湯浦水庫流域氮污染定量溯源與控制研究開題報告

1、 浙江大學研究生學位論文開題報告學院：環(huán)境與資源學院 報告日期：2014年 1月 7日學 號姓名黃宏入學年月2010.3學位類型博士學科專業(yè)水資源利用與保護指導教師呂軍論文題目湯浦水庫流域氮污染定量溯源與控制研究課題來源基于物聯(lián)網(wǎng)的小流域廢物集中處置與資源化利用技術研究及示范（國家科技支撐計劃No. 2012BAC17B01）課題性質國家級一、選題依據(jù)及研究目的意義：1.1背景和意義水是生命之源，飲用水安全關系到人民生活質量和身體健康。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）調(diào)查結果，80%的疾病和50%的兒童死亡率都與飲用水水質不良有關。飲用水安全涉及到社會穩(wěn)定和諧，是關系國計民生的重大問題。在第七次全國

2、環(huán)境保護大會上，時任國務院副總理李克強提出，要嚴格飲用水水源地管理，確保群眾喝上干凈水、安全水，充分體現(xiàn)了黨和國家對飲用水安全問題的高度重視。2012年7月1日起，中國強制執(zhí)行最新的飲用水標準，共有106項指標，與歐盟水質標準基本持平。盡管政府和相關部門對飲用水安全問題開展了大量的工作，我國的飲用水安全形式仍然非常嚴峻。根據(jù)2012年中國環(huán)境狀況公報，長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、西北諸河和西南諸河等十大流域的國控斷面中，類、類和劣類水質斷面比例分別為68.9%、20.9%和10.2%；62個國控重點湖泊（水庫）中，類、類和劣類水質的湖泊（水庫）比例分別為61.3%、

3、27.4%和11.3%；除密云水庫和班公錯外，其他60個湖泊（水庫）開展了營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測。其中，4個為中度富營養(yǎng)狀態(tài)，占6.7%；11個為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，占18.3%；37個為中營養(yǎng)狀態(tài)，占61.7%；8個為貧營養(yǎng)狀態(tài)，占13.3%。根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的首個全國性的大規(guī)模研究結果，我國有2.8億居民使用不安全飲用水。我國南方地區(qū)主要以水庫作為飲用水水源，在浙江省，70%以上的飲用水水源直接來自于溪流源頭的水庫 (金樹權, 2008)。然而，湖泊和水庫富營養(yǎng)化是一個全球性的問題，在全球范圍內(nèi) 30% 40% 的湖泊和水庫遭受不同程度富營養(yǎng)化影響(馬經(jīng)安和李紅清, 2002)。據(jù)國際環(huán)保組織綠色和平發(fā)布

4、的研究報告不堪重“氮”的水中國氮肥施用及其水污染形勢報告，1992 年中國有 63.9%的淡水湖泊不同程度地出現(xiàn)富營養(yǎng)化，2010-2012 年對全國 25 個湖泊的調(diào)查發(fā)現(xiàn)全部湖泊的水體全氮 (TN) 均超過了富營養(yǎng)化指標，列入監(jiān)測的中國主要湖庫地表水直接與備用水源地中，僅有小部分監(jiān)測點水質達到國家地表水環(huán)境質量標準（GB3838-2002）規(guī)定的生活飲用水地表水源地的標準（I-III類水），而幾乎三分之二監(jiān)測點的水質為IV類到劣V類水，主要表現(xiàn)為總氮(TN)超標。在點源污染逐漸得到控制的情況下，氮、磷等農(nóng)業(yè)非點源營養(yǎng)物已經(jīng)成為湖庫型水源富營養(yǎng)化的主要原因之一（陳丁江等, 2008; 沈榮根

