长江上游流域非点源污染模拟与分析

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1、长江上游流域非点源污染模拟与分析第1章绪论1.1研究背景与意义水是生命之源，是人类赖以生存、不可或缺的自然资源。近年来，水资源短缺和水环境污染等问题越来越构成对人类可持续发展和生存环境的威胁[1]。根据21世纪前10年的国家地表水环境质量变化调查和评估[2]，2009年全国评价河长177000公里，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类及劣Ⅴ类的河长比例分别为8.6%、35.3%、15.9%、13.6%、6.6%和20%，其中Ⅳ-劣Ⅴ类比例占据40.2%；汛期评价水功能区158000公里，其中Ⅰ-Ⅲ类的比例占57.2％，劣Ⅴ类的比例

2、占17.7％；非汛期评价水功能区160000公里，Ⅰ-Ⅲ类的比例占57.4%，劣Ⅴ类为22.5%，比汛期高出4.8％。2009年全国168个湖泊类的营养状况评价平均分为57.0，整体属于轻度富营养化；其中，占78%的湖泊为富营养，20.8%的湖泊为中营养，只有2个湖泊贫营养。全国406个水库营养状况平均赋分为48.6，整体属于中营养；其中，占42.6%的水库为富营养，57.1%的水库为中营养。由此可见，全国河流、湖泊、水库等主要淡水的水环境状况不容乐观，亟需得到人们的关注。水环境污染源按照其分布及排放方式主要包括点源污染和

3、非点源污染[3]，点源污染通常有固定的排污口，包括工业废水和城镇生活污水；非点源污染主要由广大区域的流域径流中的污染而产生，如化肥、农村生活垃圾、畜禽养殖排放等污染，它一般具有广泛性、随机性、时空分布不均匀性、难检测性等特点，因此防治难度相对点源污染而言更大，且随着对点源污染逐渐得以控制和防治，非点源污染便成为了影响水环境污染防治能力的重要因素[4]。根据2010年国家环境保护部、国家统计局和农业部颁发的第一次全国污染源普查公报[5]，从农业源排放的污染物对水环境的影响较大，农业源（不包括典型的农村生活源区）主要水污染物排

4、放量中的总氮和总磷分别占排放总量的67.4％和57.2％，这说明当前我国农业非点源污染问题比较严重，应当引起高度重视[6]。..1.2.非点源污染研究现状从生成机制，非点源污染主要分为三个过程：降雨径流过程、土壤侵蚀过程和污染物迁移转化过程[15]，因此其模型可概化为图1.2。非点源污染的影响因素有很多，如降雨强度、土地利用类型、人类活动强度等，都使得非点源污染的监测、控制及治理困难重重。而非点源污染对水环境具有恶劣的影响，主要集中在以下几个方面[16]：①增加水体富营养化程度，恶化水质：富营养化主要是指[17]N、P和其

5、它营养物质进入水体所引起的，水体内生物的生长周期会随之发生季节性变化，导致某些水体藻类生物量异常增殖，降低水的透明度，溶解氧减少，伴随着大量死亡的水生生物及水味腥臭难闻的现象，N、P是引起水体富营养化的关键因素[18]，研究表明[19]，当无机总氮的浓度超过0.2毫克/升，磷酸盐浓度超过0.02毫克/升，就有可能会造成藻类大量繁殖的发生；②对地下水有很大的威胁：全世界施入土壤中的肥料大约有30%~50%经土壤淋溶作用进入地下水，而大量的土壤中氮的淋失和下渗，使地下水中硝态氮含量严重超标；③通过水体沉积物来降低水体的生态功能

6、：水体沉积物污染是全球范围内一个重要的环境问题，水质的恶化会破坏水生生物的生活环境，若干有毒有害物质（如重金属或农药残留物等）入水后会对水体的生态功能产生直接的影响。第2章GBNP模型的结构及原理2.1GBNP模型结构GBNP模型的基础框架如图2.1所示，它以山坡和河道为基本的计算单元，利用流域空间数据和气象数据、水质基础数据等建立了一个机理性的方程，该方程可以用于描述径流、泥沙及氮磷等污染物质的运移转化过程，包括降水截留、土壤下渗、蒸散发、坡面汇流、河道汇流、地下出流等降雨径流子过程，土壤侵蚀产沙和泥沙演进等产沙输沙子过

7、程，以及坡面氮磷循环和河道氮磷输移等污染物质迁移转化子过程。GBNP模型采用GBHM模型的原理和方法[44]，将流域离散化为不同的汇流区间，如图2.2所示，其中同一个汇流区间到流域出口的距离是相等的，模型中引入坡面单元的概念，假设其对称分布于汇流区间的河道两侧，模型中最基本的计算单元就是具有相同土壤类型和土地利用的坡面单元。每一个坡面单元都沿垂直方向划分为4层，如图2.3所示，由上到下分别为：A层地表以上层，B层土壤表层，C层土壤非饱和带层以及D层潜水层，其中A层分为无雨日和有雨日分别模拟地表以上的蒸散发过程、坡面产流过程

8、、土壤侵蚀产沙过程、吸附态和溶解态污染物质的运移过程，B层也常叫做混合层，假设其水分饱和且溶质得到均匀混合，在有地表径流时通过该层水分和土壤溶质得到交换，C层沿垂直方向分为若干层，分别在无雨日和有雨日计算水分和溶解态污染物质的运动，D层是非饱和带和河道之间进行水分和溶质交换的媒介。2.2GBNP模型原理