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《重庆大学》 2009年
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嘉陵江流域非点源氮磷污染及其对重庆主城段水环境影响研究

刘腊美  
【摘要】: 氮磷营养盐的含量偏高是水体发生富营养化的基本条件,随着三峡水库的蓄水运行,长江和嘉陵江库区段的水文情势发生明显变化,库区水体潜在的富营养化问题成为人们关注的焦点。在点源污染逐步得到控制的情况下,非点源污染成为库区水环境污染的主要形式。嘉陵江是三峡水库流域面积最大的一级支流,是库区氮磷污染的主要背景输入之一。为改善库区水质,保障库区水环境安全,对嘉陵江流域非点源氮磷污染的时空变化规律和控制措施进行研究具有重要的理论意义和实践价值。 由于非点源污染具有随机性、广泛性和潜伏性的特点,研究和控制难度大,运用模型对其产生和输移过程进行数值模拟是目前非点源污染研究的重要手段。本研究在建立嘉陵江流域包含气象、地形地貌、土地利用、土壤类型、植被覆盖以及农业人口、畜禽养殖量等空间和属性环境数据库的基础上,通过引入具有物理机制的半分布式水文模型——SLURP模型,建立了由不同土地利用类型、农村居民生活和畜禽养殖产生的溶解态非点源氮磷污染的年负荷模型;以用于预测多年平均土壤侵蚀量的通用土壤流失方程——RUSLE方程为基础,通过考虑引起流域土壤流失年际变化的水文条件和人类活动因素,提出了能够反映流域输沙量逐年动态变化的新估算方法,建立了流域吸附态非点源氮磷污染年负荷模型。由此构建了嘉陵江流域非点源氮磷污染年负荷模型,并进行了验证。应用所建模型,在GIS平台下,采用空间栅格算法,对1990~2007年嘉陵江流域溶解态和吸附态非点源氮磷污染负荷进行了时空分布模拟,对各种污染来源的贡献率、污染形态、关键“源”区进行了定量分析,并依据分析结果指出了需要重点治理的区域及相应的最佳治理措施。为深入研究陆域产生的非点源氮磷污染进入河道后在受纳水体中的输移转化规律及其对水环境的影响,将非点源氮磷污染负荷动态模型与受纳水体生态动力学模型有机耦合,对嘉陵江重庆主城段的水动力特征、氮磷浓度时空分布和藻类生长情况进行了模拟与分析。 论文的主要研究成果为: ①首次将SLURP水文模型引入非点源污染的模拟研究中,利用其具有物理机制、适合大型山地流域且以土地利用类型为研究单元的优点,代替大多数非点源污染模型采用的SCS-CN统计经验法,作为嘉陵江流域非点源污染模型的水文子模型,通过参数优化,提高了非点源污染的驱动力——降雨-径流的模拟精度,进而提高了非点源氮磷污染负荷估算的准确性。 ②鉴于嘉陵江流域水沙量不仅受降雨-径流的影响,还受“长治”水土保持重点工程治理进度的影响,因而不仅呈现大水大沙的现象,还呈现输沙量显著减少的趋势,因而多数非点源污染模型中使用的、用于预测多年平均土壤侵蚀量的美国RUSLE方程不能满足动态研究需要,因此本研究以RUSLE方程为基础,从影响土壤流失年际变化的水文条件和人类活动因素着手,并从泥沙输移路径的角度考虑泥沙输移比的空间分布,提出了能反映流域输沙量逐年动态变化的新估算方法,由此建立了流域吸附态非点源污染动态模型,实现了对流域水土流失、吸附态非点源氮磷污染的时空分布模拟。 ③在流域输沙量动态模型的建立中,由于研究时段长、研究流域尺度大,对输沙量各影响因子进行全流域逐年动态监测十分困难,考虑输沙量的年际变化主要受降雨-径流水文条件和水土保持措施等土地管理活动的影响,首次提出与地表径流模数和治理时间相关的综合影响因子,并通过因次分析法和二元非线型回归法确定了具体的表达式。 ④针对嘉陵江水文、气候和地形等特点,构建嘉陵江重庆主城段的生态动力学模型,鉴于水动力条件对藻类生长有明显的影响,在模型中引入了水动力因子,提出了该因子的表达式,并应用实测资料对表达式中的参数进行了率定。将水体的生态动力学模型与前述所建的非点源污染负荷模型耦合,模拟非点源氮磷污染进入河道后的输移转化过程及其对藻类生长的影响。
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