大宁河流域非点源污染模输入信息的不确定性研究

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随着点源污染控制水平的提高,非点源污染问题日益突出。非点源污染由于具有涉及范围广、控制难度大、模拟过程不确定因素多等特点,已成为当前水环境污染防治研究的热点与难点。在非点源污染研究中引入不确定性分析,能够给出非点源污染的风险水平,对于非点源污染的预防与治理具有重要意义。目前国内外非点源污染模拟的不确定性研究更多关注于模型参数对模拟结果的影响,而对模型输入信息方面的研究较少,特别是针对空间和属性输入数据的的系统研究比较鲜见。本研究选择受三峡库区蓄水影响较为显著的大宁河流域(巫溪段)作为研究区域,在建立了研究区SWAT模型基础数据库,并应用SUFI-2方法对模型参数进行率定和验证的基础上,开展了输入信息对非点源污染模拟结果的不确定性影响研究。   本文应用SWAT模型自带的形心法、泰森多边形、逆距离加权法、析取克里格法和协克里格法量化了降雨空间变异性对非点源污染模拟结果的影响,结果表明:(1)采用不同降雨赋值方法对降雨的空间分布描述差异较大,其中形心法得到的降雨分布变异性最大,引入高程变量的协克里格法得到的降雨分布变异性最小;(2)采用较为精确的插值方法,可以有效降低面雨量的离散程度和降雨分布的变异性,从而获得较为理想的非点源模拟结果;(3)由降雨分布空间变异性导致的径流模拟结果的不确定性最小,泥沙和总磷的不确定性居中,溶解态氮和吸附态氮模拟结果的不确定性最大。   本研究应用正交实验设计和方差分析法研究了多种空间输入信息不匹配性对非点源污染负荷模拟结果的影响,结果表明:(1)DEM分辨率对非点源污染模拟结果的影响远远大于土地利用图和土壤类型图;(2)由于误差的放大作用,导致泥沙和非点源负荷的模拟误差比径流大;(3)由输入信息不匹配导致的泥沙和总磷模拟结果不确定性是流量模拟结果不确定性的14倍左右;吸附态氮和溶解态氮的不确定性影响均大于径流而小于泥沙和总磷的影响。(4)在三峡库区大宁河流域,当DEM分辨率为1:25万及以上时,径流、吸附态氮和溶解态氮的模拟误差均小于1%;当DEM分辨率在1:10万及以上时,泥沙的模拟结果较为理想;当DEM和土地利用图的的分辨率分别为1:10万和1:25万及以上时,总磷模拟误差能保证在10%以下,从而满足模拟的精度要求。   本研究采用蒙特卡洛模拟方法,探讨了日降雨数据的测量误差对非点源模拟结果不确定性的影响,结果表明:(1)降雨数据呈正态分布时,其测量不确定性比降雨数据服从均匀分布时更大,从而导致非点源污染模拟结果有更大的不确定性;(2)若不考虑降雨数据的测量不确定性,会导致模拟结果被低估,且模拟结果的不确定性越大,被低估的误差也越大;(3)模拟结果的90%置信区间具有周期变化规律,夏季丰水期的置信区间较宽、模拟精度较低;春冬枯水期的置信区间较窄、模拟精度较高;(4)各模拟结果的多年平均CV值按大小依次排序为:总磷>溶解态氮>吸附态氮>泥沙>径流;(5)针对不同的模拟对象,其多年平均值、年均值、月均值和日均值的不确定性大小均不一样,说明时间尺度对非点源污染模拟的影响不容忽视。   本研究通过引入水文水质监测数据的PER值(不确定性区间),并采用误差修正法研究了SWAT模型响应数据的测量误差对模拟结果不确定性的影响,结果表明:(1)样品采集过程是导致水文水质监测数据不确定性最大的因素,样品实验室分析过程引入的不确定性次之,流量测量和样品储存过程引入的不确定性较小;(2)径流监测数据的PER值最小,总磷和总氮的PER值最大,说明径流数据的测量结果可靠性较非点源负荷监测数据高;(3)对测量值与模拟值之差ei进行修正后,模拟结果的Ens、d、RMSE、MAE和SD等适合度指标均有不同程度的改善;(4)由监测数据测量误差导致的泥沙和总磷模拟结果的不确定性较大,而径流模拟结果的不确定性较小;(5)径流、泥沙和总磷服从正态分布时得到的模拟结果CV值和置信区间均小于均匀分布时的结果,说明在相同PER的条件下,呈正态分布的模拟值有较小的不确定性。   本文综合比较了不同输入信息类型以及不同不确定性来源对该流域非点源污染模拟结果的影响,结果表明:(1)观测数据的测量误差是流量、泥沙和总磷负荷模拟结果不确定性的主要来源,而降雨空间分布变异性则是影响吸附态氮和溶解态氮模拟结果不确定性的主要因素;(2)参数不确定性是影响大宁河流域各非点源污染负荷模拟结果不确定性的最主要因素,其影响程度远大于输入信息和模型结构的影响。
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