寒冷地区非点源氮磷环境行为与模拟预测研究

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水是人类赖以生存和发展的物质基础,水源地保护和饮用水安全已经上升为影响人体健康和国计民生的重大问题。中国是世界上13个严重缺水的国家之一。由于降雨量分布不均和非点源氮、磷污染严重等问题,造成我国寒冷地区面临着更为严重资源型缺水和水质型缺水的双重压力。寒冷地区拥有四季分明和漫长冬季过程的特点,使该地区非点源氮磷的环境行为具有特殊性。本研究开展冬季过程对非点源氮磷影响的现场实验,并选用辽宁地区具有战略地位的水源地大伙房水库流域分别进行统计学收支模型和分布式环境模型研究,进而探索大伙房水库流域输水工程和未来气候变化对流域径流和水质的影响。首先,将降雨模拟实验引入真实冬季过程对非点源氮磷环境行为影响的研究,发现冬季过程显著影响耕地和草地非点源氮磷在地表径流和壤中流中的输移。总氮在耕地和草地中地表径流浓度总体呈增加趋势,特别是壤中流。主要原因是由于富营养化物质的累积和转化以及冻融过程对土壤结构的变化。相反,两种土地利用类型中地表径流和壤中流中总磷的浓度呈下降趋势,主要是由于可溶性磷本身的高吸附性和冻融作用产生更多比表面积更大的小颗粒土壤团聚体。研究表明在寒冷地区,冬季过程后壤中流中氮的流失非常严重应该予以重视。其次,构建大伙房水库流域氮、磷收支模型,进行流域时间分布和空间分布收支计算。研究表明氮、磷收支在1985-2004年期间均发生显著变化,整体呈现先增加后减弱的趋势,但在1995年发生突变迅速减小。收支变化的主要变化原因是净农副产品输入和化肥施用引起的,同时水文条件的剧变是促使氮、磷收支出现突变的原因。进行基于乡镇的大伙房水库流域氮、磷空间分布分析,结果表明1985-1999年期间,大伙房水库流域各乡镇的氮、磷收支呈现递增趋势;2000-2004年,水库上游的清原县和新宾县各乡镇的氮、磷收支呈递减趋势,但库区显著增加。分析大伙房水库流域收支与水库水体响应关系发现,总氮和总磷浓度整体与收支呈现一定的正相关关系;但同时还受到降雨、收支空间分布和水库实际库容的影响。第三,开展寒冷地区大伙房水库流域非点源氮磷SWAT模型研究,分析和总结寒冷地区非点源富营养化物质输出规律。结果表明SWAT模型在大伙房水库流域径流、泥沙和富营养化物质模拟取得满意模拟效果;然而,SWAT模型对水库水质模拟存在虽然结果相近,但模拟值没有实测值变化显著的问题,主要原因是由于SWAT模型水库模拟部分是基于完全混合理论开发的,不适用于大伙房水库这种大型山谷型水库。大伙房水库非点源氮磷输出主要是集中在雨季的6-9月和积雪融化的3月,前者输出占全年的60%以上;3月份的非点源氮磷大量流失主要由于寒冷地区具有漫长的冬季促使大量的富营养化物质在土壤中累积,春季积雪融化产生严重的春季冲刷效应。最后,采用SWAT模拟预测输水工程和气候变化对大伙房水库流域径流和水质的影响。输水工程显著增加苏子河径流的同时,却由于输水水源总氮浓度高,导致调水后大伙房水库总氮浓度显著升高。未来气候变化作用,由于气温和蒸发能力升高导致大伙房水库入流流量、总氮和总磷负荷均呈下降趋势。主要原因是由于气温升高蒸发量增加,降低地表径流及其冲刷能力;而温度升高也增加植被对富营养化物质氮磷的吸收,降低水库中总氮和总磷的浓度。从年内分布情况分析,2-11月径流和富营养化物质输出下降,而12月和1月呈现增加趋势。主要原因是由于冬季增温显著和气温变化幅度增大,导致地表积雪提前融化,因而增加12月和1月径流、富营养化物质输出;却显著降低3月份径流和富营养化物质的输出。综上所述,本研究为掌握寒冷地区非点源氮磷污染的输出规律提供支持,并为大伙房水库现在和变化环境下的流域非点源污染治理和水源地保护提供科学依据。
摘要第4-6页
Abstract第6-8页
1 绪论第13-26页
    1.1 研究背景与意义第13-15页
        1.1.1 研究背景第13-14页
        1.1.2 研究意义第14-15页
    1.2 非点源污染第15-17页
        1.2.1 非点源污染特点第15-16页
        1.2.2 非点源污染现状第16-17页
        1.2.3 非点源污染危害第17页
    1.3 非点源污染研究现状第17-22页
        1.3.1 非点源污染的机理研究第17-19页
        1.3.2 非点源污染模型研究第19-22页
    1.4 寒冷地区非点源污染及存在问题第22-23页
        1.4.1 寒冷地区概述第22页
        1.4.2 寒冷地区非点源污染研究存在问题第22-23页
    1.5 本文研究内容及技术路线第23-26页
2 研究区域概述及环境变化因子分析第26-38页
    2.1 自然环境背景第27-30页
        2.1.1 水系第27-28页
        2.1.2 气候第28页
        2.1.3 地形第28页
        2.1.4 地质第28页
        2.1.5 土壤第28-29页
        2.1.6 土地利用第29页
        2.1.7 植被种类第29-30页
    2.2 社会经济第30页
    2.3 地表水环境质量状况第30-31页
        2.3.1 水资源短缺第30页
        2.3.2 入流水质状况第30-31页
        2.3.3 大伙房水库库区水质状况第31页
    2.4 水环境问题成因分析第31-33页
        2.4.1 浑河流域污染源第31-32页
        2.4.2 苏子河流域污染源第32页
        2.4.3 社河流域污染源第32页
