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《西南大学》 2016年
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三峡库区氮、磷面源污染负荷模拟及水质评价

王丹  
【摘要】:水体污染导致水质下降已成为环境污染的全球性问题,且面源污染是水环境污染和引发水体富营养化的主要原因之一,是影响和制约国家和地区全面发展的关键问题。三峡库区作为一特殊的地理区域,高农业化肥施用量和严重水土流失、大坝建设后的回水效应、库区的移民大开发建设等使得库区流域的水环境安全形势严峻。尽管国家及区域层面在水土保持和水质保护方面有大量投入,但在库区地形起伏大、化肥(农药)施用量增加、大型工程扰动等胁迫下,使得面源污染问题特别是农业氮、磷污染问题一直存在于三峡库区建设发展过程中,这已经成为水库安全运营和经济发展所必须面对的关键“瓶颈”问题。因此,开展三峡库区这一大尺度空间范围的氮、磷面源污染负荷模拟及其水质评价对三峡库区生态文明建设有重要的理论和现实意义。本研究基于三峡库区这一特定区域,以面源污染负荷模拟、“源/汇”景观格局与水质评价为主线,结合库区自然环境的空间差异,对已有面源污染负荷模拟模型、“源/汇”格局识别方法和水质评价模型进行改进与修正,构建了泥沙输移比模型、修正了输出系数模型和景观阻/动力成本模型,为库区面源污染负荷模拟、“源/汇”格局与水质评价提供了新的研究思路和方法。首先,重点考虑泥沙输移比,通过构建影响泥沙输移的动力和阻力系数的大尺度区域泥沙输移比模型,并应用已有的土壤侵蚀模型、泥沙负荷模型和吸附态氮、磷污染负荷模型,估算了1990-2010年间五期(1990、1995、2000、2005和2010年)库区泥沙负荷和吸附态氮磷污染负荷;同时在Johnes输出系数模型基础上,引入产污和截污系数,改进已有的土地利用输出系数,构建改进型输出系数模型,估算了库区20年间五期不同土地利用下的溶解态氮、磷污染负荷,并进行空间模拟、动态分析和结果验证。其次,从影响面源污染过程的阻/动力着手,依据成本距离模型,融合各景观要素并考虑景观单元与子流域出水口的距离因素,建立影响面源污染“源/汇”格局的景观阻/动力成本模型,并将其应用于三峡库区面源污染的景观阻/动力评价和“源/汇”格局识别研究中。最后,利用三峡库区入、出库年均、季均统计数据和水质标准,基于灰色关联系数矩阵的TOPSIS法进行水质状况评价与对比分析,结合相对贴近度,通过R/S分析法探索入、出库水质变化的未来趋势。以期为库区面源污染负荷模拟、“源/汇”格局与水质评价提供新的研究思路和方法。结果表明:(1)影响三峡库区泥沙输移的动力系数主要集中在中等以上区间(0.4,0.8),空间异质性不显著,而阻力系数表现较为复杂,坡度低的平行岭谷区和河流冲积缓坡以及台地区较高,坡度陡的秦巴山地北部区和武陵山区的高山峡谷地带偏低。库区泥沙输移比呈“单峰”结构,近似正态分布,均值为0.48。中、西部平行岭谷区泥沙输移比较小,武陵山区和秦巴山区较高,以河流河道为中心向两侧呈梯度增大趋势;泥沙负荷均值与负荷总量的年际变化趋势相同,泥沙负荷总量的模拟值(0.9亿t)接近于1995年的公报监测值(0.92亿t),相对误差-2.17%,其次为2000年,相对误差-5.00%,而相差最大的是2010年,相对误差-57.64%;空间格局上因近10年库区泥沙负荷量的均值变化不大,泥沙负荷的低值区与高值区的空间分布比较稳定,低值区的分布范围广泛,集中度高,而高值区的分布较为离散和破碎。(2)吸附态氮磷负荷量与土壤侵蚀模数、泥沙负荷量在数值上同比增长,在2010年负荷总量达到最大值,分别为1.2亿t和0.6亿t。空间上总体分布相似,具有不平衡特征,从东向西呈逐渐减小趋势。与监测数据的相关分析显示,吸附态氮负荷的模拟效果(r2=0.6667)比吸附态磷(r2=0.4336)更好,且吸附态氮的模拟结果的均值以20t为界,大于20t的6个流域主要集中在中下游,尤其是澎溪河、磨刀溪、大宁河和汤溪河流域;吸附态磷的分界值为10t,大于10t的有大宁河和汤溪河流域,同时吸附态氮、磷负荷在库区流域内存在空间相关性。(3)通过改进前后的输出系数模型估算不同土地利用方式下的溶解态氮、磷污染负荷,发现改进前后五期库区水田的溶解态氮磷污染负荷分别以10000t和1500t为界,且改进后的模拟值均大于改进前,水田主要分布于地势相对平缓区,产污能力较强,改进后水田的污染负荷明显增大;旱地的溶解态氮磷污染负荷的贡献占比最大,各时期改进前后的模拟值均大于30000t,但改进前后的增量远小于水田,时间动态上表现出先增大后减小趋势。