模拟土地利用变化对地下水硝酸盐面源污染影响的研究

摘要

近年来农业生产过程中，过量的肥料向下渗透污染地下水，地下水中硝酸盐浓度日益增加。特别是我国一些平原地区，农业生产发达、地势平坦、地表径流量小、降雨入渗量高并且地下水埋深浅等特点，导致地下水中硝酸盐含量超标现象尤为突出。
　　本文以地下水开发利用时间早，程度高，具有较完整的水文地质参数资料的德阳市旌阳区作为研究区，基于ArcMap软件平台分析历年土地利用数据并以此开展硝酸盐污染负荷时空估计，建立和校正地下水污染迁移模型，预测不同土地利用变化情景及其对地下水硝酸盐的影响程度，从而揭示土地利用变化在农业面源污染控制方面的功效。研究结果表明:
　　(1)2000年至2016年整个研究区硝酸盐负荷逐年上升并出现明显的区域特征，污染由城区向北演化。德新镇地下水硝酸盐因地下水流向向黄许镇区域迁移，导致黄许镇2010年至2016年污染羽面积增长10倍以上。在城区附近，农业污染负荷低于230kg/km2，且由于绵远河和石婷江附近地下水补给排泄途径较短，因此有利于地下水中硝酸盐污染迁移稀释，使得城区及城区以南的硝酸盐污染逐渐降低。
　　(2)研究区硝酸盐负荷受季节影响较大，7、8月的大量降雨一方面加快了硝酸盐下渗，另一方面会稀释地下水中硝酸盐含量;9、10月月平均降雨量和月平均硝酸盐负荷都较高，从而进入地下水含水层的硝酸盐含量增加;12、1月，月平均降雨量和月平均硝酸盐负荷较低，进入地下水含水层的硝酸盐含量显著减少;2月施肥负荷量大，但降雨量低，因此淋溶进入含水层的硝酸盐量有限。
　　(3)通过对研究区土地利用变化的综合分析预测，单纯地增长耕地面积会使污染面积进一步扩大，局部地下水硝酸盐浓度将超过20 mg/L。若全区推广测土配方施肥，肥料利用率的提高可以减少农业面源污染负荷，使污染面积显著减少。但总体上来说，部分区域地下水硝酸盐的污染较2016年严重，污染羽面积扩大9.33％。
　　本研究揭示出土地利用变化对地下水硝酸盐面源污染影响伴有很强的时空特征，地下水数值模拟结合ArcGIS空间分析较好地解决了面源污染复杂性和随机性的难题，为控制地下水农业面源污染提供了理论依据。

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摘要

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第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 地下水污染

1．1．2 农业面源污染

1．1．3 土地利用变化

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目标

1．4 研究内容及技术路线

第2章 研究区概况

2．1 自然地理特征

2．1．1 地理位置

2．1．2 地形地貌

2．1．3 气象水文

2．2 地质背景

2．2．1 基岩地层

2．2．2 第四系地层

2．3 水文地质条件

2．3．1 地下水类型及含水层组

2．3．2 地下水补径排特征

2．3．3 地下水富水性及分布变化特征

2．4 土地利用与农业生产

2．5 地下水污染

第3章 研究方法与数据

3．1 ArcGIS空间分析

3．1．1 渔网法及叠置分析法

3．1．2 输出系数法

3．2 Modflow地下水模型

3．2．1 地下水水流模型

3．2．2 地下水溶质运移模型

3．3 数据来源与整理

3．3．1 研究区监测数据

3．3．2 研究区调研采样数据

第4章 地下水水流模型

4．1 模型概化

4．1．1 网格划分

4．1．2 边界条件概化

4．2 参数设置

4．2．1 渗透系数分区

4．2．2 给水度分区

4．2．3 初始水位

4．3 模型校正及分析

4．3．1 稳态模型校正

4．3．2 非稳态模型校正

4．3．3 敏感性分析

4．3．4 区域水平衡分析

第5章 地下水农业面源污染及预测分析

5．1 硝酸盐负荷估计

5．1．1 农业面源污染概化

5．1．2 硝酸盐负荷计算

5．1．3 硝酸盐负荷时空特征

5．2 模型建立与校正

5．2．1 模型输入

5．2．2 模型校正

5．3 地下水硝酸盐污染时空特征

5．3．1 地下水硝酸盐污染年间变化特征

5．3．2 地下水硝酸盐浓度年内变化特征

5．3．3 区域地下水硝酸盐污染变化特征

5．4 地下水农业硝酸盐污染预测

5．4．1 情景设置

5．4．2 情景分析

第6章 结论及建议

6．1 结论

6．2 建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文