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

1、湖泊流域非點源污染分區(qū)精細化模似與多級優(yōu)先控制區(qū)識別洱海作為云南省第二大淡水內陸湖泊, 對于調節(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)的關鍵拐點 , 就目前來看 , 洱海湖區(qū)水質總體上為類水, 低于其目標水質類水 , 且下降趨勢十分顯著。從 20 世紀 80 年代較為穩(wěn)定的類水降至目前的類水, 藍藻現(xiàn)象也時有爆發(fā) , 僅在 1996 年、 2003 年和 2013 年就爆發(fā)了較為嚴重的區(qū)域性藍藻水華, 伴隨著湖區(qū)水質和營養(yǎng)狀態(tài)的改變, 大型挺水植物逐漸衰退 , 湖區(qū)水

2、生生物結構發(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?shù)鼐用駧砭薮蟮慕?jīng)濟效益的同時 , 也給洱海帶來了巨大的入湖污染負荷。過量的外源污染物質輸入不僅對湖區(qū)水質帶來了巨大的負面影響, 還為湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生提供了必要的物質基礎。從目前我國生態(tài)文明建設工作中所提出的“山水林田湖是一個生命共同體”的管理理念來看, 如何遏制洱海湖區(qū)水質的進一步惡化 ?如何全面認識洱海外源污染物質輸入的變化特征?如何以湖泊水質改善為目的建立行之有效的流域非點源污染治理方案?這是當前洱海保護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、水資源學和水環(huán)境學等多學科理論為研究基礎 , 以地理、氣象、水文、水質和社會經(jīng)濟等多元數(shù)據(jù)作為研究支撐, 以現(xiàn)場監(jiān)測、機理模型模擬以及數(shù)據(jù)挖掘分析相結合的研究手段, 以問題診斷、模型模擬、規(guī)律揭示這種層層遞進的邏輯關系結構, 圍繞著洱海流域非點源污染變化特征研究和優(yōu)先控制區(qū)識別這兩個研究主題, 依次構建了基于蒙特卡洛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源污染模擬框架、基于空間馬爾科夫鏈模型和湖泊水質污染源響應關系模型的入湖污染貢獻負荷量計算方法體系和混合區(qū)水質污染分擔率計算方法體系、基于統(tǒng)計分析的洱海流域入湖流量非點源污染負荷黑箱經(jīng)驗

4、模型以及基于灰色系統(tǒng)理論和流域水質具標管理制度的流域非點源污染多級優(yōu)先控制區(qū)識別方法體系, 在此基礎上 ,深度剖析了洱海流域不同區(qū)域的非點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。在年內變化規(guī)律上 , 洱?？菟诘乃|狀況優(yōu)于豐水期, 在空間分布特征上 ,枯水期北部湖區(qū)的水質狀況優(yōu)于南部, 豐水期南部湖區(qū)的水質狀況優(yōu)于北部。過量外源氮磷污染負荷的輸入是目前洱海水環(huán)境趨于惡化的主要誘因。本文總結概括了目前洱海湖泊水環(huán)境趨于惡化的主要三個問題: 流域入湖污染負荷的持

5、續(xù)增多是洱海湖泊營養(yǎng)化狀況改變的物質基礎, 加大了洱海富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生的風險 ; 高風險時段內湖區(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一步加大。 (2) 精細模擬了洱海流域不同區(qū)域的非點源污染變化特征。本文突破了以往非點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)四個區(qū)域。 在分區(qū)結果的基礎上 , 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)移植方法進行典型小流域內的水文、營養(yǎng)物循環(huán)精細化模擬。通過將分區(qū)參數(shù)模擬結果與全流域參數(shù)模擬結果對比后發(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), 進一步驗證了該方法體系在洱海流域的必要性和適用性。 (3) 詳細構建了一套適用于湖泊型流域的入湖污染負荷貢獻量計算方法體系。本文基于空間馬爾科夫模型和湖泊水質污染源響應

7、關系模型, 對洱海流域入湖污染貢獻負荷和混合區(qū)水質污染分擔率進行計算。研究發(fā)現(xiàn) : 洱海各子流域總氮、總磷入湖污染貢獻量的高值區(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)的主河道兩側或者中下游區(qū)域 , 以及西部大理高山河流區(qū)內。各子流域河口混合區(qū)的水質污染分擔率不僅與入湖水量和自身污染輸出量有關 , 還和子流域與河口混合區(qū)的空間距離有關。 (4) 定量研究了不同下墊面條件對于流域非點源污染輸移的影響。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量強度最大。水稻土土類是流域總氮、總磷入湖污染貢獻量強度最大的土壤類型。農(nóng)業(yè)用地 ( 旱地和水田 ) 的貢獻負荷強度與坡度呈現(xiàn)二次函數(shù)關系 ,1

8、8 坡度帶是洱海流域進行農(nóng)業(yè)種植的關鍵地形閾值 , 林地、草地的貢獻負荷強度與坡度呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關系 , 即隨著坡度的增大 , 其貢獻負荷強度隨之降低。 不同土地利用類型的貢獻負荷強度與地理高程均呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關系 , 在地理高程小于 2000m的 區(qū)域 , 氮磷入湖污染貢獻負荷強度相對較大?？偨Y凝練了洱海流域不同區(qū)域的入湖流量非點源污染負荷黑箱經(jīng)驗模型。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)關系 , 其相關系數(shù)均達到了0.70 以上且通過了 =0.05 的置信度檢驗。通過進一步的驗證分析 , 所建立的洱海流域不同

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