基于小流域產(chǎn)流特征的磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別

劉 潔，龐樹(shù)江，何楊洋，王曉燕

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基于小流域產(chǎn)流特征的磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別

劉 潔，龐樹(shù)江，何楊洋，王曉燕※

（首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048）

以密云區(qū)石匣小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，根據(jù)不同降雨類(lèi)型，采用超滲產(chǎn)流機(jī)制的徑流曲線(xiàn)模型（SCS-CN）和蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制的變?cè)辞€(xiàn)模型（CN-VSA）進(jìn)行產(chǎn)流特征分析，并利用磷指數(shù)模型識(shí)別不同產(chǎn)流機(jī)制下石匣小流域的磷流失關(guān)鍵源區(qū)。結(jié)果表明：1）中雨量、高雨強(qiáng)的降雨類(lèi)型導(dǎo)致的超滲產(chǎn)流機(jī)制，使流域的東部、南部土壤較為濕潤(rùn)的區(qū)域以及流域的東北部和西部的易產(chǎn)流的耕地區(qū)域產(chǎn)流量較高，產(chǎn)流量介于15～30 mm，產(chǎn)流面積約占整個(gè)流域面積的14.2%；北部林地區(qū)域產(chǎn)流量較低，產(chǎn)流量低于15 mm，產(chǎn)流面積約占整個(gè)流域面積的85.8%；2）低雨量、低雨強(qiáng)的降雨類(lèi)型導(dǎo)致的蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制，使流域幾乎所有區(qū)域不出現(xiàn)產(chǎn)流，產(chǎn)流量低于15 mm的區(qū)域面積占比達(dá)99.9%；高雨量、中雨強(qiáng)降雨類(lèi)型導(dǎo)致的蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制，使水庫(kù)及流域水系周?chē)a(chǎn)流量最高，產(chǎn)流量高于30 mm，其區(qū)域面積占14.6%、產(chǎn)流量介于15～30 mm之間的區(qū)域面積占17.7%、產(chǎn)流量低于15 mm的區(qū)域面積占67.7%；3）該研究區(qū)土壤侵蝕程度較弱，部分地區(qū)產(chǎn)流量較高，存在較高產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)；4）超滲產(chǎn)流機(jī)制下，石匣小流域南部有磷流失風(fēng)險(xiǎn)，約占1.4%的面積；蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下，石匣小流域南部及北部有磷流失風(fēng)險(xiǎn)，約占2.3%的面積，蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下的磷流失風(fēng)險(xiǎn)較大?？傮w來(lái)說(shuō)，石匣小流域磷流失風(fēng)險(xiǎn)較低，研究區(qū)域的南部靠近密云水庫(kù)附近的區(qū)域?yàn)榱琢魇шP(guān)鍵源區(qū)，需重點(diǎn)治理。

流域；磷；污染；關(guān)鍵源區(qū)；產(chǎn)流機(jī)制；密云水庫(kù)

0 引 言

磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵限制因子之一，農(nóng)業(yè)面源流失的磷是水體中過(guò)量磷的主要來(lái)源之一[1-2]。地表土壤中的磷在降雨產(chǎn)流的沖刷作用下，會(huì)以溶解態(tài)磷的形式隨地表產(chǎn)流、地下徑流、壤中流等過(guò)程進(jìn)入到受納水體；同時(shí)，隨著土壤侵蝕作用，吸附于泥沙表面的磷也會(huì)以顆粒態(tài)的形式隨侵蝕泥沙進(jìn)入水體。

農(nóng)業(yè)面源污染存在較大的時(shí)空差異性，往往小部分景觀區(qū)域輸出的磷負(fù)荷占整個(gè)流域磷輸出總量的絕大部分，這部分區(qū)域被稱(chēng)為磷流失關(guān)鍵源區(qū)，在實(shí)際控制管理中需要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)治理[3-4]，以提高農(nóng)業(yè)面源污染的控制效率。磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別方法包括機(jī)理模型和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型兩類(lèi)，常見(jiàn)的磷指數(shù)模型（phosphorus index，PI）就是風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型的典型代表，該模型是由Lemunyon 等[5]于1993年提出的一種結(jié)合GIS的磷流失潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法，通過(guò)對(duì)影響磷流失的源因子、遷移因子及其相互作用進(jìn)行定量評(píng)估，表征磷流失至水體的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并以此判定磷流失的關(guān)鍵源區(qū)。由于磷指數(shù)模型與磷流失量具有較好的相關(guān)性，且能夠有效地對(duì)磷流失的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

