三峽水庫大寧河流域非點源污染參數(shù)的不確定性分析

1、三峽水庫大寧河流域非點源污染參數(shù)的不確定性分析紅,沈珍瑤* (北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875)余摘要：以大寧河流域為研究區(qū),在基于參數(shù)敏感性分析的基礎(chǔ)上,分別選取對徑流量、泥沙負(fù)荷、有機氮和有機磷模擬計算最敏感的前 10位參數(shù),采用 FOEA(first-order error analysis)不確定性分析方法,分析這些參數(shù)對非點源負(fù)荷不確定性的影響.結(jié)果表明,僅有少數(shù)幾個參數(shù) 對模型輸出結(jié)果的不確定性有顯著影響,這些參數(shù)對不確定性的貢獻(xiàn)在 90%以上.對泥沙負(fù)荷、有機氮、有機磷模擬計算的不確定性影響 最大的是徑流曲線數(shù),說明非點源污染負(fù)荷的不確定性主要受徑流產(chǎn)生過程的參數(shù)的影響.

2、在徑流量、泥沙負(fù)荷、有機氮和有機磷 4 個輸 出結(jié)果中,泥沙的不確定性最大.關(guān)鍵詞：非點源污染；FOEA；不確定性中圖分類號：X32文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-6923(2007)04-0554-05Analyzing parameter uncertainty of the non-point source pollution in Daning River of the Three Gorges Reservoirarea. YU Hong, SHEN Zhen-yao* (School of Environmental, Beijing Normal University, Bei

3、jing 100875, China). ChinaEnvironmental Science, 2007, 27(4)：554558Abstract：Using Daning River watershed as study area, based on parameter sensitivity analysis, ten first most sensitive simulated calculating parameters of the runoff amount, silt load, organic N and organic P were chosen respectively

4、, and the uncertain analysis method of FOEA (first-order error analysis) was adopted to analyze the influence of these parameters on the non-point source uncertainty.Only a few parameters had remarkable influence on uncertainty of themodel output result, and contribution of these parameters for simu

5、lation results was higher than 90%. The greatest influence on the uncertainty of simulated calculating of silt load, organic N and organic P was runoff curve number, indicating that the uncertainty of non-point source pollution load was influenced mainly by the parameters of the runoff producing pro

6、cess. In the four output results of runoff amount, silt load, organic N and organic P, the uncertainty of silt was the greatest.Key words：non-point source pollution；first-order error analysis；uncertainty造成水環(huán)境污染的來源,根據(jù)排放方式的不同,可分為點源污染和非點源污染1.與點源污染相比,非點源污染具有以下特點,發(fā)生具有隨機性;污染 物的來源和排放點不固定,排放具有間歇性;污染負(fù)荷的時間(次降

7、雨徑流過程、年內(nèi)不同季節(jié)及年際間)和空間變化幅度大;監(jiān)測、控制和處理困難而 復(fù)雜2-4.非點源污染的產(chǎn)生和形成過程受區(qū)域地 理條件、氣候條件、土壤條件、土壤結(jié)構(gòu)、土地利用方式、植被覆蓋和降水過程等多種因素的影響,導(dǎo)致非點源污染的形成具有較大的不確定性. 目前國內(nèi)外對非點源污染的確定性因素研究較多, 而不確定性因素的研究較少,也不夠系統(tǒng)化5-6.目前用于非點源不確定性分析方法很多,如敏感性分析、一階誤差分析、蒙特卡羅方法、Bootstrap 方法、最大似然方法、貝葉斯法、離 散 Bayes 法、區(qū)域敏感性分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、 遺傳算法、模糊數(shù)學(xué)法、傅立葉敏感性檢驗法等, 國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了

8、很多研究工作,其中敏 感性分析、FOEA、蒙特卡羅方法和 Bootstrap 方法是不確定性分析最常用的方法7-10.本研究以三峽水庫大寧河流域作為研究區(qū) 域,利用分布式非點源模型 SWAT,采用 FOEA 方法來研究影響該流域非點源的不確定性參數(shù).針收稿日期：2006-11-28基金項目：國家“973”項目(2003CB415204)* 責(zé)任作者, 教授, zyshen4 期余 紅等：三峽水庫大寧河流域非點源污染參數(shù)的不確定性分析555對每個不確定性來源貢獻(xiàn)的相對重要性,提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh和管理措施,為大寧河流域的水污染控 制提供科學(xué)的依據(jù).式中: Qsed 為一天內(nèi)的產(chǎn)沙量,t; Qsurf