5、和童秀華, 2010; 施練東等, 2011）。農(nóng)業(yè)非點源營養(yǎng)物的產(chǎn)生和排放主要取決于土地利用方式、化肥施用強度、畜禽養(yǎng)殖管理、生活污水處理程度、降雨徑流等因素的綜合影響，具有不確定性強、時空變異顯著、遷移過程復雜等特點 (劉 敏等, 2012)，防控難度很大。我國在湖庫型流域水污染控制方面缺乏流域尺度的系統(tǒng)科學研究，水質目標管理的技術基礎不足，多年來一直停留在設定排放目標的總量控制水平上，普遍存在流域污染控制總量與湖庫水質改善目標脫節(jié)、區(qū)域限排量與湖庫水環(huán)境容量不銜接、流域與湖泊污染控制指標不統(tǒng)一等問題，這是我國湖庫水質惡化趨勢一直未能扭轉的重要原因之一（李恒鵬等, 2013）。湯浦水庫是虞

6、紹平原近300萬人唯一的飲用水源地，水庫水質整體較好，然而總氮濃度過高，屬于中等營養(yǎng)水平（竺維佳等, 2006; 沈榮根和童秀華, 2010; 施練東等, 2011）。本文以湯浦水庫為研究對象，以總氮污染控制為目標，基于統(tǒng)計學方法、現(xiàn)代數(shù)學方法和水文模型方法，開展了污染特征分析、水環(huán)境容量計算、污染定量源解析和水環(huán)境容量分配研究，建立了一套完整的水庫型水源地污染控制理論與方法體系。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析水庫型水源地污染控制是一個系統(tǒng)性問題，核心環(huán)節(jié)包括污染特征分析、污染定量源解析和水環(huán)境容量分配等，國內(nèi)外很多研究主要針對其中某一環(huán)節(jié)，針對某一水域水源地，基于流域尺度開展污染控制研究的研

7、究仍然很少。以下將對這兩個核心環(huán)節(jié)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)進行分析。2.1污染特征分析方法多元統(tǒng)計方法是污染特征分析的常用方法。20世紀80年代以來，多元統(tǒng)計方法因具有能反推污染源廓線的優(yōu)點，已被廣泛運用于大氣環(huán)境中污染源的源解析（Thurston and Spengler, 1985; Bruno et al.,2001; Singh et al.,2008; Liu et al., 2010）。近年來，一些學者將多元統(tǒng)計方法應用于水環(huán)境污染物的污染特征分析和源解析，主要有因子分析/多元線性回歸(FA/MLR)模型 (陳燕燕等, 2009)、主成分分析/絕對主因子得分（PCA/APCS）模

8、型 (Su et al., 2011)、正定矩陣因子分解（PMF）模型 (馬振邦等, 2011) 和非負約束因子分析（FA-NNC)模型 (Bzdusek et al., 2004) 等。Singh等（2005）運用PCA/APCS模型定量解析了印度Gomti河生化需氧量（BOD）、氨氮（NH+4-N）和硝態(tài)氮（NO-3-N）等污染物的主要來源。馬振邦等（2011）利用深圳市王家莊集水區(qū)的降雨徑流水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用PMF模型定量解析了單個城市小集水區(qū)降雨徑流中氨氮(NH+4-N)、總氮(TN)、化學需氧量(CODCr)、總磷(TP)和生化需氧量(BOD5)的主要來源。多元統(tǒng)計方法是分析河流污染

9、特征及來源的常用而且有效的方法 (Huang et al., 2010; 趙 潔等, 2013)，跟水文模型法相比 (鄧歐平等, 2013)，多元統(tǒng)計方法的優(yōu)點在于方便不需要事先獲取污染源的信息，也無需氣象、水文、土地利用等其它數(shù)據(jù)，只需要水質監(jiān)測數(shù)據(jù)即可提取水污染特征、識別主要污染源、半定量估算各主要污染源的分擔率。由于非點源污染物的遷移轉化非常復雜，對于水環(huán)境污染，受體模型方法只可能達到定量源解析的水平，然而不妨將該方法與水文模型方法相輔相成，優(yōu)勢互補。2.2 污染源解析方法對流域非點源污染進行定量源解析，是從源治污的根本依據(jù)。要從源頭上控制污染，就要采取轉變土地利用方式、降低施肥強度、提

