【摘要】：水體污染導致水質(zhì)下降已成為環(huán)境污染的全球性問題,且面源污染是水環(huán)境污染和引發(fā)水體富營養(yǎng)化的主要原因之一,是影響和制約國家和地區(qū)全面發(fā)展的關鍵問題。三峽庫區(qū)作為一特殊的地理區(qū)域,高農(nóng)業(yè)化肥施用量和嚴重水土流失、大壩建設后的回水效應、庫區(qū)的移民大開發(fā)建設等使得庫區(qū)流域的水環(huán)境安全形勢嚴峻。盡管國家及區(qū)域?qū)用嬖谒帘３趾退|(zhì)保護方面有大量投入,但在庫區(qū)地形起伏大、化肥(農(nóng)藥)施用量增加、大型工程擾動等脅迫下,使得面源污染問題特別是農(nóng)業(yè)氮、磷污染問題一直存在于三峽庫區(qū)建設發(fā)展過程中,這已經(jīng)成為水庫安全運營和經(jīng)濟發(fā)展所必須面對的關鍵“瓶頸”問題。因此,開展三峽庫區(qū)這一大尺度空間范圍的氮、磷面源污染負荷模擬及其水質(zhì)評價對三峽庫區(qū)生態(tài)文明建設有重要的理論和現(xiàn)實意義。本研究基于三峽庫區(qū)這一特定區(qū)域,以面源污染負荷模擬、“源/匯”景觀格局與水質(zhì)評價為主線,結(jié)合庫區(qū)自然環(huán)境的空間差異,對已有面源污染負荷模擬模型、“源/匯”格局識別方法和水質(zhì)評價模型進行改進與修正,構(gòu)建了泥沙輸移比模型、修正了輸出系數(shù)模型和景觀阻/動力成本模型,為庫區(qū)面源污染負荷模擬、“源/匯”格局與水質(zhì)評價提供了新的研究思路和方法。首先,重點考慮泥沙輸移比,通過構(gòu)建影響泥沙輸移的動力和阻力系數(shù)的大尺度區(qū)域泥沙輸移比模型,并應用已有的土壤侵蝕模型、泥沙負荷模型和吸附態(tài)氮、磷污染負荷模型,估算了1990-2010年間五期(1990、1995、2000、2005和2010年)庫區(qū)泥沙負荷和吸附態(tài)氮磷污染負荷;同時在Johnes輸出系數(shù)模型基礎上,引入產(chǎn)污和截污系數(shù),改進已有的土地利用輸出系數(shù),構(gòu)建改進型輸出系數(shù)模型,估算了庫區(qū)20年間五期不同土地利用下的溶解態(tài)氮、磷污染負荷,并進行空間模擬、動態(tài)分析和結(jié)果驗證。其次,從影響面源污染過程的阻/動力著手,依據(jù)成本距離模型,融合各景觀要素并考慮景觀單元與子流域出水口的距離因素,建立影響面源污染“源/匯”格局的景觀阻/動力成本模型,并將其應用于三峽庫區(qū)面源污染的景觀阻/動力評價和“源/匯”格局識別研究中。最后,利用三峽庫區(qū)入、出庫年均、季均統(tǒng)計數(shù)據(jù)和水質(zhì)標準,基于灰色關聯(lián)系數(shù)矩陣的TOPSIS法進行水質(zhì)狀況評價與對比分析,結(jié)合相對貼近度,通過R/S分析法探索入、出庫水質(zhì)變化的未來趨勢。以期為庫區(qū)面源污染負荷模擬、“源/匯”格局與水質(zhì)評價提供新的研究思路和方法。結(jié)果表明:(1)影響三峽庫區(qū)泥沙輸移的動力系數(shù)主要集中在中等以上區(qū)間(0.4,0.8),空間異質(zhì)性不顯著,而阻力系數(shù)表現(xiàn)較為復雜,坡度低的平行嶺谷區(qū)和河流沖積緩坡以及臺地區(qū)較高,坡度陡的秦巴山地北部區(qū)和武陵山區(qū)的高山峽谷地帶偏低。庫區(qū)泥沙輸移比呈“單峰”結(jié)構(gòu),近似正態(tài)分布,均值為0.48。