研究表明，降雨、地形、土壤侵蝕、土地利用和土壤磷含量水平是農(nóng)業(yè)面源磷流失的主要驅(qū)動(dòng)因素[6]。其中降雨-產(chǎn)流過(guò)程是磷污染發(fā)生的外在驅(qū)動(dòng)力，而土壤系統(tǒng)中的磷累積則是物質(zhì)基礎(chǔ)。隨降雨強(qiáng)度的增大，更容易誘發(fā)各種形態(tài)磷素的流失，因此有必要根據(jù)不同的降雨條件確定對(duì)應(yīng)的產(chǎn)流機(jī)制。主要的降雨產(chǎn)流機(jī)制主要包括兩大類(lèi)，即超滲產(chǎn)流和蓄滿(mǎn)產(chǎn)流。大部分學(xué)者認(rèn)為在中國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)主要以蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制為主，干旱地區(qū)則以超滲產(chǎn)流機(jī)制為主，但對(duì)于半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，其產(chǎn)流是隨降雨條件的變化，既有超滲產(chǎn)流，也有蓄滿(mǎn)產(chǎn)流[7-9]。以往對(duì)于磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的研究中，地表產(chǎn)流多根據(jù)平均降雨量，采用一種產(chǎn)流機(jī)制計(jì)算得到，例如在巢湖流域[10]、東莊小流域[11]的關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別研究中，其產(chǎn)流量根據(jù)年平均降雨量計(jì)算獲取，三江平原[6]則根據(jù)日平均降雨量計(jì)算；西源流域[12]關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別過(guò)程中只考慮了蓄滿(mǎn)機(jī)制，美國(guó)鎮(zhèn)溪流域[13]則只用了超滲機(jī)制，這些研究多以單一的產(chǎn)流機(jī)制作為磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的指標(biāo)，未考慮不同產(chǎn)流機(jī)制對(duì)流域產(chǎn)流模式和磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的影響，可能對(duì)磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響?；诖?，本研究根據(jù)不同降雨類(lèi)型特征，采用兩種不同的產(chǎn)流機(jī)制模型，模擬研究區(qū)域的地表產(chǎn)流情況，對(duì)產(chǎn)流特征進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)比分析不同產(chǎn)流機(jī)制對(duì)磷流失風(fēng)險(xiǎn)及關(guān)鍵源區(qū)的影響，有助于提高農(nóng)業(yè)面源污染關(guān)鍵源區(qū)的識(shí)別精度，有效地提高治理措施的實(shí)施效率。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

石匣小流域位于北京市密云區(qū)密云水庫(kù)的東北部，地理坐標(biāo)為117°01′～117°07′E、42°32′～42°38′N(xiāo)，總面積約33 km2。位于潮河流域下游，隸屬于密云區(qū)高嶺鎮(zhèn)，包括石匣、大屯、白河澗、瑤亭、栗榛寨、芹菜嶺、四合、東關(guān)8個(gè)行政村。海拔在141～385 m范圍內(nèi)；多年平均降雨量為661.8 mm，6～8月份的降雨量占全年降雨量的76.5%；北部植被以雜草灌木為主，覆蓋率在80%左右；土壤類(lèi)型為淋溶褐土，土層較深厚，質(zhì)地為沙質(zhì)土壤，容易漏肥。

密云水庫(kù)流域面源污染主要來(lái)自于水土流失、化肥農(nóng)藥的施用、水產(chǎn)養(yǎng)殖、山區(qū)養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞便等。其污染負(fù)荷隨年度降雨變化較大，總磷對(duì)水庫(kù)污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)約為90%[14]。密云水庫(kù)流域總磷流失存在顯著的時(shí)空差異，豐水年總磷輸出負(fù)荷為8.05～10.26 t、平水年總磷輸出負(fù)荷為3.21～3.67 t、枯水年總磷輸出負(fù)荷為1.21～2.31 t[15]。由于石匣流域位于密云水庫(kù)二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源磷流失對(duì)密云水庫(kù)水質(zhì)和首都飲用水安全構(gòu)成較大的潛在威脅。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

空間數(shù)據(jù)主要包括石匣小流域土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)、土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)主要包括土地利用類(lèi)型的描述性數(shù)據(jù)、土壤類(lèi)型的描述性數(shù)據(jù)以及2006－2010年實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中本區(qū)土壤類(lèi)型共有5種且各類(lèi)型分布較為集中，不存在多類(lèi)型土壤混雜現(xiàn)象，數(shù)據(jù)精度為1:100萬(wàn)的土壤類(lèi)型可以滿(mǎn)足本研究方法對(duì)數(shù)據(jù)的要求[16-17]。數(shù)據(jù)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 石匣小流域數(shù)據(jù)及來(lái)源

2 研究方法

2.1 產(chǎn)流模型

2.1.1 產(chǎn)流機(jī)制及模型參數(shù)確定

降雨量[18]、降雨強(qiáng)度[19]等指標(biāo)可以反映地表產(chǎn)流特征，因此，需要根據(jù)不同的降雨條件確定不同的產(chǎn)流機(jī)制。該流域降雨分為3種降雨類(lèi)型[20]，即A：中雨量，高雨強(qiáng)型；B：低雨量，低雨強(qiáng)型；C：高雨量，中雨強(qiáng)型（表2）。本文在原表基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將3不同種降雨類(lèi)型5－10月份的降雨場(chǎng)數(shù)進(jìn)行細(xì)化。由表2可知，本研究區(qū)在5月、6月初開(kāi)始有降雨產(chǎn)生，均以低雨量、低雨強(qiáng)的B型降雨為主，此時(shí)土壤中含水量較低，很少有產(chǎn)流的發(fā)生，大部分降雨都入滲到土壤中以補(bǔ)充土壤中水的含量；A類(lèi)雨型主要發(fā)生在每年的6月底和7月，該段時(shí)間土壤中的水分含量不多，當(dāng)發(fā)生中雨量、高雨強(qiáng)型降雨后，容易發(fā)生超滲產(chǎn)流；C類(lèi)雨型主要發(fā)生在每年的8月份、9月份和10月份，此時(shí)土壤前期含水量已較多，處于濕潤(rùn)狀態(tài)，若發(fā)生高雨量、中雨強(qiáng)型降雨，容易產(chǎn)生蓄滿(mǎn)產(chǎn)流。本文設(shè)定中雨量、高雨強(qiáng)的A類(lèi)降雨類(lèi)型以超滲產(chǎn)流機(jī)制為主，用SCS-CN模型模擬產(chǎn)流量；而低雨量、低雨強(qiáng)的B類(lèi)型降雨與高雨量、中雨強(qiáng)的C類(lèi)型降雨則以蓄滿(mǎn)產(chǎn)流為主，用CN-VSA模型模擬產(chǎn)流量。

