三峡库区龙河流域非点源污染模拟研究

摘要

水资源短缺一直是全球发展面临的巨大挑战之一，日益增长的人口与日渐稀缺的水资源之间的矛盾限制着人类社会的生存与发展。我国的水资源存在两大主要问题:一是水资源短缺，二是水污染严重。随着我国对环境保护的不断治理，点源污染排放得到了很好的控制，但是非点源污染造成的水质恶化形势依然严峻。
　　长江三峡水利枢纽工程是目前世界上最大的水利水电工程，三峡大坝建成后改变了流域的自然状态，使得水面变宽，流速减慢，水体的自净能力显著下降，库区的富营养化趋势明显加剧。鉴于此，本研究选取三峡库区典型流域龙河为研究区，利用分布式水文模型SWAT对研究区内的非点源污染进行模拟，找到污染物排放关键源区，探索非点源污染防控最佳管理措施，提高非点源污染治理的效率。主要研究内容和结论如下:
　　(1)雨情分析。掌握研究区雨情雨势是流域水文研究的前提，利用线性趋势分析和滑动平均方法对三峡库区内及周边共27个气象站点1951-2012近60年的月降水数据进行了分析。结果表明:近年三峡库区年降水量和降水日数均呈现减少趋势。降水日数的减少趋势大于降水量的减少趋势，这表明降水日内平均降水量有增加的趋势，降水日内容易出现短时强降雨，会导致土壤侵蚀和非点源污染的加剧。雨季、旱季降水量均呈现不显著的减少趋势。地形是影响降水空间分布的重要因子，山地对水汽具有阻挡抬升作用，容易形成降雨。随着海拔的升高，降水量也有增加趋势。三峡库区监测站点降水量与站点海拔高度之间关系非常密切，海拔每升高100m，降水量相应增加30mm，在分析降水量空间分布时要充分考虑地形的影响。
　　(2)空间数据对SWAT模型水文模拟精度影响。SWAT模型所需空间数据主要有数字高程模型(DEM)、土地利用类型分布、土壤类型分布。空间数据源较多且精度不一，在建模之前通过分析前人研究成果对空间数据对模型模拟结果的影响进行了综合分析，可以为模型数据的选取和提高模型模拟精度提供参考。研究结果表明:对不同对象（流量、泥沙、营养元素等）进行模拟时，空间数据（DEM、土地利用、土壤）分辨率存在不同的阈值，过高或过低精度的数据都可能降低模型模拟的精度。流量和硝态氮(NO3-N)、泥沙和总磷(TP)对空间数据的质量变化响应较为一致。子流域划分数量对流域产流模拟影响较小，而对产沙模拟影响较大。地表径流模拟上，能够体现对地表径流贡献较大的局地降水事件的分布式的降水数据要比利用气象站点获得的降水数据模拟得到的结果的精度要高。通过综合分析最终选取分辨率为30m的DEM，比例尺为1∶100万的土壤类型图，分辨率为60m的土地利用类型图为本研究的空间数据。
　　(3) SWAT模型构建、校准、验证以及不确定性来源
　　对流域进行离散共生成30个子流域，通过叠加土地覆盖、土壤、坡度共生成1884个水文响应单元。通过敏感性分析获得了对径流模拟结果影响较为敏感的主要参数有正常湿润条件下的径流曲线数CN2、土壤蒸发补偿系数ESCO、地下水延迟系数GW_DELAY、冠层最大储水量CANMX、基流分割系数ALPHA_BF、地下水蒸发系数GW_REVAP、土壤饱和水力传导系数SOL_K、土壤有效含水量SOL_AWC、河道曼宁系数CH_N2、土壤容重SOL_ BD、河道饱和水力传导系数CH-K2、溢流衰退系数ALPHA_BNK。对月流量进行校准后，校准期决定系数R2、纳什效率系数Ens、百分比偏差PBIAS分别为0.79、0.78、5.36，验证期3项指标的值分别为0.70、0.58、-0.61，达到了模型模拟精度要求。模型不确定性主要来自于模型概念结构不确定性、输入数据不确定性、参数不确定性3个方面。
　　(4)非点源污染关键源区确定
　　利用校准后的SWAT模型在子流域尺度和水文响应单元尺度上确定了非点源污染关键源区。结果表明:在子流域尺度和水文响应单元尺度上地表径流和总径流的空间异质性都较小，没有明显的关键源区。而泥沙、总氮和总磷的在子流域尺度和水文响应单元尺度上的空间异质性都要比地表径流和总径流的空间异质性大，较小的累积面积上的泥沙、总氮和总磷的输出占到了整个流域上相应输出的很大比例，能够较准确的找出对应的关键污染源区。水文响应单元尺度上的泥沙、总氮、总磷输出的空间异质性远远高于子流域尺度上相应输出的空间异质性，存在明显的关键源区，所以在水文响应单元尺度上确定的关键污染源区更具代表性，对污染物输出进行防治时更有针对性，能够大大降低污染物治理的投入。对水文响应单元尺度上的关键污染源区进行实际防治操作时也会存在问题，一是水文响应单元过于分散且面积较小不适合进行规模化防治，二是水文响应单元实地位置的确定存在一定难度。为了提高污染物排放防控水平，关键污染源区确定时要综合考虑各指标，将各污染物类型排放都较高的区域作为防治的关键污染源区。
　　(5)退耕还林非点源污染减排模拟评价
　　最佳管理措施主要分为结构性措施和非结构性措施，退耕还林作为非结构性措施，了解其对非点源污染防控效果可以为退耕还林政策的实施提供参考。保持校准后的模型设置和参数不变，通过将土地利用类型图中的农地修改为林地，模拟了退耕还林对流域非点源污染减排的效果。研究表明:在实施退耕还林后流域出口处总经流量没有减小，还有微小的增加，这可能是由模型系统误差或校准过程的误差导致。出口处的矿物磷也有小幅增加，这表明林地中矿物磷的输出可能比农地中的输出要大。除这两者之外，泥沙、有机氮、有机磷、硝态氮、铵态氮在流域出口处的排放都有了大幅的降低，泥沙和硝态氮的减排率更是超过50％，这说明非点源污染中的泥沙、有机氮、有机磷、硝态氮、铵态氮输出主要来源于农地。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与目的意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 水污染物类型

