流域非點源污染過程動態(tài)模擬及其定量控制.pdf

1、水污染，是全人類在經(jīng)濟高速發(fā)展過程中所面臨的共同問題。隨著點源污染控制能力的提高，非點源問題日益凸顯。如何實現(xiàn)流域非點源污染過程的定量并明確其定量控制目標是開展非點源污染控制實踐的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是當(dāng)前本領(lǐng)域研究的熱點和難點問題。本文針對非點源污染的多源性、復(fù)合性、污染發(fā)生的時空不確定性、污染物遷移的高度非線性、實測困難等特點，選擇分布式的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型為工具，以我國東南沿海經(jīng)

2、濟相對發(fā)達地區(qū)典型非點源污染流域--長樂江流域為研究對象，通過長期連續(xù)(2003年7月至2007年12月)的按月水文水質(zhì)監(jiān)測，協(xié)同流域土壤、氣象、地形、地貌等自然條件排污狀況資料分析，運用土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水文學(xué)等理論，應(yīng)用模型模擬、統(tǒng)計分析、質(zhì)量守恒等方法和原理，完成了SWAT模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、非點源與模型耦合、參數(shù)敏感性分析、率定和驗證，實現(xiàn)了流域非點源污染過程的動態(tài)模擬；估算了流域背景和人為投排放引起的污染物入河量，定量分析了分區(qū)、

3、分源、分類、分期的非點源污染特征，給出了各污染源入河系數(shù)和各土地利用類型的輸出系數(shù)；以此為基礎(chǔ)，定量分析了河流中污染物的自凈能力及其時空演化規(guī)律，明確了不同自凈能力表達指標的差異性和應(yīng)用的限制性；最后，根據(jù)段末水質(zhì)控制目標，建立了流域污染物投排放量控制方案，并提出了結(jié)合提高河流自凈能力進一步提高水質(zhì)的方法?；谝陨涎芯?，較為完整地建立了流域非點源污染過程動態(tài)模擬與定量控制的方法體系，為我國東南沿海地區(qū)的流域非點源污染控制提供了重要參考。

4、
　　 本文的主要結(jié)果與結(jié)論如下：
　　 1)針對我國東南經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)典型小流域的特征，建立了SWAT模型的建模方法體系，包括模型基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、流域內(nèi)非點源污染和模型之間有效耦合、模型參數(shù)的敏感性分析、率定和驗證，為模型在其它類似區(qū)域的應(yīng)用提供了借鑒。
　　 2)在長樂江流域所建立的SWAT模型，其徑流(地表徑流-基流-總徑流)、泥沙、養(yǎng)分(TN和TP)率定和驗證的模擬精度系數(shù)Ens和R2基本上都大于0.6

5、，取得了較為理想的結(jié)果，可以滿足流域非點源污染過程動態(tài)模擬的需要。
　　 3)長樂江流域內(nèi)氮、磷的主要來源包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活污染和畜禽養(yǎng)殖。農(nóng)地、生活污染、畜禽養(yǎng)殖的TN投排放量分別為3596.00 tyr-1、1394.47 tyr-1、1563.23 tyr-1，TP的投排放量分別為1770.51 tyr-1、348.62 tyr-1、554.50 tyr-1。
　　 4)流域TN和TP入河量分別為1972.20-2

6、843.99 tyr-1和71.54-132.07 tyr-1，其中來自農(nóng)地(水田、園地、旱地)的TN入河量為全流域TN入河量的76.69％-79.14％，TP的入河量為全流域TP入河量的88.13％-90.69％；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是流域內(nèi)最大的污染源。干流河段MS I所在集水區(qū)內(nèi)TN和TP入河量分別為974.86-1349.05 tyr-1和33.59-57.37 tyr-1，占全流域TN和TP入河量的57.84％-63.37％和50.28％

7、-57.05％，其次是支流崇仁江所在集水區(qū)，TN和TP的入河量分別為527.01-848.73 tyr-1和20.20-36.16 tyr-1，占整個流域TN和TP入河量的26.72％-30.27％和27.37％-28.99％。TN和TP的入河量均隨流量的增加而增加。
　　 5)長樂江流域各土地利用類型TN的背景輸出系數(shù)為5.03±0.98 kg ha-1yr-1-23.26±4.24 kg ha-1yr-1，且旱地>其他用地>

