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自从20世纪60年代以来,由于点源污染易于识别和治理,在世界上大部分国家已得到了较好的控制。随着工业污染源的有效控制,非点源污染已成为我国重要污染类型之一,是当前我国经济与社会和谐持续发展的重要限制因素。非点源污染具有随机性大,模糊性强,分布广泛,一定的滞后性和潜在性强的特点,在管理和控制上,非点源污染涉及因素多、时间尺度长,比点源污染更为因难。如何科学地认识并有效控制非点源污染已成为我国当前亟待解决的重大科学与应用问题。中国具有广博的土地面积,自然生态条件复杂,非点源污染类型多样而又复杂,在非点源污染的研究领域上尚有许多的工作要做,而非点源污染负荷迁移转化规律的研究及其流域非点源污染负荷的定量化研究是进行非点源污染控制的重要理论基础。
本研究在中山大学珠海校区西南角的实验小流域——龙潭流域展开,并对东江流域的非点源负荷进行解析研究。论文的主要创造性成果有:
(1)通过对华南湿润地区山林坡地在施肥和不施肥条件下氮素随天然降雨径流的流失过程的监测实验,比较了山林坡地在施肥和不施肥条件下氮素随降雨径流的流失特征,揭示了华南湿润地区山林坡地氮素随降雨径流的流失机理,分析了实验坡地营养物流失形态和比例,计算了华南湿润地区山林坡地施肥后,肥料养分(氮素)随降雨径流的流失率。
(2)将通用土壤流失方程(USLE)和单位面积产出法结合,在考虑大气氮湿沉降的基础上,计算了实验小流域天然条件下总氮负荷输出量,分析了实验流域总氮的流失来源和比例,发现在天然条件下大气氮沉降已成为了实验小流域的总氮输出的主要来源之一。
(3)提出了流域非点源污染负荷的解析新方法——数字滤波法,并由此探讨了东江流域的点源和非点源污染负荷的构成。
论文通过两个径流实验场的对比实验,观测了降雨时氮素在坡面的产出过程,研究了华南湿润地区山林坡面营养物(氮素)随降雨径流的流失机理,揭示了实验坡地营养物流失形态和比例,计算了华南湿润地区山林坡地施肥后,肥料养分随降雨径流的流失率,并以坡面流运动波方程、Green—Ampt入渗模型和土壤营养物溶出的完全混合模型共同构建了华南湿润地区实验小区的坡面土壤营养物的产出综合模型,并对模型进行了验证,模拟了实验小区某场实测降雨的氮产出过程,以通用土壤流失方程(USLE)计算了实验流域土壤侵蚀引起的总氮负荷流失量,采用单位面积产出法计算了实验流域土壤营养物随降雨流失的总氮负荷量,并计算了大气湿沉降的总氮负荷量。论文还提出流域非点源负荷的解析新方法——数字滤波法,并与平均浓度法进行比较,分析了东江流域的点源和非点源负荷的构成。论文取得的主要成果有:
(1)通过实验发现坡面氮素单位时间产生量均与坡面径流量和降雨强度具有极显著的线性相关关系。
(2)实验坡面在没有施肥的情况下,其流失形态以氨氮、硝氮为主,氨氮、硝氮的产出比例相对比较稳定。
(3)实验坡面在施放尿素的情况下,氮素随径流的流失形态以氨氮、硝氮和溶解态的尿素为主,根据其流失时距离施肥时间的长短,三者的比例呈现明显变化。在距离施肥时间较短时(1天),氮素的流失以尿素的淋溶流失为主,氨氮和硝氮的流失比例不高。在距离施肥时间较长时(3天)溶解态尿素随径流的流失比例明显下降,相反氨氮、硝氮随径流的流失比例明显上升。
(4)在施肥情况下,实验坡面中的总氮、溶解态尿素和氨氮的流失以地表流失为主,硝氮的流失以地下下渗流失为主。在没有施肥的情况下总氮的流失以地下下渗为主,而在氨氮的流失中,地表流失与地下下渗的比例大体相当,硝氮的流失以地下下渗流失为主。
(5)在施肥的情况下,总氮流失主要来源于肥料,但雨水的贡献也不容忽视。在没有施肥的情况下,实验坡地氮素的流失主要来源于土壤本身固有的营养物随径流的流失和大气氮沉降。总氮的流失中雨水贡献占了约50%。大气沉降引起的非点源污染问题应该引起足够的重视!
(6)在降雨量较小、产流量不大的情况下,扣除土壤本身的营养成分的流失和大气降雨中的营养成分的沉降量,坡地施肥后纯肥料养分随降雨径流的流失率不大。
(7)用运动波理论描述坡面流运动过程,用Green—Ampt入渗模型描述坡面降雨入渗过程对于华南地区湿润区实验小区坡面的降雨产流过程的模拟能取得较好的模拟效果。
(8)土壤营养物溶出的完全混合模型模拟实验小区坡面的氮产出过程时,对于坡面土壤营养物的产出量的模拟误差不大,但是对坡面土壤营养物的产出浓度的模拟随时间长度的增大误差会越来越大,说明完全混合模型还需要进一步改进。
(9)将通用土壤流失方程(USLE)和单位面积产出法结合,在考虑大气氮湿沉降的基础上,计算了实验小流域天然条件下总氮负荷输出量,分析了实验流域总氮的流失来源和比例,发现在天然条件下大气氮沉降已成为了实验小流域的总氮输出的主要来源之一。
(10)论文提出的点源和非点源污染负荷分割数字滤波方程能很好地将流域实测污染负荷系列很好地分割为点源和非点源污染负荷系列,分割出来的点源和非点源负荷曲线符合点源和非点源污染负荷产生特点,证明了用数字滤波法进行点源和非点源污染负荷分割的合理性。与平均浓度法比较,数字滤波法经过一定的滤波次数,能近似得到平均浓度法的计算平均结果。
(11)根据数字滤波法和平均浓度法的计算,对2000-2005年东江博罗站的实测污染负荷系列分析结果表明,东江流域污染负荷主要以非点源污染为主。