面源磷污染时空分布模拟研究——以凤羽河流域为例

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面源污染输入是水体磷含量超标及水体富营养化的重要原因。与点源污染相比,面源污染的发生随机而不连续、机理过程复杂、污染负荷时空分布差异性大,使其监测和控制困难。通过模型模拟面源污染的总量及时空分布状况,是制定有效的污染控制措施、降低环境管理成本的重要前提。  本文通过对“面源污染模拟”领域的文献计量学分析以及对已有面源污染模型的综述分析发现:与美国和欧洲相比,我国的面源污染模拟研究起步较晚,研究机构相对集中,选用的模型多为国外模型;磷是最受关注的面源污染物;流域尺度、长时间连续时间的面源污染模型使用较多;流域管理是面源污染模拟的热点,关键风险源区识别和模拟成本有效性评价是研究前沿方向。经验模型往往只提供大尺度面源污染状况的粗略估计,难以对进一步选择污染控制重点区域和实施针对性的污染控制措施提出精细指导。机理模型能够给出面源污染时空分布的细节,但相关基础数据的可得性和精确性,以及模型参数的选择和优化对面源污染模型的有效性有明显影响。针对区域特点,选择合适的模型和参数是进行科学有效的面源污染模拟的重要条件。  本文针对我国基础数据相对缺乏,许多区域缺乏前期研究的特点,提出将经验模型和过程知识相结合,立足特定区域的污染和基础地理环境特征,构建了一个基于磷素储存-传输-分配的面源磷污染时空分布式混合模型(STM-P)。该模型采用SCS曲线数法计算地表径流量,采用曼宁方程计算径流迁移时间,根据地表径流量-面源磷产出关系构造产污因子,根据污染物一阶动力学衰减模型构造衰减系数,从而将面源磷污染产生和迁移盈损的过程知识纳入磷素储存-传输-分配经验框架。使构建的STM-P既有简单的结构、较少的参数需求,以减少参数优化的不确定性,又能识别面源磷污染的时空分布细节,为污染控制和流域管理服务。  本文将STM-P应用于云南省大理州洱源县的风羽河流域,主要结论如下:  (1)2012年7月至2012年12月,STM-P模拟的流域面源磷负荷与流域出口断面的观测值的时间变化基本一致,模拟精度受到时间尺度的限制。排除2012年8月6日凤羽河磷浓度异常升高的影响后,STM-P模拟的磷负荷总量相对误差为-8.34%,在时间尺度大于等于6天时,模拟输出量基本能够代表流域出口负荷量(Ens=0.57并且R2=0.61),在时间尺度为7天时,用模拟值预测流域出口负荷量可信度较高(Ens=0.62),吻合度较好(R2=0.65)。  (2)凤羽河流域旱季和雨季干湿分明,面源磷流失的时间分布极不均匀,绝大部分面源磷流失集中在雨季(6-10月),旱季几乎无面源磷流失。在雨季,面源磷流失也主要发生在几次较大的降雨过程中,2012-2013年度面源磷流失的83.4%发生在2012年7月15日至28日、8月5日至25日、9月2日至15日、2013年6月9日至15日共56天。  (3)凤羽河流域面源磷流失在空间上也具有较大差异性。流域中部坝区的水田和村镇是产水输污的重要区域,与水体连接性较好的旱地和果园磷流失量也较大。不同降水类型的产水输污量及其空间分布差异较大:降水前期湿润时比降水前期干燥和正常时,面源磷流失的范围大。  (4)流域中部坝区及北部凤羽河主河道两侧的水田是流域面源磷流失的极高风险源区,占流域面积的3.7%,却贡献了流域磷流失的30.9%。村镇、离水体距离较远的水田、及离水体较近的旱地和果园是流域面源磷流失的较高风险源区,占流域面积的9.3%,输出了44.4%的总磷。离水体较远、连接性较差的旱地、果园、水田、村镇和有放牧活动的草地磷流失风险较低,林地和无放牧活动的草地几乎无磷流失,这些区域为磷流失低风险源区,占流域面积的87.0%,但磷流失量只占24.7%。
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