8、水田>林地>園地>人居地，TP的背景輸出系數(shù)為0.018±0.008 kg ha-1yr-1-1.404±0.422 kg ha-1yr-1，且旱地>水田>其他用地>園地>人居地>林地。流域內(nèi)TN、TP的背景入河量分別占TN、TP總?cè)牒恿康?6.76％-34.74％，TP為14.87％-24.44％。TN和TP的背景輸出系數(shù)和流量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。
　　 6)長樂江流域內(nèi)人為投排放至旱地、水田、園地、人居地的TN入河系數(shù)分別

9、為0.3793-0.4367、0.1491-0.2140、0.2730-0.4727和0.2134-0.2942，TP入河系數(shù)分別為0.0854-0.1754、0.0197-0.0293、0.0171-0.517、0.0256-0.0619。
　　 7)長樂江水系全年TN和TP自凈量分別為962.58-1186.23 tyr-1和49.68-79.36tyr-1，自凈率分別為38.68％-46.35％和48.8％-74.80％。

10、其中兩個干流河段TN和TP的自凈量超過整個水系自凈量的50％，但是自凈率卻小于三條支流。豐水期的TN和TP的自凈量最大，枯水期的自凈量則最小。
　　 8)現(xiàn)有的自凈能力表達指標可以分為三類，第一類包括RL、RA，主要表達了“量”的概念；第二類包括Kx、SL、RE、RLW、Kt，主要表達了“率”的概念；第三類是Vf，其主要表達了河流的自凈潛能。第一類“量”的指標表達的自凈能力隨著流量(包括水深和流速)等水文變量、河寬、河長等河流形

11、態(tài)特征參數(shù)以及污染物負荷量的增加而增加，第二類“率”的指標表達的自凈能力則相反；而Vf與以上因素都無相關(guān)關(guān)系，只隨著水溫的增加而增加。Vf和RA兩個自凈指標適合進行空間尺度的比較，其余只適合時間尺度的比較。
　　 9)長樂江 TN和TP水環(huán)境容量(最大允許污染物入河量)分別為1068.78-2023.90tyr-1和88.97-143.35 tyr-1。與現(xiàn)狀相比，需削減656.60-1540.16 tyr-1TN入河量才能達到

12、該流域河段水質(zhì)不再進一步惡化的目標，這占了現(xiàn)狀入河量的27.35％-54.15％；相應(yīng)地，流域TN投排放量共需削減2688.94-4483.46 tyr-1，其中水田的削減量最大。相反，TP尚有10.22-35.24tyr-1的剩余水環(huán)境容量，為當(dāng)前該流域TP入河量的8.54％-42.48％；相應(yīng)地，TP全年剩余投排放量為244.89-1463.85 tyr-1。
　　 10)長樂江在現(xiàn)狀 TN投排放量下，當(dāng)流速人為減小30％時

13、，流域出口處的TN濃度將下降30％，通過人為減少流速以提高河流污染物自凈能力的方法為推進流域非點源污染的有效控制提供了新途徑。
　　 本文主要創(chuàng)新點和特色如下：
　　 1)針對我國農(nóng)村人居地人口集中且產(chǎn)生的污染物處理率低的特征，在SWAT模型中引入了農(nóng)村生活產(chǎn)生的污染物每日均勻輸入到人居地中的處理方法，取得較為理想的校正和驗證結(jié)果(養(yǎng)分模擬精度系數(shù)Ens和R2均大于0.6)。這對于推進SWAT模型在我國農(nóng)村和農(nóng)業(yè)為主流域

14、的應(yīng)用提供了借鑒。
　　 2)應(yīng)用SWAT模型，首次提出了不同土地利用類型在無人類活動情況下的背景氮、磷輸出系數(shù)計算方法，明確了背景輸出對河流水污染的貢獻，定量解釋了流域污染物投排放量削減后河流水質(zhì)提高不顯著的原因，為進一步科學(xué)制定流域水污染控制措施和對策提供了重要依據(jù)。
　　 3)率先系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)有表達河流污染物自凈能力的定量指標的物理意義及其計算方法，對定量指標進行了科學(xué)分類，明確了河流自凈能力對水文、氣象、地質(zhì)等條