9、為一天內(nèi)的地表徑流量,mm; qpeak 為峰值流量,mm; Ahru 為水文響應(yīng)單元的面積,hm2; K為土壤可侵蝕性因usle子; Cusle 為作物經(jīng)營管理因子; Pusle 為土壤侵蝕資料與方法1防治措施因子; L為地形因子; F為土壤的usleCFRG糙度因子.1.1 研究區(qū)概況大寧河流域位于重慶市巫山縣和巫溪縣境 內(nèi),面積 4426km2,地處三峽庫區(qū)的腹心地帶.山地 占全流域面積的 95%以上,低山平壩面積不足5%,是長江三峽庫區(qū)重點淹沒地區(qū)之一.研究區(qū) 屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,光照充足,降水豐富,年平均氣溫 16.6,年降水量 1124.5mm. 流域內(nèi)平均海拔 119

10、7 m,主要土壤類型為地帶性 黃壤.流域內(nèi)的主要作物有玉米、小麥、水稻和馬鈴薯等.土地利用類型主要為耕地、草地和林有機氮負(fù)荷計算有機氮通過吸附于土1.2.3壤顆粒隨地表徑流從子流域中進(jìn)入河道.有機氮的計算采用下式: Qsed N= 0.001× C(4)surforgNN:sedAhru2式中: Nsurf 為有機氮流失量,kg/hm ; CorgN 為表層土壤中有機氮的濃度 ,kg/t; Qsed 為土壤流失 2量,t; Ahru 為水文響應(yīng)單元的面積,hm ; N:sed 為氮的富集比.有機磷負(fù)荷計算 有機磷的計算采用下式:地, 其面積分別占土地利用總面積的11.4%和 65.8

11、%.1.2SWAT 模型22.2% 、1.2.4 Qsed P= 0.001× C(5)surforgPP:sedAhruSWAT 模型是一個基于分布式、長時間序列的非點源污染模型,用來模擬土壤、土地利用 和管理措施對徑流、土壤侵蝕和農(nóng)田污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響5.有機磷流失量,kg/hm2; C式中: P為表層土surforgP壤中有機磷的濃度,kg/t; Q為土壤流失量,t; Asedhru為水文響應(yīng)單元的面積,hm2; 為磷的富集比.P:sed參數(shù)的不確定性分析參數(shù)敏感性分析1.31.3.1產(chǎn)流計算模型采用 SCS 徑流曲線數(shù)法1.2.1采用摩爾斯分類篩選計算不同土壤類型和土地利用

12、條件下的徑流量.SCS 曲線系數(shù)方程為:法進(jìn)行參數(shù)的敏感性分析,該方法是目前應(yīng)用較多的參數(shù)敏感性分析方法,具體做法是選定眾多 參數(shù)中的一個變量,進(jìn)而在該變量閾值范圍內(nèi)隨 機改變變量值,運行模型得到該變量不同值對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值,最終運用基本影響值來判斷參數(shù))2(R Iday aQsurf=(1)(Rday Ia + S )式中 : Qsurf 為地 表徑 流量 ,mm; Rday 為日降雨 量,mm; Ia 為初始的損耗,包括表層土的儲存、截流及徑流產(chǎn)前的入滲,mm;S 為持水系數(shù),可根據(jù)下式求得:11-12變化對輸出值的影響程度.(Yi +1 Yi ) /Y0n1SN = /n(6)i =0

13、(Pi +1 Pi ) /100S = 25400 254式中:SN 為敏感性判別因子, Y 為模型第 i 次運(2)i行輸出值, Yi +1 為模型第 i + 1次運行輸出值, Y0 為CN式中:CN 為該天的曲線系數(shù).參數(shù)調(diào)整后計算結(jié)果初試值, P 為第 i 次模型運i算參數(shù) 值相對于 校 準(zhǔn)后參 數(shù)值的變化 百分 1.2.2產(chǎn)沙計算由降雨和徑流引起的土壤侵蝕計算利用 MUSLE 模型計算.MUSLE 模型是一個改進(jìn)后的通用土壤流失方程,方程如下：率, P為第 I + 1 次模型運算參數(shù)值相對于校準(zhǔn)i +1后初試參數(shù)值的變化百分率,n 為模型運行次數(shù).)0.56= 11.8(Q q AQ1