表2 降雨K-均值聚類(lèi)分析結(jié)果[20]

SCS-CN模型和CN-VSA模型涉及兩個(gè)重要參數(shù)——曲線(xiàn)數(shù)（CN值）及降雨初損率（），均會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響[21]。其中反映不同土壤類(lèi)型、不同土地利用方式及土壤前期含水量對(duì)降雨產(chǎn)流的影響，初損率受土地利用、耕作方式、灌溉條件、枝葉截留、下滲、填洼等因素的影響。值采用SCS-CN模型推薦值，該值一般取值為0.2；CN值利用公式（1）反推獲得，得到不同土地利用下的CN值。

2.1.2 產(chǎn)流機(jī)制模型

1）超滲產(chǎn)流模型

采用美國(guó)水土保持局開(kāi)發(fā)的分布式徑流曲線(xiàn)模型（SCS-CN），該模型主要應(yīng)用于超滲產(chǎn)流機(jī)制為主的區(qū)域，能夠客觀地反映土壤類(lèi)型、土地利用類(lèi)型及土壤前期含水量對(duì)降雨產(chǎn)流的影響。SCS-CN模型由于參數(shù)少，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，所需資料易于獲取等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于次降雨地表產(chǎn)流及其過(guò)程的預(yù)測(cè)中[22]。

SCS-CN模型計(jì)算公式

式中為徑流深，mm；為降雨量，mm；I是降雨初損量，mm。為潛在蓄水能力，可用徑流曲線(xiàn)數(shù)（CN）計(jì)算獲得。

2）蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模型

采用Lyon等[23]提出的基于蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制的變?cè)辞€(xiàn)模型（CN-VSA），該模型是在SCS-CN模型基礎(chǔ)上與地形指數(shù)模型[24-25]相結(jié)合，從而確定產(chǎn)流的。該模型首先計(jì)算研究區(qū)的產(chǎn)流面積比例（2）及地形指數(shù)（3），再根據(jù)土壤濕度計(jì)算有效蓄水量（4），最后根據(jù)柵格點(diǎn)的有效蓄水的柵格比例，代入公式（5）算出蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下的產(chǎn)流量。

計(jì)算特定降雨條件下流域內(nèi)發(fā)生產(chǎn)流的面積比例公式

式中A指特定降雨條件下流域內(nèi)會(huì)產(chǎn)流的區(qū)域面積所占總流域面積的百分比，P指有效降雨量，即導(dǎo)致產(chǎn)流的降雨量，其值等于總降雨量減去降雨初損值I。S指流域內(nèi)土壤最大蓄水量的平均值，mm。

地形指數(shù)公式：

式中為地形指數(shù)，表示流域內(nèi)某點(diǎn)的單位等高線(xiàn)長(zhǎng)度上的匯流面積，m2；為坡度，m/m；指土壤表層距基巖的深度，mm；K指土壤飽和導(dǎo)水率平均值，mm/h。地形指數(shù)值越大表示該點(diǎn)越容易產(chǎn)流。

有效蓄水量：

式中σ指某柵格點(diǎn)的有效蓄水量，mm；A表示地形指數(shù)值屬于第類(lèi)的柵格點(diǎn)面積占流域總柵格點(diǎn)的百分比，A第類(lèi)濕度值到第類(lèi)濕度值之間的柵格點(diǎn)總數(shù)占流域柵格點(diǎn)總數(shù)的百分比。

產(chǎn)流量計(jì)算公式

式中q表示第類(lèi)濕度的第個(gè)柵格單元的產(chǎn)流量，mm；R表示第個(gè)柵格單元對(duì)應(yīng)的有效降雨量，mm。

2.1.3 產(chǎn)流模型適用性確定

評(píng)價(jià)模型模擬效果的優(yōu)劣，可以通過(guò)分析實(shí)測(cè)值和模型模擬值的匹配程度實(shí)現(xiàn)。本研究采用常見(jiàn)的納什效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe efficiency，E）和決定系數(shù)2評(píng)價(jià)2種不同產(chǎn)流模型模擬的適用性。具體納什系數(shù)計(jì)算公式如下

