]带入的TP、TN为0.158 t/a和1.050 t/a,据《云南省统计年鉴》^[26],废水排放按人口年增长率1.25 %计.禽畜养殖废水TP、TN排放按《云南省统计年鉴》^[26]和《畜禽养殖业污染物排放标准》^[20]计算.1996年湖面大气沉降的TP、TN负荷^[18]为0.926 t 和81.06 t,因缺少大气干沉降观测,其余年份按降水量比例计算大气总沉降.程海无出湖河流,每年湖内的工农业取水深约为16 mm^[27].流域上各种途径入湖的TP、TN负荷见表1. ...

... [18]带入的TP、TN为0.158 t/a和1.050 t/a,据《云南省统计年鉴》^[26],废水排放按人口年增长率1.25 %计.禽畜养殖废水TP、TN排放按《云南省统计年鉴》^[26]和《畜禽养殖业污染物排放标准》^[20]计算.1996年湖面大气沉降的TP、TN负荷^[18]为0.926 t 和81.06 t,因缺少大气干沉降观测,其余年份按降水量比例计算大气总沉降.程海无出湖河流,每年湖内的工农业取水深约为16 mm^[27].流域上各种途径入湖的TP、TN负荷见表1. ...

... [18]为0.926 t 和81.06 t,因缺少大气干沉降观测,其余年份按降水量比例计算大气总沉降.程海无出湖河流,每年湖内的工农业取水深约为16 mm^[27].流域上各种途径入湖的TP、TN负荷见表1. ...

... 图1、表2可见,从1960年至20世纪70年代中期,湖泊TP和TN浓度保持相对稳定,调研流域社会经济发展历史可知^[18,24,27],此时人类活动对湖泊的影响小（无引水和螺旋藻养殖,人类活动影响相对较小）,可以作为参照状态,取程海1960~1975年TP和TN浓度的均值作为程海TP和TN的参照状态,其值分别为0.014 mg/L和0.247 mg/L. ...

2006

... 点源负荷分为工业废水、生活废水和规模养殖废水中排放的TP、TN.排放的废水中TP、TN含量分别为废水排放量与废水中TP、TN浓度的乘积,其中,工业废水排放通过工业产值和单位工业产值废水排放量计算,数据可通过流域所在地的统计年鉴查得.城市生活废水中TP、TN负荷,可根据城市人口、人均用水量和生活废水中TP、TN浓度获得.中国目前每人每天排放的TP、TN分别为0.5~1.0 g和8~12 g^[19].规模养殖废水排放中TP、TN负荷,根据养殖数量及单位排放量获得,在无实测（调查）数据地区,可参照《畜禽养殖业污染物排放标准》^[20]计算获得. ...

畜禽养殖业污染物排放标准

2001

2005

重庆三峡库区非点源污染来源分析及负荷计算

2007

螺旋藻开发对程海水质的影响及对策

1997

... 表2中1996年TN年均浓度为0.467 mg/L,与周钦等^[23]调查的TN年均浓度0.45 mg/L接近;1998~2002年TP浓度均值为0.028 mg/L,与王金玲等^[29]获得的同期TP浓度均值为0.030 mg/L接近;1988~1992年TN浓度均值为0.394 mg/L,与同期湖泊调查^[30]的TN浓度均值0.44 mg/L较为接近.据计算的2010年入湖的氮、磷负荷（TP、TN分别为155.1 t和601.0 t）和v_s_TP、v_s_TN,经式（10）,得2010年程海TP、TN平均浓度分别为0.020 mg/L和0.606 mg/L,与实测TP、TN平均浓度0.02 mg/L和0.6 mg/L（据云南省九大高原湖泊水质环境月报数据计算,http://www.ynepb.gov.cn）十分接近.逆推（1988~1992年、1996年和1998~2002年）和顺推（2010年）湖泊TP、TN浓度均与调查数据或其它文献的结果接近,说明建立的推断湖泊营养物年均浓度模型具有较高精度和可信度. ...

苦难的丽江

2002

昆明理工大学.《永胜工业园区县城中心片区规划环境影响报告书》公示

2009

2010

... [26]和《畜禽养殖业污染物排放标准》^[20]计算.1996年湖面大气沉降的TP、TN负荷^[18]为0.926 t 和81.06 t,因缺少大气干沉降观测,其余年份按降水量比例计算大气总沉降.程海无出湖河流,每年湖内的工农业取水深约为16 mm^[27].流域上各种途径入湖的TP、TN负荷见表1. ...

程海的水质状况及咸化趋势

1992

云南省九大高原湖泊水污染现状调查与分析

2006

... 从表1可得,最近10 a来,流域入湖的氮、磷非点源负荷分别占入湖的总负荷的88%和93%,和王志芸等^[28]调查的云南八大高原湖泊非点源氮、磷负荷占总负荷的比例为92%和91%极为接近,非点源负荷比重高的主要原因是程海流域坡陡流急,水土流失严重及土壤氮、磷本底值高. ...

云南省九大高原湖泊统一环境立法构建研究[D]

2004

1998

〈

〉

基于SCS和USLE的程海总磷总氮参照状态推断

Inference of Reference Conditions for Total Phosphorus and Total Nitrogen Based on SCS and USLE Model in Chenghai Lake

1 湖泊营养物参照状态确定的模型构建

1.1 基于SCS和USLE的流域非点源负荷模型构建

1.2 流域产生的点源负荷计算

1.3 湖泊氮磷质量守恒模型

2 案例分析

3 结 论

参考文献 文献选项 原文顺序 文献年度倒序 文中引用次数倒序 被引期刊影响因子

3 结论

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子