三峡水库大宁河流域非点源污染参数的不确定性分析

1、三峡水库大宁河流域非点源污染参数的不确定性分析红,沈珍瑶* (北京师范大学环境学院,北京 100875)余摘要：以大宁河流域为研究区,在基于参数敏感性分析的基础上,分别选取对径流量、泥沙负荷、有机氮和有机磷模拟计算最敏感的前 10位参数,采用 FOEA(first-order error analysis)不确定性分析方法,分析这些参数对非点源负荷不确定性的影响.结果表明,仅有少数几个参数 对模型输出结果的不确定性有显著影响,这些参数对不确定性的贡献在 90%以上.对泥沙负荷、有机氮、有机磷模拟计算的不确定性影响 最大的是径流曲线数,说明非点源污染负荷的不确定性主要受径流产生过程的参数的影响.

2、在径流量、泥沙负荷、有机氮和有机磷 4 个输 出结果中,泥沙的不确定性最大.关键词：非点源污染；FOEA；不确定性中图分类号：X32文献标识码：A文章编号：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造成水环境污染的来源,根据排放方式的不同,可分为点源污染和非点源污染1.与点源污染相比,非点源污染具有以下特点,发生具有随机性;污染 物的来源和排放点不固定,排放具有间歇性;污染负荷的时间(次降

7、雨径流过程、年内不同季节及年际间)和空间变化幅度大;监测、控制和处理困难而 复杂2-4.非点源污染的产生和形成过程受区域地 理条件、气候条件、土壤条件、土壤结构、土地利用方式、植被覆盖和降水过程等多种因素的影响,导致非点源污染的形成具有较大的不确定性. 目前国内外对非点源污染的确定性因素研究较多, 而不确定性因素的研究较少,也不够系统化5-6.目前用于非点源不确定性分析方法很多,如敏感性分析、一阶误差分析、蒙特卡罗方法、Bootstrap 方法、最大似然方法、贝叶斯法、离 散 Bayes 法、区域敏感性分析方法、神经网络法、 遗传算法、模糊数学法、傅立叶敏感性检验法等, 国内外学者在这方面做了

8、很多研究工作,其中敏 感性分析、FOEA、蒙特卡罗方法和 Bootstrap 方法是不确定性分析最常用的方法7-10.本研究以三峡水库大宁河流域作为研究区 域,利用分布式非点源模型 SWAT,采用 FOEA 方法来研究影响该流域非点源的不确定性参数.针收稿日期：2006-11-28基金项目：国家“973”项目(2003CB415204)* 责任作者, 教授, zyshen4 期余 红等：三峡水库大宁河流域非点源污染参数的不确定性分析555对每个不确定性来源贡献的相对重要性,提出适当的建议和管理措施,为大宁河流域的水污染控 制提供科学的依据.式中: Qsed 为一天内的产沙量,t; Qsurf

9、为一天内的地表径流量,mm; qpeak 为峰值流量,mm; Ahru 为水文响应单元的面积,hm2; K为土壤可侵蚀性因usle子; Cusle 为作物经营管理因子; Pusle 为土壤侵蚀资料与方法1防治措施因子; L为地形因子; F为土壤的usleCFRG糙度因子.1.1 研究区概况大宁河流域位于重庆市巫山县和巫溪县境 内,面积 4426km2,地处三峡库区的腹心地带.山地 占全流域面积的 95%以上,低山平坝面积不足5%,是长江三峡库区重点淹没地区之一.研究区 属于北亚热带季风气候,四季分明,光照充足,降水丰富,年平均气温 16.6,年降水量 1124.5mm. 流域内平均海拔 119

10、7 m,主要土壤类型为地带性 黄壤.流域内的主要作物有玉米、小麦、水稻和马铃薯等.土地利用类型主要为耕地、草地和林有机氮负荷计算有机氮通过吸附于土1.2.3壤颗粒随地表径流从子流域中进入河道.有机氮的计算采用下式: Qsed N= 0.001× C(4)surforgNN:sedAhru2式中: Nsurf 为有机氮流失量,kg/hm ; CorgN 为表层土壤中有机氮的浓度 ,kg/t; Qsed 为土壤流失 2量,t; Ahru 为水文响应单元的面积,hm ; N:sed 为氮的富集比.有机磷负荷计算 有机磷的计算采用下式:地, 其面积分别占土地利用总面积的11.4%和 65.8

