开放环境下流域氮磷径流输出的驱动机制与调控

Nitrogen and phosphorus in runoff is an important driver for deteriorating water quality. It is of great significance to study the driving mechanism and regulation of nitrogen and phosphorus in runoff for mitigating non-point sources pollution in China. Focused on internal mutual relationships of study area, the material connections between study areas and outside regions are often overlooked in conventional nutrients balance studies. Considering the shortcoming of current study, socioeconomic simulation, material flow, watershed model and optimization model will be applied to reveal the mechanism and process between the coupled material exchange activity and human activities in watershed and nutrients in runoff based on material exchange between the study region and outside region. A coupled method for anthropogenic drivers (internal and external the region), nitrogen and phosphorus inputs, and nutrients in runoff will be established with data from experiment and survey. A simulation-optimization model of nitrogen and phosphorus in watershed will be built with constraints of environmental quality and no pollution transfer to achieve maximum economic and social benefits. Finally, a typical watershed (Baoxianghe) in Lake Dianchi basin will be taken as a case study. Results in this project can provide scientific support for regulating nitrogen and phosphorus in watersheds.

氮磷径流输出是流域水环境退化的重要驱动力，研究氮磷径流输出的驱动机制与调控方法对我国非点源污染控制具有重要意义。当前流域氮磷驱动与调控研究局限于区域内部人为与环境的相互作用，忽略了研究区与外部区域之间的物质联系。鉴于当前研究忽略开放性的局限，本研究拟考虑流域内外物质交换作用，采用经济社会模拟、物质流、流域模型和优化等方法，识别流域内外物质交换活动和流域内人为活动综合影响下氮磷径流输出的变化过程，揭示流域氮磷径流输出的驱动机制；基于典型流域的试验观测与调查资料，建立流域氮磷人为驱动（流域内外人类活动）、氮磷输入、径流输出响应模型；提出以流域环境质量达标和无污染转移为约束，实现区域经济社会发展效益最大的流域氮磷营养盐优化模型。以滇池流域子流域宝象河进行实证研究。研究成果旨在为流域氮磷调控提供科学依据。

宝象河是滇池流域第二大入湖河流，是滇池氮磷输入的重要来源。本研究基于物质流方法，评估了宝象河流域氮磷输入的时空变化特征；采用高分辨率的水量和水质观测资料，识别了流域氮磷径流输出的变化特征，揭示流域氮磷径流输出的驱动机制；基于典型流域的试验观测与调查资料，建立流域氮磷人为驱动、氮磷输入、径流输出响应模型；提出以流域环境质量达标和无污染转移为约束，实现区域经济社会发展效益最大的流域氮磷营养盐优化模型。以滇池流域子流域宝象河进行实证研究。研究成果旨在为流域氮磷调控提供科学依据。.研究取得的主要结果与结论如下：.（1）宝象河流域的人为氮磷输入负荷处于较高水平。2015年NANI和NAPI分别达到10496和2506 kg/km2，并呈现逐年增长态势。表明在污染控制措施下，宝象河流域的人为氮磷输入负荷经历了急剧增长的发展阶段，对水环境质量形成了显著胁迫。.（2）宝象河2018年TN的年通量为270.5t，以夏季占比最高；TP的年通量为11.2t，占比分布与TN类似。宝象河TN、TP通量主要受到RX5day、TMINmean、TNn、TNx和DTR等五个极端气候指数驱动。.（3）2018年宝象河流域总氮和总磷排放分别为1456.9t/a和191.2t/a。种植业非点源是最大的污染源，其中总氮和总磷占流域总量的52.24%和90.66%，其次是城镇生活点源和未收集点源。宝象河流域污染物排放呈现显著的空间异质性，TN为流域主导污染物类型。.（4）基于2018年实测数据，对TN和TP两种水体达标关键水质指标的水质参数进行率定和验证，表明构建的HSPF模型能够较好的重现两种污染物的浓度变化，对主要驱动因子具有显著的响应。.（5）以流域内外氮磷平衡为约束，在经济社会效益最大的目标下，得到宝象河流域最优化的人口目标和经济社会发展目标。结果表明，宝象河流域最优的人口承载力为6.61万人，主要粮食种植面积应当控制在4800亩。