        2.4.4 森林退化第32-33页
    2.5 大伙房水库流域环境变化因子分析第33-38页
        2.5.1 大伙房水库输水工程概况第33-35页
        2.5.2 气候变化概况第35-38页
3 寒冷地区非点源氮磷环境行为研究第38-52页
    3.1 引言第38页
    3.2 寒冷地区非点源氮磷的迁移转化过程第38-41页
        3.2.1 非点源污染及其转化过程第38-39页
        3.2.2 土壤结构和富营养化物质流失影响第39-40页
        3.2.3 雪的积累与融化第40-41页
        3.2.4 冬季过程对流域非点源氮磷污染影响第41页
    3.3 冬季过程对非点源氮磷在地表径流和壤中流的变化影响第41-51页
        3.3.1 材料与方法第42-44页
        3.3.2 地表径流和壤中流中总氮和总磷变化情况第44-49页
        3.3.3 影响因素分析与讨论第49-51页
    3.4 小结第51-52页
4 大伙房水库流域氮收支时空分布及其影响第52-68页
    4.1 引言第52页
    4.2 材料与方法第52-59页
        4.2.1 氮收支模型第52-53页
        4.2.2 数据和资料第53-54页
        4.2.3 氮输入第54-58页
        4.2.4 氮输出第58-59页
    4.3 氮收支计算结果第59-64页
        4.3.1 氮收支时间分布第59-63页
        4.3.2 氮收支空间分布第63-64页
    4.4 流域氮收支分析与讨论第64-67页
        4.4.1 流域主要污染源分析第64-65页
        4.4.2 氮收支与水质响应关系第65-66页
        4.4.3 水文条件影响第66页
        4.4.4 空间分布影响第66-67页
    4.5 小结第67-68页
5 大伙房水库流域磷收支时空分布及其影响第68-80页
    5.1 引言第68页
    5.2 材料与方法第68-70页
        5.2.1 磷收支模型第68-69页
        5.2.2 数据和资料第69-70页
    5.3 流域磷收支第70-72页
        5.3.1 化肥施用第70-71页
        5.3.2 农副产品输入第71页
        5.3.3 径流输出第71-72页
    5.4 磷收支计算结果第72-75页
        5.4.1 磷收支时间分布第72-74页
        5.4.2 典型年流域磷收支空间分布第74-75页
    5.5 流域磷收支分析第75-78页
        5.5.1 流域主要污染源分析第75-76页
        5.5.2 磷收支与水体总磷关系第76-77页
        5.5.3 水文条件影响第77页
        5.5.4 空间分布影响第77-78页
    5.6 小结第78-80页
6 寒冷地区非点源氮磷SWAT模拟及输出规律研究第80-106页
    6.1 引言第80页
    6.2 数据准备与模型构建第80-90页
        6.2.1 数据库构建第80-87页
        6.2.2 参数敏感性分析第87-88页
        6.2.3 模型率定与验证第88-90页
    6.3 大伙房水库流域SWAT模拟结果第90-97页
        6.3.1 径流模拟校正与验证第90-91页
        6.3.2 泥沙模拟校正与验证第91-93页
        6.3.3 流域富营养化物质模拟第93-96页
        6.3.4 大伙房水库富营养化物质模拟第96-97页
    6.4 大伙房水库非点源氮磷SWAT模拟及输出规律第97-105页
        6.4.1 SWAT模拟效果第97-99页
        6.4.2 大伙房水库流域非点源年内输出情况第99-101页
        6.4.3 冬季过程非点源氮磷典型年输出规律及温度变化影响第101-104页
        6.4.4 水库对寒冷地区非点源富营养化物质流失的影响第104-105页
    6.5 小结第105-106页
7 变化环境下大伙房水库流域径流和水质预测研究第106-117页
    7.1 引言第106页
    7.2 大伙房水库流域主要变化因素第106-107页
        7.2.1 大伙房水库输水工程第106-107页
        7.2.2 大伙房水库流域气候变化第107页
    7.3 变化环境下径流和水质预测第107-113页
        7.3.1 输水工程影响第107-109页
        7.3.2 气候变化影响第109-113页
    7.4 径流和水质变化分析第113-116页
        7.4.1 径流变化分析第113页
        7.4.2 水质变化分析第113-114页
        7.4.3 污染控制建议第114-116页
    7.5 小结第116-117页
8 结论及展望第117-120页
    8.1 结论第117-118页
    8.2 展望第118-120页
参考文献第120-128页
攻读博士学位期间发表学术论文情况第128-129页
创新点第129-130页
致谢第130-131页
作者简介第131-132页
论文购买
论文编号ABS557342,这篇论文共132页
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