基于改进输出系数模型的澎溪河流域非点源污染研究

作     者：刘佳昆 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张磊;谢德体

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：三峡库区 澎溪河流域 非点源污染 改进的输出系数模型 分类回归树模型 空间分布 P-S-R框架 情景模拟 

摘      要：三峡库区陆地及水环境十分脆弱,库区支流富营养化现象普遍,地表营养负荷随水土流失问题严重,而非点源污染对水体总氮、总磷的贡献率可以达到81%和93%。本文以库区北岸最大支流澎溪河流域为研究区域,建立澎溪河流域水文气候、地形地貌、植被覆盖、土地利用、农业人口、畜禽养殖、种植及施肥管理等空间及属性数据库,引入降雨侵蚀力因子、地形影响因子、植被覆盖因子、河道距离因子对经典输出系数模型进行改进,修正空间单元污染物入河负荷,基于ArcGIS平台对2000和2015年总氮、总磷非点源污染的入河负荷进行了模拟估算,比较三峡水库蓄水前后澎溪河流域总氮、总磷的输入情况,识别流域非点源污染关键来源;构建分类回归树模型对流域非点源污染的主要影响因素进行分析;在像元和子流域两个尺度分析澎溪河流域非点源污染的空间分布规律,通过空间叠加分析等技术手段识别出流域非点源污染关键污染区;针对澎溪河流域的关键污染源和关键污染区,依据P-S-R框架(Press-State-Response,P-S-R)提出4种污染响应方案,对模拟方案下的非点源污染氮磷进行模拟估算,规划一种可以达到澎溪河水体自净能力标准的污染物排放消减计划。主要研究结论如下:2000年澎溪河流域非点源污染总氮、总磷入河负荷分别为2466.39 t/a、208.65t/a,非点源污染的风险较低;2015年总氮、总磷入河负荷分别为5283.66 t/a、466.72t/a,污染风险较高。模型估算的总氮、总磷负荷值与实测澎溪河水体中总氮、总磷浓度的相对误差分别为5.74%和2.57%,模拟精度较高;河道距离因子引入使得改进的输出系数模型的模拟精度提高了7.86%和0.14%(总氮、总磷)。耕地(旱地和水田)是澎溪河流域非点源污染的关键污染源,2000年耕地对总氮、总磷入河负荷的贡献率分别为40.93%、52.00%,2015年分别为42.88%、52.52%;其原因与流域过度施肥现象普遍有关。农村生活是第二污染源,2000年其对总氮、总磷入河负荷的贡献率分别为38.53%、26.18%,2015年分别为30.40%、19.79%;其原因与村镇缺乏生产生活废水、废物的集中收集处理设施有关。坡度是澎溪河流域总氮流失的关键影响因素,降雨是总磷流失的关键影响因素。2000年和2015年流域总氮、总磷入河负荷空间分布均呈现出明显的差异。2000年污染程度没有呈现出很明显的集中分布形式,污染较为严重的区域与旱地分布比较吻合。2015年,污染严重的区域更多集中在流域出口附近,呈现出由流域出口向上游蔓延的形状;云阳县位于澎溪河下游、流域出水口附近,城镇用地比较集中,非点源污染物密度在澎溪河6个区县里最高;“陡坡旱地面积有小幅度增加,在坡度大于25°以上的土地种植会加重土壤侵蚀和水土流失,非点源污染风险也会随之增加。2000年各子流域的总氮、总磷入河负荷没有明显的差异,都处于污染程度比较低的水平;2015年各子流域差异明显且都处于污染程度较高水平,总氮、总磷负荷密度最高值均出现在C1子流域,最低值均出现在C4;澎溪河各子流域总氮、总磷入河负荷密度的差异与土地利用有直接的关系,草地减少、旱地和城镇用地增加是导致非点源污染加重的原因;同时,坡度大、海拔低的区域,非点源污染较为严重。在P-S-R框架内提出4种响应方案分别为:适当减少施肥方案、将坡度大于25°旱地实施“退耕还草工程;在河道和流域出口附近种植植物篱阻挡河道附近氮磷入河;建立沼气池收集并处理农村生活废物和畜禽粪便。“减少施肥、“退耕还草、“种植植物篱方案共可以消减82.37%和66.21%的总氮、总磷,同时需要流域1.8%的农户住宅建立沼气池,则四个响应方案最终可以消减全部多余的总氮、总磷入河负荷。