基于水文特征的动态流域非点源磷污染指数及其应用研究

The precise and efficient control on watershed non-point source phosphorus pollution is critical to prevent eutrophication and improve water quality of water bodies. On the basis on the observation of stream flow, water quality and topsoil nutrient contents, combining with the data collection including watershed phosphorus inputs, digital elevation model, stream network, land use, soil types, historical precipitation, stream flow, stream water quality, the source factors of phosphorus will be quantified for the pollution risk assessment in each hydrological unit. We will investigate long-term dynamics in soil erosion, surface runoff and base flow. The transport factors for dissolved and particulate phosphorus will be quantified in various hydrological regimes. A watershed non-point source phosphorus index which separates the dissolved phosphorus and particulate phosphorus, considers the phosphorus loss via base flow and reflects the dynamic variations of precipitation-runoff-erosion would be established. We will investigate variations in the sizes and locations of critical source area and the pollution risk level between dissolved and particulate phosphorus, and the relationship between watershed non-point source phosphorus index values and GWLF-simulated phosphorus concentrations and loads. The watershed non-point source phosphorus index will be developed on the basis of hydrological dynamic and runoff characteristics in different temporal scales. The innovated index is useful tool for precise control management of watershed non-point source phosphorus pollution.

精准、有效控制流域非点源磷污染是遏制水体富营养化和水质改善的关键。本研究拟在干旱-半干旱的滦河流域构建区分磷的形态、考虑基流流失、反映降雨-径流-侵蚀动态变化的流域非点源磷指数。研究将在流域降雨、水文水质定位观测的基础上，结合土壤磷养分及磷输入、地形、水系分布、土地利用、土壤以及历史降水、径流、水质等资料的收集，定量流域各汇水单元非点源磷对河流污染风险的源因子；研究流域较长时期土壤侵蚀动态以及干流和各支流汇水单元地表径流与基流组成动态，定量溶解态和颗粒态非点源磷流失迁移因子。构建非点源磷污染指数，探讨案例区流域非点源磷污染指数在不同水文条件的变化规律，分析不同形态不同路径非点源磷污染风险程度及关键源区分布的差异；对比磷指数与模型模拟磷污染负荷，揭示磷指数的预测效率。本研究突出了土壤侵蚀和基流对非点源磷流失的影响，且将磷指数由静态提升到动态指示，为非点源磷污染控制的精准化管理提供简易的工具。

识别非点源磷流失的关键源区是经济有效控制整个流域磷污染的重要科学基础。本研究针对已有磷污染指数缺乏水文动态的考虑，忽略了基流对养分流失的重要影响，以及不能反映溶解态和颗粒态养分对水体污染风险差异的问题，构建了区分磷的形态、考虑基流流失并反映降雨-径流-侵蚀动态变化的非点源磷污染指数，在滦河流域进行应用。结果表明该非点源磷污染指数可以合理估算干旱-半干旱流域非点源磷流失负荷；滦河流域非点源磷流失主要以溶解态为主，颗粒态次之，且溶解态磷的流失以地下径流及壤中流为主，这与流域径流组成以基流为主有关；在空间分布上，洒河、柳河因具有施肥量高、土壤磷含量高、坡度较大、降雨及径流量大、且临近下游的潘家口水库的特点，成为非点源磷流失的高风险区和污染优先控制区；在时间分布上，丰水年和汛期是流域非点源磷素管理的关键时期，总磷、总颗粒态磷和总地表径流溶解态磷是汛期磷素管理的重点。..在此基础上，研究针对当前大多数非点源污染模型与GIS结合较为松散、GIS强大的空间分析功能没有得到很好应用、完全集成的二次开发过程高度依赖GIS专业人员且价格昂贵等问题，以非点源磷污染指数为例，在开源免费的R平台上构建了集数据转换、模型运行及结果可视化表达于一体的指数模型工具及面向流域管理者的交互网页应用，实现了在一个计算平台内磷指数的构建、模拟及可视化，大大提高了运算效率及模型输入输出的可视化水平。..针对当前普遍缺乏对非点源磷污染指数的不确定性分析，本研究采用GLUE方法对构建的非点源磷污染指数进行了参数和模型输出的不确定性分析，同时对GLUE方法本身存在的主观性选择如似然函数和接受阈值对模型不确定性分析结果的影响进行了探讨。研究结果确定了构建的非点源磷污染指数的敏感参数及其有效参数范围，确定了GLUE方法在非点源磷污染指数不确定性分析中合适的似然函数（纳什系数，多准则判据）及接受阈值（NSH=0.55），为GLUE方法的应用以及当地非点源磷污染的管理提供了有效的建议。