10、高生活污水處理率等一系列具有針對性的措施。運用通過了校準和驗證水文模型，可以設置不同的情景，模擬在不同的土地利用方式、施肥強度和生活污水處理率等條件下的污染負荷，定量地回答在不同污染防控措施下的實際效果?？梢?，水文模型方法是未來開展流域非點源污染控制必不可少的手段之一。分布式、機理式水文模型是點源污染模擬的有效工具，常用的有SWAT (SoilandWaterAssessmentTool)和AGNPS (AGricultural Non-Point Source Pollution Model) (Nasr et al., 2007; Saleh and Du, 2004; Mohammed

11、et al., 2004)等。這些模型具有很強的機理性、綜合性和應用性，然而需要大量的基礎數(shù)據(jù)，包括氣象、土壤、土地利用、農(nóng)業(yè)管理、蓄禽養(yǎng)殖、人口、水文和水質等，在缺資料地區(qū)的適用性受到了限制；此外由于模型結構復雜、參數(shù)眾多，校準和驗證困難，存在很大不確定性 (Yang et al., 2007; Grunwald and Nrton, 2000; Al-Abed and White, 2000)。GWLF (Generalized Watershed Loading Functions) 模型是一個半分布、半經(jīng)驗水文模型，跟SWAT等分布式、機理式的水文模型相比，GWLF模型結構比較簡單、數(shù)

12、據(jù)要求比較少、校準和驗證比較方便，目前該模型的不同版本已經(jīng)廣泛應用到流域的徑流產(chǎn)出、營養(yǎng)鹽負荷預測和非點源污染解析等諸多方面 (Haith and Shoemaker, 1987; Schneiderman et al., 2002; Moore et al., 2008; 何 因等, 2009)。ReNuMa ( Regional Nutrient Management) 模型是GWLF模型最新版本，是一個水文驅動的半經(jīng)驗、集總式模型，用于模擬流域水文過程、產(chǎn)沙量和氮磷負荷量。半經(jīng)驗性體現(xiàn)在該模型大部分關系式均基于經(jīng)驗，沒有系統(tǒng)模擬生物地球化學過程集總式要體現(xiàn)在它不考慮流域污染的空間過程，而

13、是將相似的土地利用進行匯總歸類，進而對徑流和營養(yǎng)鹽進行相互獨立的模擬（謝陽村, 2012）ReNuMa ( Regional Nutrient Management) 模型是GWLF模型最新版本，在流域水文、沉積物和營養(yǎng)物遷移方面繼承了GWLF模型的算法 (Hong and Swaney, 2007)，在氮輸入方面則采用了凈人類氮輸入的算法 (Howarth et al., 1996; Boyer et al., 2002)。在美國東北部開展的 16 個驗證性研究顯示，模型能夠在流域尺度上再現(xiàn)水流及氮通量的季節(jié)性或年度特征，目前國內(nèi)已有一些應用實例 (Sha et al., 2013)。2.3

14、 水環(huán)境容量計算方法水庫水環(huán)境容量的計算，是制定污染排放控制目標的依據(jù)。對于富營養(yǎng)化水庫，常用的模型有狄龍模型、沃倫伍德模型、合田健模型等。這些模型的數(shù)據(jù)依賴性比較低，因而被廣泛應用于湖庫氮、磷水環(huán)境容量的計算。此類模型得出的結果是一定水文保證率條件下的水環(huán)境容量，往往是根據(jù)最枯月份的水文條件進行計算，因而計算得出的結果也可能會偏低。20世紀70年代以來，出現(xiàn)了很多綜合性水質模型，不僅能夠細致地描述污染物在水體中的遷移和轉化過程，還能夠動態(tài)地計算湖庫的水環(huán)境容量。常用的水質模型有QUAL2E、WASP、HSPF、ESTU、ARY、STREAM、HAR03、RECEIV-II、WQRPS及Lin

