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由于非点源污染的形成过程受区域地理条件、气候特征、土地利用、土壤结构和降水过程等多种因素影响,具有潜伏性强、随机性大、分布范围广、形成机理复杂和管理控制难等特点,是世界各国普遍面临的环境问题,开展非点源污染模拟及防控技术研究成为水环境领域的热点和难点。本文以沙河水库流域为典型区开展了非点源污染调查和监测,应用分布式水文模型SWAT和AGNPS对流域非点源污染进行了模拟研究,分析了流域污染负荷及其时空分布规律。对不同水文条件、土地利用和管理措施条件下流域非点源污染进行了模拟,提出了流域污染防治措施,可为沙河水库流域水资源保护规划提供科学依据。
全文共八章,第一章为绪论,对本领域国内外研究进展进行了综述；第二章简要介绍了研究区基本情况；第三章开展了流域污染源调查与分析,分析了氮、磷等典型污染物的贡献率及其空间分布；第四章进行了流域场次暴雨径流及水质监测与分析,初步探明降雨和典型污染物的流失特征；第五章采用AGNPS模型,对流域场次降雨径流及不同降雨强度条件下非点源污染负荷进行了模拟;第六章采用SWAT模型对流域多年径流和水质进行了长系列模拟,研究了流域非点源污染负荷及其时空分布规律；第七章采用上述模型对不同水文条件、土地利用和管理措施等情景条件下流域污染负荷进行了模拟,提出了污染防控措施；第八章是总结和展望。论文取得以下主要成果:
(1)基本探明了流域污染源产生量及其分布。其结果表明,非点源污染产生量占产污总量的80％以上,其中农田化肥是非点源的主要污染源。
(2)流域场次降雨径流水质监测结果表明:当发生一定强度的暴雨时,初期径流中的总氮和总磷浓度较高且增长较快,呈现出先陡然增长而后呈波浪状下降,浓度峰值滞后于雨强峰值。
(3)采用AGNPS模型对研究区典型场次暴雨径流及污染过程进行了模拟,流量误差为8％～15％,典型污染物浓度误差为15%～30％,说明该模型在本流域具有较好的适用性。应用模型预测了不同场次降雨量条件下的污染物流失量。
(4)采用SWAT模型对沙河水库流域多年径流和水质系列进行了模拟,月平均流量模拟值与实测值的相关系数R2为0.77～0.85,Nash-Suttcliffe效率系数为0.60～0.64；月平均典型污染物模拟值与实测值的相关系数R2为0.65～0.78,Nash-Suttcliffe效率系数为0.53～0.72,模拟值与实测值的总体趋势也基本一致。表明SWAT模型在沙河水库流域的适用性较好。
(5)采用上述模型定量预测了氮磷等典型污染物的空间分布及不同水文年条件下的流失量。结果表明,非点源污染负荷贡献率随降雨量增加而增加,枯水年非点源污染流失量占总流失量的15.9％,平水年为36.7％,丰水年为52.3％。在空间分布上,流域中上游地区污染负荷量较低,水质较好,而下游地区污染较严重,南沙河子流域是污染负荷的关键区。在时间分布上,汛期集中了全年泥沙、总磷流失量的70％和总氮流失量的一半。
(6)采用SWAT模型对不同水文年型、点源排污状况、化肥施用量及农业管理措施等情景进行了污染物流失量预测。其结果表明:若在排污口全部实施达标排放、流域内全部农田改为林地,径流量、氮磷负荷量均会减少40～50％；若只实施排污口达标排放,氮磷负荷将会下降10～15％；若只实施化肥施用量减半,氮磷负荷可降低20％左右；氮元素单位面积负荷由高到低依次为:果园>农田>草地>林地>建筑用地。针对上述结果,提出了沙河水库流域非点源污染防控措施和建议。