流域非点源污染负荷的多模型方法及其应用研究 - 以滦河流域为例

流域非点源污染的复杂多样及其高度空间异质性是单一模型模拟的巨大挑战。以滦河流域为例，在流域汇水单元划分的基础上，综合污染源普查结果、流域土地利用、景观格局、地形地貌、水系分布和土壤水文特征等信息，对研究区进行非点源污染流域单元分类。针对各类主要非点源污染流域单元类型，收集历史监测数据，开展地表水文水质监测，选取SWAT-WB、GWLF、DWSM、SWMM和SPARROW模型，运用多模型模拟养分和重金属污染负荷。对不同类型非点源污染流域单元水量和污染负荷模拟输出的各个变量，基于贝叶斯后验分布概率的方法，识别选定各自的最适宜模型，并同时用选定的最适宜模型和贝叶斯多模型组合的方法模拟各非点源污染流域单元的水量及各类污染物负荷，在此基础上识别各类非点源污染流域单元不同污染物各自的优先控制单元。本研究将为复杂多样的非点源污染提出多模型方法及最适宜模型方法，从而为非点源污染的综合流域管理提供科学依据。

流域非点源污染的复杂多样及其高度空间异质性是单一模型模拟的巨大挑战。以滦河流域为例，综合污染源普查结果、流域土地利用、景观格局、地形地貌、水系分布和土壤水文特征等信息，构建研究区非点源污染负荷多级控制单元体系。收集历史监测数据，开展地表水文水质监测，选取GWLF模型、改进的GWLF模型和HSPF模型，运用多模型模拟养分负荷。对不同类型非点源污染流域单元水量和污染负荷模拟输出的各个变量，基于贝叶斯后验分布概率的方法，识别选定各自的最适宜模型。在此基础上识别各类非点源污染流域单元不同污染物各自的优先控制单元。本研究为复杂多样的非点源污染提出多模型方法，从而为非点源污染的综合流域管理提供科学依据。结论如下：.（1）将滦河流域整体作为一级流域单元，在此基础上将流域分别划分为12个以子流域为单元的和20个以县、市为单元的二级分区，并在二级分区的基础上考虑县市和子流域的融合划分了49个三级基层控制单元。.（2）选取GWLF模型、改进的GWLF模型和HSPF模型对流域污染负荷进行模拟及对比。结果表明，模型结构不确定性在模型预测中普遍存在，由于模型不确定性，不同模型模拟的污染负荷量有差别。.（3）研究贝叶斯模型平均（BMA）多模型方法的滦河流域的应用，采用期望最大化算法推求BMA分布参数以得到BMA均值模拟序列和90%不确定性区间。结果表明：BMA方法即能通过均值模拟提供更高精度的模拟效果，还可通过不确定性置信区间定量评价模型结构不确定性，为流域非点源污染模拟提供丰富信息。.（4）非点源污染负荷模拟结果表明，柳河和伊逊河子流域是COD污染严重区域，武烈河子流域是氨氮污染严重区域，柳河和洒河子流域是TN严重污染区域，瀑河和柳河子流域是TP严重污染区域。对COD、氨氮和TP三种污染物制定了不同子流域和不同水文年份的污染物总量控制方案，结果表明，除洒河、小滦河和老牛河子流域还有部分剩余容量外，其他子流域则需要不同程度的污染物削减。