15、k-Node等 (歐陽麗,等 2008)。在這些模型之中，最具代表性、應用作為廣泛的是WASP模型。WASP模型是美國國家環(huán)保局開發(fā)的最新的水流水質模型，能夠用于不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中分析和預測由于自然和人為污染造成的各種水質狀況，可以模擬水文動力學、河流一維不穩(wěn)定流、湖泊和河口三維不穩(wěn)定流、常規(guī)污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、營養(yǎng)物質以及海藻污染)和有毒污染物(包括有機化學物質、金屬和沉積物)在水中的遷移和轉化規(guī)律(歐陽麗,等 2008)。WASP包括水動力學程序DYNYD和水質程序WASP，這兩個程序既可以獨立運行，也可以聯(lián)合運行。在WASP的水質模塊之中，有一個EUTRO (Eutrop

16、hication Model)子模塊，可以用來模擬浮游生物動態(tài)變化、磷循環(huán)、氮循環(huán)和溶解氧平衡等。運用WASP等水質模型對水庫水質和水環(huán)境容量進行動態(tài)模擬，是未來水庫水源地保護的必要工作之一。然而，由于WASP等水質模型需要大量數(shù)據(jù)，參數(shù)眾多，建模成本高，推廣應用的空間受到一定限制。2.3 水環(huán)境容量分配方法水環(huán)境容量分配與水污染減排責任分配是同個問題的兩個方面。在湖庫水質已經(jīng)超標，沒有剩余水環(huán)境容量的情況下，就需要將減排責任分配到流域內(nèi)的各個行政區(qū)域。水污染物總量控制是我國水污染防治的重要制度，水環(huán)境容量分配則是水污染物總量控制的核心和基礎 (Petrosjan and Zaccour, 2

17、003; 李如忠等, 2005; 陳丁江,等 2010)。由于我國主要實行各級行政區(qū)分部門監(jiān)督管理的水污染防治體制，因此流域水環(huán)境容量在行政區(qū)間的分配至關重要 (陳丁江,等 2010)。在市場經(jīng)濟條件下，公平原則是總量分配中應遵循的首要原則，然后是在公平的基礎上追求效益 (李如忠等, 2005)。排污權交易制度是目前備受國外關注的環(huán)境經(jīng)濟政策之一 (張 穎和王 勇, 2005)，在協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與污染控制方面的作用越來越重要 (于術桐等, 2009)，雖然在我國仍處于試點研究階段，但是將來必將成為我國水污染防治的重要制度。排污權交易制度的核心和基礎是初始排污權分配，影響到排污權交易的效率和有效配

18、置 (Malueg, 1990; Borenstein, 2004)。因此，區(qū)域間水環(huán)境容量的公平分配，不僅是我國實施水污染總量控制制度的關鍵問題，也是未來我國全面實施排污權交易制度的基礎保障。區(qū)域間水環(huán)境容量的公平分配本質上是一個優(yōu)化問題，從此角度可將分配方法分為單目標優(yōu)化法和多目標優(yōu)化法兩大類。前者包括同比例削減模式、排污績效法、環(huán)境容量法(于術桐等, 2009)等，后者包括層次分析法 (幸 婭等, 2011)、德爾菲-層次分析法 (李如忠等, 2005)、信息熵法 (王 媛等, 2009)等。單目標優(yōu)化法優(yōu)點在于易于操作執(zhí)行，然而各行政區(qū)域的經(jīng)濟社會發(fā)展水平和資源環(huán)境稟賦往往具有非勻質性

19、，單目標分優(yōu)化法有悖于經(jīng)濟增長和環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的原則。多目標優(yōu)化法考慮的因素比較全面，科學性較強，但是數(shù)據(jù)獲取困難，操作復雜，而且指標的選取和賦權受人為影響較大，易引發(fā)爭議，實用性相對較差。區(qū)域間水環(huán)境容量分配的公平是重要的，但是公平的程度卻是難以衡量的。基尼系數(shù)由意大利經(jīng)濟學家基尼于 1912 年提出的，最初被用于評價收入分配公平程度?；嵯禂?shù)計算方法簡單客觀，能夠直觀地反映居民、地區(qū)或國家之間的貧富差距，因此在世界范圍內(nèi)得到廣泛認可和接受。近年來，基尼系數(shù)法已被引入水環(huán)境容量的公平分配 (陳丁江,等 2010; 吳悅穎等, 2006; 王 媛等, 2008; Sun et al., 201

