（环境科学与工程专业论文）基于流域空间属性的水环境响应关系研究.pdf

摘要 浓度与污染源分布可能存在响应关系。针对松花江流域氮与耗氧有机物为主的 水环境状况，进行氨氮与c o d 的季节性时间序列分析，结果显示，c o d 于2 0 0 7 年出现拐点，近期其浓度已呈下降趋势；n h 3 n 尚未见明显好转。 本论文使用水环境模型进行流域主要污染物的深入分析。选择s p a r r o w 模型对总氮进行模拟。根据我国国情选择模型输入变量，采用 l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法进行非线性优化。在明确模型结构算法、借鉴国外应 用经验的基础上，经运行调试，得到了可接受的模型结果。模拟精度r 2 为0 7 9 ， 松花江流域对总氮有显著贡献的污染源为点源、农业种植源、畜禽养殖源以及 水产养殖源，对总氮传输具有重要影响的环境因子为温度、坡度、降水以及河 网密度，对总氮传输具有重要影响的环境过程为河段中的一级衰减反应。 模拟结果表明，松花江流域河段中，三类水的超标率为6 3 ，五类水的超 标率为4 7 。超标河段为松花江哈尔滨段，牡丹江，伊通河，饮马河，呼兰河， 拉林河，汤旺河等。总氮总负荷较高的地区为松花江哈尔滨及其下游、牡丹江 流域、呼兰河、拉林河、汤旺河等；其中产率较高的子流域为嫩江东部支流、 呼兰河及其支流、拉林河等河段。流域对总氮来源进行解析，松花江流域来自 农业种植源的污染物占5 1 5 ；来自点源的污染物占2 8 8 ；来自水产养殖源的 污染物占1 4 0 ：来自畜禽养殖源的污染物占5 7 。总氮在子流域河段间的衰 减表现出干流衰减比例小，支流衰减大的规律。选择三个代表性子流域，设置 三个消减策略，预评估消减策略的效果。在各污染源不同消减时，主要污染源 结构可能出现“拐点”，应及时进行主要削减方向调整，保证消减效率。 关键词：流域水环境管理；空间属性；多元统计分析；s p a r r o w 模型 i i a b s t r a c t 一_ _ 一 a b s t r a c t b a s e do nt h ed e v e l o p i n ge x p e r i e n c eo fw a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n ti nt h e f o r e i g nc o u n t r i e s ，i tr e v e a l st h a tt h ei m p l e m e n t a t i o no fb a s i n - b a s e dw a t e r r e s o u r c e s m a n a g e m e n ti st h ed e v e l o p m e n tt r e n da n d i n e v i t a b l er e q u i r e m e n to fc h i n a ，w h i l ew e a r ef a c i n gm a n yp r o b l e m s ，s u c h a st h ee x t r a c t i o na n dc o l l e c t i o no fw a t e r s h e d e n v i m n m e n t a ld a t aa n dt h ea n a l y s i so fw a t e r s h e de n v i r o n m e n t a ls i t u a t i o n ，e t c t h i s p a p e r i sf o c u s i n go nt h ef i r s tt w op r o b l e m s t h i sp a p e re x p l o r e st h es u i t a b l em e t h o df o rc h i n at oe x t r a c tt h e w a t e r s h e d s p a t i a la t t r i b u t ed a t ai nt h ef o l l o w i n gs t e p s f i r s t ，c h o o s ea s i n g l ef l o wm e t h o dw h i c h u s e st h ea r c h y d r ot o o l st og e n e r a t et h es o n g h u a j i a n gr i v e rb a s i nr i v e rn e t w o r k s t r u c t u r ea n dc o d i n gs y s t e m s e c o n d ，a p p l ya r c g i st o o l s t oc u tt h ew a t e r s h e d p r o p e r t yb a s e do nt h eb a s i nr i v e rn e t w o r ka n de x t r a c td a t ai na b a t c hw a y t h i r d ， a c c o r d i n gt ot h ec nv a l u