基于GIS的大通湖流域水环境演变特征及污染总量控制研究

摘要

流域水环境质量恶化已经成为威胁我国可持续发展的重要因素，是我国生态文明建设进程中的重大挑战。本文选取湖南省益阳市大通湖流域为研究区，大通湖是湖南省最大的内陆淡水湖，近年来大通湖流域大量的工业废水及农业、生活污水进入大通湖流域，致使大通湖流域水质污染状况不断加剧，水环境质量问题日益突出。文章以空间地理信息技术（GIS）空间分析功能为基础，分析了大通湖流域的自然环境特征，构建了用于流域水质目标管理的控制单元，揭示了2007年-2011年大通湖流域化学需氧量（COD）的浓度变化的时空分布特征，并识别出流域水环境质量恶化的主要驱动因素。以遥感（RS）影像信息为数据源，通过图像解译，获取了大通湖流域的土地利用类型分类现状，综合考虑流域范围内的点源污染和非点源污染，以月份为单位，基于控制单元核算出各单元COD污染负荷及水环境容量，建立了污染物负荷总量分配体系，并提出污染物控制对策建议，实现水质目标管理技术，对大通湖流域水环境质量的改善具有重要的现实意义。
　　本文有如下几点结论：
　　（1）实现了流域水质目标管理技术
　　全文贯穿水污染总量控制的“总量-容量-削减量”理念，在“分类、分区、分级、分期”的指导思想下，以控制单元为基本单位，兼顾流域自然环境与行政管理特点，提出控制单元总量分配方案，实现流域控制单元水质目标管理技术。
　　（2）建立了流域水质管理控制单元
　　以大通湖流域自然地形地貌特征为基础，结合水质监测控制断面及县乡行政边界等指标，基于ArcGIS10.1平台，将大通湖流域划分为4个基本的水质管理目标控制单元，以现有地方政策法规为导向，确定各控制单元的水质目标。
　　（3）估算了控制单元污染负荷入河量
　　在划定的控制单元基础上，分点源污染（工业污染源、城镇生活源）和非点源污染（农田径流污染源、禽畜养殖污染源、农村生活源）进行污染负荷入河量估算。结果表明，大通湖流域COD入河总量为14610.1t/a，非点源污染入河量占总入河量的77.6％，点源污染入河量占总入河量的24.8%，非点源污染是大通湖流域COD的主要污染来源。从控制单元看，COD入河量的30.3%来自于控制单元4，27.0%来自于控制单元2，23.9%来自于控制单元1，18.9%来自于控制单元3。控制单元3为非点源比例最高的控制单元，达到95.0%；控制单元2为点源污染比例最高的控制单元，为42.3%。
　　（4）分析了流域COD浓度时空变化特征及驱动因素
　　2007-2011年间，大通湖流域各控制单元水质均呈现出不同程度恶化趋势，控制单元3水质恶化的相对程度最为严重，为Ⅳ类水；其次为控制单元1和控制单元2，也达到Ⅳ类水标准；控制单元4的COD浓度相对变化最小。从COD浓度变化的季节差异看，大部分水质监测断面均表现出多雨季COD浓度高于少雨季，反映出河流有机物污染与区域季节降水变化有关，且不同污染类型为主的控制单元，季节变化特征受降水影响的程度也不同。
　　通过对一系列社会经济指标进行偏最小二乘回归分析得出，不同控制单元水质变化的主要因素不同，控制单元1和控制单元4主要驱动因素为经济发展因素，控制单元2和控制单元3主要驱动因素为人口发展因素。
　　（5）提出了流域污染负荷削减方案
　　采用河流一维模型计算大通湖流域各控制单元逐月COD水环境容量，计算得出大通湖流域COD水环境容量总计为10961.0 t/a，控制单元1-4的水环境容量分别为1743.3t/a、3917.4t/a、1960.6t/a、3339.7t/a。设置不同情景分配方案，采用三层分配体系，以月份为单位，逐步将污染物削减量分配到各个污染源，并提出适宜的污染物削减方案及控制对策建议。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外相关领域研究综述

1.3 研究技术路线与构架

第二章 流域控制单元污染负荷核算

2.1 研究区概况

2.2 遥感土地分类

2.3 控制单元划分目的及原则

2.4 控制单元划分方法与结果

2.5 污染负荷排放量核算

2.6 污染负荷入河量核算

第三章 流域COD浓度变化及驱动力分析

3.1 水质监测点位

3.2 评价指标与标准

3.3 流域COD浓度变化特征

3.4 流域COD浓度变化驱动分析

第四章 流域污染物负荷分配与控制对策

4.1 流域水环境容量估算

4.2 流域污染负荷分配

4.3 污染物控制对策建议

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文