三峽庫區(qū)氮、磷面源污染負荷模擬及水質評價.pdf

1、水體污染導致水質下降已成為環(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)水體富營養(yǎng)化的主要原因之一，是影響和制約國家和地區(qū)全面發(fā)展的關鍵問題。三峽庫區(qū)作為一特殊的地理區(qū)域，高農業(yè)化肥施用量和嚴重水土流失、大壩建設后的回水效應、庫區(qū)的移民大開發(fā)建設等使得庫區(qū)流域的水環(huán)境安全形勢嚴峻。盡管國家及區(qū)域層面在水土保持和水質保護方面有大量投入，但在庫區(qū)地形起伏大、化肥（農藥）施用量增加、大型工程擾動等脅迫下，使得面源污染問題特別是農業(yè)氮、磷污

2、染問題一直存在于三峽庫區(qū)建設發(fā)展過程中，這已經成為水庫安全運營和經濟發(fā)展所必須面對的關鍵“瓶頸”問題。因此，開展三峽庫區(qū)這一大尺度空間范圍的氮、磷面源污染負荷模擬及其水質評價對三峽庫區(qū)生態(tài)文明建設有重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　本研究基于三峽庫區(qū)這一特定區(qū)域，以面源污染負荷模擬、“源/匯”景觀格局與水質評價為主線，結合庫區(qū)自然環(huán)境的空間差異，對已有面源污染負荷模擬模型、“源/匯”格局識別方法和水質評價模型進行改進與修正，構建了泥沙輸

3、移比模型、修正了輸出系數(shù)模型和景觀阻/動力成本模型，為庫區(qū)面源污染負荷模擬、“源/匯”格局與水質評價提供了新的研究思路和方法。首先，重點考慮泥沙輸移比，通過構建影響泥沙輸移的動力和阻力系數(shù)的大尺度區(qū)域泥沙輸移比模型，并應用已有的土壤侵蝕模型、泥沙負荷模型和吸附態(tài)氮、磷污染負荷模型，估算了1990-2010年間五期（1990、1995、2000、2005和2010年）庫區(qū)泥沙負荷和吸附態(tài)氮磷污染負荷；同時在Johnes輸出系數(shù)模型基礎上，

4、引入產污和截污系數(shù)，改進已有的土地利用輸出系數(shù)，構建改進型輸出系數(shù)模型，估算了庫區(qū)20年間五期不同土地利用下的溶解態(tài)氮、磷污染負荷，并進行空間模擬、動態(tài)分析和結果驗證。其次，從影響面源污染過程的阻/動力著手，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/動力成本模型，并將其應用于三峽庫區(qū)面源污染的景觀阻/動力評價和“源/匯”格局識別研究中。最后，利用三峽庫區(qū)入、出庫年均、

5、季均統(tǒng)計數(shù)據(jù)和水質標準，基于灰色關聯(lián)系數(shù)矩陣的TOPSIS法進行水質狀況評價與對比分析，結合相對貼近度，通過R/S分析法探索入、出庫水質變化的未來趨勢。以期為庫區(qū)面源污染負荷模擬、“源/匯”格局與水質評價提供新的研究思路和方法。結果表明：
　?。?）影響三峽庫區(qū)泥沙輸移的動力系數(shù)主要集中在中等以上區(qū)間（0.4，0.8），空間異質性不顯著，而阻力系數(shù)表現(xiàn)較為復雜，坡度低的平行嶺谷區(qū)和河流沖積緩坡以及臺地區(qū)較高，坡度陡的秦巴山地北部區(qū)

6、和武陵山區(qū)的高山峽谷地帶偏低。庫區(qū)泥沙輸移比呈“單峰”結構，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呈梯度增大趨勢；泥沙負荷均值與負荷總量的年際變化趨勢相同，泥沙負荷總量的模擬值（0.9億t）接近于1995年的公報監(jiān)測值（0.92億t），相對誤差-2.17％，其次為2000年，相對誤差-5.00%，而相差最大的是2010年，相對誤差-57.64%；空間格局上因近10年

7、庫區(qū)泥沙負荷量的均值變化不大，泥沙負荷的低值區(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)氮磷負荷量與土壤侵蝕模數(shù)、泥沙負荷量在數(shù)值上同比增長，在2010年負荷總量達到最大值，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。與監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關分析顯示，吸附態(tài)氮負荷的模擬效果（R2=0.6667）比吸附態(tài)磷（R2=0.4336）更

8、好，且吸附態(tài)氮的模擬結果的均值以20 t為界，大于20 t的6個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10 t，大于10 t的有大寧河和湯溪河流域，同時吸附態(tài)氮、磷負荷在庫區(qū)流域內存在空間相關性。
　　（3）通過改進前后的輸出系數(shù)模型估算不同土地利用方式下的溶解態(tài)氮、磷污染負荷，發(fā)現(xiàn)改進前后五期庫區(qū)水田的溶解態(tài)氮磷污染負荷分別以10000 t和1500 t為界，且改進后的模擬值均大于改進

