三峡库区小江流域非点源污染负荷模拟研究

论文摘要

三峡水库二期蓄水后,库区内河流水文情势发生了转变,库周次级河流受干流水位壅升、回水顶托的影响,回水段流速变缓,水中夹带的泥沙大量沉积,库区大部分次级河流富营养化现象频发。位于三峡库区北岸流域面积最大的一级支流小江,其回水区水质污染加剧,年年暴发水华。小江流域是典型的叶形丘陵山地,山高谷深,坡耕地多,土壤侵蚀、流失严重,非点源污染成为小江的主要污染源。因此,开展对小江流域的非点源污染负荷的研究,揭示库区典型流域非点源污染的相关规律,对于三峡库区社会、经济和环境的可持续发展、促进库区生态和谐以及保障库区水环境安全具有重要意义。本研究通过引入具有物理机制的SLURP分布式水文模型,以流域土地利用类型为研究单元,考虑溶解态氮、磷在输移过程中的损失,借助GIS技术,分别建立了流域土地利用输出和农村居民点非点源污染年负荷模型,构建了流域溶解态非点源氮磷污染年负荷模型;同时,以RULSE美国通用土壤流失方程为基础,鉴于与吸附态负荷有关的流域降雨、土壤、地形、植被、水土保持、泥沙输移比等因素具有不确定性的特点,运用盲数来定义各因子的不确定性,构建了盲数理论与GIS下的吸附态非点源污染负荷动态数学模型,对所建立的模型用相关数据进行了验证。根据所建模型,对三峡库区小江流域1991～2007年不同类型溶解态、流域土壤流失产生的吸附态非点源氮磷的年输出量以及产生的负荷进行了不同来源和状态的时空分布模拟和定量估算。主要研究结论如下:①从时间序列上来看,流域出口1991～2007年非点源氮磷污染负荷逐年变化明显,这与年际水文变化有关,非点源污染受径流量的变化影响显著。1991～2007年流域出口非点源氮磷平均年负荷分别为6039.51t/a和344.38t/a。流域出口氮磷负荷的年际变化受年降雨量和年径流总量的大小影响显著。②从空间分布上来看,流域非点源氮磷污染最严重的地区主要分布在浦里河流域,尤其是上游流域,东河中下游,南河沿岸人口聚集区,1991～2007年内流域最高非点源总氮、总磷流失模数分别为2.0t/km~2,0.12 t/km~2;该时段内流域最低非点源总氮、总磷流失模数分别为0.662 t/km~2,0.037 t/km~2。③流域溶解态氮磷污染物与流域水文过程关系密切。多年平均溶解态非点源氮磷污染负荷占流域出口总负荷的比例分别为50%左右和20%左右,其中,土地利用输出和农村居民点总氮入河负荷贡献率分别为81.18%和18.82%;总磷入河负荷贡献率分别为89.58%和10.42%,土地利用输出氮磷负荷占有绝对优势。④流域吸附态氮磷污染负荷主要与土壤侵蚀量与输沙量有关,而土壤侵蚀量和输沙量与流域降雨径流量大小密切相关。多年平均吸附态非点源氮磷污染负荷占流域出口总负荷的比例分别为50%左右和80%左右,而吸附态氮磷污染负荷的来源主要是旱田及混合地、草地,二者氮磷入河负荷的贡献率分别为55%～60%和35%左右。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 非点源污染研究的必要性
• 1.1.1 课题提出的背景与研究意义
• 1.1.2 非点源与非点源污染的概念
• 1.1.3 非点源污染的来源及特点
• 1.1.4 非点源污染的危害及现状
• 1.2 国内外非点源污染模拟研究现状
• 1.2.1 国外非点源污染模拟研究现状
• 1.2.2 国内非点源污染模拟研究现状
• 1.2.3 非点源污染研究存在的问题及发展思路
• 1.3 课题研究的目的、内容和技术路线
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 研究内容与技术路线
• 1.4 课题研究的创新之处
• 2 三峡库区小江流域概况及其环境数据库的建立
• 2.1 研究区域自然环境概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 植被现状
• 2.1.4 流域水系及河流形态
• 2.1.5 流域气候气象概况
• 2.1.6 流域水文特征
• 2.1.7 流域土地资源
• 2.2 流域社会经济状况
• 2.2.1 流域人口行政
• 2.2.2 流域经济概况
• 2.3 流域生态环境状况
• 2.3.1 流域面临重大生态环境问题
