过程－经验模型耦合的分布式流域非点源污染评估方法研究

Nonpoint source (NPS) pollution has been believed as one of the main causes of water degradation in China. One of the effective ways for the water environment protection and management is to quantitatively evaluate NPS pollution loading at watershed scale. With the systematic analysis of types, mechanisms and transport process of NPS pollution on the case study of western Taihu watershed, we proposes an empirical algorithm to calculate the NPS pollution loading from dissolved, absorbed, and equivalent states. Firstly, the spatial-temporal characteristics of NPS pollution loading were summarized by using long-term measurements of typical land use type, which can be used to establish source intensity database for empirical algorithm. Secondly, a spatial-temporal process model of precipitation-runoff and soil erosion is presented, which focuses on the key processes of NPS generation. Furthermore, a distributed calculation model for NPS evaluation at watershed scale is developed by means of the integrating of the process modeling and empirical modeling, and then it is used to explore the experimental results on the case area. Aiming at studying theories and key techniques for rapid calculation of NPS at a large watershed which is suitable for national conditions and data constraints of China, the study will provide a scientific basis for controlling NPS and management of watershed environment.

非点源污染已成为水环境恶化的主要原因，流域尺度非点源污染的定量评价是水环境保护和治理的必要手段。本项目以太湖湖西区为典型区，在流域尺度非点源污染类型、产污机理和迁移途径系统分析的基础上，提出了三元结构（溶解态、吸附态和当量态）、分类计算的流域非点源污染负荷产出的经验算法；通过典型地类污染负荷产出的长期观测实验，归纳总结污染负荷产出的时空特征，建立污染负荷产出经验计算的源强参数库；研究和开发适用于流域非点源污染计算的降水－径流和土壤侵蚀过程模型，抓住非点源污染发生的关键过程，构建基于过程计算和经验计算相结合的流域尺度非点源污染分布式快速估算模型并进行实证研究。旨在探索适合国情和数据条件的较大流域非点源污染快速计算的相关理论和关键技术，为流域水环境管理和非点源污染控制提供科学基础。

摘要：归纳总结了流域尺度各类非点源污染类型和其空间产出的方式，进而利用不同类型的污染源进行空间计算；开展了典型地类污染负荷的产出实验观测、土壤养分的基底调查、湿地及青虾养殖监测等，建立了典型地类污染负荷产出强度数据库；面向非点源污染负荷快速估算，开发了以径流曲线数SCS-CN模型为核心的降雨－径流模型和以MUSLE模型为基础的流域土壤侵蚀计算模型；为解决平原河网区交叉/环状河网水文演算问题，基于SWAT模型和HEC-RAS模型进行了流域水文模型与河网水动力模型耦合研究，解决了平原河网区分布式水文建模过程被迫打断交叉/环状河段、破坏河网拓扑结构、导致部分河段流量模拟出现严重偏差的问题，也解决了河网水动力模型的外部与内部边界条件定义的问题；为实现典型生态旅游区和风景保护开发区——天目湖流域的水质保护和经济发展协同发展，基于管理目标分析了天目湖水库的生态环境容量，利用SWAT模型定量计算了多年入库的总氮和总磷量，分析了重要产污源区和不同土地利用方式下的氮磷负荷产出；通过多期长时间跨度的土地利用变化，探索了景观格局指数与营养盐流失之间的潜在相关性，通过情景模拟，为天目湖水库达到水质管理目标、实现生态与经济协同发展提出了相应流域管理措施建议。已发表相关研究论文2篇，其中SCI检索1篇，中文核心1篇，获得软件著作权3项。指导博士论文1篇，硕士论文6篇。完成两篇英文文章的撰写和投刊。