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三峡库区典型区域氮、磷和农药非点源污染物随水文过程的迁移转化及其归趋研究

吴磊  
【摘要】:三峡水库蓄水后,库区大部分次级河流回水区“水华”现象频发。农业生产使用的化肥、农药是破坏库区次级河流水质的主要原因,农村人畜粪便、生活污水和生活垃圾也是造成库区次级河流污染的重要原因。据不完全统计,三峡库区次级河流中总磷、总氮、有机物等污染物有52%~59%来自农业面源污染,三峡库区氮、磷和农药面源污染已成为威胁库区地表水和地下水污染最为严重的生态环境问题之一。因此,开展对三峡库区典型区域氮、磷和农药非点源污染迁移转化和时空分布规律的研究,对于三峡库区社会、经济和环境的可持续发展、促进库区生态和谐以及保障库区水环境安全具有重要的理论意义和实践价值。 本研究根据三峡库区气候、地形、地质、地貌、土地利用类型和紫色土坡地壤中流极为发育等特点,分别构建基于地表径流和壤中流的分布式溶解态非点源氮磷污染模型、基于不确定性理论的分布式吸附态氮磷污染灰色模型、和根据面源污染产生的动力学机制构建农药非点源污染综合迁移转化模型,并利用研究区水质实测数据进行模型验证。分别以三峡库区小江流域和忠县石宝镇新政村柑橘果园与菜地为例模拟库区典型区域总氮、总磷和农药面源污染物随水文过程的迁移转化和时空分布规律,并对污染负荷来源的关键源区进行识别,对流域氮、磷和农药面源污染的环境影响进行分析和评价。形成了较为完整的非点源污染耦合模型,实现了氮、磷和农药非点源污染的综合模拟。主要研究成果如下: ①考虑到壤中流产生的氮、磷非点源污染,引入具有物理机制的、以流域土地利用类型为研究单元的SLURP分布式水文模型,构建基于地表径流和壤中流的分布式溶解态非点源污染模型。通过参数的校准和优化,2003~2008年径流量模拟值与实测值的相对误差在20%以内,Nash-Sutcliffe系数为0.8左右,改善了地表径流量和壤中流量的模拟精度,提高了溶解态非点源氮磷污染负荷估算的准确性。 ②鉴于降雨侵蚀因子和泥沙输移比因子的时空变化,建立能反映流域输沙量逐年变化的动态模型。结合通用土壤流失方程中各因子具有不确定性的特点,运用不确定性理论把各因子定义为盲因子,由土壤表层氮磷含量和污染物泥沙富集系数构建基于不确定性理论的分布式吸附态氮磷污染灰色动态模型,实现了GIS技术、不确定性理论和吸附态非点源污染模型的动态耦合。 ③为了准确模拟流域输沙量,以与泥沙输移比密切相关的泥沙搬运力为切入点,以数字流域像元内和上游来水形成的累积径流量为突破口,根据累积径流量和泥沙搬运力的数学关系,把累积径流量分别与地形指数和流水累积量耦合,且假定具有最大泥沙搬运力像元的泥沙输移比为1,提出基于GIS空间分析技术的流域坡面和河道泥沙输移比新计算方法。为流域尺度土壤流失量的准确估算提供了科学的理论依据。 ④污染物在植物冠层和土壤亚环境系统中的迁移机理有本质的不同,前者主要是植物冠层区农药的挥发,动力主要是蒸发,对应的方程为一阶微分方程;后者主要是农药在大气、水和土壤环境中的降解,动力主要是水势梯度和浓度梯度,对应的方程为二阶偏微分方程。根据污染物在不同媒质中迁移转化的动力学机制构建农药非点源污染综合迁移转化模型,用来描述气、水和土壤环境中农药污染物迁移转化的时空分布规律与输出过程。 ⑤把流域氮、磷和农药非点源污染模型进行耦合,构建具有物理机制的、分布式的流域非点源污染综合动态模型,来模拟氮、磷和农药面源污染的时空分布特征和污染物输出量,进而对非点源污染负荷进行定量估算与分析评估。将更有利于准确全面地定量分析和评估三峡库区典型区域非点源污染负荷的动态变化规律,实现了农业氮、磷和农药非点源污染的综合模拟。 ⑥论文以三峡库区小江流域和忠县石宝镇新政村农业用地为研究对象,在GIS技术支持下,借助构建的分布式综合模型,分别对氮、磷和农药非点源污染迁移转化及其趋向过程进行动态模拟验证。验证结果表明,模型构建方法合理,模拟效果良好。并据此对研究区非点源污染负荷的时空分布规律、来源构成、贡献率、关键源区、径流和侵蚀输出分别进行分析和评估。就年均情况而言,小江流域总氮负荷的来源贡献率大小依次为化肥施用(64.01%)>水土流失(26.48%)>畜禽养殖(5.14%)>生活污染(4.37%),总磷负荷的来源贡献率大小依次为化肥施用(68.2%)>水土流失(28.22%)>畜禽养殖(2.64%)>生活污染(0.94%);三峡库区地表水体和表层土壤农药残留浓度水平取决于降雨强度、降雨历时,降雨量、径流量、农药施用和农田灌溉状况。


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