2.2 磷指數(shù)模型

影響磷流失的因子分為源因子和遷移因子兩類(lèi)[26]，本文選取土壤中總磷含量作為源因子，選取土壤侵蝕因子、地表產(chǎn)流因子以及距離因子作為遷移因子。磷指數(shù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采用ArcGIS中的自然斷裂法進(jìn)行劃分，結(jié)果表明分成3級(jí)，可較好區(qū)分研究區(qū)磷流失風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)情況，相關(guān)研究[12,27-28]也表明磷指數(shù)分成3級(jí)，可以更方便進(jìn)行小流域水污染控制管理，因此本文采用3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)。又由于本研究區(qū)隸屬于潮河流域，地質(zhì)地貌、水文氣象和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件基本接近，適合本研究區(qū)，因此本文借鑒潮河流域的磷指數(shù)分級(jí)方案[29]（見(jiàn)表3）。

表3 磷指數(shù)各因子分級(jí)方案[29]

2.2.1 源因子計(jì)算

由于磷的投入量普遍高于輸出量，使得土壤中的磷含量不斷上升。地表土壤中磷含量是磷流失的物質(zhì)基礎(chǔ)，通常土壤中磷含量越高，發(fā)生磷流失的風(fēng)險(xiǎn)性越大，即形成農(nóng)業(yè)面源污染的可能性越大[30]。本文利用在石匣小流域內(nèi)布設(shè)的40個(gè)土壤采樣點(diǎn)中監(jiān)測(cè)到的土壤總磷含量作為源因子。土壤取樣使用非網(wǎng)格法，采集不同土壤和植被類(lèi)型下的土樣，取樣深度為0～20 cm。將樣品風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩出小于2 mm的樣本，使用高氯酸-硫酸消煮、鉬銻抗比色法測(cè)定總磷含量。然后對(duì)測(cè)得的總磷含量進(jìn)行等級(jí)劃分，利用ArcGIS賦予相應(yīng)的屬性，并利用空間插值方法生成源因子分布圖。

2.2.2 遷移因子計(jì)算

1）土壤侵蝕因子

在磷流失過(guò)程中，地表土壤中顆粒態(tài)的磷通常以吸附的形式隨侵蝕泥沙進(jìn)入水體，且隨降雨強(qiáng)度的增大，土壤侵蝕作用加劇，使得磷更易流失[31]。本研究采用通用土壤流失方程計(jì)算流域土壤侵蝕量，公式如下

式中為年平均土壤流失量；為降雨徑流侵蝕因子；為土壤可蝕性因子；為坡長(zhǎng)坡度因子；為植被覆蓋因子；為水土保持因子，將計(jì)算得出的值、值、值、值和值統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)之后，利用ArcGIS中的柵格計(jì)算器，根據(jù)公式（7）計(jì)算得出石匣小流域的土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)分布圖。

降雨侵蝕力因子值反映了降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在能力[32]，本文根據(jù)已有的降雨資料，采用次降雨侵蝕力公式計(jì)算值，計(jì)算公式如下

式中為降雨侵蝕力，MJ·m/(km2·h)；V為次/日降雨總量，mm，得到A、B、C降雨類(lèi)型下的平均降雨侵蝕力分別為：8.688、1.788、33.773 MJ·m/(km2·h)。

土壤可蝕性[33]是指土壤對(duì)侵蝕應(yīng)力分離和搬運(yùn)作用的敏感程度。方嵐[34]根據(jù)侵蝕模數(shù)和北京地區(qū)的降雨侵蝕力估算了該地區(qū)土壤可蝕性值。由于石匣小流域位于北京地區(qū)，因此本文采用上述研究成果，淋溶褐土值為1.96 t·h/(MJ·m)。

地形地貌因子分別表示坡長(zhǎng)和坡度對(duì)侵蝕力的影響，其計(jì)算公式如下

指數(shù)的現(xiàn)行推薦值如下

式中表示坡長(zhǎng)，m；表示傾斜角，(°)；表示坡度百分比。本文首先利用ArcGIS中的坡度提取功能提取坡度百分比圖層，根據(jù)坡度百分比的不同值確定m值的大小，然后計(jì)算坡度和坡長(zhǎng)因子，最后利用ArcGIS中的柵格計(jì)算工具，根據(jù)公式（8）計(jì)算出坡度坡長(zhǎng)因子值，得出地形地貌因子。

植被覆蓋與管理因子的影響因素繁多復(fù)雜，地形地貌因子、降雨因子、土壤母質(zhì)等對(duì)值均有重要的影響[35]。研究區(qū)與東北地區(qū)的上述影響因子具有相似性，因此，本文參考張雪花[35]在東北地區(qū)實(shí)驗(yàn)得到的不同土地利用值，其中耕地為0.04、林地為0.06、草地為0.15、水域?yàn)?.06、裸地為1，通過(guò)ArcGIS軟件，根據(jù)本研究區(qū)的土地利用類(lèi)型進(jìn)行賦值，得到本地區(qū)不同土地利用值圖層。

土壤保持措施因子表示在實(shí)施土壤保持措施后的土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值。符素華等[36]通過(guò)野外觀測(cè)，得到了石匣小流域不同水土保持措施下的相對(duì)土壤侵蝕率和水土保持效益。本文參考上述結(jié)果，其中耕地為0. 47、林地為0.005、草地為0.055、水域?yàn)?.006、裸地為1，根據(jù)土地利用類(lèi)型和坡度，得到值圖層。

