基于SWAT模型的哈尔滨磨盘山水库流域非点源污染模拟研究

摘要

哈尔滨磨盘山水库是哈尔滨市市区473.6万人的唯一饮用水水源地，随着社会经济的快速发展，人们环保和健康意识的提高，越来越关注水源地的环境安全问题。哈尔滨磨盘山水库流域主要污染源为非点源污染，采取有效的非点源污染防治措施，减少非点源的污染负荷是保障哈尔滨市的饮水安全，乃至对保证哈尔滨市社会稳定和经济可持续发展起到重大作用。
　　本文通过构建分布式的物理模型SWAT，结合RS、GIS等方法对土地利用LUCC过程，对哈尔滨磨盘山水库流域非点源污染情况进行模拟，揭示了哈尔滨磨盘山水库流域非点源污染的规律，对不同土地利用情景模式预测非点源污染负荷，采用畜禽养殖非点源污染负荷预警值（A值）方法进行了环境风险分析，探讨研究区域非点源污染的最佳管理措施和成本分析，提出生态移民和生态补偿的最佳管理措施，研究的结果对进一步深入研究类似水源地保护、土地管理和利用具有重要的理论意义和参考价值。
　　全文共分为4个部分，8个章节，第1部分即第1章，对非点源污染和水源地保护国内外最新进展进行了综述;第2部分包括第2章、第3章和第4章，主要对研究区域和SWAT模型进行了介绍，基础数据的处理和模型的率定、验证以及研究区非点源污染的现状进行分析;第3部分包括第5章、第6章、第7章、第8章，主要对研究区域进行了非点源污染的模拟，探讨如何有效保护水源地;第4部分是结论。
　　通过研究，主要得出下述结论:
　　(1)成功在哈尔滨磨盘山水库流域构建分布式的物理模型SWAT，进行敏感性分析、率定和验证，相对误差RE不大于20％，模型效率系数Ens不低于0.7，相关系数R2不低于0.68，表明模型当中参数的调教是可信的，模型预测的准确度是有一定保障的，可以满足模型预测的要求。
　　(2)通过对哈尔滨磨盘山水库流域非点源污染的模拟，揭示了研究区域非点源污染的特征，找到主要的人为非点源贡献率是农业非点源。通过分析非点源污染的时空分布规律，说明非点源污染物流失大多数是发生在降雨和地表径流产生期间，汛期泥沙流失量占总流失量86％以上，汛期TN污染负荷占总污染负荷51.29％，汛期TP污染负荷占总污染负荷58.07％。距离水体较近的农村居民点和农田非点源污染负荷较高，对水体水质影响较大。
　　(3)分析磨盘山水库流域土地利用变化情况，得出林地是磨盘山水库流域的主要土地利用类型，其次是未利用地占具较大大比重，从2009年到2013年，土地利用面积变化最大的是草地，由占区域面积1.8％增加到3.12％，增加了1.32％，增加草地面积1503.63hm2，其次是旱田面积变化较大，由占区域面积6.05％减少到5.08％，减少旱田面积1109.79hm2，其他类型土地利用面积变化均不大。
　　(4)通过不同土地利用对非点源污染的影响分析，得出林地具有较强的减水、减沙效应，从非点源污染控制的角度考虑，现有的未利用地及大于15°不宜农耕的坡耕地应一律植树造林、种草，距离水体较近的大贵村、三人班村应尽早搬迁，耕地应退耕还林还草。
　　(5)结合研究区域实际情况，分析了畜禽养殖非点源污染的环境风险。研究区域全年排放养殖废水总量为4.993万吨，其中含有TN1.073吨，TP3.92吨，粪便负荷量估算结果表明了三人班村、永胜林场承受畜禽粪便的能力最强，承受能力最弱的是长征经营所和曙光林场。对该流域村屯分别进行预警值A的求算，只有三人班和大贵村的预警级别达到Ⅲ级，其他地区均为Ⅱ级。
　　(6)对磨盘山水源地非点源污染，采取最佳管理措施是生态移民和采取生态补偿机制。对流域的现有非点源污染负荷进行估算，结果表明研究区域土壤侵蚀的污染价值损失量最大约占45％，农村生活污染损失其次37％，畜禽养殖污染的价值损失最小约18％。本文主要创新点:
　　首次对哈尔滨磨盘山水库流域土地利用LUCC过程的时间和空间变化特征对水库水量和水质的影响进行定量研究，提出了采取态移民和生态补偿的最佳管理措施。为定量化研究、分析和预测哈尔滨磨盘山水库流域非点源污染提供了新的方法。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外非点源污染和水源地保护研究进展

1．2．1 国内外非点源污染研究进展

1．2．2 国内外水源地保护研究进展

1．3 研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 研究区概况及非点源污染现状

2．1 研究区概况

2．1．1 五常市自然概况

2．1．2 五常市社会环境概况

2．1．3 磨盘山水库自然概况

2．1．4 磨盘山水库社会经济状况

2．2 非点源污染现状

2．2．1 水源地保护区情况

2．2．2 非点源污染来源

2．2．3 研究区非点源污染现状分析

2．2．4 研究区点源污染现状分析

2．3 本章小结

3 SWAT模型基本原理和基础数据处理

3．1 SWAT模型基本原理

3．2 基础数据处理

3．2．1 空间数据库的建立

3．2．2 属性数据库的建立

3．2．3 模型初始化管理情景

3．3 本章小结

4 参数敏感性分析、模型率定和验证

4．1 参数敏感性分析

4．2 模型率定和验证

4．2．1 水量部分的参数率定和验证

4．2．2 泥沙参数率定和验证

4．2．3 水质参数率定和验证

4．2．4 模型参数的确定

4．3 本章小结

5 非点源污染负荷的估算和分析

5．1 非点源污染负荷的估算

5．2 非点源污染的贡献率分析

5．3 非点源污染负荷的时空变化规律

5．3．1 非点源污染的时间变化规律

5．3．2 非点源污染的空间变化规律

5．4 本章小结

6 土地利用变化对非点源污染的影响分析

6．1 数据预处理

6．2 土地利用动态变化分析

6．2．1 土地利用类型面积变化分析

6．2．2 土地利用类型变化

6．3 本章小结

7 情景模拟和非点源污染风险分析

7．1 土地利用情景设定

7．2 土地利用情景模型的模拟结果与分析

7．2．1 径流水量的模拟结果与分析

7．2．2 泥沙的模拟结果与分析

7．2．3 水质的模拟结果与分析

7．3 畜禽养殖非点源污染风险分析

7．3．1 畜禽养殖非点源污染现状

7．3．2 畜禽养殖非点源污染风险分析

7．3．3 畜禽养殖非点源污染风险分析

7．3．4 畜禽养殖非点源污染的控制

7．4 本章小结

8 非点源污染的最佳管理模式和成本效率分析

8．1 非点源污染控制措施

8．1．1 从源头控制，对一级保护区内居民进行搬迁

8．1．2 从源头控制，实施农田养分管理，减少化肥流失

8．1．3 推广生态有机农业技术，减轻农药污染

8．1．4 推广农村用沼气技术

8．1．5 实施多种措施减少水土流失

8．1．6 启动生态补偿机制保护森林

8．2 成本效益分析

8．2．1 非点源污染价值估算

8．2．2 非点源污染控制措施的效果及价值估算

8．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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