饮用水源地非点源污染最佳管理措施多尺度协同优化配置研究

Due to strict control of point source pollution, the nitrogen and phosphorus loads originate mainly from non-point sources pollution (NPS) in recent decades. Best management practices (BMPs) have been shown to be effective in reducing the nutrient and sediment inputs to receiving water bodies. Although conservation practices can get significant effectiveness for pollution reduce from individual fields, scaling such benefits up to the watershed level (i.e., improvements in stream water quality) has been a difficult challenge. This difficulty highlights the need for NPS reduction programs that focus efforts within target watersheds and at specific locations within target watersheds, with the ultimate goal of improving stream water quality. Given the weaknesses mentioned above, we introduce a multi-scale framework for decision support that uses a combination of experiments, models, questionnaire, evolutionary algorithms, multivariate statistics analysis method and decision support tools to arrive at a realistic strategy to minimize non-point source pollution based on a spatial disaggregation and spatial aggregation methods. The trade-off curves of optimal plans for BMP placement and a series of prioritized plans for BMPs execution will obtained in watershed. This study will provides an systematic approach to determine more reasonable and feasible management practices system on more reasonable spatial scale for the protection of water quality and safety in watershed.

在点源污染逐渐得到有效控制的情况下，农业活动导致的非点源污染逐渐成为影响水环境质量安全的主要因素。推广实施最佳管理措施被认为是控制非点源污染的有效途径，但受到流域空间尺度变化和经济成本限制的影响，很难得到高效的实施执行。如何通过在不同空间尺度下对流域BMPs进行协同优化配置，实现水环境控制目标，已经成为非点源污染控制研究亟待解决的问题。本研究以流域空间尺度聚合和分散为主线，采用实地监测、模型耦合、问卷调查、优化算法及多元统计等方法，在对不同空间尺度非点源污染量化及措施经济可行性评估的基础上，建立基于空间聚合和分散过程的地块尺度最佳管理措施优化方案，集成流域尺度成本效益分析和控制措施优先实施区筛选技术，构建兼顾流域水环境质量改善及最佳管理措施可执行性的最佳管理措施配置方案。研究结果将有助于在大尺度区域开展流域非点源措施优化配置，可为保障流域水环境安全和污染防治提供依据。

在点源污染逐渐得到有效控制的情况下，农业活动导致的非点源污染逐渐成为影响水环境质量安全的主要因素。推广实施最佳管理措施被认为是控制非点源污染的有效途径，但受到流域空间尺度变化和经济成本限制的影响，很难得到高效的实施执行。如何通过在不同空间尺度下对流域BMPs进行协同优化配置，实现水环境控制目标，已经成为非点源污染控制研究亟待解决的问题。本研究以流域空间尺度聚合和分散为主线，采用实地监测、模型耦合、问卷调查、优化算法及多元统计等方法，在对不同空间尺度非点源污染量化及措施经济可行性评估的基础上，建立了流域不同空间尺度下最佳管理措施的优化方案，集成流域尺度成本效益分析和控制措施优先实施区筛选技术，构建兼顾流域水环境质量改善及最佳管理措施可执行性的最佳管理措施配置方案。研究结果表明（1）在饮用水水源保护区上游流域（如北京密云水库、贵州红枫湖流域），农业面源污染的负荷输出量通常达到了流域负荷总量的80%以上，且有75%~80%的输出时段在汛期；（2）中尺度流域中（通常流域面积在2000~5000 km2），农业面源污染物负荷量削减比例达到65%时，对应流域出口水环境总磷浓度发生显著下降的概率达到90%以上；（3）在以山区为主要地形的流域中，通过在流域总面积35%的地块内优化配置管理措施，就能够达到成本效益的最大化；（4）在流域面源污染管理措施的优化模拟中，采用矩阵式动态数据库与机理模型耦合的方法能够大幅度降低模拟运算的时间，提升工作效率。研究结果将有助于在大尺度区域开展流域非点源措施优化配置，可为保障流域水环境安全和污染防治提供依据。