發(fā)布時間：2020-03-26 19:12

【摘要】：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人為活動對水環(huán)境的影響程度越來越大，當超過水體自凈能力時便會造成水環(huán)境惡化。中國目前面臨三大水問題，即干旱缺水、洪澇災害和水環(huán)境惡化。水環(huán)境惡化最直接、最主要的表現(xiàn)是水資源量的短缺和水質(zhì)的下降。“水質(zhì)型缺水”已成為制約我國國民經(jīng)濟持續(xù)、快速、健康發(fā)展的重要因素。水污染不僅破壞生態(tài)環(huán)境、造成經(jīng)濟損失，影響社會穩(wěn)定，而且直接影響人們的身體健康。水環(huán)境模擬是開展水環(huán)境評價、水質(zhì)預測和預警，制定水環(huán)境規(guī)劃和水污染控制方案的主要技術手段。本文選擇新立城水庫流域為研究區(qū)域，對流域進行水環(huán)境現(xiàn)狀分析，應用半分布式水文模型HSPF開展流域水環(huán)境綜合研究，對流域內(nèi)非點源污染負荷進行量化分析，利用模型手段研究流域最佳管理措施的空間配置問題，利用污染負荷模擬結果計算新立城水庫水環(huán)境容量，為流域水環(huán)境保護和治理提供決策依據(jù)。 （1）新立城水庫流域水環(huán)境現(xiàn)狀分析，主要包括湖沼學特征分析、水環(huán)境質(zhì)量評價、富營養(yǎng)化評價及水環(huán)境問題歸因分析。湖沼學特征分析主要包括水質(zhì)變量關系特性、水質(zhì)時空變化特征、水力停留時間以及水溫分層結構。利用SPSS統(tǒng)計檢驗方法對水庫水質(zhì)變量進行區(qū)域、季節(jié)和年的差異顯著性分析：透明度（SD）、水溫（T）、葉綠素（Chl-a）、糞大腸菌群（FC）、溶解氧（DO）、pH、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）季節(jié)變化差異顯著（P�d0.05）；Chl-a、DO、pH、NH3-N、總氮（TN）、TP、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）年變化差異顯著（P�d0.05）；除SD外，其余水質(zhì)指標區(qū)域變化無顯著差異（P＞0.05）。利用Pearson相關系數(shù)分析水質(zhì)變量間相關性：SD與Chl-a（P�d0.05）、T、FC和pH成負相關（P�d0.01），與DO成正相關（P�d0.01）。T與Chl-a、FC和pH成正相關（P�d0.01），與DO成負相關（P�d0.01）。Chl-a與FC成正相關（P�d0.01），與DO成負相關（P�d0.01）。FC與pH成正相關（P�d0.01），與DO成負相關（P�d0.01）。DO與pH成負相關（P�d0.05）。NH3-N與TN（P�d0.05）和TP成正相關（P�d0.01）。主成分分析結果表明：水庫水質(zhì)按成分可解釋為生物因子和營養(yǎng)因子兩大主要成分，得分排序顯示水庫水質(zhì)枯水期好于豐水期。根據(jù)新立城水庫水流特性，計算其平均水力停留時間為518d。水庫水溫數(shù)據(jù)顯示，新立城水庫無穩(wěn)定分層結構，只存在變溫層，水溫隨季節(jié)變化，影響范圍從表層延伸至水底�；�于改進內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法水質(zhì)評價結果表明：新立城水庫水質(zhì)達到Ⅱ或Ⅲ類，水質(zhì)較好。沿著水庫縱軸方向從上游到壩前，水質(zhì)趨于變好，表征水庫具有自凈能力�；�于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的富營養(yǎng)化評價結果表明：綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)豐水期高于枯水期，上游河流區(qū)相對高于下游湖泊區(qū)，水體大多時期處于中營養(yǎng)水平。影響新立城水庫水環(huán)境狀況的主要因素有：降雨徑流；水庫流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展迅速，市政配套設施不足；水庫流域的土地利用格局；水庫流域內(nèi)多源污染與岸線硬化；底泥釋放。 （2）基于HSPF模型的新立城水庫流域水環(huán)境研究。通過構建流域空間和屬性數(shù)據(jù)庫，建立新立城水庫流域HSPF模型，模擬水文、泥沙、水溫、水質(zhì)過程，并對模型進行校準和驗證，采用相對誤差Re、相關系數(shù)R和納什效率系數(shù)Ens對模擬效果進行評價。水文模擬基于PEST自動率定和手動微調(diào)，分別對年徑流總量、季節(jié)徑流總量、月徑流總量和日徑流量進行校準和驗證。年徑流總量校準期和驗證期相對誤差都在±10%以內(nèi)，分別為-0.41%和-9.31%，模擬效果非常好。季節(jié)性徑流總量校準期冬季和夏季相對誤差為-10.86%~18.89%，驗證期冬季和夏季相對誤差為-19.36%~-5.90%，模擬效果均達到合理以上。