五期库区林草地的溶解态氮磷污染负荷表现为改进后小于改进前,其中林地的溶解态氮污染负荷改进前均大于5100t,改进后均小于4900t,溶解态磷污染负荷改进前后以310t为界;草地的溶解态氮污染负荷改进前后以3000t为界;建设用地的溶解态氮磷污染负荷最小,但呈逐年增加趋势。(4)三峡库区16大子流域的景观阻/动力系数的均值变化趋势在空间分布上展现为此消彼长的关系,总体上越往库区流域的下游方向,景观阻力系数的均值变化越呈上升趋势,而景观动力系数则相反。整体上16大子流域沿长江流向的平均景观阻/动力成本曲线比景观阻/动力系数曲线表现得更具有波动性,但考虑流域面源污染物运移所耗费的距离成本,景观阻/动力成本更能反映库区流域面源污染的动态过程。景观阻/动力成本差所反映出的源/汇景观格局主要表现为,库区高海拔地区内影响面源污染的景观阻/动力成本差均值小,尤其是湖北段的龙船河流域(第15)和香溪河流域(第16)的成本差均值小于-2000,“汇”景观贡献大,因此“汇”的作用强,“源”的作用弱;而低海拔地区相反,其景观阻/动力成本差均值大,特别是嘉陵江流域(第2)为最高值(2003.32),“源”景观贡献大,因此“源”的作用强,“汇”的作用弱。(5)三峡库区入、出库水质在2004-2014年间均介于Ⅰ、Ⅱ类间,其中2004-2007、2012-2014年间均为Ⅰ类,2008年均为Ⅱ类,2009-2010年间均在Ⅰ、Ⅱ类间变动,且均距Ⅰ类较近;其中长江干流入、出库断面溶解氧(do)的年均值以Ⅰ类水质标准为主,少数年份为Ⅱ类水质标准,时间变化上,入、出库断面DO指标的波动存在显著阶段性,存在蓄水阶段性特征;高锰酸盐指数(COD_(Mn))和氨氮(NH_3-N)的年均值偏离Ⅰ类水质标准的年份减少,偏近Ⅱ类水质标准的年份增多,且入库比出库的水质要差,以及随着时间推进出库断面的水质逐渐呈好。(6)入、出库断面每年四个季度水质的相对贴近度均在Ⅰ、Ⅱ类间波动,但更偏近于Ⅰ类,这一趋势在多年平均情况中最为显著,其中入库断面的DO指标季均值在2004-2014年间表现为中间时间段(2008-2010年)小于前(2004-2007年)和后(2011-2014年)两个时间段,除2006年第二季和2007年第一季外,其余年份的出库断面的DO指标季均值均在Ⅰ类水质标准线上下波动;入库断面COD_(Mn)指标的2004年第二季度均值(4.8 mg/L)超过Ⅱ类水质标准线,出库断面的COD_(Mn)指标的2004-2008年的季均值几乎都在Ⅰ类和Ⅱ类水质标准线间波动,2009年后COD_(Mn)的水质开始好转;入库断面的NH_3-N指标季均值在2004第一季度和2005年第一、二季度仅达到Ⅲ类水质标准,出库断面的NH_3-N指标季均值在2004-2014年间的年际变化趋势类似于COD_(Mn),不同的是Ⅰ类水质标准出现的时间延后到2012年;入库断面总磷含量高于出库断面,时间变化上,在2009年蓄水达到175m前,入库与出库断面的总磷含量均呈现下降的趋势,由Ⅲ类水质标准提升至Ⅱ类水质标准,2009年以后,总磷含量得到回升,由Ⅱ类水质标准降低到Ⅲ类水质标准。整体上,2005-2007、2009、2010和2013年出入库两断面水质在四个季度中存在着相反的变化趋势。年均变化上,三峡库区入、出库断面水质的未来年均变化趋势与过去存在很好的一致性,表现为较强的长程依赖性和持续性。入库断面的Hurst指数为0.668,出库断面为0.6201,均大于0.5,但是偏远于1,这种水质变好的趋势在将来的变化中并不稳定,具有一定的随机性。综上所述,本研究改进型输出系数模型显著提高了库区不同土地利用下溶解态氮磷污染负荷的模拟精度,但相比改进前溶解态磷的模拟精度的提高幅度低于溶解态氮。构建的景观阻/动力成本模型应用在大尺度影响面源污染的“源/汇”格局识别上具有一定的可行性,除了对氨氮与总氮外,源/汇景观格局指数对其他污染物的相关系数要大于景观阻/动力成本指标,且结合空间位置和景观阻/动力系数的“源/汇”景观格局指数更能刻画大尺度面源污染形成的空间特征。三峡库区长江干流入、出库断面的四个季度水质的未来变化趋势表现出同过去由反向向正向持续性的过渡,但各断面水质的季均未来变化趋势要弱于年均未来变化趋势的程度,且出库断面水质的未来变化趋势在四个季度中表现出与过去正反持续性的交替变换。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X524;X824

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