2）地表產(chǎn)流因子

地表土壤中的磷在降雨沖刷作用下，會(huì)以溶解態(tài)磷的形式隨地表產(chǎn)流、地下徑流、壤中流等過(guò)程進(jìn)入到受納水體[37]，因此降雨產(chǎn)流量是磷流失量的重要影響因素之一。由于地下徑流和壤中流流失的磷含量較少且難以測(cè)量，本文只考慮地表產(chǎn)流部分造成的磷流失。根據(jù)研究區(qū)降雨資料，按照不同產(chǎn)流機(jī)制，分別代入兩種產(chǎn)流模型，并將模擬的產(chǎn)流量作為地表產(chǎn)流因子，從而確定不同產(chǎn)流機(jī)制對(duì)磷流失的影響。

3）距離因子

農(nóng)田溝渠、河流系統(tǒng)是磷營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)入水體的主要傳輸通道，潛在污染源區(qū)距離受納水體的遠(yuǎn)近程度是影響磷素遷移的一個(gè)重要因子[38]。距離受納水體越遠(yuǎn)，在傳輸過(guò)程中被稀釋和截留的可能性越大，則潛在的磷流失風(fēng)險(xiǎn)也就越低。本文利用ArcGIS的水文分析工具將DEM數(shù)據(jù)生成河網(wǎng)數(shù)據(jù)，再運(yùn)行Euclidean Distance工具，以河網(wǎng)為輸入數(shù)據(jù)，得到距離因子。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)流模型適用性驗(yàn)證

產(chǎn)流機(jī)制涉及到的值是美國(guó)水土保持局經(jīng)過(guò)大量長(zhǎng)期的試驗(yàn)結(jié)果，為模型推薦值，取值為0.2；CN值則通過(guò)公式（1），根據(jù)該地區(qū)降雨量、實(shí)測(cè)產(chǎn)流量反推得到，計(jì)算結(jié)果為：裸地、耕地、草地和林地條件下CN值分別為89.32、77.26、70.81、67.23。

將石匣小流域2006－2010年53場(chǎng)有效降雨進(jìn)行降雨類(lèi)型劃分，其中A雨型13場(chǎng)、B雨型19場(chǎng)、C雨型21場(chǎng)，然后A雨型按超滲機(jī)制進(jìn)行模擬計(jì)算，并將該產(chǎn)流模型計(jì)算所得的模擬產(chǎn)流量和實(shí)測(cè)產(chǎn)流量進(jìn)行比較，得到產(chǎn)流模擬驗(yàn)證圖1a；B和C雨型按蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制進(jìn)行模擬計(jì)算，并將該產(chǎn)流模型計(jì)算所得的模擬產(chǎn)流量和實(shí)測(cè)產(chǎn)流量進(jìn)行比較，得到產(chǎn)流模擬驗(yàn)證圖1b。從圖中可看出，超滲產(chǎn)流機(jī)制和蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下模擬值與實(shí)測(cè)值均較為接近，處于1:1線(xiàn)附近。根據(jù)公式（6）計(jì)算，其納什系數(shù)與決定系數(shù)均>0.6，模擬的產(chǎn)流量較符合該研究區(qū)的實(shí)際產(chǎn)流量，驗(yàn)證結(jié)果顯示該模型適合本研究區(qū)域。

圖1 實(shí)測(cè)與模擬產(chǎn)流圖

3.2 降雨產(chǎn)流特征識(shí)別

3.2.1 超滲產(chǎn)流機(jī)制下產(chǎn)流特征識(shí)別

根據(jù)率定后的SCS-CN模型中值和初損率，利用公式（1）計(jì)算在A類(lèi)降雨條件下研究區(qū)的產(chǎn)流量，結(jié)果如圖2a?？梢钥闯?，超滲產(chǎn)流機(jī)制下石匣小流域內(nèi)的產(chǎn)流量不高，甚至無(wú)產(chǎn)流發(fā)生，最高產(chǎn)流量達(dá)18.86 mm，其中產(chǎn)流量在0～15 mm之間的區(qū)域約占總面積的85.8%；產(chǎn)流量在15～30 mm之間的區(qū)域約占總面積的14.2%，主要分布在流域的東部、南部靠近水庫(kù)較為濕潤(rùn)的區(qū)域以及流域的東北部和西部的易產(chǎn)流的耕地區(qū)域；不存在產(chǎn)流量高于30 mm的區(qū)域。該地區(qū)相關(guān)研究表明，當(dāng)降雨量高于10 mm時(shí)，開(kāi)始有地表徑流和泥沙的產(chǎn)生[20]。可見(jiàn)，部分地區(qū)存在較高的產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)及由此導(dǎo)致的坡耕地裸露現(xiàn)象。

3.2.2 蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下產(chǎn)流特征識(shí)別

在B類(lèi)和C類(lèi)降雨條件下，利用基于蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制的CN-VSA模型對(duì)研究區(qū)域的產(chǎn)流特征進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果分別見(jiàn)圖2b、圖2c。在B類(lèi)降雨類(lèi)型下，整個(gè)流域僅0.1%的面積發(fā)生地表產(chǎn)流，產(chǎn)流量低于15 mm，可以認(rèn)為在B類(lèi)降雨條件下，石匣小流域發(fā)生磷流失遷移的風(fēng)險(xiǎn)可以忽略。但在C類(lèi)降雨類(lèi)型下，產(chǎn)流量整體較高，最大值達(dá)39.77 mm?？臻g上，在流域北部以林地為主的區(qū)域，產(chǎn)流量偏低，基本小于15 mm，產(chǎn)流面積比例達(dá)67.7%；在流域水系周?chē)案貐^(qū)域的產(chǎn)流量較高，介于15～30 mm之間，產(chǎn)流面積比例達(dá)17.7%；而在流域的東部、南部靠近水庫(kù)較為濕潤(rùn)的區(qū)域，地表產(chǎn)流量相對(duì)最高，在30～40 mm之間，產(chǎn)流面積比例達(dá)14.6%。

