【摘要】：水體污染導(dǎo)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(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一,是影響和制約國(guó)家和地區(qū)全面發(fā)展的關(guān)鍵問題。三峽庫(kù)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(yán)重水土流失、大壩建設(shè)后的回水效應(yīng)、庫(kù)區(qū)的移民大開發(fā)建設(shè)等使得庫(kù)區(qū)流域的水環(huán)境安全形勢(shì)嚴(yán)峻。盡管國(guó)家及區(qū)域?qū)用嬖谒帘３趾退|(zhì)保護(hù)方面有大量投入,但在庫(kù)區(qū)地形起伏大、化肥(農(nóng)藥)施用量增加、大型工程擾動(dòng)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(kù)區(qū)建設(shè)發(fā)展過程中,這已經(jīng)成為水庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所必須面對(duì)的關(guān)鍵“瓶頸”問題。因此,開展三峽庫(kù)區(qū)這一大尺度空間范圍的氮、磷面源污染負(fù)荷模擬及其水質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)文明建設(shè)有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本研究基于三峽庫(kù)區(qū)這一特定區(qū)域,以面源污染負(fù)荷模擬、“源/匯”景觀格局與水質(zhì)評(píng)價(jià)為主線,結(jié)合庫(kù)區(qū)自然環(huán)境的空間差異,對(duì)已有面源污染負(fù)荷模擬模型、“源/匯”格局識(shí)別方法和水質(zhì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行改進(jìn)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(dòng)力成本模型,為庫(kù)區(qū)面源污染負(fù)荷模擬、“源/匯”格局與水質(zhì)評(píng)價(jià)提供了新的研究思路和方法。首先,重點(diǎn)考慮泥沙輸移比,通過構(gòu)建影響泥沙輸移的動(dòng)力和阻力系數(shù)的大尺度區(qū)域泥沙輸移比模型,并應(yīng)用已有的土壤侵蝕模型、泥沙負(fù)荷模型和吸附態(tài)氮、磷污染負(fù)荷模型,估算了1990-2010年間五期(1990、1995、2000、2005和2010年)庫(kù)區(qū)泥沙負(fù)荷和吸附態(tài)氮磷污染負(fù)荷;同時(shí)在Johnes輸出系數(shù)模型基礎(chǔ)上,引入產(chǎn)污和截污系數(shù),改進(jìn)已有的土地利用輸出系數(shù),構(gòu)建改進(jìn)型輸出系數(shù)模型,估算了庫(kù)區(qū)20年間五期不同土地利用下的溶解態(tài)氮、磷污染負(fù)荷,并進(jìn)行空間模擬、動(dòng)態(tài)分析和結(jié)果驗(yàn)證。其次,從影響面源污染過程的阻/動(dòng)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(dòng)力成本模型,并將其應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)面源污染的景觀阻/動(dòng)力評(píng)價(jià)和“源/匯”格局識(shí)別研究中。最后,利用三峽庫(kù)區(qū)入、出庫(kù)年均、季均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),基于灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣的TOPSIS法進(jìn)行水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)與對(duì)比分析,結(jié)合相對(duì)貼近度,通過R/S分析法探索入、出庫(kù)水質(zhì)變化的未來(lái)趨勢(shì)。以期為庫(kù)區(qū)面源污染負(fù)荷模擬、“源/匯”格局與水質(zhì)評(píng)價(jià)提供新的研究思路和方法。結(jié)果表明:(1)影響三峽庫(kù)區(qū)泥沙輸移的動(dòng)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(fù)雜,坡度低的平行嶺谷區(qū)和河流沖積緩坡以及臺(tái)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(kù)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(shì);泥沙負(fù)荷均值與負(fù)荷總量的年際變化趨勢(shì)相同,泥沙負(fù)荷總量的模擬值(0.9億t)接近于1995年的公報(bào)監(jiān)測(cè)值(0.92億t),相對(duì)誤差-2.17%,其次為2000年,相對(duì)誤差-5.00%,而相差最大的是2010年,相對(duì)誤差-57.64%;空間格局上因近10年庫(kù)區(qū)泥沙負(fù)荷量的均值變化不大,泥沙負(fù)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(fù)荷量與土壤侵蝕模數(shù)、泥沙負(fù)荷量在數(shù)值上同比增長(zhǎng),在2010年負(fù)荷總量達(dá)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(shì)。與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)分析顯示,吸附態(tài)氮負(fù)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(gè)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(shí)吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷在庫(kù)區(qū)流域內(nèi)存在空間相關(guān)性。(3)通過改進(jìn)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(fù)荷,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前后五期庫(kù)區(qū)水田的溶解態(tài)氮磷污染負(fù)荷分別以10000t和1500t為界,且改進(jìn)后的模擬值均大于改進(jìn)前,水田主要分布于地勢(shì)相對(duì)平緩區(qū),產(chǎn)污能力較強(qiáng),改進(jìn)后水田的污染負(fù)荷明顯增大;旱地的溶解態(tài)氮磷污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)占比最大,各時(shí)期改進(jìn)前后的模擬值均大于30000t,但改進(jìn)前后的增量遠(yuǎn)小于水田,時(shí)間動(dòng)態(tài)上表現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì)。