eb a l a n c ee q u a t i o n ，s e l e c tt h eh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gd a t a o fs o n g h u a j i a n gr i v e rb a s i nt of i tt h er e c e s s i o nc o e f f i c i e n t ，s n o w m e l tf a c t o r , c n v a l u e sf o rd i f f e r e n tl a n dt y p e sa n do t h e ri m p o r t a n th y d r o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，t h e nu s e t h e s eh y d r o l o g i c a lp a r a m e t e r st oe s t i m a t et h ea v e r a g ea n n u a lr u n o f fd e p t ha n dt h e a v e r a g ea n n u a lf l o wo fs u b b a s i n s a n da tl a s ta c h i e v et h ed i v i s i o nc o n v e r s i n gf r o m c o u n t y - b a s e dt o b a s i n - b a s e do ft h en o n p o i n ts o u r c ee m i s s i o nd a t au s i n gn a n i p l u g - i n s m a n ys t a t i s t i c a lm e t h o d s ，s u c ha sd e s c r i p t i o nt h es t a t i s t i c s ，c o r r e l a t i o na n a l y s i s ， f a c t o ra n a l y s i s ，a n dt i m es e r i e sa n a l y s i sa r es e l e c t e di nt h i sp a p e rt oa n a l y z et h e s o n g h u ar i v e rb a s i nw a t e re n v i r o n m e n tc o n d i t i o n sb a s e do nal a r g ed a t a s e t ， i n c l u d i n g13p a r a m e t e r sm o n i t o r i n ga t2 5s i t e sf r o m2 0 0 5t o2 0 0 9 t h er e s u l t ss h o w t h a tw a t e rq u a l i t yo fs o n g h u a j i a n gr i v e ri sg e n e r a l l yl o w e rt h a nt h en a t i o n a lc l a s s1 1 1 w a t e rs t a n d a r d s ，i nw h i c ht h ea v e r a g el e v e lo fp e r m a n g a n a t ei n d e x ，b o d ，t o t a l n i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u s ，o i la n do t h e ri n d i c a t o r sa r el o w e r t h a nc l a s si i is t a n d a r d ， t h el e v e lo fa m m o n i an i t r o g e ni sl o w e rt h a nc l a s sws t a n d a r d ，w h i l et h ea v e r a g e l e v e lo fc h e m i c a lo x y g e nd e m a n db e l o wc l a s sv t h ew o r s to fa 1 1 t h eo r g a n i c i i i a b s t r a c t c h e m i c a lo x y g e nd e m a n da n dt o t a ln i t r o g e na r et h et w or e p r e s e n t a t i v ep a m a m e t e r so f w a t e rp o l l u t i o ni n s o n g h u a j i a n g r i v e rb a s i n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e p a r a m e t e r ss h o wt h a tt h ed i s s