湯浦水庫流域氮污染定量源解析與分區(qū)分類控制研究-博士論文

PAGEII博士學(xué)位論文中文論文題目：湯浦水庫流域氮污染定量源解析與分區(qū)分類控制研究英文論文題目：NitrogenpollutionsourceapportionmentandquantitativecontrolplanninginTangpuReservoirWatershed作者姓名：黃宏指導(dǎo)教師：呂軍教授學(xué)科(專業(yè))：水資源利用與保護所在學(xué)院：環(huán)境與資源學(xué)院提交日期2014年6月24日PAGEXII湯浦水庫流域氮污染定量源解析與分區(qū)分類控制研究論文作者簽名:指導(dǎo)教師簽名:論文評閱人1：評閱人2：評閱人3：評閱人4：評閱人5：答辯委員會主席：盧升高/教授/浙江大學(xué)委員1：盧升高/教授/浙江大學(xué)委員2：林咸永/教授/浙江大學(xué)委員3：田光明/教授/浙江大學(xué)委員4：付慶林/研究員/浙江省農(nóng)科院委員5：呂軍/教授/浙江大學(xué)答辯日期：2014.9.12

NitrogenpollutionsourceapportionmentandquantitativecontrolplanninginTangpuReservoirWatershedAuthor’ssignature:Supervisor’ssignature:ExternalReviewers: (姓名\職稱\單位,下同)(隱名評閱學(xué)位論文省略)ExaminingCommitteeChairperson:(姓名\職稱\單位)ExaminingCommitteeMembers:Dateoforaldefence：浙江大學(xué)研究生學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明

本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得浙江大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。

學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日

學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書

本學(xué)位論文作者完全了解浙江大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交本論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)浙江大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索和傳播，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書）