9、前，水田主要分布于地勢相對平緩區(qū)，產污能力較強，改進后水田的污染負荷明顯增大；旱地的溶解態(tài)氮磷污染負荷的貢獻占比最大，各時期改進前后的模擬值均大于30000 t，但改進前后的增量遠小于水田，時間動態(tài)上表現(xiàn)出先增大后減小趨勢。五期庫區(qū)林草地的溶解態(tài)氮磷污染負荷表現(xiàn)為改進后小于改進前，其中林地的溶解態(tài)氮污染負荷改進前均大于5100 t，改進后均小于4900 t，溶解態(tài)磷污染負荷改進前后以310 t為界；草地的溶解態(tài)氮污染負荷改進前后以300

10、0 t為界；建設用地的溶解態(tài)氮磷污染負荷最小，但呈逐年增加趨勢。
　?。?）三峽庫區(qū)16大子流域的景觀阻/動力系數(shù)的均值變化趨勢在空間分布上展現(xiàn)為此消彼長的關系，總體上越往庫區(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，而景觀動力系數(shù)則相反。整體上16大子流域沿長江流向的平均景觀阻/動力成本曲線比景觀阻/動力系數(shù)曲線表現(xiàn)得更具有波動性，但考慮流域面源污染物運移所耗費的距離成本，景觀阻/動力成本更能反映庫區(qū)流域面源污染的動態(tài)

11、過程。景觀阻/動力成本差所反映出的源/匯景觀格局主要表現(xiàn)為，庫區(qū)高海拔地區(qū)內影響面源污染的景觀阻/動力成本差均值小，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”景觀貢獻大，因此“匯”的作用強，“源”的作用弱；而低海拔地區(qū)相反，其景觀阻/動力成本差均值大，特別是嘉陵江流域（第2）為最高值（2003.32），“源”景觀貢獻大，因此“源”的作用強，“匯”的作用弱。
　?。?）三峽庫區(qū)入、出庫

12、水質在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，且均距Ⅰ類較近；其中長江干流入、出庫斷面溶解氧（DO）的年均值以Ⅰ類水質標準為主，少數(shù)年份為Ⅱ類水質標準，時間變化上，入、出庫斷面DO指標的波動存在顯著階段性，存在蓄水階段性特征；高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和氨氮（NH3-N）的年均值偏離Ⅰ類水質標準的年份減少，偏近Ⅱ類水質標

13、準的年份增多，且入庫比出庫的水質要差，以及隨著時間推進出庫斷面的水質逐漸呈好。
　?。?）入、出庫斷面每年四個季度水質的相對貼近度均在Ⅰ、Ⅱ類間波動，但更偏近于Ⅰ類，這一趨勢在多年平均情況中最為顯著，其中入庫斷面的DO指標季均值在2004-2014年間表現(xiàn)為中間時間段（2008-2010年）小于前（2004-2007年）和后（2011-2014年）兩個時間段，除2006年第二季和2007年第一季外，其余年份的出庫斷面的DO指標季均

14、值均在Ⅰ類水質標準線上下波動；入庫斷面CODMn指標的2004年第二季度均值（4.8 mg/L）超過Ⅱ類水質標準線，出庫斷面的CODMn指標的2004-2008年的季均值幾乎都在Ⅰ類和Ⅱ類水質標準線間波動，2009年后 CODMn的水質開始好轉；入庫斷面的NH3-N指標季均值在2004第一季度和2005年第一、二季度僅達到Ⅲ類水質標準，出庫斷面的NH3-N指標季均值在2004-2014年間的年際變化趨勢類似于CODMn，不同的是Ⅰ類水質

15、標準出現(xiàn)的時間延后到2012年；入庫斷面總磷含量高于出庫斷面，時間變化上，在2009年蓄水達到175m前，入庫與出庫斷面的總磷含量均呈現(xiàn)下降的趨勢，由Ⅲ類水質標準提升至Ⅱ類水質標準，2009年以后，總磷含量得到回升，由Ⅱ類水質標準降低到Ⅲ類水質標準。整體上，2005-2007、2009、2010和2013年出入庫兩斷面水質在四個季度中存在著相反的變化趨勢。年均變化上，三峽庫區(qū)入、出庫斷面水質的未來年均變化趨勢與過去存在很好的一致性，表現(xiàn)

16、為較強的長程依賴性和持續(xù)性。入庫斷面的Hurst指數(shù)為0.668，出庫斷面為0.6201，均大于0.5，但是偏遠于1，這種水質變好的趨勢在將來的變化中并不穩(wěn)定，具有一定的隨機性。
　　綜上所述，本研究改進型輸出系數(shù)模型顯著提高了庫區(qū)不同土地利用下溶解態(tài)氮磷污染負荷的模擬精度，但相比改進前溶解態(tài)磷的模擬精度的提高幅度低于溶解態(tài)氮。構建的景觀阻/動力成本模型應用在大尺度影響面源污染的“源/匯”格局識別上具有一定的可行性，除了對氨氮與總