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东辽河流域水生态功能分区与控制单元水质目标管理技术

作　者: 张蕾
导　师: 卢文喜
学　校: 吉林大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 东辽河水生态功能区河流水质模拟模型非点源污染模拟模型水质目标管理
分类号: X522
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

东辽河流域做为辽河的源头区,水环境形势日益严峻,水质性缺水对流域内的工农业生产、居民生活和生态环境造成了严重的影响。目前对东辽河流域水环境特征和水环境管理技术体系缺乏系统深入的研究,尚未建立“污染源—入河排污口—水环境质量”的总量监控体系,不能对污染物排放实施有效的监督管理,难以对东辽河的水环境实现有效保护。因此,本文结合典型重点流域水污染防治的实际需求和国家污染控制的重大需求,在“分区、分类、分级、分期”水环境管理理念指导下,以东辽河流域为研究区,调查分析了流域水生态系统特征,对流域水生态健康状况进行了评价；在此基础上,对影响东辽河流域水生态格局的主要控制因子进行识别,提出了流域水生态功能区与控制单元划分的基本原则及方法；对各控制单元的污染负荷进行模拟计算；应用WASP模型建立了流域污染源排放与河流水质之间的输入-响应关系；研究了控制单元的水环境容量计算和污染负荷削减技术方法,提出了东辽河流域水质目标管理方案。研究成果为保障东辽河流域水生态安全与健康,制订东辽河流域水污染防治总体方案提供技术支持。本文主要包括以下几个方面的内容：1、东辽河流域水生态系统调查与特征分析(1)流域水生态环境调查与分析针对辽河流域自然地理条件的特点,基于“3S”技术、统计资料收集和监测等手段,分别于2010年7月和10月、2011年4月对东辽河水体的物理、化学和水文特征进行了调查与分析,在2010年9月对东辽河水质、河岸带植被、土壤理化性质、底质、水生生物的种类、数量和分布特征等进行了全面调查与分析。野外调查与室内分析结果表明,目前东辽河TN超标最为严重,其次为氨氮、TP和CODMn,水质整体呈V类,大部分监测河段未能达到水功能区的水质目标要求。(2)流域水生态系统健康评价在对东辽河18个断面水文、水质、水生生物、栖息地状况实地调查的基础上,应用层次分析法和模糊综合评价法,建立东辽河流域水生态健康评价指标体系,评价了东辽河水生态系统的健康状况。评价结果表明,东辽河水生态健康的状况为：在18个采样点中,2个健康,1个亚健康,5个临界,10个病态,说明东辽河流域水生态健康状况不容乐观。2、水生态功能区与控制单元的划分根据野外调查结果,参考研究区地形地貌、水文水质、气象、植被、水资源分布状况及社会经济状况等资料,识别影响东辽河流域水生态格局的主要控制因子。建立了东辽河流域一、二、三级水生态功能分区的指标体系,并提出了区划方法,将东辽河流域划分为2个水生态功能一级区、4个水生态功能二级区和13个水生态功能三级区；综合考虑水生态功能三级分区结果、主要污染影响范围、水文单元完整性、行政单元完整性以及流域污染控制可操作性等因素,将东辽河流域划分为14个控制单元。3、控制单元污染负荷核算(1)非点源污染负荷计算首先建立了东辽河流域空间数据库和属性数据库(数字高程模型,土壤类型、土地利用空间和属性数据库)；然后应用SWAT模型,将研究区划分为35个子流域和357个水文响应单元,并采用东辽河泉太站点2005-2009年的实测逐月径流数据对模型进行校准和验证,建立东辽河流域非点源污染模拟模型；最后应用建立的非点源污染模拟模型模拟计算了2009年东辽河流域氮、COD等非点源污染负荷量,分析了非点源污染的时空分布特征。(2)点源污染负荷计算根据2009年统计数据及污染源普查数据,应用排污系数法计算点源污染物的排放量。(3)东辽河流域污染源分析通过对东辽河各控制单元污染负荷核算结果的分析表明,东辽河上游氨氮负荷主要来源于畜禽养殖,下游主要来源于农业非点源污染,COD负荷来源于非点源、畜禽养殖、居民生活污染源。总体上,东辽河流域COD和氨氮主要来源于农业非点源和畜禽养殖业,其中农业非点源其对COD和氨氮排放的贡献率分别为22.5%、50%,畜禽养殖对COD和氨氮排放的贡献率为71.8%、34.6%。4、流域污染源排放与河流水质之间的输入-响应关系的建立开发应用流域水质模型(WASP7.3),建立了与控制单元水体特征相适应的东辽河水质模拟模型,分析了东辽河主要污染物(氨氮、COD)的空间分布特征,建立了东辽河水质状况和污染源排放污染物数量之间的响应关系。结果表明,东辽河氨氮和COD在第8段到第10段(辽源市入口到二龙山水库入口处)浓度最大,此河段氨氮浓度在枯水期最大,COD在平水期浓度较大,其余各河段污染物浓度在时间上变化不大。5、控制单元水环境容量的计算确定各断面的设计水文条件和水质目标,依据所建立东辽河水质模拟模型,应用试错法对东辽河水环境容量进行了研究,然后应用层次分析法获得了各控制单元的水环境容量。结果表明：在P25、P50、P75流量保证率和30Q10的四个设计流量下,东辽河的氨氮环境容量分别为1754.75吨／年、720.33吨／年、155.69吨／年／、56.18吨／年；COD环境容量分别为158055.23吨／年、67651.49吨／年、13977.00吨／年、1104.31吨／年6、东辽河水质目标管理方案参考美国TMDL水质管理模式,采用等比分配法将允许负荷分配到各污染源,同时考虑安全临界值,计算了东辽河各控制单元在不同流量模式下的污染负荷削减量,据此提出了东辽河水质目标管理方案。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-24