綜上可知，降雨差異是導(dǎo)致地表產(chǎn)流差異的重要因素之一。從產(chǎn)流量方面分析，在不同降雨類(lèi)型下，高雨量、中雨強(qiáng)型地表產(chǎn)流量最高；中雨量、高雨強(qiáng)型次之；低雨量、低雨強(qiáng)型條件下的產(chǎn)流量最低，可見(jiàn)，高雨量、中雨強(qiáng)型降雨為導(dǎo)致產(chǎn)流的主要雨型，與該地區(qū)產(chǎn)流特征研究結(jié)果一致[39]。就產(chǎn)流面積而言，蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下的產(chǎn)流面積高于超滲產(chǎn)流機(jī)制下的產(chǎn)流面積，這可能是因?yàn)樾顫M(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制作用時(shí)間一般發(fā)生8至10月份，此時(shí)土壤前期含水量較高，遇強(qiáng)降雨則容易發(fā)生地表產(chǎn)流[40]。

圖2 產(chǎn)流特征識(shí)別

對(duì)比2種不同產(chǎn)流機(jī)制，發(fā)現(xiàn)石匣小流域高產(chǎn)流區(qū)主要分布在石匣流域的東部和南部靠近水庫(kù)的區(qū)域，低產(chǎn)流區(qū)集中于流域水系附近及耕地區(qū)域，北部林地山區(qū)產(chǎn)流量最低，表明降雨類(lèi)型差異并不是影響地表產(chǎn)流空間異質(zhì)性的唯一因素，還受土地利用類(lèi)型及地形坡度等下墊面因素的影響；距離水體較近的區(qū)域土壤前期含水量較高，遇到降雨事件更易發(fā)生產(chǎn)流；植被覆蓋高的區(qū)域產(chǎn)流量較小，這與其他地區(qū)研究結(jié)果基本一致[8]。

3.3 磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別

3.3.1 磷流失因子空間分布特征

根據(jù)實(shí)測(cè)土壤總磷數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間插值方法生成源因子分布圖3a。從圖中可以看出，本研究區(qū)大部分地區(qū)土壤總磷含量處于中等水平，土壤總磷含量處于0～5 mg/kg的區(qū)域占流域面積的23.6%，土壤總磷含量處于5～10 mg/kg的區(qū)域占流域面積的69.2%，土壤總磷含量大于10 mg/kg的區(qū)域占流域面積的7.2%，高值區(qū)主要分布在南部靠近密云水庫(kù)地區(qū)及北部林地區(qū)域，主要由于該地區(qū)存在違規(guī)種植養(yǎng)殖現(xiàn)象，使得土壤總磷含量相對(duì)較高。

根據(jù)通用土壤流失方程，利用柵格計(jì)算器將所得結(jié)果生成土壤侵蝕因子圖3b。該圖反映了整個(gè)小流域的土壤侵蝕情況，根據(jù)土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL190-96[41]，可知該流域土壤侵蝕屬于微度侵蝕；同時(shí)，根據(jù)本文土壤侵蝕因子分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，該研究區(qū)屬于土壤低度侵蝕，其平均侵蝕模數(shù)介于0～200 t/km2·a之間。主要由于該地區(qū)大部分土壤為淋溶褐土，土壤可蝕性較弱，且該地區(qū)雜草灌木覆蓋度較廣，減弱了土壤侵蝕的強(qiáng)度，相關(guān)研究成果[42]也發(fā)現(xiàn)該流域所在區(qū)域土壤侵蝕等級(jí)以輕度侵蝕為主，與本研究結(jié)果具有較好的一致性。

圖3 磷流失因子圖

基于水系圖，利用ArcGIS距離制圖功能，得到距離因子圖3c。從圖3中可以看出，該流域大部分地區(qū)至水體距離處于0～150 m的高磷流失風(fēng)險(xiǎn)級(jí)，主要由于該地區(qū)河網(wǎng)密集。整體來(lái)看，流域南部靠近密云水庫(kù)地區(qū)及北部林地區(qū)域的土壤磷含量較高，且距離水體較近，有較高風(fēng)險(xiǎn)的磷流失。

3.3.2 不同產(chǎn)流特征下磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別

根據(jù)計(jì)算得出的源因子和各遷移因子的結(jié)果，利用ArcGIS柵格計(jì)算功能和磷指數(shù)模型計(jì)算公式，分析得出石匣小流域在3種不同降雨條件下的磷流失關(guān)鍵源區(qū)分布，見(jiàn)圖4a－圖4c。最后再以各降雨類(lèi)型的降雨頻率為權(quán)重，得出綜合磷流失關(guān)鍵源區(qū)，見(jiàn)圖4d。