14、.3.2FOEA 分析FOEA 已經(jīng)發(fā)展為一種最sedsurf peak hru(3) Kusle Cusle Pusle Lusle FCFRG具潛力和實用性的不確定性分析方法,被廣泛應(yīng)中 國 環(huán)境 科 學(xué)27 卷556用于水文模型和河流水質(zhì)模型的不確定性研究方面13-15.與敏感性分析不同,FOEA 在分析模型輸出 不確定性的關(guān)鍵參數(shù)時考慮參數(shù)敏感性和參數(shù)不確定性的共同影響.這種方法源自 Taylor 在平均值附近的一系列展開式,僅取一階微分：的個數(shù).如果所有的基本變量是相互獨立的(即不相 關(guān)),上式可以表示為:2n fVar C = 2 Var X (10)ci X i =1X m以上公

15、式中參數(shù)對總的輸出變量的貢獻(xiàn)可以用下式表示：f ( X ) +e ( XC = f ( X ) f ( X X )(7)eeX2 fSCi = X Var X i (11)式中：C 為連續(xù)模擬的輸出值; f(X)為模型中模擬C 物質(zhì)的計算式; Xe 為展開點的矢量.FOEA 中展開點通常是平均值(或某個其他 適合的中間值).因而,計算公式的期望值和方差近似表示為：i 式中：SCi 為輸入?yún)?shù)變量除以敏感性的平方.這個公式確認(rèn)和分級對特定的模型輸出有重要影響的參數(shù).EC f ( X m )(8)分析與討論2m f fnVarC =2.1參數(shù)敏感性分析敏感性分析結(jié)果見表 1.分別選取了對徑流 量、

16、泥沙負(fù)荷、有機氮和有機磷最敏感的 10 位參數(shù)進(jìn)行不確定性分析.Cov(Xi , Xj )(9)X Xi=1 j=1i Xj Xmm式中:Cov(Xi,Xj)為 Xi 和 Xj 的合方差,表示一個變量與另一個變量的相關(guān)程度;m,n 為基本變量 X表 1 敏感性分析結(jié)果Results of sensitivity analysisTable 1徑流量泥沙負(fù)荷有機氮有機磷參數(shù)敏感性參數(shù)敏感性參數(shù)敏感性參數(shù)敏感性土壤中有機氮初始濃度SOL-ORGN土壤中有機磷初始濃度 SOL-ORGP徑流曲線數(shù) CN20.232徑流曲線數(shù) CN24.035.482.74土壤蒸發(fā) 補償系 數(shù)ESCO 土壤剖面深度 S

17、OL-Z 土壤可利用水量 SOL-AWC植被冠層最大蓄水量CANMX生物混和 效率系 數(shù)BIOMIX土壤飽和水力傳導(dǎo)率SOL-K淺層地下水回流閾值 深度GWQMN深層水層滲透系數(shù)RCHRG-DP基流 a 系數(shù) ALPHA- BF泥沙輸 移線 性系 數(shù)SPCON土壤剖面深度 SOL-Z生物混 和效 率系 數(shù)BIOMIX土壤剖面深度 SOL-Z土壤剖面深度 SOL-Z0.1742.671.481.490.1352.64徑流曲線數(shù) CN2土壤可利用水量SOL-AWC1.27徑流曲線數(shù) CN2土壤可利用水量 SOL-AWC土壤蒸發(fā)補償系數(shù) ESCO土壤中可溶性磷初始 濃度 SOL-LABP1.210.

18、1142.460.4410.4740.0252 坡度 SLOPE土壤蒸發(fā)補償系數(shù) ESCO1.390.3850.407土壤可利用水量SOL-AWC0.02290.796坡度 SLOPE0.3790.4040.0082 水土保持因子 USLE-P水土保持施因子 USLE-P坡度 SLOPE0.7940.2760.385植被冠層最大蓄水量CANMX基流 a 系數(shù)ALPHA-BF0.0067 土壤蒸發(fā)補償系數(shù) ESCO0.4870.2150.362地 表徑流滯后時 間SURLAG植被 冠層 最大蓄水 量CANMX水土 保持措 施 因 子USLE-P植被冠層最大蓄水量CANMX基流 a 系數(shù) ALPH

19、A-BF0.2500.00340.4830.083土壤 飽和水力 傳 導(dǎo) 率SOL-K0.1990.00290.2730.0674 期余 紅等：三峽水庫大寧河流域非點源污染參數(shù)的不確定性分析557由表 1 縱向分析可見,各個輸出結(jié)果的敏感性參數(shù)不盡相同,由橫向看,徑流曲線數(shù)、土壤剖 面深度、土壤可利用水量、土壤飽和水力傳導(dǎo)率、坡度、土壤蒸發(fā)補償系數(shù)對徑流量、泥沙負(fù)荷、 有機氮和有機磷均具有一定的影響.根據(jù)參數(shù)敏感性分析結(jié)果,選取影響徑流量、泥沙負(fù)荷、有機氮和有機磷的最敏感的 10 位參數(shù) 進(jìn)行不確定性分析.采用 FOEA 來識別重要的不確定性參數(shù)以及計算每個參數(shù)對輸出結(jié)果不確定性 的貢獻(xiàn).如果

