基于APEX模型的小流域非点源污染模拟研究

发布时间：2020-09-16 13:42

　　我国东南丘陵地区农业生产占主导地位,过量施肥等不合理的农业生产实践加重了氮磷等营养物质流失。明确农业非点源污染发生发展特征,进而减缓和防治非点源污染造成的水环境问题,已越来越成为国内外的研究重点和热点。而非点源污染形成过程复杂,受地域影响明显,基于非点源污染过程模型的分布式计算机模拟方法成为非点源污染定量化监测和评价的有效手段。农业政策与环境拓展模型 APEX(Agricultural Policy and Environmental eXtender),发展至今结构、功能都较为完备,流域-子区空间离散方式使得它能在较高空间分辨率上定量化研究非点源污染产出特征。中田舍流域属于我国东南丘陵区典型的农业小流域,同时作为溧阳市饮用水水源地及其下游沙河水库、天目湖水库的水源涵养地,流域内频繁的农业生产活动对下游水量、水质的影响不容忽视,借助基于过程的分布式模拟方法定量化监测与评价农业非点源污染既是一种有效手段也具有很强的现实意义。本文在国家自然科学基金项目“平原河网区非点源污染过程的分布式模拟研究”(41271382)的支持下,以南京师范大学太湖流域水环境实验站为依托,综合运用实验观测和模型模拟的方法,利用APEX模型在较精细的空间尺度上对中田舍流域的非点源污染产出进行模拟评价。探讨了 APEX模型在太湖典型农业小流域模拟非点源污染的适用性,并进一步研究了特定土地利用方式下,非点源污染负荷的时空产出特征及相关定量化计算方法。本文的研究内容与成果主要有:1、通过野外实地考察和选点,进行了河道及流域内部典型土地利用方式下氮磷负荷坡面产出的采样与分析,辅助完成了典型土地利用方式下非点源污染负荷产出特征的研究。2、在解析APEX模型的分布式建模原理及非点源污染定量计算方法的基础上,针对自动划分子区方法存在的不合理之处,综合土地利用、土壤、DEM等基础数据,采用以自动划分进行总体控制、手工修改来保证子区地理因素单一性的子区划分方法,从而保证了每个子区代表的地类与实际情况基本一致,实现了对非点源污染发生发展过程更真实客观的描述和模拟。在此基础上进行模型参数化提取,构建并运行APEX模型,完成了对研究区2008年1月～2016年12月的产水、产沙及氮磷负荷产出的模拟演算。3、对中田舍流域产水、产沙、养分模拟值进行精度评价,结果表明,产水、产沙模拟结果比较理想,能较为真实的反映研究区径流及泥沙输出。养分模拟结果基本合理,氮磷模拟值与实测值数量差距比较大,但变化趋势基本一致,能在一定程度上表征研究区氮磷污染负荷产出情况。对于个别模拟偏差较大的年份,查询观测数据并实地调查后,从时间和空间上分析了可能造成较大误差的原因。总的来讲,APEX模型在中田舍流域具有较好的适用性,模拟采用的子区空间离散单元尤其适合研究高分辨率下典型土地利用方式的坡面氮磷产出特征。4、通过流域、子流域、坡面不同层面以及不同类型的典型土地利用方式下坡面氮磷产出的比较,对中田舍流域非点源污染产出进行了多类型、多空间尺度的特征分析。研究区非点源污染时空产出特征主要有以下几点:(1)对整个中田舍流域而言,总氮负荷输出(kg)远高于总磷输出(kg),营养物质流失以氮素为主。从时间上来看,氮、磷营养物质年输出量呈逐年上升趋势,且都以夏季输出总量最高。从空间上来看,总氮、总磷输出总量有差距,但是空间分布情况相似,氮、磷营养物质输出集中在中田舍流域中游和下游,并且沿河分布的农田、果园、茶园、村镇等地表覆盖类型营养物质产出强度较大,其中,茶园的总氮、总磷输出强度最高。分散分布在远离主河道或上游的部分区域如茶园、果园、建筑用地,也是氮磷负荷产出的主要来源。(2)对中田舍流域上游、中游、下游总氮、总磷浓度(mg/L)变化进行了相同月份纵向比较和不同月份的横向比较。在相同月份,模拟/实测的总氮、总磷月平均浓度在均表现为上游略低于下游。在不同的月份,上、中、下游的总氮季节性变化均表现为:6月、9月、12月出现浓度峰值;不同的月份上、中、下游的总磷季节性变化均表现为:6月份出现浓度峰值,其后浓度总体为下降趋势。(3)结合四次(2016.6.23, 2016.7.4, 2016.9.15, 2016.9.29)单场降雨坡面流实测水质数据,对中田舍流域松林、板栗林、竹林、灌木林、茶园、农田6种坡面的氮磷产出特征进行了分析。结果表明,所有类型的坡面的总氮、总磷浓度以6月23日的日平均浓度最高,其后7月4日,9月15日,9月29日总体呈下降趋势,但农田在9月15日的总氮日平均浓度出现一次明显的峰值,这是由于农田在8月底大量施肥而引起相应的总氮浓度升高的现象。其他类型的坡面,由于大量集中施肥的时节不在获取观测数据时段内或者属于自然原生林地,在6月～9月期间总氮、总磷浓度总体呈下降趋势。
【学位单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X71;X52

【参考文献】