農(nóng)業(yè)淺層排水系統(tǒng)中氮磷污染物遷移過程解析及時(shí)空模擬.pdf

1、農(nóng)業(yè)面源污染是面源污染的最主要形式，而具有淺層排水系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)流域面源污染問題則更加復(fù)雜，因此對(duì)具有淺層排水系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)流域的氮磷污染物遷移規(guī)律進(jìn)行分析，并采用合理方法控制面源污染具有指導(dǎo)意義。本文借助數(shù)值模擬手段，分析了氮磷在點(diǎn)層面的微觀遷移過程和流域全局的宏觀遷移過程，對(duì)氮磷的全程遷移過程進(jìn)行了解析。又利用圖像分析技術(shù)、數(shù)值分析方法探明了氮磷在全流程遷移過程的相應(yīng)規(guī)律，深入分析了氮磷降雨后在土壤層中遷移過程及影響因素，構(gòu)建了污染物遷移過

2、程的全流程分析方法，彌補(bǔ)了污染物微觀遷移過程數(shù)值模擬方面研究的不足。
　　本研究結(jié)合多種數(shù)學(xué)及統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)流域長期的多參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對(duì)氮磷流失重要影響因素進(jìn)行識(shí)別。發(fā)現(xiàn)淺層排水系統(tǒng)將降雨的15％以上轉(zhuǎn)化為淺層排水流量，而對(duì)于地表徑流流量平均只占降雨的1.5%-3%。而且多影響因素之間顯著相關(guān)，通過降維方法得到3個(gè)主要影響成分，該三個(gè)成分根據(jù)其實(shí)際意義可以被分為生物主，成分包括：溫度、覆蓋因子、植被類型、散蒸量、干重；水力主

3、成分，包括：流量和降雨量；人為干預(yù)主成分，包括：施肥量及耕作內(nèi)容。回歸分析表明對(duì)于硝酸鹽流失A、As、B、Bs、C、Cs各組數(shù)據(jù)回歸的相關(guān)系數(shù)0.594、0.171、0.838、0.566、0.814、0.429，明顯高于磷回歸過程的0.353、0.356、0.371、0.276、0.206、0.147，說明硝酸鹽在影響因素作用下更易遷移。在各影響因素中，通過最鄰近元素向量空間結(jié)構(gòu)分析方法，得出流量是影響氮磷遷移的最主要因素，但于氮遷移

4、流量的重要性指數(shù)為17%，而對(duì)磷只有9%。
　　在流域長期實(shí)地監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)淺層排水系統(tǒng)存在下氮磷遷移的特殊性，應(yīng)用了構(gòu)建了適用于描述氮磷遷移微觀過程的DRAINMOD和宏觀過程的ArcSWAT模型，其對(duì)氮磷遷移定量均具有較好的預(yù)測(cè)能力，相關(guān)系數(shù)R2及模型效率系數(shù)(NS)值分別為：DRAINMOD校準(zhǔn)率定期0.81、0.77，驗(yàn)證期0.75、0.72；SWAT校準(zhǔn)率定期為模型效率為0.83驗(yàn)證期為0.84,均超過模型標(biāo)準(zhǔn)值

5、(R2=0.6,NS=0.6)。在此基礎(chǔ)上，利用拉丁超立方抽樣方法(LHM)算法對(duì)模型進(jìn)行敏感性和不確定性分析，得出隨著水力參數(shù)如水力傳導(dǎo)率K，最長匯水時(shí)間surlag等參數(shù)敏感度最大,且直接影響模型趨于穩(wěn)定化的結(jié)論。此外，對(duì)于氮磷全局的遷移和轉(zhuǎn)化過程給出了定量的結(jié)果，并計(jì)算出氮磷年盈虧值，氮虧7.3kg/km2,而磷則持平，說明氮的流失嚴(yán)重。利用模擬結(jié)果對(duì)重點(diǎn)流失亞流域進(jìn)行識(shí)別，模擬設(shè)置控制單元后發(fā)現(xiàn)，過濾帶有效減少磷的流失78.94

6、%。
　　在DRAINMOD和SWAT模型模擬的氮磷遷移的模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用傅里葉變換和小波分析方法，對(duì)氮磷遷移在時(shí)間線上的規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明，流量在頻域1/year(0.1-1，1-10,10-100)顯現(xiàn)出能譜值下降的趨勢(shì)，意味著有規(guī)律性，小波分析結(jié)果表明流量在尺度為120天左右，在三年時(shí)間能表現(xiàn)出一定的周期性，而氮磷濃度在淺層排水管網(wǎng)中的在120天的尺度內(nèi)附近有較強(qiáng)的能量分布并持續(xù)整個(gè)監(jiān)測(cè)周期，但從流量

7、與濃度相干的比較的能譜可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)關(guān)系的尺度則是在120天附近為最大能量分布并且持續(xù)整個(gè)周期的。進(jìn)一步通過對(duì)比水體中氮磷濃度的子波相干性發(fā)現(xiàn)，在地表徑流和淺層排水過程氮磷遷移過程的相關(guān)性較好，而在河道中則有顯著差異。
　　對(duì)于氮磷空間遷移過程的規(guī)律分析，本文分別從點(diǎn)遷移過程和全流域遷移過程兩部分分析，點(diǎn)遷移模式微觀過程，全流域遷移為宏觀過程。選取重現(xiàn)周期為1年，降雨歷時(shí)為5、10、48小時(shí)，降雨強(qiáng)度為4mm/hr降雨事件觀察氮磷