中、西部平行嶺谷區(qū)泥沙輸移比較小,武陵山區(qū)和秦巴山區(qū)較高,以河流河道為中心向兩側(cè)呈梯度增大趨勢;泥沙負荷均值與負荷總量的年際變化趨勢相同,泥沙負荷總量的模擬值(0.9億t)接近于1995年的公報監(jiān)測值(0.92億t),相對誤差-2.17%,其次為2000年,相對誤差-5.00%,而相差最大的是2010年,相對誤差-57.64%;空間格局上因近10年庫區(qū)泥沙負荷量的均值變化不大,泥沙負荷的低值區(qū)與高值區(qū)的空間分布比較穩(wěn)定,低值區(qū)的分布范圍廣泛,集中度高,而高值區(qū)的分布較為離散和破碎。(2)吸附態(tài)氮磷負荷量與土壤侵蝕模數(shù)、泥沙負荷量在數(shù)值上同比增長,在2010年負荷總量達到最大值,分別為1.2億t和0.6億t�？臻g上總體分布相似,具有不平衡特征,從東向西呈逐漸減小趨勢。與監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關分析顯示,吸附態(tài)氮負荷的模擬效果(r2=0.6667)比吸附態(tài)磷(r2=0.4336)更好,且吸附態(tài)氮的模擬結(jié)果的均值以20t為界,大于20t的6個流域主要集中在中下游,尤其是澎溪河、磨刀溪、大寧河和湯溪河流域;吸附態(tài)磷的分界值為10t,大于10t的有大寧河和湯溪河流域,同時吸附態(tài)氮、磷負荷在庫區(qū)流域內(nèi)存在空間相關性。(3)通過改進前后的輸出系數(shù)模型估算不同土地利用方式下的溶解態(tài)氮、磷污染負荷,發(fā)現(xiàn)改進前后五期庫區(qū)水田的溶解態(tài)氮磷污染負荷分別以10000t和1500t為界,且改進后的模擬值均大于改進前,水田主要分布于地勢相對平緩區(qū),產(chǎn)污能力較強,改進后水田的污染負荷明顯增大;旱地的溶解態(tài)氮磷污染負荷的貢獻占比最大,各時期改進前后的模擬值均大于30000t,但改進前后的增量遠小于水田,時間動態(tài)上表現(xiàn)出先增大后減小趨勢。五期庫區(qū)林草地的溶解態(tài)氮磷污染負荷表現(xiàn)為改進后小于改進前,其中林地的溶解態(tài)氮污染負荷改進前均大于5100t,改進后均小于4900t,溶解態(tài)磷污染負荷改進前后以310t為界;草地的溶解態(tài)氮污染負荷改進前后以3000t為界;建設用地的溶解態(tài)氮磷污染負荷最小,但呈逐年增加趨勢。(4)三峽庫區(qū)16大子流域的景觀阻/動力系數(shù)的均值變化趨勢在空間分布上展現(xiàn)為此消彼長的關系,總體上越往庫區(qū)流域的下游方向,景觀阻力系數(shù)的均值變化越呈上升趨勢,而景觀動力系數(shù)則相反。整體上16大子流域沿長江流向的平均景觀阻/動力成本曲線比景觀阻/動力系數(shù)曲線表現(xiàn)得更具有波動性,但考慮流域面源污染物運移所耗費的距離成本,景觀阻/動力成本更能反映庫區(qū)流域面源污染的動態(tài)過程。景觀阻/動力成本差所反映出的源/匯景觀格局主要表現(xiàn)為,庫區(qū)高海拔地區(qū)內(nèi)影響面源污染的景觀阻/動力成本差均值小,尤其是湖北段的龍船河流域(第15)和香溪河流域(第16)的成本差均值小于-2000,“匯”景觀貢獻大,因此“匯”的作用強,“源”的作用弱;而低海拔地區(qū)相反,其景觀阻/動力成本差均值大,特別是嘉陵江流域(第2)為最高值(2003.32),“源”景觀貢獻大,因此“源”的作用強,“匯”的作用弱。