o l v e do x y g e n ，o x y g e nc o n s u m p t i o no fo r g a n i cm a t t e r a n dt o t a ln i t r o g e ne x i s tas i g n i f i c a n tn e g a t i v ec o r r e l a t i o n ，w h i l et h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h et o t a ln i t r o g e na n do x y g e nc o n s u m p t i o no fo r g a n i cm a t t e ri sh i g h e rt h a n w h i c hb e t w e e nt h et o t a lp h o s p h o r u sa n do x y g e nc o n s u m p t i o no fo r g a n i cm a t t e r f a i d e n t i f i e dt h r e ef a c t o r sc a p t u r i n g5 2 18 ，19 9 7 a n d11 6 4 o ft h et o t a lv a r i a n c e ， r e s p e c t i v e l y f a c t o r1h a ds t r o n gp o s i t i v el o a d i n g so nt h et o t a ln i t r o g e na n do x y g e n c o n s u m p t i o no fo r g a n i cm a t t e ra n ds t r o n gn e g a t i v el o a d i n go nt h ed i s s o l v e do x y g e n ， t h i sf a c t o rm a yb ei n t e r p r e t e da st h ed o m i n a n tp o l l u t a n t sc h a r a c t e r i z a t i o nf a c t o r f a c t o r2h a ds t r o n gp o s i t i v el o a d i n g so nm e r c u r y , l e a da n dz i n c ，m a i n l yr e p r e s e n t e d t h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o n f a c t o r3i sc o r r e l a t e dw i t hp ha n de x p l a i n e da s b a c k g r o u n df a c t o r t h ed o m i n a n tp o l l u t i o n so fs o n g h u a j i a n gr i v e ra r et o t a ln i t r o g e n a n do x y g e nc o n s u m p t i o no fo r g a n i cm a t t e r , l e a dt os e a s o n a lt i m es e r i e sa n a l y s i so f a m m o n i a n i t r o g e na n dc o d a n dt h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ec o dw i t l lai n f l e c t i o n p o i n ti n2 0 0 7o c c u r r e dd o w n w a r dt r e n di n r e c e n ty e a r sw h i l et h en h 3 - nh a sn o t i m p r o v e dm a r k e d l y s p a r r o wm o d e li su s e di nt h i sp a p e rt os i m u l a t et h et o t a ln i t r o g e np o l l u t i o n t h em o d e li n p u tv a r i a b l e s ，w h i c ha r eu n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no fo u rs t a t es i t u a t i o n ， a r eu s i n gt h el e v e n b e r g m a r q u a r d ta l g o r i t h mf o rn o n l i n e a ro p t i m i z a t i o n w i t ht h e u n d e r s t a n d i n go fm o d e ls t r u c t u r ea n dt