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三峡库区处于长江流域腹心地带,具有极其重要的生态功能与战略地位。近年来库区部分一级支流断面的水质状况不容乐观,水体污染严重影响了三峡水库水环境功能的发挥,而农业非点源污染对三峡库区水体环境存在极大的安全隐患,已经成为水质恶化的主要原因之一。控制三峡库区的非点源污染,为流域水资源保护规划提供科学依据已成为亟待解决的问题。本文针对国内实测资料不足的现状,提出了“小流域推广法”来进行大尺度流域(区域)的非点源污染定量化研究。以三峡库区为研究区,根据地形地貌及数据的可获得性将其分为四大分区,在各分区中选取了典型小流域,运用流域模型SWAT(Soil and WaterAssessment Tool)进行了非点源污染精细模拟,获得相应参数组,然后通过分区参数推广的方式对三峡库区农业非点源污染定量化估算,分析了影响非点源污染的下垫面条件带来的不确定性,最后在此基础上在流域层面和亚流域层面进行了管理措施模拟及BMPs优化设计。本文的主要结论如下：
⑴结合中国国情,总结相关的大尺度非点源污染定量化研究方法,提出了适合三峡库区特征的“小流域推广法”来进行非点源污染定量化研究。采用该方法获得的径流模拟值与实测值的相关系数高达0.92,证明该方法在三峡库区具有较好的适用性,可获得更为合理可信的非点源污染模拟结果。
⑵研究时段(2001～2009年)的结果表明,整个三峡库区非点源污染空间差异较大,西部污染负荷较为严重,中部次之,东部最轻,主要原因在于西部以耕地比重较大,易发生土壤侵蚀和营养物流失,东部以林地为主,植被覆盖率较高,因此土壤侵蚀量较低,氮磷负荷输出较少,中部林草地、耕地比重相对均衡,因此污染程度居中。时间分布方面,库区非点源污染近年来整体呈现上升趋势。泥沙量与降雨量有较好的相关性,营养物输出则表现出一定的特殊性,如2006年虽为典型枯水年,但溶解态氮磷污染物明显增加,导致营养物总输出负荷增加,推测可能为库区蓄水造成。
⑶结合土地利用类型、土壤类型、坡度、坡长、降雨量、施肥量六大因素对三峡库区非点源污染进行多因素方差分析,结果表明,对营养物而言,最为显著的影响因子皆为施肥量。对于泥沙和有机污染物及吸附态污染物而言,影响因子按显著程度高低排序为施肥量、土地利用类型、土壤类型、降雨量、坡长、坡度；对于溶解态污染物而言,各因子的影响程度也表现出一致性,影响因子按显著程度高低排序为施肥量、土地利用类型、降雨、坡长、坡度、土壤类型。
⑷采用FOEA(First-order error analysis)方法,对不同下垫面条件进行非点源污染的不确定性分析。研究结果显示,在不同土地利用类型下,水土保持措施因子和植被覆盖因子对旱地污染物输出的不确定性较大,土壤可利用水量对于水田的污染物输出不确定性较大；在不同的土壤类型下,影响非点源污染物输出的不确定性差异集中在土壤初始含量对不确定性的差异上。
⑸在流域层面进行管理措施情景模拟,选择三大类管理措施,包括土地利用方式改变、耕作管理以及化把施用管理,退耕还林措施对于泥沙和营养物的输出都有较好的削减效果,耕作管理方式中对削减效果较为占优的为坡改梯和残茬覆盖,施肥量的减少对于泥沙负荷的削减不明显,但对营养物的削减有较好的效果.
⑹将工程性与非工程性BMPs相结合,考虑河道的拓扑关系,采用遗传算法对关键源区进行BMPs多目标优化设计,结果表明,在非工程性措施中,测土配方施肥较容易被筛选成为优化措施。在保证削减率效果的基础上,与仅采用工程性BMPs的优化方式相比,将工程性与非工程性BMPs相结合的优化方式可以节省一定成本,并增强可操作性。