20、0; Zhang et al., 2013)?；嵯禂?shù)法既能反映水污染物總量分配的分布情況，還可以進一步分析水污染物總量分配的公平程度，既克服了等比例分配方法的不公平性，又兼顧了各地區(qū)間的差異(王維紅等, 2011)，在水污染負荷分配中具有廣闊的應用前景。二、主要研究內(nèi)容與擬解決的關鍵技術：1 研究目標定量分析湯浦水庫的水環(huán)境容量和氮污染來源，確定氮污染減排量，將減排責任分配至各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，實現(xiàn)水庫水質達到II 類標準。2 研究內(nèi)容（1）湯浦水庫流域水污染特征分析 基于多元統(tǒng)計方法，了解湯浦水庫主要入庫河流的水污染特征，鑒定主要污染物和污染源。（2）湯浦水庫水環(huán)境容量估算 基于(Dillion)模型

21、計算湯浦水庫的氮容量。（3）湯浦水庫氮污染來源定量解析基于ReNuMa模型定量估算流域內(nèi)各種氮污染源（水田、旱地、建設用地、林地、生活污染等）的入庫量。（4）湯浦水庫流域氮污染減排情景模擬 基于ReNuMa模型，對湯浦流域各種土地利用和施肥強度模式進行情景模擬，定量了解湯浦流域氮污染的減排潛力。（5）湯浦水庫流域氮污染減排責任分配 基于三維基尼系數(shù)法，將氮污染減排責任分配直各鄉(xiāng)鎮(zhèn)。3 擬解決的關鍵問題本問將以發(fā)展流域非點源污染過程定量研究方法為突破口，以建立湯浦水庫流域分區(qū)分類定量的污染源頭控制規(guī)劃為研究目標，擬解決的關鍵技術包括： （1）地下水和地表水匯流的污染源比例分割。地下水污染源的滯后

22、期可達數(shù)年、甚至數(shù)十年，現(xiàn)有研究多將地表水污染源和地下水污染源合并為一體，導致對地表水污染源的高估。因此地下水污染源比例分割將是本研究要解決的第一個關鍵技術。（2）定量計算各種污染源的貢獻率是本文的另一個關鍵問題。本文采用ReNuMa模型，將污染源分為人居生活、養(yǎng)殖業(yè)、旱地、水田、園地、和林地等類型，實現(xiàn)非點源污染的分類定量溯源。（3）污染減排責任的公平、合理分配，是污染減排的核心環(huán)節(jié)，也是本文的關鍵之一。本文將采用“減排責任分區(qū)認定落實”方法，建立基于三維基尼系數(shù)法的水環(huán)境容量分配模型。三、研究方案及技術路線：1 研究方案根據(jù)研究內(nèi)容，確定了相應的研究方案中，主要研究方法介紹如下：（1）湯浦

23、水庫流域水污染特征分析多元統(tǒng)計方法是水污染特征分析的常用方法，優(yōu)點在于不需要事先獲取污染源的廓線，也無需流量等其它數(shù)據(jù)，只需要水質監(jiān)測數(shù)據(jù)即可提取主要污染源的廓線，并能夠定量估算各主要污染源的分擔率，近年來已被廣泛應用于水環(huán)境污染物的源解析中。本文用主成分分析法識別湯浦水庫主要入庫河流的污染特征和污染來源，為河流污染總量控制提供依據(jù)。（2）湯浦水庫水環(huán)境容量估算水庫水環(huán)境容量的計算，是制定污染排放控制目標的依據(jù)。對于富營養(yǎng)化水庫，常用的模型有狄龍模型、沃倫伍德模型、合田健模型等。這些模型的數(shù)據(jù)依賴性比較低，因而被廣泛應用于湖庫氮、磷水環(huán)境容量的計算。本文用狄龍模型估算湯浦水庫總氮水環(huán)境容量，并

