黄土丘陵沟壑区水-沙-吸附态与溶解态非点源污染物多时空尺度耦合运移机理研究

This study focuses on adsorbed and dissolved non point source (NPS) pollution in a typical slope-gully-basin system of the loess hilly and gully region, and takes the particularity of water and sediment relationship as starting point, to (1) establish a physical-based, distributed, dynamic simulation method of adsorbed and dissolved NPS pollution in the loess hilly and gully region and investigate the multi-scale distributed coupling effects of water-sediment-adsorbed and dissolved pollutants; (2) reveal the distribution regularities of NPS nitrogen and phosphorus in water and sediment phases and the response characteristics of land use change on the basis of field observations; (3) clarify the coupling mechanism and the corresponding spatiotemporal scale effect of water-sediment-pollutant in the slope-gully-basin system; (4) identify the priority control area and evaluate subtractive effects of different control measures and their combination on NPS pollution; and (5) present a more complete distributed simulation and preferred method framework of NPS pollution and control measures at slope-gully-basin system. This study will rich the theory of simulation and control of NPS pollution, and provide scientific basis for the optimal placement of control measures at multi temporal and spatial scales of the loess hilly and gully region.

本项目以黄土丘陵沟壑区典型坡沟-流域系统为研究对象，以吸附态与溶解态非点源污染为切入点，在考虑黄土水沙关系特殊性的基础上，构建具有物理机制的、多时空尺度水-沙-吸附态与溶解态非点源污染分布式联合模拟方法，系统研究黄土丘陵沟壑区多时空尺度水-沙-非点源污染过程的分布式耦合响应；结合野外监测，揭示非点源氮磷在水沙两相中的分配规律及其土地利用变化响应特征，阐明坡沟-流域系统水-沙-非点源污染耦合机理及时空尺度效应，识别非点源污染优先控制区，估算不同措施及其组合对多时空尺度非点源氮磷流失的消减效果，提出一套较完整的黄土丘陵沟壑区坡沟-流域系统非点源污染分布式联合模拟与控制措施优选方法框架。该研究将形成较为系统的黄土丘陵沟壑区水-沙-吸附态与溶解态非点源污染分布式耦合模拟及控制措施优选方法体系，丰富非点源污染模拟与控制理论，为实现黄土丘陵沟壑区多时空尺度非点源污染控制措施优化配置提供科学依据。

农业面源污染是一个涉及农业生产和生态环境的重要问题。黄土高原水土流失严重，农业过程中化肥、农药的大量使用，既造成了农业水肥药流失，又引起流域农业面源污染。针对以上问题，本项目主要以延河流域为对象，将SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型、GIS (地理信息系统) 技术、TOPAZ和SLURPAZ地形分析模型、IDRISI CA-Markov模型、SCE-UA (Shuffled Complex Evolution) 全局优化算法、污染物一维三相迁移转化动力学理论等有机融合，系统研究黄土高原区多时间尺度坡-沟-流域系统的水-沙-非点源污染全过程分布式综合模拟与决策方法。取得了以下主要进展：(i)定量解析了坡地产流产沙和养分流失规律，发现吸附态磷占总磷流失的98.6%(裸坡)和94.7%(植被)，揭示了15°-20°和90-105mm/h为黄绵土裸坡磷素流失的临界坡度和临界雨强。(ii) 在传统面源污染模型基础上，嵌入作物需水量、灌溉制度及施药模式、植被修正系数等相关模块，形成了参数少、对植被敏感、可靠性强、计算效率高且融合污染物淋溶、径流、侵蚀过程的数学模型。(iii)基于降雨侵蚀力和泥沙输移理论，构建了考虑径流驱动、土壤剥离及输沙路径微观机制的水土流失型面源污染评价模型，解决了难以量化受纳水体对不同时期水土保持措施动态响应的难题。(iv)通过坡面实验与流域模拟，揭示了典型水土保持措施对面源污染的削减机理，评估了不同措施及其组合对非点源污染特征的影响效应，初步形成了坡沟-流域系统水-沙-氮磷农药污染负荷模拟与水土流失综合治理、农业施肥施药综合管理决策方法体系。该研究为黄土高原水土流失型非点源污染的动态模拟和评价、水土流失的宏观治理与农田系统水肥农药管理提供了科学方法。