注：圖4a-4d磷流失風(fēng)險(xiǎn)范圍為1~9（無(wú)單位）。

在超滲產(chǎn)流機(jī)制下，由圖4a可知，流域南部靠近密云水庫(kù)的區(qū)域開(kāi)始有磷流失，且有0.46 km2處于磷流失高風(fēng)險(xiǎn)，約占小流域面積的1.4%，流域南部屬于磷流失關(guān)鍵源區(qū)，流域東部屬于次關(guān)鍵源區(qū)。這是由于在中雨量和高雨強(qiáng)降雨條件作用下，土壤中的磷將隨土壤侵蝕和地表產(chǎn)流發(fā)生遷移，同時(shí)，南部地區(qū)土壤中的磷背景值較東部偏高，更易對(duì)水體造成污染，故為主要關(guān)鍵源區(qū)。蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下分為兩種情況。在雨量與雨強(qiáng)均較低的B型降雨條件下，由圖4b可知，石匣小流域幾乎沒(méi)有磷流失風(fēng)險(xiǎn)，低風(fēng)險(xiǎn)率達(dá)到99.9%，此時(shí)產(chǎn)流量小，沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)力使土壤中的磷發(fā)生分離，所以整個(gè)流域磷流失風(fēng)險(xiǎn)很小。在高雨量、中雨強(qiáng)的降雨條件下，由圖4c可知，研究區(qū)有0.64 km2處于磷流失中風(fēng)險(xiǎn)，有0.12 km2處于磷流失高風(fēng)險(xiǎn)，中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約占流域面積的2.3%。此時(shí)，流域南部屬于磷流失關(guān)鍵源區(qū)，流域北部和東部地區(qū)屬于次關(guān)鍵源區(qū)，這是由于流域北部為山區(qū)，坡度較大，在較強(qiáng)的降雨產(chǎn)流驅(qū)動(dòng)下會(huì)造成磷的遷移，但由于距離水體較遠(yuǎn)，因此磷流失風(fēng)險(xiǎn)較流域南部偏低；流域東部地表產(chǎn)流因子處于中等水平，但是其磷源因子水平低，因此磷流失風(fēng)險(xiǎn)較流域南部偏低。

由以上結(jié)果可知，不同產(chǎn)流機(jī)制下，石匣小流域的磷流失中等和較高磷流失風(fēng)險(xiǎn)涉及到的范圍和面積有所不同，與超滲產(chǎn)流機(jī)制相比，蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制磷流失高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)所占面積較大，除了流域南部靠近密云水庫(kù)區(qū)域有磷流失外，流域北部也開(kāi)始有中等、高等的磷流失風(fēng)險(xiǎn)?？梢?jiàn)，流域南部為主要流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要是該地區(qū)存在違規(guī)種植養(yǎng)殖現(xiàn)象，造成部分地區(qū)土壤總磷含量較高，且該地區(qū)靠近水庫(kù)、地勢(shì)平坦，在降雨的沖刷下易導(dǎo)致產(chǎn)流并進(jìn)入水體，所以具有較高的磷流失風(fēng)險(xiǎn)，但是靠近水庫(kù)地區(qū)植被覆蓋度及生態(tài)修復(fù)好，所以磷流失高風(fēng)險(xiǎn)的面積不大；流域北部土壤總磷含量相對(duì)較高，在高雨量、中雨強(qiáng)的降雨條件下，易造成磷流失，故存在一定的磷流失風(fēng)險(xiǎn)。但不同產(chǎn)流機(jī)制下，石匣小流域的磷流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布特征存在一定的相同之處：首先，石匣小流域內(nèi)的大部分區(qū)域在3種不同降雨類(lèi)型條件下的磷流失風(fēng)險(xiǎn)均較低，這是由于該研究區(qū)域內(nèi)大部分面積為林地，有效減少了產(chǎn)流量；其次，僅有較小面積的區(qū)域存在中等和較高的磷流失風(fēng)險(xiǎn)，從4d可知，中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域約占流域面積的2.7%，且大部分分布在流域南部靠近密云水庫(kù)附近的區(qū)域。

綜上，石匣小流域內(nèi)的大部分區(qū)域，磷流失風(fēng)險(xiǎn)較低。張平等[43]利用SWAT模型進(jìn)行密云水庫(kù)沿湖區(qū)域的磷流失分區(qū)研究，認(rèn)為該地區(qū)總磷的流失風(fēng)險(xiǎn)總體比較??；耿潤(rùn)哲等[44]進(jìn)行非點(diǎn)源污染區(qū)劃結(jié)果也表明潮河下游密云縣境內(nèi)區(qū)域污染程度不高，均與本研究結(jié)果一致。

相關(guān)研究[10,37]認(rèn)為，在磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別時(shí)必須同時(shí)考慮污染源因子和遷移因子的相互作用，本研究是在同時(shí)考慮源因子與遷移因子分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。本研究區(qū)土壤侵蝕力較弱，且距離因子均處于低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)，故源因子及地表產(chǎn)流因子相對(duì)起主導(dǎo)作用。由結(jié)果圖可知，土壤源因子高值區(qū)分布在流域南部及北部地區(qū)，地表產(chǎn)流因子主要分布研究區(qū)南部和東部，磷流失關(guān)鍵源區(qū)在不同降雨機(jī)制下分別分布在東部、北部和南部，并以南部為主，該結(jié)果較好反映了源因子與遷移因子的協(xié)同作用。