月徑流總量校準期相關系數(shù)為0.984，納什系數(shù)為0.95，驗證期相關系數(shù)為0.936，納什系數(shù)為0.87，模擬效果均達到好以上。日徑流量校準期相關系數(shù)為0.932，納什系數(shù)為0.87，驗證期相關系數(shù)為0.927，納什系數(shù)為0.86，模擬效果為非常好。泥沙模擬校準期相關系數(shù)為0.89，納什系數(shù)為0.73，驗證期相關系數(shù)為0.982，納什系數(shù)為0.80，模擬效果均為好。水溫模擬校準期相關系數(shù)為0.983，納什系數(shù)為0.96，驗證期相關系數(shù)為0.919，納什系數(shù)為0.84，模擬效果為好以上。水質(zhì)模擬結果表明：NH4-N校準期相關系數(shù)為0.961，納什系數(shù)為0.85，驗證期相關系數(shù)為0.877，納什系數(shù)為0.66，模擬效果分別為好和一般；NO3-N校準期相關系數(shù)為0.958，納什系數(shù)為0.78，驗證期相關系數(shù)為0.927，納什系數(shù)為0.82，模擬效果均為好；TN校準期相關系數(shù)為0.892，納什系數(shù)為0.61，驗證期相關系數(shù)為0.865，納什系數(shù)為0.64，模擬效果均一般；TP校準期相關系數(shù)為0.979，納什系數(shù)為0.92，驗證期相關系數(shù)為0.932，納什系數(shù)為0.79，模擬效果達到好以上�？傮w上，HSPF模型模擬效果良好，滿足模擬精度要求。 （3）新立城水庫流域非點源污染負荷分析與情景模擬。依據(jù)已校準和驗證的HSPF模型，對新立城水庫流域2010~2013年入庫非點源污染負荷進行估算，分析非點源污染負荷時空變化特征，探討土地利用變化對非點源負荷的影響，通過情景模擬研究最佳管理措施的應用與空間配置。在不考慮點源污染負荷的條件下，流域內(nèi)入庫泥沙負荷年平均為26225t，TN負荷年平均為200t，TP負荷年平均為24.39t。非點源負荷與降水時間變化一致，峰值一般出現(xiàn)在豐水期（6~9月），其中泥沙負荷占全年負荷的71%~95%，TN負荷占全年的49%~55%，TP負荷占全年的75%~94%。水系最上游子流域非點源污染負荷最大，是流域非點源污染治理的重點。非點源污染負荷與人類活動密切相關，對非點源污染貢獻最大的土地利用類型是農(nóng)業(yè)用地和城鎮(zhèn)建設用地。利用BMP模塊模擬緩沖帶、人工濕地、草溝和生物滯留設施4種最佳管理措施（BMPs）對非點源污染負荷的影響。結果表明：緩沖帶對非點源負荷的綜合削減效果最好，人工濕地次之，草溝和生物滯留設施對泥沙顆粒的攔截效果較好。HSPF模型以子流域單元作為BMP管理單元，上下游單元可根據(jù)土地利用類型特點選擇相同或不同的BMP，通過設定BMP應用面積比例來模擬BMP的空間優(yōu)化配置。 （4）新立城水庫水環(huán)境容量計算。基于HSPF模型以2013年為現(xiàn)狀年，預測2020年不同降水頻率（豐水年P=20%、平水年P=50%、枯水年P=75%）下TN和TP污染負荷及相應水環(huán)境容量。現(xiàn)狀年TN和TP入庫負荷分別為227.30t和28.74t，相應水環(huán)境容量分別為2526.45t和525.33t。2020年20%頻率下TN和TP入庫負荷分別為268.57t和37.36t，相應水環(huán)境容量分別為2210.09t和441.17t。2020年50%頻率下TN和TP入庫負荷分別為244.65t和21.95t，相應水環(huán)境容量分別為2175.89t和459.33t。2020年75%頻率下TN和TP入庫負荷分別為218.74t和9.29t，相應水環(huán)境容量分別為2177.96t和451.81t�，F(xiàn)狀年與預測水平年的水環(huán)境容量呈動態(tài)變化，各年污染指標的水環(huán)境容量大于同期入庫污染負荷。稀釋容量小于自凈容量，表明自凈作用在水庫水體凈化過程中占優(yōu)勢地位。年內(nèi)汛期水環(huán)境容量大于枯水期。不同污染物綜合降解系數(shù)取值會影響自凈容量大小。新立城水庫水環(huán)境容量與降水頻率、水量過程、污染負荷及污染物綜合降解系數(shù)等因素有關。提高水環(huán)境容量的措施包括生態(tài)保護措施、環(huán)境管制措施和生態(tài)修復措施，可采取多種措施組合方式提高庫區(qū)水環(huán)境容量。 綜上所述，，本文以新立城水庫流域為研究對象，應用半分布式水文模型HSPF開展流域水環(huán)境綜合研究，首次系統(tǒng)模擬了新立城水庫流域內(nèi)水文、泥沙、水溫、水質(zhì)過程，經(jīng)模型校準和驗證，模擬效果良好。首次應用HSPF軟件包BMP模塊用于模擬新立城水庫流域最佳管理措施研究，通過情景模擬探討了BMP空間優(yōu)化配置。首次將HSPF污染負荷模擬結果用于新立城水庫水環(huán)境容量計算。本研究為HSPF模型在我國流域模擬與管理研究方面的推廣應用提供實例借鑒。
【圖文】：

