湖泊流域非點(diǎn)源污染分區(qū)精細(xì)化模似與多級優(yōu)先控制區(qū)識別

1、湖泊流域非點(diǎn)源污染分區(qū)精細(xì)化模似與多級優(yōu)先控制區(qū)識別洱海作為云南省第二大淡水內(nèi)陸湖泊, 對于調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面具有重要的作用, 被大理人民稱為 “母親湖”。與眾多內(nèi)陸湖泊的演變規(guī)律類似, 洱海正處于“草藻”共生的初期富營養(yǎng)化狀態(tài)的關(guān)鍵拐點(diǎn) , 就目前來看 , 洱海湖區(qū)水質(zhì)總體上為類水, 低于其目標(biāo)水質(zhì)類水 , 且下降趨勢十分顯著。從 20 世紀(jì) 80 年代較為穩(wěn)定的類水降至目前的類水, 藍(lán)藻現(xiàn)象也時(shí)有爆發(fā) , 僅在 1996 年、 2003 年和 2013 年就爆發(fā)了較為嚴(yán)重的區(qū)域性藍(lán)藻水華, 伴隨著湖區(qū)水質(zhì)和營養(yǎng)狀態(tài)的改變, 大型挺水植物逐漸衰退 , 湖區(qū)水

2、生生物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變 , 造成湖區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性趨于下降。此外 , 隨著近幾年洱海流域社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 , 農(nóng)業(yè)種植的高產(chǎn)化和旅游業(yè)的高收入性在給當(dāng)?shù)鼐用駧砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益的同時(shí) , 也給洱海帶來了巨大的入湖污染負(fù)荷。過量的外源污染物質(zhì)輸入不僅對湖區(qū)水質(zhì)帶來了巨大的負(fù)面影響, 還為湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。從目前我國生態(tài)文明建設(shè)工作中所提出的“山水林田湖是一個(gè)生命共同體”的管理理念來看, 如何遏制洱海湖區(qū)水質(zhì)的進(jìn)一步惡化 ?如何全面認(rèn)識洱海外源污染物質(zhì)輸入的變化特征?如何以湖泊水質(zhì)改善為目的建立行之有效的流域非點(diǎn)源污染治理方案?這是當(dāng)前洱海保護(hù)工作中亟需解答的問題。在此大

3、背景下 , 本文以流域水文學(xué)、水資源學(xué)和水環(huán)境學(xué)等多學(xué)科理論為研究基礎(chǔ) , 以地理、氣象、水文、水質(zhì)和社會經(jīng)濟(jì)等多元數(shù)據(jù)作為研究支撐, 以現(xiàn)場監(jiān)測、機(jī)理模型模擬以及數(shù)據(jù)挖掘分析相結(jié)合的研究手段, 以問題診斷、模型模擬、規(guī)律揭示這種層層遞進(jìn)的邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu), 圍繞著洱海流域非點(diǎn)源污染變化特征研究和優(yōu)先控制區(qū)識別這兩個(gè)研究主題, 依次構(gòu)建了基于蒙特卡洛AHP算法的洱海流域分區(qū)方法體系、基于分區(qū)參數(shù)移植法的洱海流域非點(diǎn)源污染模擬框架、基于空間馬爾科夫鏈模型和湖泊水質(zhì)污染源響應(yīng)關(guān)系模型的入湖污染貢獻(xiàn)負(fù)荷量計(jì)算方法體系和混合區(qū)水質(zhì)污染分擔(dān)率計(jì)算方法體系、基于統(tǒng)計(jì)分析的洱海流域入湖流量非點(diǎn)源污染負(fù)荷黑箱經(jīng)驗(yàn)

4、模型以及基于灰色系統(tǒng)理論和流域水質(zhì)具標(biāo)管理制度的流域非點(diǎn)源污染多級優(yōu)先控制區(qū)識別方法體系, 在此基礎(chǔ)上 ,深度剖析了洱海流域不同區(qū)域的非點(diǎn)源污染變化過程及階段性特征, 為建立高效的、有針對性的流域非點(diǎn)源污染治理方案提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。本文的主要研究成果及結(jié)論如下 :(1) 客觀識別了洱海水環(huán)境惡化的主要原因。在年內(nèi)變化規(guī)律上 , 洱?？菟诘乃|(zhì)狀況優(yōu)于豐水期, 在空間分布特征上 ,枯水期北部湖區(qū)的水質(zhì)狀況優(yōu)于南部, 豐水期南部湖區(qū)的水質(zhì)狀況優(yōu)于北部。過量外源氮磷污染負(fù)荷的輸入是目前洱海水環(huán)境趨于惡化的主要誘因。本文總結(jié)概括了目前洱海湖泊水環(huán)境趨于惡化的主要三個(gè)問題: 流域入湖污染負(fù)荷的持