20、參數(shù)對總的方差的貢獻(xiàn)大于 5%,則認(rèn)為參數(shù)是不確定性的來源.計算結(jié)果見表 2.參數(shù)不確定性分析2.2表 2影響非點源污染不確定性的參數(shù)Table 2Parameter of affecting uncertainty in non-point source pollution標(biāo)準(zhǔn)偏差SD敏感性系數(shù)S=DY/DX方 差S2×SD2貢獻(xiàn)率(%)輸出結(jié)果參數(shù)等 級ESCOSOL-AWC CN2總計0.31310.24330.448816.277.553.4625.953.372.4178.7110.237.3096.24123徑流量CN2USLE-P SPCON SPEXP ESCO總計0

21、.44880.83264.69060.49860.3131231.7457.239.1978.06106.2010816.82270.21859.11515.01105.959.6812.5310.268.366.1096.9312345泥沙負(fù)荷SOL-ORGNCN2USLE-P總計2.00000.44880.8326201.38626.67228.09162217.579101.836065.554.6426.6412.1593.43123有機氮CN2USLE-P ESCOSOL-ORGP總計0.44880.83260.31310.8034279.02106.09157.5156.50156

22、80.97802.92432.22060.151.1725.467.946.7291.281234有機磷由表 2 可見,對徑流量來說,土壤蒸發(fā)補償系數(shù)、土壤可利用水量、徑流曲線數(shù)是較為重要的 不確定性參數(shù).泥沙的不確定性與徑流曲線數(shù)、水土保持因子、泥沙輸移線性系數(shù)、泥沙輸移指數(shù)系數(shù)、土壤蒸發(fā)補償系數(shù)這 5 個參數(shù)有關(guān).地 表土層初始有機氮濃度、徑流曲線數(shù)、水土保持 因子是有機氮重要的不確定性參數(shù).對有機磷不 確定性影響最顯著的是徑流曲線數(shù)、水土保持因 子、土壤蒸發(fā)補償系數(shù)、地表土層初始有機磷濃 度.這些參數(shù)對徑流量、泥沙負(fù)荷、有機氮和有 機磷的不確定性貢獻(xiàn)分別為 96.237%、96.928%

23、、93.432%和 91.283%.參數(shù)對徑流、泥沙負(fù)荷、有機氮、有機磷 4個輸出量的影響不盡相同.徑流曲線數(shù)對 4 個輸出變量的影響是顯著的,其中對泥沙的影響最顯 著,其貢獻(xiàn)率高達(dá) 59.68%;土壤蒸發(fā)補償系數(shù)對徑流、泥沙和有機磷的不確定性都有一定的影響.水土保持因子對泥沙、有機氮和有機磷都有 較顯著的影響.土壤可利用水量只對徑流有較為 顯著的影響,對其他輸出結(jié)果的影響不明顯.泥 沙輸移線性系數(shù)只對泥沙負(fù)荷有顯著的影響.地 表土層初始有機氮濃度僅對有機氮是較敏感的 因子.而地表土層初始有機磷濃度只對有機磷影 響較顯著.FOEA 的分析結(jié)果表明,只有少數(shù)幾個參數(shù) 對模型輸出結(jié)果的不確定性有顯

24、著的影響,而很中 國 環(huán)境科 學(xué)27 卷558多參數(shù)對模型輸出結(jié)果的不確定性影響很小或者沒有影響.對徑流量、泥沙負(fù)荷、有機氮、有 機磷模擬計算的不確定性影響最大的是徑流曲 線數(shù),說明非點源負(fù)荷的不確定性主要受徑流產(chǎn) 生過程參數(shù)的影響.這是因為徑流過程即是產(chǎn)生 的“驅(qū)動力”,也是污染負(fù)荷遷移轉(zhuǎn)化的“載體”. 因此,為了較精確預(yù)測流域污染負(fù)荷的產(chǎn)生量,需 要準(zhǔn)確確定與徑流過程相關(guān)的參數(shù)值.污染負(fù)荷的計算結(jié)果見表 3.離差系數(shù)表明 模型輸出結(jié)果的不確定性的大小,離差系數(shù)越高,表明輸出結(jié)果的不確定性越大9.從表 3 中可知泥沙的離差系數(shù)最高,為 88.77%,說明在非點源 模擬計算中,泥沙具有較高的不

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