(5)三峽庫區(qū)入、出庫水質(zhì)在2004-2014年間均介于Ⅰ、Ⅱ類間,其中2004-2007、2012-2014年間均為Ⅰ類,2008年均為Ⅱ類,2009-2010年間均在Ⅰ、Ⅱ類間變動,且均距Ⅰ類較近;其中長江干流入、出庫斷面溶解氧(do)的年均值以Ⅰ類水質(zhì)標準為主,少數(shù)年份為Ⅱ類水質(zhì)標準,時間變化上,入、出庫斷面DO指標的波動存在顯著階段性,存在蓄水階段性特征;高錳酸鹽指數(shù)(COD_(Mn))和氨氮(NH_3-N)的年均值偏離Ⅰ類水質(zhì)標準的年份減少,偏近Ⅱ類水質(zhì)標準的年份增多,且入庫比出庫的水質(zhì)要差,以及隨著時間推進出庫斷面的水質(zhì)逐漸呈好。(6)入、出庫斷面每年四個季度水質(zhì)的相對貼近度均在Ⅰ、Ⅱ類間波動,但更偏近于Ⅰ類,這一趨勢在多年平均情況中最為顯著,其中入庫斷面的DO指標季均值在2004-2014年間表現(xiàn)為中間時間段(2008-2010年)小于前(2004-2007年)和后(2011-2014年)兩個時間段,除2006年第二季和2007年第一季外,其余年份的出庫斷面的DO指標季均值均在Ⅰ類水質(zhì)標準線上下波動;入庫斷面COD_(Mn)指標的2004年第二季度均值(4.8 mg/L)超過Ⅱ類水質(zhì)標準線,出庫斷面的COD_(Mn)指標的2004-2008年的季均值幾乎都在Ⅰ類和Ⅱ類水質(zhì)標準線間波動,2009年后COD_(Mn)的水質(zhì)開始好轉(zhuǎn);入庫斷面的NH_3-N指標季均值在2004第一季度和2005年第一、二季度僅達到Ⅲ類水質(zhì)標準,出庫斷面的NH_3-N指標季均值在2004-2014年間的年際變化趨勢類似于COD_(Mn),不同的是Ⅰ類水質(zhì)標準出現(xiàn)的時間延后到2012年;入庫斷面總磷含量高于出庫斷面,時間變化上,在2009年蓄水達到175m前,入庫與出庫斷面的總磷含量均呈現(xiàn)下降的趨勢,由Ⅲ類水質(zhì)標準提升至Ⅱ類水質(zhì)標準,2009年以后,總磷含量得到回升,由Ⅱ類水質(zhì)標準降低到Ⅲ類水質(zhì)標準。整體上,2005-2007、2009、2010和2013年出入庫兩斷面水質(zhì)在四個季度中存在著相反的變化趨勢。年均變化上,三峽庫區(qū)入、出庫斷面水質(zhì)的未來年均變化趨勢與過去存在很好的一致性,表現(xiàn)為較強的長程依賴性和持續(xù)性。入庫斷面的Hurst指數(shù)為0.668,出庫斷面為0.6201,均大于0.5,但是偏遠于1,這種水質(zhì)變好的趨勢在將來的變化中并不穩(wěn)定,具有一定的隨機性。綜上所述,本研究改進型輸出系數(shù)模型顯著提高了庫區(qū)不同土地利用下溶解態(tài)氮磷污染負荷的模擬精度,但相比改進前溶解態(tài)磷的模擬精度的提高幅度低于溶解態(tài)氮。構(gòu)建的景觀阻/動力成本模型應用在大尺度影響面源污染的“源/匯”格局識別上具有一定的可行性,除了對氨氮與總氮外,源/匯景觀格局指數(shù)對其他污染物的相關系數(shù)要大于景觀阻/動力成本指標,且結(jié)合空間位置和景觀阻/動力系數(shù)的“源/匯”景觀格局指數(shù)更能刻畫大尺度面源污染形成的空間特征。三峽庫區(qū)長江干流入、出庫斷面的四個季度水質(zhì)的未來變化趨勢表現(xiàn)出同過去由反向向正向持續(xù)性的過渡,但各斷面水質(zhì)的季均未來變化趨勢要弱于年均未來變化趨勢的程度,且出庫斷面水質(zhì)的未來變化趨勢在四個季度中表現(xiàn)出與過去正反持續(xù)性的交替變換。
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【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X524;X824
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本文編號：2263514