h ee x p e r i e n c eo ff o r e i g na p p l i c a t i o n s ，t h e m o d e lr e s u l t sa r ea c c e p t a b l ef o rt h es t u d ya r e a v a l u e so fr 2f o rt h ef i n a lt nm o d e l s a r eo 7 9 ，a n dc o n t a m i n a n ts o u r c e sa r ei n c l u d e dp o i n ts o u r c e s ，a p p l i e df e r t i l i z e r sf o r a g r i c u l t u r a ll a n d ，l i v e s t o c kw a s t e sa n da q u i c u l t u r ew a s t e s c o e f f i c i e n t se s t i m a t e di n t h em o d e lf o rt e m p e r a t u r e ，l a n d s l o p e ，p r e c i p i t a t i o n a n ds t r e a m d e n s i t y a r e s t a t i s t i c a l l ys i g n i f i c a n tw h i l et h ef i r s ti n - s t r e a md e c a yi st h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s s f o r t h et o t a ln i t r o g e nt r a n s p o r t t h em o d e lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r e6 3 r e a c h e so fs o n g h u a j i a n gr i v e r b e l o wc l a s si i ia st h er a t i ob e l o wc l a s svw a s4 7 t h ew o r s ts t r e a mr e a c h e sm a i n l y l o c a t e di nh a r b i ni n c l u d e dm u d a n j i a n gr i v e r , y i t o n gr i v e r , y i n m ar i v e r , h u l a n r i v e r , l a l i nr i v e r , t a n g w a n gr i v e r , e t c a n dt h es u b - b a s i n sw i t hh i g hy i e l dw e r e i v a b s t r a c t n e n j i a n gr i v e re a s t e r nt r i b u t a r i e s h u l a nr i v e ra sw e l la si t st r i b u t a r i e sa n dl a l i n r i v e r t h ea p p l i c a t i o no fs p a r r o wm o d e lo ns o n g h u a j i a n gr i v e rg a v et h es o u r c e i d e n t i f i c a t i o no ft h i sw a t e r s h e d t h es h a r eo fn o n p o i n ta g r i c u l t u r a ls o u r c ei st h e h i g h e s t ，51 5 ，t h ep o i n ts o u r c ec o n t r i b u t e da p p r o x i m a t e l y2 8 8 ，a q u i c u l t u r ew a s t e s o c c u p i e d1 4 o a n dt h es h a r eo fl i v e s t o c kw a s t e sw a so n l y5 7 w h i l et h ed e c a y p e r c e n ti nm a i ns t r e a mi sl o w e rt h a nw h i c hi nt r i b u t a r i e sa m o n gs u b b a s i n s k e y w o r d s ：b a s i n - b a s e dw a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n t ，s p a t i a la t t r i b u t e s ， m u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a lm e t h o d s ，s p a r r o wm o d e l v 第一章绪论 1 1 1 水环境的问题 第一章绪论 第一节流域水环境管理 水是人类赖以生存和发展的基本条件，水环境质量的优劣关系着人类的健 康状况和生命安全。