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阳宗海属珠江流域南盘江水系,承担着环湖区域及下游的工业、农业、生活用水功能。近年来随着流域经济的快速发展,该湖泊正面临着水体富营养化的威胁。以往的研究表明总磷(TP)是阳宗海的限制性营养盐,阳宗海流域以非点源污染为主,如不及时采取有力的措施防治流域内的非点源磷污染,势必引起水质持续恶化。因此运用非点源污染模型系统研究阳宗海流域非点源污染磷负荷、模拟磷迁移变化规律,并以此为理论依据制定流域磷流失的控制目标与控制方案,显得尤为重要。
本文以GIS技术为依托,在阳宗海流域建立了基于物理机制的分布式水文模型SWAT,对阳宗海流域来自非点源的磷污染负荷进行模拟,主要研究内容及结,论包括以下七个部分:
(1)构建研究区非点源污染空间和属性数据库
通过收集阳宗海流域实测气象、水文、土壤、土地利用数据,建立了空间数据和属性数据两大类数据库,并将数据库输入SWAT模型,模拟了2003~2010年间阳宗海流域的径流、泥沙和磷污染负荷产生情况。
(2)模型参数敏感性分析、率定和验证
采用模型自带的敏感性分析模块来对径流、泥沙和总磷参数进行敏感性分析。并以参数敏感性分析结果为依据,利用阳宗大河监测断面2005~2010年实测径流、泥沙、总磷数据依次对模型进行率定和验证,评价指标(相对误差Re、相关系数R2、Nash-Suttcliffe系数Ens)表明SWAT模型可用于阳宗海流域非点源磷负荷的预测。
(3)分析流域非点源磷污染的时空变化规律。
运行调参合理后的SWAT模型,重现2005~2010年研究区流域非点源污染负荷变化及入湖非点源污染负荷变化。分析不同典型年年间(丰水年、平水年、枯水年)、年内的非点源磷污染的时间变化规律,结果表明:不同典型年阳宗海流域入湖非点源磷污染负荷及流域产生的非点源磷污染负荷都相差较大;流域丰水年和平水年的非点源磷污染主要发生在汛期。分析流域丰水年(2007年)非点源磷污染的空间变化规律,结果表明:流域内非点源磷污染负荷的分布在阳宗海北岸、入湖主干水系上,尤其是阳宗大河入湖主干水系上与降雨、泥沙流失有着较好的相关性。
(4)识别非点源污染关键区
根据SWAT模型2005~2010年年均子流域模拟结果,按照土壤侵蚀强度分级标准、美国国家环境保护局(USEPA)颁布的水质标准,确定阳总海流域土壤侵蚀和非点源磷流失的关键区。其结果表明,阳宗海流域约有四分之一为轻度侵蚀区域,四分之三为中度侵蚀区域。流域中可溶解磷关键区主要位于阳宗海的西岸、北岸及穿越新街海头村流入阳宗海的阳宗大河主干水系。
(5)分析不同土地利用类型的非点源磷污染负荷
根据模型2005~2010年每个水文响应单元(HRU)的年均污染负荷模拟结果,分析湖泊周边不同土地利用类型的单位面积磷污染负荷与非点源磷污染贡献率,结果表明:总磷负荷模数最大的是旱地,最小的是荒草地;而从总磷负荷的贡献来看,旱地、水田的贡献最大,最小的是有林地。
(6)不同控制措施情景模拟及防治建议
结合以上所述的研究结果,本研究在率定好的SWAT模型的基础上进行了不同控制措施情景模式下的磷污染负荷削减量模拟研究,通过分析2005~2010年的年均入湖负荷模拟结果,探讨出研究区内较有效的非点源磷污染防治方法,即:设置缓冲带、改进化肥施用方法、耕地水土保持等高耕作、改变土地利用等。
论文主要创新点为:
把SWAT模型与湖泊富营养化防治相结合,拓展了SWAT模型的应用领域。
通过分析SWAT模型模拟结果,揭示了阳宗海流域非点源磷污染负荷的时空变化规律,确定了非点源磷污染关键区的范围及不同土地利用类型非点源磷负荷量。
根据模型模拟结果,设置不同控制措施情景,分析不同情景下的非点源污染负荷控制方案,以求找到研究区最优的水质保护措施。