11、%.1.2SWAT 模型22.2% 、1.2.4 Qsed P= 0.001× C(5)surforgPP:sedAhruSWAT 模型是一个基于分布式、长时间序列的非点源污染模型,用来模拟土壤、土地利用 和管理措施对径流、土壤侵蚀和农田污染物迁移转化的影响5.有机磷流失量,kg/hm2; C式中: P为表层土surforgP壤中有机磷的浓度,kg/t; Q为土壤流失量,t; Asedhru为水文响应单元的面积,hm2; 为磷的富集比.P:sed参数的不确定性分析参数敏感性分析1.31.3.1产流计算模型采用 SCS 径流曲线数法1.2.1采用摩尔斯分类筛选计算不同土壤类型和土地利用

12、条件下的径流量.SCS 曲线系数方程为:法进行参数的敏感性分析,该方法是目前应用较多的参数敏感性分析方法,具体做法是选定众多 参数中的一个变量,进而在该变量阈值范围内随 机改变变量值,运行模型得到该变量不同值对应的目标函数值,最终运用基本影响值来判断参数)2(R Iday aQsurf=(1)(Rday Ia + S )式中 : Qsurf 为地 表径 流量 ,mm; Rday 为日降雨 量,mm; Ia 为初始的损耗,包括表层土的储存、截流及径流产前的入渗,mm;S 为持水系数,可根据下式求得:11-12变化对输出值的影响程度.(Yi +1 Yi ) /Y0n1SN = /n(6)i =0

13、(Pi +1 Pi ) /100S = 25400 254式中:SN 为敏感性判别因子, Y 为模型第 i 次运(2)i行输出值, Yi +1 为模型第 i + 1次运行输出值, Y0 为CN式中:CN 为该天的曲线系数.参数调整后计算结果初试值, P 为第 i 次模型运i算参数 值相对于 校 准后参 数值的变化 百分 1.2.2产沙计算由降雨和径流引起的土壤侵蚀计算利用 MUSLE 模型计算.MUSLE 模型是一个改进后的通用土壤流失方程,方程如下：率, P为第 I + 1 次模型运算参数值相对于校准i +1后初试参数值的变化百分率,n 为模型运行次数.)0.56= 11.8(Q q AQ1

14、.3.2FOEA 分析FOEA 已经发展为一种最sedsurf peak hru(3) Kusle Cusle Pusle Lusle FCFRG具潜力和实用性的不确定性分析方法,被广泛应中 国 环境 科 学27 卷556用于水文模型和河流水质模型的不确定性研究方面13-15.与敏感性分析不同,FOEA 在分析模型输出 不确定性的关键参数时考虑参数敏感性和参数不确定性的共同影响.这种方法源自 Taylor 在平均值附近的一系列展开式,仅取一阶微分：的个数.如果所有的基本变量是相互独立的(即不相 关),上式可以表示为:2n fVar C = 2 Var X (10)ci X i =1X m以上公

15、式中参数对总的输出变量的贡献可以用下式表示：f ( X ) +e ( XC = f ( X ) f ( X X )(7)eeX2 fSCi = X Var X i (11)式中：C 为连续模拟的输出值; f(X)为模型中模拟C 物质的计算式; Xe 为展开点的矢量.FOEA 中展开点通常是平均值(或某个其他 适合的中间值).因而,计算公式的期望值和方差近似表示为：i 式中：SCi 为输入参数变量除以敏感性的平方.这个公式确认和分级对特定的模型输出有重要影响的参数.EC f ( X m )(8)分析与讨论2m f fnVarC =2.1参数敏感性分析敏感性分析结果见表 1.分别选取了对径流 量、

16、泥沙负荷、有机氮和有机磷最敏感的 10 位参数进行不确定性分析.Cov(Xi , Xj )(9)X Xi=1 j=1i Xj Xmm式中:Cov(Xi,Xj)为 Xi 和 Xj 的合方差,表示一个变量与另一个变量的相关程度;m,n 为基本变量 X表 1 敏感性分析结果Results of sensitivity analysisTable 1径流量泥沙负荷有机氮有机磷参数敏感性参数敏感性参数敏感性参数敏感性土壤中有机氮初始浓度SOL-ORGN土壤中有机磷初始浓度 SOL-ORGP径流曲线数 CN20.232径流曲线数 CN24.035.482.74土壤蒸发 补偿系 数ESCO 土壤剖面深度 S

17、OL-Z 土壤可利用水量 SOL-AWC植被冠层最大蓄水量CANMX生物混和 效率系 数BIOMIX土壤饱和水力传导率SOL-K浅层地下水回流阈值 深度GWQMN深层水层渗透系数RCHRG-DP基流 a 系数 ALPHA- BF泥沙输 移线 性系 数SPCON土壤剖面深度 SOL-Z生物混 和效 率系 数BIOMIX土壤剖面深度 SOL-Z土壤剖面深度 SOL-Z0.1742.671.481.490.1352.64径流曲线数 CN2土壤可利用水量SOL-AWC1.27径流曲线数 CN2土壤可利用水量 SOL-AWC土壤蒸发补偿系数 ESCO土壤中可溶性磷初始 浓度 SOL-LABP1.210.