人类与水环境之间的矛盾日益突出，水问题已经成为关系 人类社会持续发展的重要战略问题。 我国现阶段水环境污染具有特殊性质【l 圳。一方面以氮、磷、重金属等为代 表的传统污染物尚未得到有效控制，在某些地区污染形势甚至有进一步恶化的 可能；另一方面以药物与个人护理品( p h a r m a c e u t i c a l sa n dp e r s o n a lc a r ep r o d u c t s ， p p c p s ) 【3 j 、内分泌干扰物( e n d o c r i n ed i s r u p t i n gc h e m i c a l s c o m p o u n d s ，e d c s ) p 卅等为代表的新型污染物正持续进入水环境中，与传统污染物共同构成复杂的 复合污染体系。区域发展不平衡、不同地区产业结构差异较大、多种污染形式 并存的现状导致我国水环境管理、治理难度较大。 目前我国水环境状况表现为以下两个方面： ( 1 ) 我国水环境总体形势依然严峻。 2 0 1 0 中国环境状况公报显示，“全 国地表水污染依然较重”，“长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七 大水系总体为轻度污染”，“2 0 4 条河流4 0 9 个地表水国控监测断面中，i 一i i i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 9 9 、2 3 7 和1 6 4 ”。主要污染指 标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮。“长江、珠江水质良好，松花江、 淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染。2 6 个国控重点湖 泊( 水库) 中，满足i i 类水质的1 个，占3 8 ；类的5 个，占1 9 2 ：类 的4 个，占1 5 4 ；v 类的6 个，占2 3 1 ；劣v 类的1 0 个，占3 8 5 。主要 污染指标是总氮和总磷。大型水库水质好于大型淡水湖泊和城市内湖。2 6 个国 控重点湖泊( 水库) 中，营养状态为重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养 的2 个，占7 7 ；轻度富营养的1 1 个，4 2 3 ；其他均为中营养，占4 6 2 。” 因此我国水环境保护和水污染治理的任务依然很重。 第一章绪论 ( 2 ) 突发性水环境污染事件时有发生。近年来发生的部分影响较大的水环 境污染事件见表1 1 。水环境问题不断地刺激着公众的神经，同时水环境保护得 到了国家的日益重视，与自然环境和谐相处的科学发展观亦应运而生，我国水 环境保护的理念也正在与发达国家保持同步。 表1 1 近年来重大水环境事件概览 1 1 2 水环境管理的思路历程 1 1 2 1 国外水环境管理发展历程简介 ( 1 ) 美国水环境保护发展历程 美国水环境管理政策形成的历史，体现了各种复杂的相互作用因素对水环 境和人民的影响。今天水环境政策的形成基于过去政策和发展的历程，受控于 经济、政治和公众意识等多方面因素，对我国水环境管理政策的制定有借鉴意 义。 5 1 美国水环境管理发展的历程及重要节点见表1 2 ： 表1 2 美国水环境管理发展的历程 起步阶段( 1 9 4 8 - 1 9 6 9 ) 1 9 4 8 首部脉污染防治法善嬲始咨删i 憎理实施 1 9 5 6 分别修订水污染防治法，增加财政支持，州规划 1 9 6 1 由联邦审批 2 第一章绪论 由表可见，美国的水环境管理以两大水法体系为支撑，以水质标准为基础， 由相对分散点源治理走向流域管理。同时，美国有较完备的技术、基金、法律 保障体系： 基于模型的曰最大负荷量计划实施与评估工具、敏感性判定工具、水源 地划分工具及潜在污染源清单工具等使美国水源地保护和治理工作具 有相当高的技术可靠性和实际可操作性； e p a 饮用水源地专款、安全饮用水法基金、清洁饮用水法基金、污染防 治专款、少| 、i 环境保护基金等多项专项拨款和基金集成赞助方式为水环境 保护提供充足的资金保障： 以清洁水法和安全饮用水法为基础的法律体系赋予了环保部门强大行 政权力，明确了法律责任，保障水环境保护工作顺利进行。 第一章绪论 ( 2 ) 欧洲水环境保护发展历程 由于欧洲国家面积相对较小，同一条河流流经多个国家的现象比较普遍， 进入2 0 世纪以来，由于水环境污染导致的国家之间的冲突的现象也时有发生。 2 0 世纪6 0 年代以来，欧共体( 9 0 年代为欧盟) 组织实施了历次环境行动规划 以及颁布了一系列法律、指令，协调各成员国之间的关系，使水域利益相关各 国经过“冲突协商啥作”的过程达成共识，实现跨国的水环境管理体 制 6 7 1 。欧洲的水环境保护发展历程对我国跨行政区的水环境管理有很好的借鉴 、， 思义。 