基于APEX模型的小流域非點(diǎn)源污染模擬研究.pdf

1、我國東南丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占主導(dǎo)地位，過量施肥等不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐加重了氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)流失。明確農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染發(fā)生發(fā)展特征，進(jìn)而減緩和防治非點(diǎn)源污染造成的水環(huán)境問題，已越來越成為國內(nèi)外的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。而非點(diǎn)源污染形成過程復(fù)雜，受地域影響明顯，基于非點(diǎn)源污染過程模型的分布式計(jì)算機(jī)模擬方法成為非點(diǎn)源污染定量化監(jiān)測和評價的有效手段。農(nóng)業(yè)政策與環(huán)境拓展模型APEX(Agricultural Policy and Environmental e

2、Xtender)，發(fā)展至今結(jié)構(gòu)、功能都較為完備，流域-子區(qū)空間離散方式使得它能在較高空間分辨率上定量化研究非點(diǎn)源污染產(chǎn)出特征。中田舍流域?qū)儆谖覈鴸|南丘陵區(qū)典型的農(nóng)業(yè)小流域，同時作為溧陽市飲用水水源地及其下游沙河水庫、天目湖水庫的水源涵養(yǎng)地，流域內(nèi)頻繁的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對下游水量、水質(zhì)的影響不容忽視，借助基于過程的分布式模擬方法定量化監(jiān)測與評價農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染既是一種有效手段也具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“平原河網(wǎng)

3、區(qū)非點(diǎn)源污染過程的分布式模擬研究”(41271382)的支持下，以南京師范大學(xué)太湖流域水環(huán)境實(shí)驗(yàn)站為依托，綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)觀測和模型模擬的方法，利用APEX模型在較精細(xì)的空間尺度上對中田舍流域的非點(diǎn)源污染產(chǎn)出進(jìn)行模擬評價。探討了APEX模型在太湖典型農(nóng)業(yè)小流域模擬非點(diǎn)源污染的適用性，并進(jìn)一步研究了特定土地利用方式下，非點(diǎn)源污染負(fù)荷的時空產(chǎn)出特征及相關(guān)定量化計(jì)算方法。本文的研究內(nèi)容與成果主要有:
　　1、通過野外實(shí)地考察和選點(diǎn)，進(jìn)行了河

4、道及流域內(nèi)部典型土地利用方式下氮磷負(fù)荷坡面產(chǎn)出的采樣與分析，輔助完成了典型土地利用方式下非點(diǎn)源污染負(fù)荷產(chǎn)出特征的研究。
　　2、在解析APEX模型的分布式建模原理及非點(diǎn)源污染定量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，針對自動劃分子區(qū)方法存在的不合理之處，綜合土地利用、土壤、DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用以自動劃分進(jìn)行總體控制、手工修改來保證子區(qū)地理因素單一性的子區(qū)劃分方法，從而保證了每個子區(qū)代表的地類與實(shí)際情況基本一致，實(shí)現(xiàn)了對非點(diǎn)源污染發(fā)生發(fā)展過程更真實(shí)客

5、觀的描述和模擬。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型參數(shù)化提取，構(gòu)建并運(yùn)行APEX模型，完成了對研究區(qū)2008年1月～2016年12月的產(chǎn)水、產(chǎn)沙及氮磷負(fù)荷產(chǎn)出的模擬演算。
　　3、對中田舍流域產(chǎn)水、產(chǎn)沙、養(yǎng)分模擬值進(jìn)行精度評價，結(jié)果表明，產(chǎn)水、產(chǎn)沙模擬結(jié)果比較理想，能較為真實(shí)的反映研究區(qū)徑流及泥沙輸出。養(yǎng)分模擬結(jié)果基本合理，氮磷模擬值與實(shí)測值數(shù)量差距比較大，但變化趨勢基本一致，能在一定程度上表征研究區(qū)氮磷污染負(fù)荷產(chǎn)出情況。對于個別模擬偏差較大的年

6、份，查詢觀測數(shù)據(jù)并實(shí)地調(diào)查后，從時間和空間上分析了可能造成較大誤差的原因?？偟膩碇v，APEX模型在中田合流域具有較好的適用性，模擬采用的子區(qū)空間離散單元尤其適合研究高分辨率下典型土地利用方式的坡面氮磷產(chǎn)出特征。
　　4、通過流域、子流域、坡面不同層面以及不同類型的典型土地利用方式下坡面氮磷產(chǎn)出的比較，對中田舍流域非點(diǎn)源污染產(chǎn)出進(jìn)行了多類型、多空間尺度的特征分析。研究區(qū)非點(diǎn)源污染時空產(chǎn)出特征主要有以下幾點(diǎn):
　　(1)對整個中

7、田舍流域而言，總氮負(fù)荷輸出(kg)遠(yuǎn)高于總磷輸出(kg)，營養(yǎng)物質(zhì)流失以氮素為主。從時間上來看，氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)年輸出量呈逐年上升趨勢，且都以夏季輸出總量最高。從空間上來看，總氮、總磷輸出總量有差距，但是空間分布情況相似，氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)輸出集中在中田舍流域中游和下游，并且沿河分布的農(nóng)田、果園、茶園、村鎮(zhèn)等地表覆蓋類型營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)出強(qiáng)度較大，其中，茶園的總氮、總磷輸出強(qiáng)度最高。分散分布在遠(yuǎn)離主河道或上游的部分區(qū)域如茶園、果園、建筑用地，也是氮

8、磷負(fù)荷產(chǎn)出的主要來源。
　　(2)對中田合流域上游、中游、下游總氮、總磷濃度(mg/L)變化進(jìn)行了相同月份縱向比較和不同月份的橫向比較。在相同月份，模擬/實(shí)測的總氮、總磷月平均濃度在均表現(xiàn)為上游略低于下游。在不同的月份，上、中、下游的總氮季節(jié)性變化均表現(xiàn)為:6月、9月、12月出現(xiàn)濃度峰值;不同的月份上、中、下游的總磷季節(jié)性變化均表現(xiàn)為:6月份出現(xiàn)濃度峰值，其后濃度總體為下降趨勢。
　　(3)結(jié)合四次(2016.6.23，20

9、16.7.4，2016.9.15，2016.9.29)單場降雨坡面流實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)，對中田舍流域松林、板栗林、竹林、灌木林、茶園、農(nóng)田6種坡面的氮磷產(chǎn)出特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，所有類型的坡面的總氮、總磷濃度以6月23日的日平均濃度最高，其后7月4日，9月15日，9月29日總體呈下降趨勢，但農(nóng)田在9月15日的總氮日平均濃度出現(xiàn)一次明顯的峰值，這是由于農(nóng)田在8月底大量施肥而引起相應(yīng)的總氮濃度升高的現(xiàn)象。其他類型的坡面，由于大量集中施肥的時節(jié)