24、進行不確定性分析。（3）湯浦水庫氮污染來源定量解析GWLF (Generalized Watershed Loading Functions) 模型是一個半分布、半經(jīng)驗水文模型，跟SWAT等分布式、機理式的水文模型相比，GWLF模型結構比較簡單、數(shù)據(jù)要求比較少、校準和驗證比較方便，目前該模型的不同版本已經(jīng)廣泛應用到流域的徑流產(chǎn)出、營養(yǎng)鹽負荷預測和非點源污染解析等諸多方面 (Haith and Shoemaker, 1987; Schneiderman et al., 2002; Moore et al., 2008; 何 因等, 2009)。ReNuMa ( Regional Nutrient

25、 Management) 模型是GWLF模型最新版本，是一個水文驅動的半經(jīng)驗、集總式模型，用于模擬流域水文過程、產(chǎn)沙量和氮磷負荷量。半經(jīng)驗性體現(xiàn)在該模型大部分關系式均基于經(jīng)驗，沒有系統(tǒng)模擬生物地球化學過程集總式要體現(xiàn)在它不考慮流域污染的空間過程，而是將相似的土地利用進行匯總歸類，進而對徑流和營養(yǎng)鹽進行相互獨立的模擬（謝陽村, 2012）ReNuMa ( Regional Nutrient Management) 模型是GWLF模型最新版本，在流域水文、沉積物和營養(yǎng)物遷移方面繼承了GWLF模型的算法 (Hong and Swaney, 2007)，在氮輸入方面則采用了凈人類氮輸入的算法 (How

26、arth et al., 1996; Boyer et al., 2002)。在美國東北部開展的 16 個驗證性研究顯示，模型能夠在流域尺度上再現(xiàn)水流及氮通量的季節(jié)性或年度特征，目前國內(nèi)已有一些應用實例 (Sha et al., 2013)。本文基于ReNuMa模型定量估算流域內(nèi)各種氮污染源（水田、旱地、建設用地、林地、生活污染等）的入庫量。（4）湯浦水庫流域氮污染減排責任分配區(qū)域間水環(huán)境容量分配的公平是重要的，但是公平的程度卻是難以衡量的?；嵯禂?shù)由意大利經(jīng)濟學家基尼于 1912 年提出的，最初被用于評價收入分配公平程度?；嵯禂?shù)計算方法簡單客觀，能夠直觀地反映居民、地區(qū)或國家之間的貧富差距

27、，因此在世界范圍內(nèi)得到廣泛認可和接受。近年來，基尼系數(shù)法已被引入水環(huán)境容量的公平分配 (陳丁江,等 2010; 吳悅穎等, 2006; 王 媛等, 2008; Sun et al., 2010; Zhang et al., 2013)?；嵯禂?shù)法既能反映水污染物總量分配的分布情況，還可以進一步分析水污染物總量分配的公平程度，既克服了等比例分配方法的不公平性，又兼顧了各地區(qū)間的差異(王維紅等, 2011)，在水污染負荷分配中具有廣闊的應用前景。為發(fā)揮基尼系數(shù)法在水環(huán)境容量分配的優(yōu)勢，并拓寬其應用空間，本文提出了立體基尼系數(shù)法，在三維空間里將兩條洛侖茲曲線擬合成一個平面，兩個基尼系數(shù)整合成一個基尼系數(shù)，將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題。本文將三維基尼系數(shù)法應用于湯浦水庫的總氮水環(huán)境容量分配至流域內(nèi)的各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。2 技術路線本文以湯浦流域總氮污染控制為目標，基于統(tǒng)計學方法、現(xiàn)代數(shù)學方法和水文模型方法，開展污染特征分析、水環(huán)境容量計算、污染定量源解析和水環(huán)境容量分配研究，試圖建立一套完整