欧洲水环境保护发展历程见表1 3 ： 表1 3 欧洲水环境管理发展的历程 4 第一章绪论 由表可见，欧洲水环境管理走过了由“末端治理”到流域管理的历程，建 立了以全流域生态学水质“良好”为核心目标的跨行政区域饮用水管理与协调 模式。在此期间，一系列的法规、指令的颁布，以及合理的环境标准( 如饮用 水源地地表水指令规定了4 6 种监测指标，并对每一指标制定了a 1 、a 2 、a 3 的 三级标准，每一级标准分别包含了非约束性的指导控制值和约束性的强制控制 值两档；制定了在发生自然灾害时等特殊极端条件下的应急标准，对某些指标 在特殊条件下可以免除强制控制。三级两档的多尺度标准和直接针对各指标的 多因素豁免制度适应多区域、非均衡复杂水体管理需求) 提供了很重要的支撑 作用。 8 - 9 】 1 1 2 2 我国水环境管理发展历程 与美国和欧洲相比，我国水环境管理起步较晚，大体分为以下几个阶段： 【l o - 1 2 】 ( 1 ) 萌芽阶段( 2 0 世纪8 0 年代以前) 2 0 世纪5 0 年代及6 0 年代，建国伊始，国家主要目标为恢复和发展生产力， 经济建设、尤其是发展工业成为主要工作。然而，“大跃进”的战略以及一味追 求“高产值”而大办工业特别是“五小”企业的举措，使水环境问题开始产生 并发展。进入2 0 世纪7 0 年代，水环境问题逐渐引起国家的关注。1 9 7 3 年，首 个环保标准工业“三废”排放试行标准试行实施；1 9 7 9 年，环保领域的第 一部法律环境保护法( 试行) 颁布施行，确立了国家环境保护的基本方针和 政策。 ( 2 ) 起步阶段( 2 0 世纪8 0 年代及9 0 年代前期) 此阶段是我国经济社会形势发展相当好的一个时期，我国水污染防治工作 也得到了快速发展。1 9 8 4 年颁发的水污染防治法是水污染方面的专业性法 律，使我国水污染防治工作有了坚实的法制基础。大量综合性标准及多个工业 行业排放标准的颁布实施，初步构建了水环境保护的法规体系。1 9 9 2 年联合国 环境与发展大会后，我国政府秉承“可持续发展”思想，率先制定了可持续发 第一章绪论 展行动计划中国2 1 世纪议程，确立了中国的可持续发展战略。但是， 这个历史时期我国的水污染防治工作偏重于工业污染防治，城市生活污水处理 和流域区域污染源的综合防治尚未受到重视。 ( 3 ) 发展阶段( 2 0 世纪9 0 年代后期至今) 进入2 1 世纪后，我国发布了国务院关于落实科学发展观加强环境保护的 决定，强调要把环境保护摆在更重要的战略位置，统筹考虑社会经济、人口、 资源与环境保护发展的关系。2 0 0 6 年第六次全国环境保护大会针对经济发展与 环境保护的关系，提出了新形势下的环保工作关键是要加快实现“三个转变”， 反映出我国政府对经济社会发展与环境保护的关系有了深刻认识。2 0 0 8 年提出 了“让江河湖泊休养生息、恢复生机”。 此阶段是我国流域水污染防治规划制度产生和发展的时期。1 9 9 4 年以治理 淮河为先导，开展了“三河、三湖”重点流域的水污染防治，并制定了重点流 域水污染防治“九五”计划。截至目前除“三河、三湖”外，三峡库区及其上 游、松花江和黄河中上游等流域相继被列入重点流域范围，并已经历了3 个“五 年”计划，以城市污水处理厂建设等一批水污染治理项目为依托，以化学需氧 量总量控制为抓手，重点突出饮用水源、跨界水体等敏感地区水污染防治工作， 明确地方政府对当地水环境负责。我国在“十二五”规划中明确指出，“继续推 进重点流域和区域水污染防治”，基于流域的水环境综合管理是我国水环境管理 的发展方向。 1 1 3 我国流域水环境管理现状及面临的困难 我国流域水环境管理目前尚处于发展阶段。我国在流域水环境管理方面做 了大量的工作： 1 3 - 1 4 1 ( 1 ) 包括先后恢复或成立了长江水利委员会、黄河水利委员会、淮河水利 委员会、珠江水利委员会、海河水利委员会、松辽水利委员会和太湖流域管理 局等七大流域机构； ( 2 ) 出台了中华人民共和国水污染防治法、中华人民共和国水法等 多部体现流域管理的思想的法律； ( 3 ) 制定了一系列的流域规划，逐步将现代科学技术应用于管理之中，以 科技进步来促进流域水资源与水环境管理工作。 第一章绪论 然而与国外具有成功经验的国家相比，我国流域水环境管理尚面临着多方 面的困难。【l l 1 5 ( 1 ) 管理体制方面 缺乏统一管理机制，与经济发展不适应。水环境管理体制的主要机构性问 题是水资源管理与水污染控制的分离，以及有关国家与地方部门的条块分割， 特别是行政上的划分将一个完整的流域人为分开。 ( 2 ) 技术方法方面 流域关键要素信息采集、发掘与共享。由于我国国土面积辽阔，发展又不 平衡，导致信息采集方法尚不普及，很多地区缺乏流域要素的资料；有资料的 地区也面临着资料不全，有信息点位稀疏，资料代表性不强等问题。同时用于 处理遥感等大信息量数据的数据挖掘方法尚不成熟，使部分数据不能高效利用。 流域决策支持模型的开发与应用。流域水环境管理，涉及多学科信息的综 合和集成，需要适宜的模型提供决策支持。目前国外已有一些模型的应用案例， 然而国外模型在我国的适用性以及推广的可行性均是急需解决的问题。 第二节流域水环境管理的支持技术及方法 国外的发展历程表明，基于流域的水环境管理是必然的发展趋势。而我国 的流域水环境管理急需可行性、适用性、科学性兼顾的支持技术及方法。 