• 2.3.2 水土流失现状及成因分析
• 2.4 流域环境数据库的构建
• 2.4.1 基础数据准备
• 2.4.2 环境数据库实现的方法
• 2.4.3 环境数据库的实现
• 3 SLURP与GIS下小江流域溶解态非点源污染负荷研究
• 3.1 SLURP水文模型
• 3.1.1 SLURP水文模型及其特点
• 3.1.2 SLURP模型结构和原理
• 3.2 流域基础数据的输入与信息的提取
• 3.2.1 SLURP模型主要数据输入
• 3.2.2 流域信息提取结果
• 3.2.3 流域历年径流模拟
• 3.2.4 SLURP模型模拟效果评价
• 3.2.5 SLURP模型模拟效果验证
• 3.3 不同土地利用输出的溶解态非点源污染负荷
• 3.3.1 土地输出溶解态污染物负荷模型的建立
• 3.3.2 不同土地利用类型上溶解态氮磷输出浓度的确定
• 3.3.3 不同土地利用类型入河系数的确定
• 3.3.4 不同土地利用输出溶解态氮磷负荷计算
• 3.3.5 各子流域不同土地利用类型氮磷负荷源强
• 3.3.6 各区县不同土地利用类型氮磷负荷源强
• 3.3.7 流域不同土地利用输出氮磷污染负荷源强的空间分布
• 3.4 农村居民点非点源污染负荷
• 3.4.1 农村居民点非点源污染研究背景和来源
• 3.4.2 农村居民点非点源污染模型的建立
• 3.4.3 排泄系数与产污系数的确定
• 3.4.4 农村居民点污染负荷估算结果
• 3.5 流域溶解态非点源氮磷污染总负荷
• 3.5.1 流域土地利用和农村居民点输出污染物量的贡献率
• 3.5.2 流域内各区县非点源污染溶解态氮磷来源及贡献率
• 3.5.3 不同流域溶解态非点源污染氮磷负荷
• 3.5.4 流域溶解态非点源污染总负荷
• 3.6 小江流域出口溶解态非点源污染氮磷负荷
• 3.7 小江流域历年溶解态非点源氮磷污染负荷模拟结果分析
• 4 盲数理论与GIS下小江流域吸附态非点源污染负荷研究
• 4.1 小江流域吸附态非点源污染的研究背景与研究方法
• 4.1.1 研究背景
• 4.1.2 研究思路方法
• 4.2 盲数及其运算法则
• 4.2.1 盲数的基本概念
• 4.2.2 盲数运算法则
• 4.2.3 盲数均值计算
• 4.3 流域吸附态氮、磷负荷动态模型
• 4.3.1 年土壤侵蚀量和泥沙输出量的计算
• 4.3.2 流域吸附态氮磷污染负荷模型
• 4.3.3 通用土壤流失方程各因子算式
• 4.5 基于GIS与盲信息下的流域污染负荷估算
• 4.5.1 基于盲数理论的污染负荷动态模型
• 4.5.2 流域多年平均现实土壤侵蚀量和多年平均现实输沙量的计算
• 4.5.3 流域各年现实土壤侵蚀量与输沙量的计算
• 4.5.4 流域多年平均潜在土壤侵蚀量与输沙量的计算
• 4.5.5 流域各年潜在土壤侵蚀量与输沙量的计算
• 4.5.6 流域各年土壤保持量的计算
• 4.5.7 流域出口历年吸附态氮磷负荷的计算
• 4.5.8 模型的验证
• 4.6 小江流域出口历年吸附态氮磷负荷模拟结果分析
• 5 小江流域非点源污染的分析和预测
• 5.1 流域出口历年非点源氮磷负荷
• 5.1.1 流域非点源污染总负荷计算结果
• 5.1.2 流域观测非点源氮磷污染负荷推求
• 5.1.3 非点源污染模型模拟效果评价
• 5.2 流域非点源污染负荷模拟结果分析
• 5.2.1 流域非点源污染负荷逐年变化分析
• 5.2.2 流域非点源污染负荷类型构成分析
• 5.2.3 不同土地利用非点源污染负荷分析
• 5.2.4 各子流域非点源污染负荷现状分析
• 5.2.5 各区县非点源污染负荷现状分析
• 5.3 非点源氮磷污染预测的实现
• 5.3.1 非点源氮磷污染负荷变化的影响因素
• 5.3.2 非点源氮磷污染预测实现的必要条件
• 5.3.3 未来基础数据的获取方法
• 5.3.4 非点源氮磷污染负荷预测研究的不确定性方法
• 5.3.5 非点源氮磷污染负荷预测的实现
• 6 结论与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 研究的不足之处
• 6.3 下一步研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录