  1.1 选题依据及研究意义  14-15
  1.2 国内外研究进展  15-18
  1.3 研究内容、方法与技术路线  18-21
    1.3.1 研究内容  18-19
    1.3.2 研究方法  19
    1.3.3 技术路线  19-21
  1.4 主要创新点  21-24
第二章东辽河流域水生态系统调查与特征分析  24-60
  2.1 研究区概况  24-26
  2.2 东辽河流域水生态环境调查  26-35
    2.2.1 调查内容  26-34
    2.2.2 调查方法  34-35
  2.3 东辽河流域水生态环境现状评价  35-50
    2.3.1 东辽河水质现状评价  35-41
    2.3.2 河岸带植被监测及分析结果  41-44
    2.3.3 河岸带土壤监测及分析结果  44-45
    2.3.4 水生生物监测及分析结果  45-48
    2.3.5 鱼类监测及分析结果  48-49
    2.3.6 底泥  49-50
  2.4 东辽河水生态健康评价  50-60
    2.4.1 评价因子集和评价论语集的建立  51
    2.4.2 评价指标的确立  51-53
    2.4.3 评价指标隶属度的确定  53-54
    2.4.4 评价指标权重的确定  54-56
    2.4.5 模糊综合评价  56-60
第三章东辽河流域水生态功能分区与控制单元划分  60-72
  3.1 东辽河流域水生态功能分区  60-67
    3.1.1 水生态功能分区方法  60-62
    3.1.2 东辽河流域水生态功能分区  62-67
    3.1.3 水生态功能分区正确性评价  67
  3.2 东辽河流域控制单元划分  67-72
    3.2.1 划分原则及方法  68-70
    3.2.2 东辽河流域控制单元划分结果  70-72
第四章东辽河流域污染负荷计算  72-94
  4.1 不同类型污染源调查与污染负荷计算方法  72
  4.2 工业污染源调查与分析  72-73
  4.3 城镇居民生活污染源调查与分析  73
  4.4 集约化畜禽养殖污染源调查与分析  73-74
  4.5 非点源污染源负荷计算  74-88
    4.5.1 SWAT模型简介  75-76
    4.5.2 东辽河流域空间数据库的构建  76-79
    4.5.3 东辽河流域属性数据库的构建  79-80
    4.5.4 东辽河流域子流域和水文响应单元的划分  80-81
    4.5.5 SWAT模型参数敏感性分析  81
    4.5.6 SWAT模型校准和验证  81-82
    4.5.7 非点源污染负荷计算  82-88
  4.6 流域污染负荷核定  88-91
  4.7 东辽河流域污染源分析  91-94
第五章东辽河流域控制单元水环境容量计算  94-112
  5.1 东辽河水质模拟模型的建立  94-103
    5.1.1 WASP模型简介  94-96
    5.1.2 河流概化  96-97
    5.1.3 模型参数输入  97-98
    5.1.4 模型的校准与验证  98-102
    5.1.5 东辽河水环境质量模拟与分析  102-103
  5.2 东辽河流域水环境容量计算  103-106
    5.2.1 东辽河控制因子及水质目标  103-104
    5.2.2 设计水文条件分析  104-105
    5.2.3 水环境容量的计算  105-106
  5.3 水环境容量的分配  106-112
    5.3.1 容量分配AHP决策系统  106-109
    5.3.2 东辽河各控制单元水环境容量分配  109-112
第六章东辽河流域控制单元水质目标管理技术  112-127
  6.1 基于TMDL模式的东辽河各控制单元污染负荷分配  112-125
    6.1.1 TMDL计划概述  112-113
    6.1.2 污染负荷削减与分配  113-125
  6.2 东辽河流域总量控制的措施建议  125-127
    6.2.1 经济手段  125
    6.2.2 工程技术  125-127
第七章结论与建议  127-129
  7.1 结论  127-128
  7.2 建议  128-129
参考文献  129-139
作者简介及博士期间所取得的科研成果  139-142
致谢  142

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