农业浅层排水系统中氮磷污染物迁移过程解析及时空模拟

摘要

农业面源污染是面源污染的最主要形式，而具有浅层排水系统的农业流域面源污染问题则更加复杂，因此对具有浅层排水系统的农业流域的氮磷污染物迁移规律进行分析，并采用合理方法控制面源污染具有指导意义。本文借助数值模拟手段，分析了氮磷在点层面的微观迁移过程和流域全局的宏观迁移过程，对氮磷的全程迁移过程进行了解析。又利用图像分析技术、数值分析方法探明了氮磷在全流程迁移过程的相应规律，深入分析了氮磷降雨后在土壤层中迁移过程及影响因素，构建了污染物迁移过程的全流程分析方法，弥补了污染物微观迁移过程数值模拟方面研究的不足。
　　本研究结合多种数学及统计方法，对流域长期的多参数实测数据进行分析并对氮磷流失重要影响因素进行识别。发现浅层排水系统将降雨的15％以上转化为浅层排水流量，而对于地表径流流量平均只占降雨的1.5%-3%。而且多影响因素之间显著相关，通过降维方法得到3个主要影响成分，该三个成分根据其实际意义可以被分为生物主，成分包括：温度、覆盖因子、植被类型、散蒸量、干重；水力主成分，包括：流量和降雨量；人为干预主成分，包括：施肥量及耕作内容。回归分析表明对于硝酸盐流失A、As、B、Bs、C、Cs各组数据回归的相关系数0.594、0.171、0.838、0.566、0.814、0.429，明显高于磷回归过程的0.353、0.356、0.371、0.276、0.206、0.147，说明硝酸盐在影响因素作用下更易迁移。在各影响因素中，通过最邻近元素向量空间结构分析方法，得出流量是影响氮磷迁移的最主要因素，但于氮迁移流量的重要性指数为17%，而对磷只有9%。
　　在流域长期实地监测的数据基础上，根据浅层排水系统存在下氮磷迁移的特殊性，应用了构建了适用于描述氮磷迁移微观过程的DRAINMOD和宏观过程的ArcSWAT模型，其对氮磷迁移定量均具有较好的预测能力，相关系数R2及模型效率系数(NS)值分别为：DRAINMOD校准率定期0.81、0.77，验证期0.75、0.72；SWAT校准率定期为模型效率为0.83验证期为0.84,均超过模型标准值(R2=0.6,NS=0.6)。在此基础上，利用拉丁超立方抽样方法(LHM)算法对模型进行敏感性和不确定性分析，得出随着水力参数如水力传导率K，最长汇水时间surlag等参数敏感度最大,且直接影响模型趋于稳定化的结论。此外，对于氮磷全局的迁移和转化过程给出了定量的结果，并计算出氮磷年盈亏值，氮亏7.3kg/km2,而磷则持平，说明氮的流失严重。利用模拟结果对重点流失亚流域进行识别，模拟设置控制单元后发现，过滤带有效减少磷的流失78.94%。
　　在DRAINMOD和SWAT模型模拟的氮磷迁移的模拟结果和实际监测结果的基础上，利用傅里叶变换和小波分析方法，对氮磷迁移在时间线上的规律进行分析，结果表明，流量在频域1/year(0.1-1，1-10,10-100)显现出能谱值下降的趋势，意味着有规律性，小波分析结果表明流量在尺度为120天左右，在三年时间能表现出一定的周期性，而氮磷浓度在浅层排水管网中的在120天的尺度内附近有较强的能量分布并持续整个监测周期，但从流量与浓度相干的比较的能谱可以发现，相关关系的尺度则是在120天附近为最大能量分布并且持续整个周期的。进一步通过对比水体中氮磷浓度的子波相干性发现，在地表径流和浅层排水过程氮磷迁移过程的相关性较好，而在河道中则有显著差异。
　　对于氮磷空间迁移过程的规律分析，本文分别从点迁移过程和全流域迁移过程两部分分析，点迁移模式微观过程，全流域迁移为宏观过程。选取重现周期为1年，降雨历时为5、10、48小时，降雨强度为4mm/hr降雨事件观察氮磷土壤迁移，结果5小时降雨后浅层排水管内无流量，土壤层中最大硝酸盐浓差为2-3mg/L，磷酸盐0.01mg/L，48小时后两者并无明显变化。10小时降雨事件，硝酸盐管内的溶度为5-6mg/L，最大浓差达到为8-9mg/L，48小时降雨事件后氮磷迁移出现差异，48小时连续降雨氮迁移随时间不断增大，而磷的增大幅度远远小于氮，表现为相对稳定状态。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状与分析

1.3本领域主要研究问题及研究进展

1.4本文的主要研究内容

第2章 实验及分析方法

2.1实验流域基本情况

2.2 监测点设置及监测指标

2.3取样及分析方法

2.4统计及数学分析方法

2.5 DRAINMOD模型模拟及基本原理

2.6 SWAT模型模拟及基本原理

2.7有限元分析.

第3章 氮磷地表及浅层排水迁移过程的主要影响因素

3.1引言

3.2 影响氮磷迁移过程的因素特征分析

3.3影响因素分类及主成分分析

3.4主要影响成分识别及分析

3.5主要影响因素识别及分析

3.6本章小结

第4章 流域氮磷在地表及浅层排水迁移过程模拟

4.1引言

4.2DRAINMOD模型的应用

4.3 SWAT模型的应用

4.4本章小结

第5章 氮磷元素迁移规律解析

5.1引言

5.2氮磷元素的点迁移规律

5.3 氮磷元素流域迁移规律

5.3本章小结

结论

展望与建议

参考文献

附录1

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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