18、1142.460.4410.4740.0252 坡度 SLOPE土壤蒸发补偿系数 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植被冠层最大蓄水量CANMX基流 a 系数ALPHA-BF0.0067 土壤蒸发补偿系数 ESCO0.4870.2150.362地 表径流滞后时 间SURLAG植被 冠层 最大蓄水 量CANMX水土 保持措 施 因 子USLE-P植被冠层最大蓄水量CANMX基流 a 系数 ALPH

19、A-BF0.2500.00340.4830.083土壤 饱和水力 传 导 率SOL-K0.1990.00290.2730.0674 期余 红等：三峡水库大宁河流域非点源污染参数的不确定性分析557由表 1 纵向分析可见,各个输出结果的敏感性参数不尽相同,由横向看,径流曲线数、土壤剖 面深度、土壤可利用水量、土壤饱和水力传导率、坡度、土壤蒸发补偿系数对径流量、泥沙负荷、 有机氮和有机磷均具有一定的影响.根据参数敏感性分析结果,选取影响径流量、泥沙负荷、有机氮和有机磷的最敏感的 10 位参数 进行不确定性分析.采用 FOEA 来识别重要的不确定性参数以及计算每个参数对输出结果不确定性 的贡献.如果

20、参数对总的方差的贡献大于 5%,则认为参数是不确定性的来源.计算结果见表 2.参数不确定性分析2.2表 2影响非点源污染不确定性的参数Table 2Parameter of affecting uncertainty in non-point source pollution标准偏差SD敏感性系数S=DY/DX方 差S2×SD2贡献率(%)输出结果参数等 级ESCOSOL-AWC CN2总计0.31310.24330.448816.277.553.4625.953.372.4178.7110.237.3096.24123径流量CN2USLE-P SPCON SPEXP ESCO总计0

21、.44880.83264.69060.49860.3131231.7457.239.1978.06106.2010816.82270.21859.11515.01105.959.6812.5310.268.366.1096.9312345泥沙负荷SOL-ORGNCN2USLE-P总计2.00000.44880.8326201.38626.67228.09162217.579101.836065.554.6426.6412.1593.43123有机氮CN2USLE-P ESCOSOL-ORGP总计0.44880.83260.31310.8034279.02106.09157.5156.50156

22、80.97802.92432.22060.151.1725.467.946.7291.281234有机磷由表 2 可见,对径流量来说,土壤蒸发补偿系数、土壤可利用水量、径流曲线数是较为重要的 不确定性参数.泥沙的不确定性与径流曲线数、水土保持因子、泥沙输移线性系数、泥沙输移指数系数、土壤蒸发补偿系数这 5 个参数有关.地 表土层初始有机氮浓度、径流曲线数、水土保持 因子是有机氮重要的不确定性参数.对有机磷不 确定性影响最显著的是径流曲线数、水土保持因 子、土壤蒸发补偿系数、地表土层初始有机磷浓 度.这些参数对径流量、泥沙负荷、有机氮和有 机磷的不确定性贡献分别为 96.237%、96.928%

23、、93.432%和 91.283%.参数对径流、泥沙负荷、有机氮、有机磷 4个输出量的影响不尽相同.径流曲线数对 4 个输出变量的影响是显著的,其中对泥沙的影响最显 著,其贡献率高达 59.68%;土壤蒸发补偿系数对径流、泥沙和有机磷的不确定性都有一定的影响.水土保持因子对泥沙、有机氮和有机磷都有 较显著的影响.土壤可利用水量只对径流有较为 显著的影响,对其他输出结果的影响不明显.泥 沙输移线性系数只对泥沙负荷有显著的影响.地 表土层初始有机氮浓度仅对有机氮是较敏感的 因子.而地表土层初始有机磷浓度只对有机磷影 响较显著.FOEA 的分析结果表明,只有少数几个参数 对模型输出结果的不确定性有显

24、著的影响,而很中 国 环境科 学27 卷558多参数对模型输出结果的不确定性影响很小或者没有影响.对径流量、泥沙负荷、有机氮、有 机磷模拟计算的不确定性影响最大的是径流曲 线数,说明非点源负荷的不确定性主要受径流产 生过程参数的影响.这是因为径流过程即是产生 的“驱动力”,也是污染负荷迁移转化的“载体”. 因此,为了较精确预测流域污染负荷的产生量,需 要准确确定与径流过程相关的参数值.污染负荷的计算结果见表 3.离差系数表明 模型输出结果的不确定性的大小,离差系数越高,表明输出结果的不确定性越大9.从表 3 中可知泥沙的离差系数最高,为 88.77%,说明在非点源 模拟计算中,泥沙具有较高的不

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