農業(yè)淺層排水系統中氮磷污染物遷移過程解析及時空模擬.pdf

1、農業(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的農業(yè)流域面源污染問題則更加復雜，因此對具有淺層排水系統的農業(yè)流域的氮磷污染物遷移規(guī)律進行分析，并采用合理方法控制面源污染具有指導意義。本文借助數值模擬手段，分析了氮磷在點層面的微觀遷移過程和流域全局的宏觀遷移過程，對氮磷的全程遷移過程進行了解析。又利用圖像分析技術、數值分析方法探明了氮磷在全流程遷移過程的相應規(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，構建了污染物遷移過

2、程的全流程分析方法，彌補了污染物微觀遷移過程數值模擬方面研究的不足。
　　本研究結合多種數學及統計方法，對流域長期的多參數實測數據進行分析并對氮磷流失重要影響因素進行識別。發(fā)現淺層排水系統將降雨的15％以上轉化為淺層排水流量，而對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，通過降維方法得到3個主要影響成分，該三個成分根據其實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；人為干預主成分，包括：施肥量及耕作內容?；貧w分析表明對于硝酸鹽流失A、As、B、Bs、C、Cs各組數據回歸的相關系數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構分析方法，得出流量是影響氮磷遷移的最主要因素，但于氮遷移

4、流量的重要性指數為17%，而對磷只有9%。
　　在流域長期實地監(jiān)測的數據基礎上，根據淺層排水系統存在下氮磷遷移的特殊性，應用了構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，其對氮磷遷移定量均具有較好的預測能力，相關系數R2及模型效率系數(NS)值分別為：DRAINMOD校準率定期0.81、0.77，驗證期0.75、0.72；SWAT校準率定期為模型效率為0.83驗證期為0.84,均超過模型標準值

5、(R2=0.6,NS=0.6)。在此基礎上，利用拉丁超立方抽樣方法(LHM)算法對模型進行敏感性和不確定性分析，得出隨著水力參數如水力傳導率K，最長匯水時間surlag等參數敏感度最大,且直接影響模型趨于穩(wěn)定化的結論。此外，對于氮磷全局的遷移和轉化過程給出了定量的結果，并計算出氮磷年盈虧值，氮虧7.3kg/km2,而磷則持平，說明氮的流失嚴重。利用模擬結果對重點流失亞流域進行識別，模擬設置控制單元后發(fā)現，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果和實際監(jiān)測結果的基礎上，利用傅里葉變換和小波分析方法，對氮磷遷移在時間線上的規(guī)律進行分析，結果表明，流量在頻域1/year(0.1-1，1-10,10-100)顯現出能譜值下降的趨勢，意味著有規(guī)律性，小波分析結果表明流量在尺度為120天左右，在三年時間能表現出一定的周期性，而氮磷濃度在淺層排水管網中的在120天的尺度內附近有較強的能量分布并持續(xù)整個監(jiān)測周期，但從流量

7、與濃度相干的比較的能譜可以發(fā)現，相關關系的尺度則是在120天附近為最大能量分布并且持續(xù)整個周期的。進一步通過對比水體中氮磷濃度的子波相干性發(fā)現，在地表徑流和淺層排水過程氮磷遷移過程的相關性較好，而在河道中則有顯著差異。
　　對于氮磷空間遷移過程的規(guī)律分析，本文分別從點遷移過程和全流域遷移過程兩部分分析，點遷移模式微觀過程，全流域遷移為宏觀過程。選取重現周期為1年，降雨歷時為5、10、48小時，降雨強度為4mm/hr降雨事件觀察氮磷