河流水质对岩溶山地坡面景观变化响应的时空模拟-以赤水河为例

Under the background of the vulnerable karst ecosystem, changes of slope landscape patterns have greater effects on water quality as the surface-ground mass transport and exchange are complex during the quick interchange of surface and ground water. As a result, Quantitative analysis to reveal the influence of changes of slope landscape pattern in karst region was still very difficult. In this study, contrapose the characteristic of local-scale karst water system in the upper reaches of the Chishui River, the SWAT model was modified to adapt the non-point source pollution in karst region. Then influences of typical karst structure, precipitation, vegetation coverage and land use on transport of nitrogen and phosphorus were assessed quantitatively and the formation mechanism of non-point source pollution in karst region was accessed. Besides, combined with spatiotemporal changes of slope landscape pattern, effects of changes of slope landscape composition, landscape pattern and landscape intension on water quality were analyzed under the limited conditions were analyzed quantitatively employing sample survey, remoting sensing technology, spatial analysis and statistical analysis etc. in global-scale. In addition, model of landscape pattern and water quality response that adapted Karst region better was established using Neural Network Model (NNM). The findings could be useful guidance of landscape planning, regulate and control of non-point source pollution in Karst region.

岩溶山区生态环境极端脆弱，地表水地下水转换迅速，地表与地下的物质交换及传输过程复杂，其他地区相比，岩溶流域坡面景观变化对河流水质影响显著，但对该影响的定量解析仍是当前科学研究的突出难点。本研究以赤水河中上流域为例，在局地尺度针对岩溶水系统的特点修正SWAT模型，建立适合岩溶流域非点源污染模拟方法，定量评估典型岩溶构造、降雨、植被覆盖及土地利用对氮、磷输移的影响，明确岩溶流域非点源污染的形成机制；在全局尺度利用野外采样调査、遥感跨时空特性、GIS空间分析、数理统计等技术手段，结合流域坡面景观时空变化研究，定量解析目标约束条件下的坡面景观组成变化、坡面景观格局变化、坡面景观强度变化对河流水质的影响，在神经网络模型支持下构建对岩溶流域解释能力更强的坡景观-水质响应模型，研究结果将对指导岩溶山区景观规划和非点源污染调控具有指导意义。

针对岩溶流域坡面景观变化对河流水质影响的定量解析这个难题，本研究采用野外采样与数值模拟相结合、机制分析与反演建模相匹配的研究思路。在局地尺度上选择赤水河最大且岩溶发育的桐梓河支流，引入落水洞、地下暗河等的水文过程及非点源污染物输移过程，在SWAT开源代码基础上修正原水文循环过程的算法，结合实地水文水质数据建立更适合于岩溶流域的非点源污染模型。修正后模型模拟的地表径流及蒸散发减少而地下径流增加，同时岩溶特征变量的加入增加了各子流域的氮、磷负荷。在时间序列上，相比地表覆被气候变化对流域水文水质过程影响更大；而在给定气候条件下，不同景观类型间的污染物负荷强度差异显著，水田和旱地最大而林地最小，相差约7.5倍；不同坡度等级下各地类污染物负荷强度随坡度等级的增加而增大，且坡度从0°-6°过度到6°-15°时该趋势最为显著；林地的土壤类型为高活性强酸土、疏松岩性土及雏形土时污染负荷强度仅为其他土壤类型上林地输出负荷的1/10；故同时考虑坡度和土壤类型的退耕还林方案所划定的退耕还林关键区面积大幅减少且分布更为集中。在全流域尺度，通过两期水质采样测试和相关分析与地理检测器分析，得出了不同起伏度子流域在温度、降水、人口密度和人均GDP的驱动下坡景观对水质的影响规律。小起伏流域人类活动更剧烈，旱地和建设用地对水质有显著影响，人口密度与景观特征的交互作用对水质影响更大，水质保护的重点是协调自然景观和人工景观之间的关系；而大起伏流域中，陡坡旱地与气温、降水的交互作用给子流域出口带来巨大污染负荷，故水质保护的重点在于陡坡农田治理。在此基础上，通过BP神经网络模型分时分区构建的坡景观-水质响应模型的判定系数均在80%以上。本项目取得的研究成果将为赤水河流域不同地形子流域的坡景观规划、水质变化预测、退耕还林方案优化和非点源污染调控起到积极的促进作用。