五期庫(kù)區(qū)林草地的溶解態(tài)氮磷污染負(fù)荷表現(xiàn)為改進(jìn)后小于改進(jìn)前,其中林地的溶解態(tài)氮污染負(fù)荷改進(jìn)前均大于5100t,改進(jìn)后均小于4900t,溶解態(tài)磷污染負(fù)荷改進(jìn)前后以310t為界;草地的溶解態(tài)氮污染負(fù)荷改進(jìn)前后以3000t為界;建設(shè)用地的溶解態(tài)氮磷污染負(fù)荷最小,但呈逐年增加趨勢(shì)。(4)三峽庫(kù)區(qū)16大子流域的景觀阻/動(dòng)力系數(shù)的均值變化趨勢(shì)在空間分布上展現(xiàn)為此消彼長(zhǎng)的關(guān)系,總體上越往庫(kù)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(shì),而景觀動(dòng)力系數(shù)則相反。整體上16大子流域沿長(zhǎng)江流向的平均景觀阻/動(dòng)力成本曲線比景觀阻/動(dòng)力系數(shù)曲線表現(xiàn)得更具有波動(dòng)性,但考慮流域面源污染物運(yùn)移所耗費(fèi)的距離成本,景觀阻/動(dòng)力成本更能反映庫(kù)區(qū)流域面源污染的動(dòng)態(tài)過程。景觀阻/動(dòng)力成本差所反映出的源/匯景觀格局主要表現(xiàn)為,庫(kù)區(qū)高海拔地區(qū)內(nèi)影響面源污染的景觀阻/動(dòng)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(xiàn)大,因此“匯”的作用強(qiáng),“源”的作用弱;而低海拔地區(qū)相反,其景觀阻/動(dòng)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(xiàn)大,因此“源”的作用強(qiáng),“匯”的作用弱。(5)三峽庫(kù)區(qū)入、出庫(kù)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(dòng),且均距Ⅰ類較近;其中長(zhǎng)江干流入、出庫(kù)斷面溶解氧(do)的年均值以Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為主,少數(shù)年份為Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),時(shí)間變化上,入、出庫(kù)斷面DO指標(biāo)的波動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的年份減少,偏近Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的年份增多,且入庫(kù)比出庫(kù)的水質(zhì)要差,以及隨著時(shí)間推進(jìn)出庫(kù)斷面的水質(zhì)逐漸呈好。(6)入、出庫(kù)斷面每年四個(gè)季度水質(zhì)的相對(duì)貼近度均在Ⅰ、Ⅱ類間波動(dòng),但更偏近于Ⅰ類,這一趨勢(shì)在多年平均情況中最為顯著,其中入庫(kù)斷面的DO指標(biāo)季均值在2004-2014年間表現(xiàn)為中間時(shí)間段(2008-2010年)小于前(2004-2007年)和后(2011-2014年)兩個(gè)時(shí)間段,除2006年第二季和2007年第一季外,其余年份的出庫(kù)斷面的DO指標(biāo)季均值均在Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)線上下波動(dòng);入庫(kù)斷面COD_(Mn)指標(biāo)的2004年第二季度均值(4.8 mg/L)超過Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)線,出庫(kù)斷面的COD_(Mn)指標(biāo)的2004-2008年的季均值幾乎都在Ⅰ類和Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)線間波動(dòng),2009年后COD_(Mn)的水質(zhì)開始好轉(zhuǎn);入庫(kù)斷面的NH_3-N指標(biāo)季均值在2004第一季度和2005年第一、二季度僅達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),出庫(kù)斷面的NH_3-N指標(biāo)季均值在2004-2014年間的年際變化趨勢(shì)類似于COD_(Mn),不同的是Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)的時(shí)間延后到2012年;入庫(kù)斷面總磷含量高于出庫(kù)斷面,時(shí)間變化上,在2009年蓄水達(dá)到175m前,入庫(kù)與出庫(kù)斷面的總磷含量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),由Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提升至Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),2009年以后,總磷含量得到回升,由Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)降低到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。整體上,2005-2007、2009、2010和2013年出入庫(kù)兩斷面水質(zhì)在四個(gè)季度中存在著相反的變化趨勢(shì)。年均變化上,三峽庫(kù)區(qū)入、出庫(kù)斷面水質(zhì)的未來(lái)年均變化趨勢(shì)與過去存在很好的一致性,表現(xiàn)為較強(qiáng)的長(zhǎng)程依賴性和持續(xù)性。入庫(kù)斷面的Hurst指數(shù)為0.668,出庫(kù)斷面為0.6201,均大于0.5,但是偏遠(yuǎn)于1,這種水質(zhì)變好的趨勢(shì)在將來(lái)的變化中并不穩(wěn)定,具有一定的隨機(jī)性。綜上所述,本研究改進(jìn)型輸出系數(shù)模型顯著提高了庫(kù)區(qū)不同土地利用下溶解態(tài)氮磷污染負(fù)荷的模擬精度,但相比改進(jìn)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(dòng)力成本模型應(yīng)用在大尺度影響面源污染的“源/匯”格局識(shí)別上具有一定的可行性,除了對(duì)氨氮與總氮外,源/匯景觀格局指數(shù)對(duì)其他污染物的相關(guān)系數(shù)要大于景觀阻/動(dòng)力成本指標(biāo),且結(jié)合空間位置和景觀阻/動(dòng)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(kù)區(qū)長(zhǎng)江干流入、出庫(kù)斷面的四個(gè)季度水質(zhì)的未來(lái)變化趨勢(shì)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(lái)變化趨勢(shì)要弱于年均未來(lái)變化趨勢(shì)的程度,且出庫(kù)斷面水質(zhì)的未來(lái)變化趨勢(shì)在四個(gè)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(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X524;X824
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本文編號(hào)：2263514