基于SWAT模型的赣江流域水环境模拟及总量控制研究

摘要

当前，我国的水污染总量控制以目标总量控制为主，水环境容量总量控制依旧处于低级阶段。在“控制单元的总量控制”实施过程中，存在着以下突出的问题。首先，控制单元的概念、内涵、划分指标体系存在着不确定性；其次，流域非点源污染的定量方法过于简单，削减技术落后；第三，水环境模型过于简单，水环境容量动态变化考虑不足；第四，总量分配环节中，非点源参与不足，总量动态分配尚未体现。因此，开展赣江流域水环境模拟与总量控制研究，具有很强的理论意义和实践价值。
　　本文结合野外调查、实验室分析、查询历史资料和已有文献成果等多种手段，建立了赣江流域和典型研究区（锦江流域）基础信息数据库；在此基础上，利用 GIS技术，采用空间叠加分析和专家判断法开展了不同尺度流域控制单元划分技术研究；并引入美国SWAT（Soil and Water Assessment Tool）流域水文模型在赣江和典型研究区（锦江流域）开展了水文和水环境定量模拟；在 SWAT模拟的基础上，定量分析了研究区非点源污染的时空演变特征，识别了关键源区，并对农业非点源污染最佳管理措施（BMPs，Best Management Practices）进行了效益分析和评价；最后，实施了流域总量控制技术。在此过程中，产出了以下成果：
　　（1）提出了控制单元的概念和内涵。概念：控制单元是基于“控制单元的总量控制”的理念，为实现水环境容量总量的计算、分配和管理等目标，综合考虑多种因素（水文、水环境、水生态和水体功能分区等）而人为划分的水质目标管理单元。进而提出了不同尺度流域下控制单元划分指标体系和技术路线，将赣江流域划分为17个1级控制单元，并进一步划分为57个2级控制单元；锦江流域直接划分为4个控制单元。
　　（2）基于 ArcSWAT在赣江流域和研究区建立了水文和水环境模型，利用2001—2008年的数据分别对模型进行了参数校准与验证。模型适用性评价结果表明，模型的精度满足研究区的径流、泥沙和水质的模拟要求，可用于研究区水环境模拟。以2001—2008年的降雨为驱动，将已建立的模型运用于研究区农业非点源污染负荷的定量预测、污染时空特性分析及最佳管理措施（ Best Management Practices，BMPs）的评价。结果显示：丰水期径流、泥沙和营养物质流失比例分别为59.4％、76.9%和60%左右，且在丰水期，降雨量、径流量分别与其它因子（泥沙和水质因子）的相关性比全年的相关性高，其中，降雨—径流、降雨—硝酸盐氮、径流—CODmn、径流—TN和径流—总磷的确定性系数R2值，均大于0.85，展现了良好的线性关系，说明了强降雨是形成泥沙和非点源污染的最主要驱动力。
　　（3）关键源区（CSAs）识别结果显示，土壤侵蚀和非点源流失强度等级较高的区域主要位于城镇密集或农业发达的地区，且农业区对泥沙侵蚀和非点源污染的贡献率远高于其它土地利用类型。人类活动是引起水土流失和非点源污染的重要因素，并将5级区域作为非点源污染的关键源区。
　　（4）BMPs效益分析与评价结果显示，减少施肥30%可削减COD、TN、氨氮、硝酸盐氮和总磷的比率依次为﹣10.26%、﹣23.10%、﹣21.80%、﹣13.60%和﹣22.40%；设置缓冲带对非点源污染的削减率比施肥略低，但可以削减泥沙的比率为﹣21.20%。减少施肥和设置缓冲带各有优势，可以混合加以利用，来同时削减泥沙和非点源污染的流失。
　　（5）非点源参与下，动态水环境容量的核算和动态分配结果显示，丰水期的 COD和氨氮水环境容量分别占到研究区年总量的63.4%和60.6%，由此可见，动态（分水期）水环境容量可更大程度地利用水环境容量这一自然资源；用基尼系数法对水环境容量进行公平性评估，得到赣江和典型研究区的分配系数和动态总量；将总量分配方案代入已建立的典型研究区 SWAT水环境模型进行运算，结果显示良田和均车监测断面的水质满足执行Ⅲ类水质标准的要求，论证了分配方案的可行性。

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第一章 绪论

1.1 选题依据及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 研究目的、内容及技术路线

第二章 流域概况

2.1 自然地理概况

2.2 社会经济概况

第三章 “控制单元的总量控制技术”下控制单元划分

3.1 流域控制单元

3.2 材料与方法

3.3 基础数据库的建立及前处理

3.4 划分步骤、方案与验证

3.5 讨论

3.6 本章小结

第四章 基于ArcSWAT2009的水环境模拟

4.1 水环境模型的选择及运行平台

4.2 技术路线与方法

4.3 基于ArcSWAT2009的赣江流域水文模拟

4.4 典型研究区水环境模拟

4.5 本章小结

第五章 研究区非点源污染负荷时空分布特征与最佳管理措施模拟

5.1 非点源污染负荷计算

5.2 非点源污染负荷的分布特征

5.3 最佳管理措施（BMPs）

5.4 本章小结

第六章 基于SWAT模型的总量控制技术

6.1 动态水环境容量计算

6.2 非点源参与下控制单元动态水环境容量总量分配

6.3 基于SWAT的总量分配方案可行性验证

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 创新点

7.3 不足之处

7.4 后续研究预期

参考文献

致谢

攻读博士学位期间公开发表的论文