城乡交错带复杂面源污染边界效应及模型改进研究

Urban-rural fringe is a special transitional zone under the context of rapid urbanization, characterized by mixed urban and agricultural non-point source (NPS) pollution. Complex NPS pollution of urban-rural fringe has become one of the major driving factors of water eutrophication. The spatial heterogeneity of land use in this area triggered the border effect on the border of agricultural and urban NPS region, and there is no suitable model for accurate simulation of complex non-point source pollution till now. Aimed at this issue, this project chooses the Tangxun watershed as research area, and plans to conduct quantitative study on the mechanism of urban-rural border effect on phosphorus transport and transformation in terms of spatial heterogeneity of land use. Based on the mechanistic analysis, combining GIS technology and source code modifications, the complex NPS mechanism model improved from Hydrologic simulation program-fortran (HSPF) will be developed to accurately simulate the spatial-temporal change of phosphorus load. This project will enrich the research contents on NPS pollution in china, and its research findings will possess vital theoretical significance and practical value for controlling NPS pollution and improving living environment in urban-rural fringe.

城乡交错带是快速城市化背景下位于城市与乡村之间的过渡性区域，兼具农业面源和城市面源污染特征，其复杂面源污染已成为水体富营养化的主要驱动因素之一。城乡交错带内土地利用空间异质性导致存在“农业/城区源区”边界效应，目前尚无合适的模型用于复杂面源污染的准确模拟。针对这一问题，本项目拟选取位于城乡交错带的汤逊湖流域作为研究区域，从土地利用空间异质性出发，定量研究“农业/城市源区”边界效应对磷素迁移转化的作用机制，在此基础上结合GIS空间分析技术和源代码修改等方法改进HSPF模型，开发反映边界效应的城乡交错带复杂面源污染机理模型，并进一步准确模拟多情景下的磷复杂面源污染负荷时空变化规律。该项目的实施将丰富我国面源污染的研究内容，研究成果对于控制城乡交错带复杂面源污染、改善城乡环境具有重要的理论意义和实用价值。

城乡交错带是快速城市化背景下位于城市与乡村之间的过渡性区域，城乡交错带内土地利用空间异质性导致存在“农业/城区源区”边界效应。本项目围绕城乡交错带面源污染边界效应及模型改进开展工作，完成了研究目标。首先，综合考虑城乡交错带景观格局和地理特征，将面源污染边界效应划分为景观尺度边界效应和坡面尺度边界效应2个尺度；基于GIS技术、缓冲区分析、汇流路径分析提取了城乡交错带关键界面，基于汇流路径分析提取了可能发生跨界汇流的有效关键界面；基于自组织映射模型（SOM）和线性拟合方法定量与定性相结合地识别了城市化背景下城乡交错带磷素流失主控因子；明确了景观尺度和坡面尺度边界效应对城乡交错带磷素流失影响的表达，制定了HSPF模型改进方案：针对坡面尺度边界效应，建设用地（不透水地表）-农用地（透水地表）界面是汤逊湖流域主导有效关键界面，以透水性作为流域HRU及子流域划分的首要依据，进一步通过HSPF中的透水模块和不透水模块实现对坡面尺度边界效应的表达；针对景观尺度边界效应，提取流域雨水收集井-雨水管道-出水口拓扑结果，在基于DEM绘制的汇流路径基础上，修正流域汇流路径，以此准确、差异性表达流域城市区域组织排放、农业区域非组织排放对汇流的影响。HSPF模型由于具有透水面水文水质模拟模块（PERLND）和不透水面水文水质模拟模块（IMPLND），具备模拟城市和农业混合区域面源污染负荷的潜力。基于景观和坡面尺度边界效应改进后的HSPF模型被有效用于城乡交错带汤逊湖流域磷素面源污染负荷模拟。