4 結(jié) 論

1）石匣小流域的土壤侵蝕強(qiáng)度較弱，均處于200 t/(km2·a)以下，且有14.6%的地區(qū)地表產(chǎn)流量較高，存在較高的產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)，需要注意采取水土保持措施。

2）不同降雨機(jī)制，產(chǎn)流特征不同。從產(chǎn)流量分析，超滲產(chǎn)流機(jī)制下，產(chǎn)流量集中于0～15 mm；而蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下產(chǎn)低雨量、低雨強(qiáng)型降雨幾乎不產(chǎn)流，高雨量、中雨強(qiáng)型降雨產(chǎn)流量集中于15～40 mm。在分布方面，蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下，石匣小流域除東部、南部靠近水庫(kù)的區(qū)域出現(xiàn)產(chǎn)流外，北部林地區(qū)域也發(fā)生產(chǎn)流。

3）不同產(chǎn)流機(jī)制條件下，磷流失關(guān)鍵源區(qū)存在差異，超滲產(chǎn)流機(jī)制下，磷流失中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比1.4%；而蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制下，磷流失中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比2.3%，說(shuō)明根據(jù)不同的產(chǎn)流機(jī)制模型進(jìn)行磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別是十分必要的?？傮w來(lái)看，石匣小流域大部分區(qū)域不容易發(fā)生磷流失，磷流失風(fēng)險(xiǎn)較大區(qū)域主要分布在流域北部和流域南部靠近密云水庫(kù)區(qū)域，屬于關(guān)鍵源區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)治理。

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Critical area identification of phosphorus loss based on runoff characteristics in small watershed

Liu Jie, Pang Shujiang, He Yangyang, Wang Xiaoyan※

(,,,100048,)

Phosphorus is one of the important limiting nutrient elements of net primary productivity of terrestrial freshwater ecosystem, and the characteristics of land runoff are an important factor affecting its loss. Therefore, it is of great theoretical and practical value to identify the key source of phosphorus loss under different runoff characteristics. In order to clarify the critical source areas of phosphorus loss in different runoff characteristics, the small watershed of Shixia in Miyun County, northeast of Beijing is taken as the study area. SCS-CN (soil conservation service-curve number) model with infiltrationexcess runoff mechanism and VSA - CN (variable source area-curve number) model with saturationexcess runoff mechanism are used to identify the features of runoff at different rainfall types. PI (phosphorus index) model is applied to identify critical source areas of phosphorus loss in this watershed based on different runoff generation mechanisms. The results show that: 1) For infiltrationexcess runoff, there is high runoff in relatively humid region in the southern and eastern parts of Shixia small watershed because of the midrainfall depth and highrainfall intensity, as well as in the arable lands in the northeastern and western parts of this region. The runoff yieldsin these areas are between 15 and 30 mm, which accounts for about 14.2% of the total area. There is low runoff (runoff yield less than 15 mm) for the forest land in the northern area, whose area accounts for about 85.8%. 2) For saturationexcess runoff, there are 2 rainfall types. No runoff can be observed because of the rainfall type of lowrainfall depth and lowrainfall intensity; and the low runoff area of less than 15 mm accounts for about 99.9%. For the type of the highrainfall depth and midrainfall intensity, the runoff yield can reach the highest level around the Miyun Reservoir watershed which takes up 14.6% of the total area with runoff yield over 30 mm; there are 17.7% of the total area with runoff yield between 15 and 30 mm and 67.7% of the total area with runoff yield less than 15 mm. 3) The degree of soil erosion in this region is weaker whereas the runoff yield is a bit higher in some areas with a higher risk of runoff. 4) For the type of infiltrationexcess runoff, there is a risk of phosphorus loss which accounts for about 1.4% of the total area in the southern part of the small watershed of Shixia. For the type of saturationexcess runoff, there is a risk of phosphorus loss in the northern part and southern of the Shixia small watershed which accounts for about 2.3% of total area, so there is a higher risk of phosphorus loss under the type of saturationexcess runoff than that under the type of infiltrationexcess runoff. In general, the risk of phosphorus loss in the small watershed of Shixia is lower, and the southern part of the study area close to the Miyun Reservoir is the key area for phosphorus loss and more attention should be paid for control and management.

watershed; phosphorus; pollution; critical area; runoff mechanism; Miyun Reservoir

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.030

X524

A

1002-6819(2017)-20-0241-09

2017-05-16

2017-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271495）；英國(guó)牛頓基金項(xiàng)目（BB/N013484/1）；首都師范大學(xué)研究生學(xué)術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目

劉 潔，主要從事水土保持及水污染控制與管理研究。 Email：cookie2012_lj@163.com

※通信作者：王曉燕，女，教授，博士，主要從事流域水環(huán)境污染研究。Email：wangxy@cnu.edu.cn

劉 潔，龐樹(shù)江，何楊洋，王曉燕. 基于小流域產(chǎn)流特征的磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(20)：241－249. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.030 http://www.tcsae.org

Liu Jie, Pang Shujiang, He Yangyang, Wang Xiaoyan. Critical area identification of phosphorus loss based on runoff characteristics in small watershed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 241－249. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.030 http://www.tcsae.org