平原圩区非点源污染模型化研究

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平原圩区地势平坦,水系结构复杂,产汇流和排水过程受到农业水利工程措施的影响,径流停留时间较长。特殊复杂的水文过程,使得平原圩区非点源污染研究存在较大困难。因此,对平原圩区非点源污染的产生规律和过程进行研究,并提出相应的非点源污染模拟方案,将为平原圩区非点源污染控制和管理提供决策支持,为流域水资源的合理配置和规划等战略决策提供有力的技术支撑。本文在充分开展水文过程调查的基础上,基于易获取的电排站用电量数据,应用排灌分离方法以获得建模和负荷估算必须的排水量数据;提出了适用于平原圩区的SWAT模型建模技术;结合农村生活非点源调查、类型源试验及电排站水质监测,对模型进行农田尺度和流域尺度双重校核:基于率定验证后的SWAT模型,对平原圩区特殊的排水特征及非点源污染产生、迁移转化和截留过程进行了评价。  平原圩区产汇流及出流过程受到圩堤、电排站控制,水文过程复杂,使得SWAT模型的构建和应用受到较大的限制。在充分调查分析研究区水文过程的基础上,提出相应的子流域概化方法:采用分汇水区多出口模拟、将电排站蓄水体模拟为水库以识别圩区出流受控过程及电排站实际排水方式;将结构合理化的河道以及影响汇流的地物要素(圩堤、道路等)叠加至原始DEM以提高其精度,使河道提取和流域划分更加符合实际汇水格局。采用流域概化和强化流域提取的方法,使SWAT模型能够反应平原圩区复杂受控的水文过程。  水文过程模拟结果表明电排站对径流具有调蓄和截留作用,与自然出流过程相比,径流量偏低。旱季虽有一定强度降雨,但排水量很小或几乎为零。由于电排站的调蓄作用,径流的水力停留时间增加,使消耗于电排站蓄水体中蒸发和下渗的水量增加。  在水文过程模拟的基础上进行了水质过程模拟。利用类型源试验得到的7场降雨—径流一水质过程,计算得到各场次的输出系数,并以此对SWAT模型进行了农田尺度校核,保证了模型模拟的污染物产生过程的准确性;利用实际监测的电排站水质监测数据,对模型进行了流域尺度的校核,保证了模型模拟河道过程的准确性。在农田尺度和流域尺度双重校核下,使得SWAT模型的模拟结果可信度增加。  特殊的水文过程使得平原圩区河道和蓄水体对氮磷的截留效应显著。在平原圩区,主要有两个污染物截留过程:河道中的截留过程和电排站蓄水体中的截留过程,后者是由于平原圩区出流受到圩堤和电排站控制而产生的特殊的截留过程。模拟结果表明在圩区范围内TN的平均截留率为39%,总磷的截留率为29%,截留量的大小与子流域输出负荷、污染物在圩区内的停留时间、温度等因素有关。  污染源贡献率分析表明研究区内三大非点源污染源(农村居民生活、畜禽养殖和化肥施用)对TN、TP的贡献占总负荷的大部分。在非点源污染的三大组成中,化肥施用对TN、TP的贡献率最大,畜禽养殖污染的贡献率次之,居民生活污染贡献相对较小。
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