5、續(xù)增多是洱海湖泊營養(yǎng)化狀況改變的物質(zhì)基礎(chǔ), 加大了洱海富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn) ; 高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段內(nèi)湖區(qū)氮磷營養(yǎng)物濃度峰值的出現(xiàn)以及理化環(huán)境的改變是洱海湖泊藻華現(xiàn)象爆發(fā)的誘發(fā)因素; 隨著湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的積累和水生生態(tài)系統(tǒng)的退化 , 洱海已經(jīng)逐漸從全年磷控型湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)樨S水期氮磷雙控型湖泊 , 洱海湖泊富營養(yǎng)化治理工作壓力將會進(jìn)一步加大。 (2) 精細(xì)模擬了洱海流域不同區(qū)域的非點(diǎn)源污染變化特征。本文突破了以往非點(diǎn)源污染模擬采用全流域統(tǒng)一參數(shù)的限制 , 提出了基于蒙特卡洛 AHP算法的洱海流域分區(qū)方法體系 , 基于該分區(qū)方法體系 , 本文將洱海劃分為北部洱源平地河流區(qū)、 西部大理高山河流區(qū)、 南部鳳儀中山河

6、流區(qū)以及東部海東低山河流區(qū)四個(gè)區(qū)域。 在分區(qū)結(jié)果的基礎(chǔ)上 , 選取各分區(qū)的典型小流域, 基于分布式流域 SWAT模型 , 利用分區(qū)參數(shù)移植方法進(jìn)行典型小流域內(nèi)的水文、營養(yǎng)物循環(huán)精細(xì)化模擬。通過將分區(qū)參數(shù)模擬結(jié)果與全流域參數(shù)模擬結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn), 采用分區(qū)參數(shù)移植方法顯著提高了模擬精度( 陽溪 : 分區(qū) Ens 為 0.88, 全流域 Ens 為 0.43; 波羅江 : 分區(qū) Ens為 0.87, 全流域 En2s為 0.62), 進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法體系在洱海流域的必要性和適用性。 (3) 詳細(xì)構(gòu)建了一套適用于湖泊型流域的入湖污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量計(jì)算方法體系。本文基于空間馬爾科夫模型和湖泊水質(zhì)污染源響應(yīng)

7、關(guān)系模型, 對洱海流域入湖污染貢獻(xiàn)負(fù)荷和混合區(qū)水質(zhì)污染分擔(dān)率進(jìn)行計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn) : 洱海各子流域總氮、總磷入湖污染貢獻(xiàn)量的高值區(qū)集中在北部洱源平地河流區(qū)和南部鳳儀中山河流區(qū)的主河道兩側(cè)或者中下游區(qū)域 , 以及西部大理高山河流區(qū)內(nèi)。各子流域河口混合區(qū)的水質(zhì)污染分擔(dān)率不僅與入湖水量和自身污染輸出量有關(guān) , 還和子流域與河口混合區(qū)的空間距離有關(guān)。 (4) 定量研究了不同下墊面條件對于流域非點(diǎn)源污染輸移的影響。研究發(fā)現(xiàn) : 農(nóng)田由于人為施肥等原因造成其入湖貢獻(xiàn)量強(qiáng)度最大。水稻土土類是流域總氮、總磷入湖污染貢獻(xiàn)量強(qiáng)度最大的土壤類型。農(nóng)業(yè)用地 ( 旱地和水田 ) 的貢獻(xiàn)負(fù)荷強(qiáng)度與坡度呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系 ,1

8、8 坡度帶是洱海流域進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植的關(guān)鍵地形閾值 , 林地、草地的貢獻(xiàn)負(fù)荷強(qiáng)度與坡度呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關(guān)系 , 即隨著坡度的增大 , 其貢獻(xiàn)負(fù)荷強(qiáng)度隨之降低。 不同土地利用類型的貢獻(xiàn)負(fù)荷強(qiáng)度與地理高程均呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關(guān)系 , 在地理高程小于 2000m的 區(qū)域 , 氮磷入湖污染貢獻(xiàn)負(fù)荷強(qiáng)度相對較大?？偨Y(jié)凝練了洱海流域不同區(qū)域的入湖流量非點(diǎn)源污染負(fù)荷黑箱經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。研究發(fā)現(xiàn) : 在流域水文特性和下墊面條件趨于穩(wěn)定的前提下 , 流域入湖污染負(fù)荷量與入湖流量之間呈現(xiàn)出擬合度相對較好的冪函數(shù)關(guān)系 , 其相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.70 以上且通過了 =0.05 的置信度檢驗(yàn)。通過進(jìn)一步的驗(yàn)證分析 , 所建立的洱海流域不同

9、區(qū)域的流量一非點(diǎn)源污染負(fù)荷黑箱模型具有較好的穩(wěn)定性, 其模擬的年尺度污染負(fù)荷相對誤差控制在30%以內(nèi) , 月尺度污染負(fù)荷相關(guān)系數(shù)均通過了 =0.05 的置信度檢驗(yàn)。 (6) 準(zhǔn)確定位了洱海流域非點(diǎn)源污染優(yōu)先控制區(qū)。基于灰色系統(tǒng)理論和流域水質(zhì)目標(biāo)管理制度 , 構(gòu)建了以湖泊水質(zhì)改善為目的的流域非點(diǎn)源污染多級優(yōu)先控制區(qū)識別體系。 研究發(fā)現(xiàn) :80%的入湖氮磷污染負(fù)荷量集中在流域 30%以內(nèi)的區(qū)域。不同評估點(diǎn)的優(yōu)先控制區(qū)識別結(jié)果差異性較大。針對湖區(qū)平均水質(zhì)狀況, 對于總氮來說 , 將湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)保證率從 1 0%提升至 80%時(shí)較為經(jīng)濟(jì) ( 控制 9.33%的流域面積 ), 對于總磷來說 , 將湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)保證率從1 0%提升至 50%時(shí)較為經(jīng)濟(jì)