云南高原湖泊流域氮磷输移过程的时空异质性与多尺度优化调控机制研究

Management of watershed nitrogen (N) and phosphorus (P) is essential for lake restoration. The key bottleneck is the recognition of multistep migration-transformation and multiscale control mechanisms of N and P. Because of the special natural features and unique anthropogenic interferences in Yunnan plateau lake watershed, processes and mechanisms of migration-transformation of N and P differs significantly from other regions. This project aims at forming an approach that combines macroscopy and microcosm, experiment and modeling, small scale and large scale. Lake Erhai Watershed will be taken as the typical study area. The special mechanisms of natural and anthropogenic interferences will be recognized based on this approach. The local parameters are obtained through the verification of watershed modeling and the results of local microscopic experiments, revealing the mechanisms of multiscale transmission from key processes of N and P migration-transformation to local parameters. The main contents of the project include: the recognition of spatial- temporal characteristics of migration-transformation of N and P; the modeling of mass balance and key process fluxes of N and P on watershed scale; the measurements of dynamic mechanisms of N and P “input-migration-transformation-output” processes in a typical hydrological response unit; the response and verification of lake water quality to N and P exogenous loading in the watershed; as well as the watershed-sub watershed-parcel multiscale control of N and P. This project is aimed at offering multiscale and refining control plans of N and P, serving to the management of eutrophication of Yunnan plateau lakes through the study of local mechanisms and control.

流域氮磷控制是湖泊恢复的根本，识别流域氮磷迁移转化的多重尺度化效应及多尺度调控机制是其关键科学问题。云南高原湖泊特殊的小流域、大坡度、短河道、强气候分异性及垂向植被类型多等特点，决定了其产汇流及氮磷输移、截留、去除的过程参数及影响机制与其他区域显著不同。本项目拟以洱海流域为典型对象，构建流域“空间差异性-过程异质性-多尺度调控”相结合的研究方法，识别不同尺度下影响流域氮磷输移的特征因子及机制，揭示关键过程及反馈调控机理，分析其多尺度传递规律。主要研究内容包括：流域物理特征的空间差异性及氮磷输移过程的时空异质性分析；流域尺度氮磷的输入-输出平衡及关键过程的通量模拟；典型水文响应单元的氮磷“输入-输移-转化-输出”关键过程测定与机制识别；氮磷污染控制的“流域-子流域-地块”多尺度不确定性调控机制及方法。本项目旨在以云南高原的本地化研究提供多尺度精细化调控方案，为湖泊富营养化控制提供科学依据。

农业非点源污染具有高度的随机性、不确定性和滞后性，加之监测和控制的复杂性，研究与治理难度较大。我国的农业非点源问题依然比较严重，基于流域非点源污染模拟的最佳管理措施（BMP）是非点源问题的有效途径。但在目前的研究中，模型工具同质化较为严重，多尺度模拟的耦合和嵌套研究较少；且流域管理中较少考虑和量化模拟模型的不确定性。因此，亟需改进并形成一套较为完善的非点源污染研究方法，并开展多尺度和不确定性的优化决策。本项目以洱海流域为研究对象，基于流域水文-水质模型（LSPC），改进并构建一套适用于洱海流域且包含多尺度和不确定性分析的模拟-优化耦合方法。主要研究内容包括：①模型构建、校验与优先控制单元识别；②参数敏感性分析；③不确定性的识别与量化；④控制措施的模型评估；⑤洱海流域氮磷污染负荷调控的多尺度决策优化。主要结论如下：（1）洱海流域非点源污染空间分异性显著，识别优先控制单元，对流域管理流域和精准治污染有重要的现实意义。洱海流域3个一级优先控制单元以0.8%的面积占比，贡献了13.1%所需削减负荷量。（2）在洱海流域，降水是负荷、措施模拟不确定性的主要来源，总氮、总磷负荷的不确定性范围分别为-53.1%~88.5%与-48.3%~80.7%。空间上，非点源污染在北部和南部的不确定性最大。（3）结合前沿算法与流域特征，改进流域多尺度优化调控及不确定性分析方法，能够提高研究的效率和可靠性。82.5%保证率需要削减402.7t总氮负荷，而削减量提高到589.2 t能够实现90.0%的保证率。将不确定性分析融入完整的流域模拟研究框架，能够同时为建模者和流域管理、决策者提供更有价值的信息。