流域非點源污染負(fù)荷定量化研究——以渭河流域為例.pdf

1、隨著點源污染控制力度的逐步加大,我國目前正處在污染構(gòu)成快速轉(zhuǎn)變時期,非點源污染負(fù)荷在水污染負(fù)荷中所占比重逐步上升,影響日益突出,因此,非點源污染負(fù)荷的定量化對流域水污染控制和水環(huán)境綜合治理就顯得越來越重要。非點源污染來源的復(fù)雜性、機理的模糊性和形成的潛伏性,決定了非點源污染負(fù)荷定量化研究具有較大的難度。本文在調(diào)查、監(jiān)測的基礎(chǔ)上,結(jié)合3S技術(shù),以渭河流域為背景進(jìn)行流域非點源污染負(fù)荷定量化研究。首先對渭河干流臨潼水文站斷面進(jìn)行洪水期和非洪水

2、期水質(zhì)水量同步監(jiān)測,明確非點源污染特征和其在總負(fù)荷中的比重；在此基礎(chǔ)上,以渭河流域及其子流域陜西黑河流域為例,研究不同資料條件下流域非點源污染模擬和負(fù)荷預(yù)測方法。在有限資料條件下,針對目前非點源污染年負(fù)荷量估算統(tǒng)計模型中一般都是考慮單變量建立一元回歸模型的情況,提出了幾種考慮多個主要影響因素的非點源污染負(fù)荷預(yù)測方法。在資料允許的條件下,以GIS為平臺,分別研究了分布式模型AnnAGNPS和SWAT在兩種不同尺度流域——黑河流域、渭河流域

3、的適用性和可靠性,同時探討了黑河流域、渭河流域非點源污染物產(chǎn)出的時空分布特性,模擬了流域非點源最佳管理措施的效果。本研究的開展,不僅對全面認(rèn)識渭河水污染的成因具有重要的科學(xué)意義,而且對渭河水環(huán)境的綜合治理與水資源保護(hù)具有重要的現(xiàn)實意義。同時,考慮到非點源污染的普遍性,本文的研究方法與結(jié)果也可供其它類似地區(qū)和流域參考。取得的主要研究成果如下：1.2006年7-12月,對渭河臨潼斷面5次暴雨洪水過程和非洪水期3次24h平時水流進(jìn)行了水質(zhì)水量

4、同步監(jiān)測。結(jié)果表明：洪水期間,SS、渾水COD、渾水TP和渾水TN等指標(biāo)監(jiān)測值都遠(yuǎn)大于平時監(jiān)測值,渾水中COD、TP、TN監(jiān)測值高與表層土壤中天然腐殖質(zhì)有關(guān)。上清液中總氮TN和總磷TP分別以水溶性氮和固態(tài)磷為主,渾水中COD、TP、TN與SS有很好的相關(guān)性。采用平均濃度法計算了各指標(biāo)的非點源污染平均濃度,同時建立了各指標(biāo)非點源污染負(fù)荷與地表徑流量的相關(guān)方程；對2001-2007年臨潼斷面非點源負(fù)荷占總負(fù)荷的比重進(jìn)行了計算,2006年CO

5、DS、TPS、TNS和無機氮非點源污染負(fù)荷相應(yīng)的比例為38.17％、35.94%、33.32%和30.45%。2001-2007年CODS、TPS、TNS和無機氮非點源污染負(fù)荷占總負(fù)荷的比例多年平均分別為54.10%、51.72%、48.82%和45.53%。非點源污染在渭河水污染中占較大比重,其對渭河水質(zhì)的影響不容忽視。2.將偏最小二乘回歸理論引入到流域非點源污染負(fù)荷預(yù)測中,建立了非點源污染年負(fù)荷量預(yù)測模型,并與基于最小二乘的多元線性

6、回歸模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比。采用渭河華縣斷面1976-1993年總氮非點源負(fù)荷及與其產(chǎn)生關(guān)系密切的徑流、泥沙、降雨資料,前15a資料用作訓(xùn)練,后3a資料用作檢驗。計算分析表明：偏最小二乘回歸分析實現(xiàn)了多元回歸、主成分分析和典型相關(guān)分析的綜合,能較好的處理變量之間的多重相關(guān)性問題,建模所需樣本少,其計算結(jié)果合理,具有較好的推廣應(yīng)用價值。3.嘗試將支持向量機技術(shù)應(yīng)用于小樣本渭河華縣斷面非點源總氮年污染負(fù)荷量預(yù)測。支持向量機(SVM)能在有限樣

7、本情況下,采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化準(zhǔn)則,把學(xué)習(xí)問題轉(zhuǎn)化為一個二次規(guī)劃問題來獲得全局最優(yōu)解,從而克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷于局部極小值的缺點。采用1976-1993年總氮非點源負(fù)荷及與其產(chǎn)生關(guān)系密切的徑流、泥沙、降雨資料,前15a資料用作訓(xùn)練,后3a資料用作檢驗。經(jīng)過與最小二乘支持向量機、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最小二乘回歸方法預(yù)測結(jié)果比較,表明SVM方法預(yù)測精度要優(yōu)于后兩者,可用于有限資料條件下非點源負(fù)荷預(yù)測。4.嘗試將自記憶原理引入非點源污染負(fù)荷的預(yù)測研究中

8、,并對一般形式的自記憶模型進(jìn)行改進(jìn),建立了改進(jìn)的非點源污染負(fù)荷自記憶預(yù)測模型。采用渭河華縣斷面1976-1993年總氮非點源負(fù)荷及與其產(chǎn)生關(guān)系密切的徑流、泥沙、降雨資料,前15a資料用作訓(xùn)練,后3a資料用作檢驗,經(jīng)計算表明,本文所提出的改進(jìn)的非點源污染負(fù)荷自記憶模型預(yù)測效果較好,該方法是一種可行的非點源污染負(fù)荷預(yù)測方法。5.以陜西黑河流域為研究區(qū),借助GIS和相關(guān)資料提取參數(shù),建立AnnAGNPS模型數(shù)據(jù)庫。采用1991-1998年黑峪

9、口斷面月徑流量、泥沙和無機氮、總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)率定和驗證模型,分析AnnAGNPS模型在西北半干旱地區(qū)典型流域的適用性。結(jié)果表明,AnnAGNPS可用于該流域非點源污染的長期模擬。在此基礎(chǔ)上,對模型主要參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析和非點源污染產(chǎn)出的時空分布特征分析。最后利用校準(zhǔn)后的模型進(jìn)行流域非點源污染管理措施模擬。為了達(dá)到同時削減徑流、沉積物及總氮、總磷的輸出量,在流域內(nèi)主要應(yīng)采取退耕還林的措施,治理非點源污染。6.以渭河華縣斷面以上流域為研究區(qū)

10、(面積為10.65萬km2),應(yīng)用SWAT模型對該區(qū)域的徑流、泥沙及氮污染負(fù)荷的產(chǎn)輸出過程進(jìn)行模擬計算。利用華縣站1987-1988年的實測月徑流、泥沙和污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的調(diào)參計算,用1989-1990年的實測月徑流、泥沙和污染物數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證,驗證結(jié)果表明模型基本合理可行,可用于渭河流域非點源污染的模擬計算。利用率定好的模型對不同典型年進(jìn)行了模擬計算,根據(jù)模擬結(jié)果對該區(qū)域的徑流、泥沙和氮污染負(fù)荷的時空產(chǎn)輸出特點進(jìn)行了分析,為流域