1 6 - 2 2 总体说来，应用于流域水环境分析、管理的方法分为模型方法与非模型方法两 大类。 1 2 1 非模型方法 与模型方法相比，非模型方法通常是对流域和受纳水体过程更简化的表示， 在应用上通常需要较少的努力、时间和经验。 预先使用非模型方法对流域水环境状况进行评估、对主要影响因子进行经 验性识别，可以为建模提供重要参考。在流域资料相对缺乏的地区，利用非模 型方法进行环境状态表征，主要环境过程及影响因子分析等研究就显得尤为重 要。 2 3 - 2 5 】 2 0 世纪8 0 年代及其以前，应用广泛的非模型方法为相关分析、回归分析等 2 6 1 ，通过建立水质指标之间、水质与部分污染源数据之间的较简单的响应关系【2 7 】 第一章绪论 反映流域的水环境状况。随着计算机技术的发展，2 0 世纪9 0 年代，主成分分析 2 8 - 2 9 1 、因子分析 3 0 】、时间序列分析等多元统计分析技术得到广泛应用，海量数 据的降维降噪，有利于主要环境因子和环境过程的更明确的揭示。进入2 1 世纪， 遥感技术提供了大量的数据，g i s 技术快速发展和普及，使更多、更精细的流域 信息的获取成为了可能【3 1 。3 4 】，如流域土地利用类型分布，经过监测点位数据的 空间插值得到流域气象状况，通过建立水质与土地利用类型等流域要素的响应 关系【3 5 。3 6 】，揭示了流域水环境状况的空间联系。 相关学科和技术的革新带动了非模型方法创新与发展，同时有更广泛地应 用。美国目前实行的t m d l 计划中，基于环境数据的统计分析或基于土地的过 程的经验计算等非模型方法得到采用。尽管非模型方法不能展现各污染源与区 段之间的定量联系，但通过了解流域内所有污染源的贡献和影响，仍然可以得 到较全面的情况。此外，对于尚未明确其环境行为、已知信息不足以满足建模 条件的污染物，以及综合考虑建模的工作量、成本等因素，采用非模型方法进 行分析是相对更可行的方法。 1 2 2 模型方法 在一定的数据资料的基础上，建立适当精度的模型( 或者更广义的“模式 ) 对某些污染物进行模拟是国内外较流行的办法。通过适当的方法完成建模，可 以有效地表征和预测污染物的环境行为，揭示主要环境规律，为管理决策、特 别是基于流域的管理决策提供科学依据。 ( 一) 模型分类及概述 3 7 - 3 8 】 根据模拟模拟对象和目的，流域水环境管理模型通常可以分为：地表水质 模型、流域非点源模型和流域水质管理模型。 地表水质模型是基于数学模型建立的，通过计算机将研究系统进行适当简 化处理，用于描述污染物在地表水( 河流、河口、湖库等) 流域范围内随空间 和时间变化规律的一系列数学表达式，其目的是明确污染物在地表水中的环境 行为。 流域非点源模型是对非点源污染进行量化研究和影响评价，通过模拟水文 过程、土壤侵蚀与产沙过程，识别污染物的主要来源和迁移转化规律。利用该 类模型的情景分析与预测技术，为流域规划和管理提供决策依据。 第一章绪论 流域水质管理模型是以流域水质模拟为中心的大型流域管理系统，如 b a s i n s 、w a r m f 等，其突出特点是集流域分析、评价、总量控制、污染治理 与费用效益分析等于一体，使流域分析管理变得方便快捷。 ( 二) 模型发展历程 从流域水管理模型的发展历程来看，大致可以分为以下三个阶段 2 3 】： ( 1 ) 探索阶段( 2 0 世纪8 0 年代之前) 。在这一阶段，污染源调查、非点源 特性分析以及非点源污染对水质的影响等三个方面的研究有了较大的进展，进 而也推动了模型的蓬勃发展。这一时期主要以水文模型和土壤侵蚀模型为主， 代表模型有：h o r t o n 入渗方程、s c s 曲线、s t a n f o r d 模型以及日本的水箱模型。 w i s c h m e i e r 和d s m i t h 在土壤侵蚀模型的基础上通过进一步的完善，基于美国东 部地区3 0 个州1 0 0 0 0 多个小区近3 0 年的径流观测资料分析，提出了著名的通 用土壤流失方程( u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ，u s l e ) 。它们的出现为流域内污 染源定量计算奠定了基础。 ( 2 ) 机理研究阶段( 2 0 世纪8 0 年代初至9 0 年代初) 。在这一阶段，非点 源污染问题得到进一步的重视，模型研究主要集中在把已有的模型用于非点源 污染管理，开发含有经济评价和优化内容的流域管理模型。这一时期的代表模 型有a n s w e r s ( a r e a ln o n p o i n ts o u r c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n tr e s p o n s e s i m u l a t i o n ) ，a g n p s ( a g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n ) ，c r e a m s ( c h e m i c a l s ，r u n o f f ,a n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) ， w e p p ( w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ) 以及r u s l e ( r e v i s e du n i v e r s a ls o i ll o s s e q u a t i o n ) 。