1．2．2 污染物来源

1．2．3 关键污染源区(CSA)

1．2．4 SWAT模型应用

1．3 研究的主要内容与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 研究区概况

2．1 自然概况

2．1．1 地理位置

2．1．2 地形地貌

2．1．3 土壤与成土母质

2．1．4 气候条件

2．1．5 动植物资源

2．2 社会经济概况

2．2．1 人口与城镇化水平

2．2．2 农业经济

2．2．3 旅游资源概况

第三章 研究区雨情分析

3．1 数据与方法

3．1．1 数据来源

3．1．2 研究方法

3．2 结果分析

3．2．1 降水、降水日数年际变化趋势分析

3．2．2 雨季、旱季降水、降水日数变化趋势分析

3．2．3 站点降水与海拔之间关系分析

3．3 小结

第四章 SWAT模型机理与数据库构建

4．1 SWAT模型简介

4．2 SWAT模型机理

4．2．1 地表径流

4．2．2 潜在蒸发散

4．2．3 土壤侵蚀

4．3 模型数据库构建

4．3．1 空间数据库构建

4．3．2 属性数据库构建

第五章 SWAT建模、敏感性分析、校准与验证

5．1 模型建模

5．1．1 子流域划分

5．1．2 坡度分级

5．1．3 水文响应单元(HRU)生成

5．1．4 模型运行

5．2 参数敏感性分析

5．2．1 敏感性分析原理

5．2．2 敏感性参数排名

5．3 模型校准与验证

5．3．1 模型校准原则

5．3．2 模型适用性评价指标

5．3．3 月流量校准与验证

5．4 不确定性来源分析

5．4．1 模型概念结构不确定性

5．4．2 输入数据导致的不确定性

5．4．3 参数导致的不确定性

5．5 小结

第六章 非点源污染关键污染源区识别

6．1 关键源区识别方法

6．1．1 输出系数法

6．1．2 污染指数法

6．1．3 分布式水文模型法

6．2 龙河流域非点源污染关键源区确定

6．2．1 研究方法

6．2．2 研究结果

6．3 小结

第七章 最佳管理措施情景模拟

7．1 最佳管理措施(BMPs)的分类

7．1．1 非结构性BMPs

7．1．2 结构性BMPs

7．2 BMPs的选择

7．3 退耕还林对龙河非点源污染影响

7．3．1 实现方法

7．3．2 结果分析

7．3．3 小结

第八章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 不足与展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