论文部分内容阅读
我国正处于水环境污染结构快速转变时期,随着可控点源的有效控制,化肥施用、水土流失引起的非点源污染负荷比重不断上升,非点源污染氮磷流失成为水体富营养化的主要根源。相应地,水环境管理控制技术已实现快速转变,继浓度控制后,基于流域为管理单元的污染负荷总量控制是目前水体污染防治的重要管理技术。总量控制面临的主要困难是非点源污染来源、负荷和过程输出不明,污染控制工作有些盲目。三峡水库自蓄水以来,库区水环境问题备受国内外关注,长江干流水质基本处于稳定状态,但支流水体富营养化问题严重,水华问题不断恶化,这也是蓄水后水动力条件改变下营养盐过量输入的必然结果。香溪河是三峡库区典型的农林复合小流域,其水环境问题是库区的焦点,水体富营养化、水华等水环境问题越来越严重,关于流域非点源氮磷输出的系统研究成果报道甚少。本文以三峡库区香溪河流域为研究对象,采用原型观测和数值模拟等研究手段,从典型地块、典型支流和全流域等不同的空间尺度开展非点源污染营养盐输出监测和负荷模拟等研究工作,监测不同时空尺度的氮磷输出变化过程,构建了适合流域特征的分布式污染负荷模型,研究香溪河流域非点源氮磷输出的时空分布规律。论文的主要研究内容及结论如下：1)进行香溪河库湾和支流来流氮磷浓度常规监测及水功能规划调查,进行水质达标和水体富营养化评价,诊断流域水环境面临的主要压力,反映出非点源氮磷的影响。2)进行流域非点源源类划分,建立不同源类的径流观测小区,检测各小区土壤有机质、阳离子交换量、机械组成和氮磷赋存状态。受人为和自然因素影响,有机质含量与中值粒径成正比,相关系数R2为0.623,与阳离子交换量成反比,相关系数R2为0.555,氮素和磷素变异系数NO3-N (0.43)>PO4-P (0.32)>TP (0.22)>TN (0.17)>NH4-N (0.16), TN主要以贮存在有机质中ORG-N为主,TN和ORG-N之间的相关系数R2为0.939,磷素主要以颗粒态P存在,TN与颗粒态P之间的相关系数R2为0.884。3)基于降雨径流观测小区的降雨径流-泥沙侵蚀-氮磷流失监测,研究不同源类氮磷输出的源强特征及主要的影响机制。整体上,地表产流能力：黄棕壤>黄壤>紫色土>石灰土,耕地>果园>林地>茶地；泥沙侵蚀模数：耕地>果地>茶地>林地；氮磷侵蚀模数：耕地>果地>茶地>林地。4)通过支流控制断面水质水量同步监测,进行水质的点源和非点源浓度、水量的直接径流和基流、污染通量的点源和非点源解析。根据平均浓度法估算的TN、TP、NO3-N、NH4-N、PO4-P的点源和非点源浓度分别是0.704mg/L和1.746mg/L0.142mg/L和0.199mg/L、0.531mg/L和0.876mg/L、0.096mg/L和0.231mg/L、0.092mg/L和0.068mg/L;基于数字滤波技术进行日径流的基流和直接径流分割,基流指数BFI为0.312,直接径流占总径流的68.8%；年度非点源TN和TP通量分别占总量84.6%和75.6%,降雨洪水过程中非点源TN和TP贡献率更高。5)基于分布式SWAT模型,建立香溪河流域空间和属性数据库,离散不同空间尺度的模拟单元,构建适合香溪河河流域特征的SWAT模型和参数体系,实现全流域非点源氮磷负荷的分布式模拟,模拟效率系数和决定系数较高,分别为0.86和0.91。6)根据SWAT模型模拟结果,进行氮磷输出负荷的时空分布规律研究,空间上,TN的负荷强度特征是旱耕地>水田>果园>草地>林地,TP的负荷强度特征是果园>旱耕地>草地>水田>林地,林地面积比例小子流域非点源氮磷输出强度大,TN和TP负荷强度为高岚水系>古夫水系>南阳水系,时间上TN和TP负荷分别在丰水年2007年达最大值(TN为3475.96t和TP为399.20t),在枯水年2005年达到最低值(TN为2036.72t和TP为226.44t),年内输出负荷主要集中在丰水期,4-9月份期间,非点源TN和TP贡献率分别是84.1%和89.4%,受降雨的影响呈锯齿状变化,枯水期基本处于稳定状态,变化幅度很小。7)TN和TP负荷输出强度空间分布的差异系数分别是0.34和0.58,其分布特征与泥沙侵蚀量的空间分布规律较为一致,TN和TP输出强度与泥沙侵蚀强度的相关系数R2分别是0.804和0.817,与降雨径流量的相关系数R2分别是0.537和0.471。本文研究成果将为控制流域非点源污染、防治水体富营养化以实现水生态系统健康和流域可持续发展提供理论基础。