圖 3.5 新立城水庫流域 DEM 圖Fig. 3.5 The DEM of Xinlicheng Reservoir Watershed流域水系過 DEM 數(shù)據(jù)可以提取新立城水庫流域地表形態(tài)信息，包括流域、坡度、坡面面積、水系網(wǎng)、河道長度和坡度以及河網(wǎng)密度等。信息提取之前，需要對 DEM 進行預處理，DEM 預處理是為了將和小平地改造成斜坡，即 DEM 數(shù)據(jù)反映的地形特征由斜坡構成填洼。填洼的目的是使水流能夠根據(jù)地表漫流模型流出流域邊界信息提取的后續(xù)步驟能夠正確進行。根據(jù)單向流法中 D8 方法得集水面積矩陣可以生成需要的水系，在水系產(chǎn)生的基礎上可以將流域劃分。上述步驟可利用 ArcGIS 工具箱中水文分析工具完成 3.6。新立城水庫流域水系圖見圖 3.7。

DEM流向分析檢查洼地有無洼地？填洼無洼地的DEM有無計算流量河網(wǎng)分級柵格河網(wǎng)矢量化河流連接水流長度捕捉傾瀉點分水嶺圖 3.6 DEM 流域水文信息提取流程ig. 3.6 Extraction process of DEM watershed hydrological informat
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X143

【參考文獻】

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本文編號：2601851