汤浦水库流域氮污染定量源解析与分区分类控制研究

博士学位论文中文论文题目：汤浦水库流域氮污染定量源解析与分区分类控制研究英文论文题目：NitrogenpollutionsourceapportionmentandquantitativecontrolplanninginTangpuReservoirWatershed作者姓名：黄宏指导教师：吕军教授学科(专业)：水资源利用与保护所在学院：环境与资源学院提交日期2014年6月24日浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日I致谢时光飞逝，岁月留痕。在动笔之际，映入眼帘的都是导师的身影。曾几何时，我迷惘、无助，人生路漫漫，却不知何去何从。四年前，有幸拜入恩师吕军教授门下，我的人生得以重新扬帆起航。在学问的海洋，您指引我方向、您教会我思想、您给予我力量，您是我心中最伟大的榜样。如今，我学会了摇橹划桨，开始可以尝试乘风破浪，背后都是您的无私奉献和悉心教诲。此时此刻，油然想起师母姜丽娜教授。如果说导师是严父，那么师母就是慈母。想念师母美味可口的饺子，不会忘记师母教会的包饺子本领，更会永远感谢师母的关心和帮助。“做学问重要，做人更重要”，我将铭记恩师的教诲，把人做好，把学问做好。彼岸仍遥远，更大的风浪在远方。带着一颗勇敢而又感恩的心，我将会继续前行，决不辜负恩师的栽培。实验室是一个温暖和谐的大家庭，老师就是家长。感谢卢升高教授，您总是如此和蔼可亲，每次读书报告都能得到您的宝贵指导，衷心感谢您的关心和指导。感谢陈丁江副教授，衷心感谢您兄长般的关心和帮助，您是好老师、好朋友。衷心感谢沈晔娜老师，不仅要感谢您在学习上给予我的指导，还要感谢您如邻家姐姐般对我心灵上的关怀。感谢徐蕙老师，不管您有多忙碌，学生的事情您都会及时处理，衷心感谢您的帮助。感谢实验室的同学们，相亲相爱是我们的好传统。嘉兴大田、长乐江、汤浦水库……我们一起在野外风吹日晒，烧杯、试管、仪器……我们一起在室内分析测试。我们并肩作战，我们同甘共苦，我们一起成长。我想在此留下你们的名字：龚冬琴、陈佳勃、张峰、李松林、邓欧平、孙嗣暘、刘梅、徐晓萌、石雯倩、张鸿、何圣嘉、张柏发、纪晓亮、李永洁、李爽、胡敏鹏，还有王思源、余修龄、宗玉统、Zaffar、孙芳芳、马荣辉、吴世文、陈丹平、吴呈峰、肖晴。铁打的营盘流水的兵，我们永远是好兄弟姐妹。感谢室友孟俊和王沐桂。三个一起攻读博士学位的大男孩，四年如一日，相互鼓励、相互帮助，打造了一个温馨的寝室。一起熬过最艰难的岁月，是我们兄弟情最好的载体；我们寝室每次评比都是十佳，是我们共同的苦中之乐。继续努力，兄弟们。感谢野外采样的司机任师傅和赵师傅。你们精湛的车技保障了我们每次采样的安全和顺利，你们无私地将人生经历与我们分享，让我们受益匪浅，感谢你们给我们上了社会这堂课。身体发肤，受之父母。我从小到大沐浴着你们全部的关爱，却曾让你们担心。如今，我已长大，你们寄托在我身上的希望，必将会一个一个实现。感谢我的姐姐和姐夫，感谢你们自大学以来对我的无私帮助，更感谢你们在我不在家的日子里，照顾好父母。感谢我的岳父岳母，你们的理解和支持是对我莫大的帮助。感谢我的爱人，邓婕。欠你的太多，给你的太少。诸永高速两侧的映山红开了又谢，谢了又开，仿佛在说：“苦尽甘会来。”可以感谢自己吗？我想，可以的。我曾经豁出一切，我已经拼尽全力，我没有虚度光阴。如果时光倒退四年，我仍然会毫不犹豫地选择——拼搏！感谢自己，让青春无悔。最后感谢评阅论文和出席博士论文答辩委员会的诸位专家，感谢你们在百忙中给予的悉心指导！II本文得到国家科技支撑计划:基于物联网的小流域废物集中处置与资源化利用技术研究及示范（No.2012BAC17B01）的资助。III摘要在点源污染逐渐得到控制的情况下，氮、磷等农业非点源营养物已成为水体富营养化的主要原因。汤浦水库位于曹娥江支流小舜江上游，是虞绍平原近300万人的主要饮用水源之一。水库运行十多年来，库体及上游支流大部分水质指标常年达到I类标准，总氮则在Ⅳ类和劣Ⅴ类之间。显然，在水库及其水源区已经实行严格的点源排污控制条件下，水体氮污染过高的主要原因是非点源污染。因此，在整个流域内实行非点源污染的分区分类定量控制，是改善水质的根本途径。现行的非点源污染定量研究多把污染的责任归为地表径流，忽视了地下水污染的的贡献及其滞后性问题，这将严重误导减排责任的认定和落实。只有把需要控制或削减的污染物投排放总量落实到每一种污染源和每一个行政区，才有可能制定出真正切实可行的控污减排计划，才有可能把非点源污染总量控制落到实处。非点源污染防治已经成为水环境保护的热点工作，非点源污染的定量溯源和分类控制研究是本领域的前沿科学问题。本文针对汤浦水库流域总氮浓度常年超标的现状，开展氮污染定量溯源和分区分类控制研究。核心内容包括水环境容量计算、地表水和地下水污染源污染贡献率分割、地表水污染分类源解析、水环境容量和减排责任分配等。主要结果有：(1)准确地计算湖库水环境容量，是制定总量控制目标的前提条件，也是水环境污染控制的重要环节。采用狄龙模型计算了汤浦水库总氮的水环境容量。以总氮浓度的II类水质为标准（GB3838-2002），且分别在90%、75%和50%保证率的年径流量作为入库的水量条件下，汤浦水库的总氮水环境容量分别为402ton、580ton和679ton。(2)应用ReNuMa模型模拟了汤浦水库流域主要入库河流双江溪的水文过程和总氮负荷。生活污源、地表水和地下水年平均贡献率分别为11.1±1.1%、34.3±8.9%和54.4±10.4%。