该阶段的特点是：大部分模型都是以水文数学模型为基础的，能描 述污染物迁移转化机理，能模拟污染物在连续时间内的负荷，并开始注意污染 源控制管理与经济效益的分析，主要应用的流域为中小流域。 ( 3 ) 多元化研究阶段( 2 0 世纪9 0 年代初至今) 。随着g i s 等相关技术的发 展，模型集成了更多的信息处理模块，显示出更丰富的功能，代表模型有： b a s i n s ( b e t t e ra s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e g r a t i n gp o i n ta n dn o n p o i n ts o u r c e s ) ， s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) ，a n n a g n ps ( a n n u a l i z e da g r i c u l t u r a l n o n p o i n ts o u r c e ) 等。， 第一章绪论 第三节流域空间属性概述 本论文中讨论的空间属性指分布在流域内各个子流域上，具有空间位置坐 标，可能对污染物的扩散、迁移、转化等环境行为产生影响的环境要素。如温 度、降水等气象要素，坡度、坡向等地形要素，土壤渗透性、土地利用形式等 流域下界面相关要素，河网结构、河网密度、流量流速等水文要素。 1 3 1 水文要素 水文要素决定了水体的结构( 河网结构) 及变化程度( 流量流速等) ，构成 了整个流域的水体基底条件。 ( 1 ) 河网结构 河网是污染物的载体，并且直接导致了污染物在流域内的传输。数字化的 河网更是流域模型的基础要素。表征河网的基本属性包括：河段编码、上游节 点编码、下游节点编码、分流比例、河段类型、河段级别、河段长度、是否为 起始河段、河段子流域面积等。同一流域内，所选河段级别不同以及数据精细 程度不同，可能有不同的河段拓扑结构。随着g i s 技术的进步、数据量的详实， 可以得到更细致的河网结构，从而进行更精细的模型模拟。 ( 2 ) 流量流速 河段的流量是流域污染物负荷的重要影响因子。一方面由降水产生的径流 将非点源污染物带入河段，另一方面大流量的汇水增加了河段中水的体积，可 能有一定的稀释作用。 河段流速除河段长度即该河段的水力保留时间。水力保留时间是影响污染 物在河段传输过程中降解的重要影响因素。由于很多模型模拟中，将污染物降 解近似假设为一级反应，水力保留时间几乎是降解量的唯一影响因子。 1 3 2 气象要素 气象要素是流域水力变化、输送的主要驱动力。结合文献研究 3 9 m 1 以及数 据获取可行性，把温度及降水作为代表性气象要素。 ( 1 ) 温度 温度是影响化学反应动力学参数及热力学状态的重要因子，对污染物在流 域中的沉降、蒸发、生物反应等地球化学行为有重要影响 3 9 】。如温度升高可加 1 0 第一章绪论 快总氮的固定，对总氮在流域中的传输呈明显负相关；溶解氧、高锰酸盐指数 与温度呈负相关；此外，温度变化可引起风的变化，而风是河流的重要驱动力， 所以该因子是模型架构中的重要因子，然而有时模拟流域面积较小时，由于子 流域间温度差异不明显，可能导致温度系数不具有统计学显著性。 ( 2 ) 降水 降水是流域内地表径流的重要来源，是非点源污染的主要入河途径。国外 模型研究表明，降水强度与总氮的传输呈正相关，与t o c 传输亦呈正相关；我 国研究也证实在降水较多的丰水期，c o d 浓度较高。此外，在某些地区，降水 中存在的污染物( 如氮的湿沉降) 也是影响较大的污染源之一。 1 3 3 地形要素 地形要素中的代表性指标为坡度和坡向。坡度是地面特定区域高度变化比 率的量度，描述地形斜坡的倾斜程度；坡向为该点切平面上沿最大倾斜方向的 矢量在水平面上的投影方向，反映了斜坡所面对的方向。坡度代表了形成径流 的难易程度【4 3 】，有文献表明，坡度与总氮传输呈正相关，与t o c 传输呈负相 关；坡向反映了该区域的汇水方向，对水流方向确定、汇流量的计算有重要意 义。 1 3 4 下界面要素 ( i ) 土壤类别 土壤类别是在深入研究聚合土体发生发育、土壤系统发育与演替规律的基 础上，根据土壤不同发育阶段所形成的性状和特征，对土壤圈中的各异聚合土 体所做的科学区分。不同的类别的土壤在粒径构成、物理化学成分、水分保持 能力、渗透性等方面体现出不同的特征，而上述诸方面是污染物的迁移转化影 响因子，如土壤渗透性对总氮及t o c 的传输均呈显著的负相关，所以，土壤类 别是污染物传输的重要影响因素。 ( 2 ) 土地利用类型 土地利用类型指的是土地利用方式相同的土地资源单元，是根据土地利用 的地域差异划分的，是反映土地用途、性质及其分布规律的基本地域单位。我 国土地利用类型大体分为耕地、林地、草地、水域、城市用地、其它用地等六 第一章绪论 大类。国内外案例研究表明，土地利用类型对污染物的影响是明显的【2 7 , 4 5 - 4 6 】， 而且不同土地利用类型显示出不同程度的作用【2 6