水田、旱地、园地、林地、灌木地、草地、水域和建设用地对地表水总氮的年平均贡献率分别为16.9±1.5%、10.6±0.4%、6.4±0.1%、38.9±2.6%、13.4±0.2%、0.2±0.01%、2.0±0.3%和11.6±0.7%。情景模拟结果表明，所有农用地都转为林地，并加上生活污染源得到完全控制，总氮年负荷量削减率才达到22.1%。这解释了自水库建成以来污染控制力度不断加大，但水库总氮污染仍然居高不下的原因。不仅需要加大“源头控制”力度，削减人为氮投排放量，还需要设计“过程拦截”和“末端修复”等措施。(3)鉴于流域模型不易推广应用（基础数据要求高、参数过多、校正和验证困难等），本文探索并建立了一套普适而又相对简单的流域尺度氮污染分区分类源解析理论和方法体系。首先，综合应用数字滤波技术和统计学方法，建立了生活点源、地表水污染源和地IV下水污染源对河流总氮贡献率的分割模型；然后采用遗传算法，优化求解各种土地利用类型的营养物入河系数；最后通过输出系数模型实现非点源污染物的分区分类溯源。双江溪流域年平均生活点源污染、地表水污染和地下水污染对TN入河量的年均贡献率为6.9±1.3%、28.2±2.7%和64.9±4.0%。水田、旱地、园地、林地、灌木地、草地、水域和建设用地年平均TN入河量分别为15.48±1.49kg.hm-2、3.74±0.36kg.hm-2、9.74±0.93kg.hm-2、2.03±0.19kg.hm-2、12.59±1.21kg.hm-2、11.73±1.13kg.hm-2、16.88±1.63kg.hm-2和11.75±1.14/kg.hm-2。本方法得出的单位面积入河量专指通过地表径流入河的部分，因而跟以往方法相比更加客观、准确。(4)在搞清楚流域非点源污染过程以后，水环境容量的公平分配和减排责任的认定将是水污染控制的核心问题。基尼系数方法也已经有许多应用，但通常都是单变量的基尼系数法，在根据多个变量进行优化时，各优化目标往往会相互矛盾。为解决该问题，本文建立多维基尼系数法。多维基尼系数法巧妙地将柱坐标系统和三维笛卡尔坐标系统相结合，可以同时根据任意多个变量对环境容量进行优化分配，将多目标优化问题变成单目标优化问题。根据水环境保护的多目标特征，从充分发挥我国高效的行政管理优势的角度，以流域内各乡镇区划为单位，以各乡镇国土面积、人口规模和国民生产总值为基本指标，利用基于多维基尼系数法的水环境容量公平分配模型，对各个乡镇的总氮排放量比例进行优化，然后将水库总氮水环境容量分配到各个乡镇，实现减排责任的分区分配。为拓宽该模型的应用空间，开发了专门的软件——基于多维基尼系数法的水环境容量优化分配系统。(5)制定了流域氮污染分区分类减排方案。考虑到地下水污染的滞后性，提出了可分配水环境容量的概念，即将实际水环境容量扣除地下水的贡献量，才是可分配水环境容量。在总氮达到II类水质标准，再以90%、75%和50%保证率的年径流量作为入库的水量条件下，汤浦水库可分配的总氮水环境容量分别为-30ton、148ton和247ton。在总氮达到II类水质标准，以及50%保证率的年径流量作为入库的水量条件下，全流域地表水总氮入河量需要削减-68.5ton，削减率为-30.9%，全流域仍有剩余的水环境容量可以分配。其中王院乡、竹溪乡、谷来镇、稽东镇、王坛镇和平水镇分别需要减排2.4ton、2.6ton、-2.5ton、-20.3ton、-37.2ton和-13.5ton，减排率分别为27.5%、21.2%、-4.0%、-35.2%、-63.1%和-59.9%。最后针对各乡镇的实际情况讨论了减排方法与措施。本研究既是汤浦水库水质保护十分必要和紧迫的基础工作，也是“五水共治”的核心内容之一。研究结果推进了流域非点源污染分区分类定量控制系统理论和技术体系建设。关键词：汤浦水库;水源地;非点源污染;总氮;源解析;水环境容量分配VAbstractUndertheconditionthatthepointsourcepollutionhasbeengraduallycontrolled,thenon-pointsourcepollutionbecomesthemajorcauseofwatereutrophication.TangpuReservoiristheimportantdrinkingwatersourcefor3millionpeopleinYushaoPlain,locatedintheupstreamofXiaoshunRiver,oneofthemajortributariesofCao’ERiver.Sinceitsoperationformorethantenyearsago,mostofthewaterqualityindexesofthereservoirandthetributariesmeetGradeIofenvironmentalguidelineofnationalqualitystandardsforsurfacewaters,China(GB3838-2002).However,theconcentrationofTotalnitrogen(TN)hasalwaysbeeninhighlevel,rangingfromGradeⅣtoworsethanGradeⅤ.Obviously,themajorcauseisnon-pointsourcepollution,andthequantitativecontrolaccordingtotheregionsandpollutionsourcesisthebasicsollutionfo