學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：

簽字日期：年月日簽字日期：年月日

PAGEI致謝時光飛逝，歲月留痕。在動筆之際，映入眼簾的都是導(dǎo)師的身影。曾幾何時，我迷惘、無助，人生路漫漫，卻不知何去何從。四年前，有幸拜入恩師呂軍教授門下，我的人生得以重新?lián)P帆起航。在學(xué)問的海洋，您指引我方向、您教會我思想、您給予我力量，您是我心中最偉大的榜樣。如今，我學(xué)會了搖櫓劃槳，開始可以嘗試乘風破浪，背后都是您的無私奉獻和悉心教誨。此時此刻，油然想起師母姜麗娜教授。如果說導(dǎo)師是嚴父，那么師母就是慈母。想念師母美味可口的餃子，不會忘記師母教會的包餃子本領(lǐng)，更會永遠感謝師母的關(guān)心和幫助?！白鰧W(xué)問重要，做人更重要”，我將銘記恩師的教誨，把人做好，把學(xué)問做好。彼岸仍遙遠，更大的風浪在遠方。帶著一顆勇敢而又感恩的心，我將會繼續(xù)前行，決不辜負恩師的栽培。學(xué)校是一個溫暖和諧的大家庭，老師就是家長。感謝盧升高教授，您總是如此和藹可親，每次讀書報告都能得到您的寶貴指導(dǎo)，衷心感謝您的關(guān)心和指導(dǎo)。感謝陳丁江副教授，衷心感謝您兄長般的關(guān)心和幫助，您是好老師、好朋友。衷心感謝沈曄娜老師，不僅要感謝您在學(xué)習(xí)上給予我的指導(dǎo)，還要感謝您如鄰家姐姐般對我心靈上的關(guān)懷。感謝徐蕙老師，不管您有多忙碌，學(xué)生的事情您都會及時處理，衷心感謝您的幫助。感謝同學(xué)們，相親相愛是我們的好傳統(tǒng)。嘉興大田、長樂江、湯浦水庫……我們一起在野外風吹日曬，燒杯、試管、儀器……我們一起在室內(nèi)分析測試。我們并肩作戰(zhàn)，我們同甘共苦，我們一起成長。我想在此留下你們的名字：龔冬琴、陳佳勃、張峰、李松林、鄧歐平、孫嗣暘、劉梅、徐曉萌、石雯倩、張鴻、何圣嘉、張柏發(fā)、紀曉亮、李永潔、李爽、胡敏鵬，還有王思源、余修齡、宗玉統(tǒng)、Zaffar、孫芳芳、馬榮輝、吳世文、陳丹平、吳呈峰、肖晴。鐵打的營盤流水的兵，我們永遠是好兄弟姐妹。感謝室友孟俊和王沐桂。三個一起攻讀博士學(xué)位的大男孩，四年如一日，相互鼓勵、相互幫助，打造了一個溫馨的寢室。一起熬過最艱難的歲月，是我們兄弟情最好的載體；我們寢室每次評比都是十佳，是我們共同的苦中之樂。繼續(xù)努力，兄弟們。感謝野外采樣的司機任師傅和趙師傅。你們精湛的車技保障了我們每次采樣的安全和順利，你們無私地將人生經(jīng)歷與我們分享，讓我們受益匪淺，感謝你們給我們上了社會這堂課。身體發(fā)膚，受之父母。我從小到大沐浴著你們?nèi)康年P(guān)愛，卻曾讓你們擔心。如今，我已長大，你們寄托在我身上的希望，必將會一個一個實現(xiàn)。感謝我的姐姐和姐夫，感謝你們自大學(xué)以來對我的無私幫助，更感謝你們在我不在家的日子里，照顧好父母。感謝我的岳父岳母，你們的理解和支持是對我莫大的幫助。感謝我的愛人，鄧婕。欠你的太多，給你的太少。諸永高速兩側(cè)的映山紅開了又謝，謝了又開，仿佛在說：“苦盡甘會來?！笨梢愿兄x自己嗎？我想，可以的。我曾經(jīng)豁出一切，我已經(jīng)拼盡全力，我沒有虛度光陰。如果時光倒退四年，我仍然會毫不猶豫地選擇——拼搏！感謝自己，讓青春無悔。最后感謝評閱論文和出席博士論文答辯委員會的諸位專家，感謝你們在百忙中給予的悉心指導(dǎo)！本研究得到國家科技支撐計劃: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(shù)研究及示范（No.2012BAC17B01）的資助。ThisworkwassupportedbyChineseNationalKeyTechnologyR&DProgram(GrantNo.2012BAC17B01).摘要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)物已成為水體富營養(yǎng)化的主要原因。湯浦水庫位于曹娥江支流小舜江上游，是虞紹平原近300萬人的主要飲用水源之一。水庫運行十多年來，庫體及上游支流大部分水質(zhì)指標常年達到I類標準，總氮則在Ⅳ類和劣Ⅴ類之間。本文針對湯浦水庫流域總氮濃度常年超標的現(xiàn)狀，開展氮污染定量溯源和分區(qū)分類控制研究。核心內(nèi)容包括水環(huán)境容量計算、地表水和地下水污染源污染貢獻率分割、地表水污染分類源解析、水環(huán)境容量和減排責任分配等。主要結(jié)果有：采用狄龍模型計算了湯浦水庫總氮的水環(huán)境容量。以總氮濃度的=2\*ROMANII類水質(zhì)為標準（GB3838-2002），且分別在90%、75%和50%保證率的年徑流量作為入庫的水量條件下，湯浦水庫的總氮水環(huán)境容量分別為402ton、580ton和679ton。應(yīng)用ReNuMa模型模擬了湯浦水庫流域主要入庫河流雙江溪的水文過程和總氮負荷。生活污源、地表水和地下水年平均貢獻率分別為11.1±1.1%、34.3±8.9%和54.4±10.4%。水田、旱地、園地、林地、灌木地、草地、水域和建設(shè)用地對地表水總氮的年平均貢獻率分別為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%。情景模擬結(jié)果表明，所有農(nóng)用地都轉(zhuǎn)為林地，并加上生活污染源得到完全控制，總氮年負荷量削減率才達到22.1%。這解釋了自水庫建成以來污染控制力度不斷加大，但水庫總氮污染仍然居高不下的原因。鑒于流域模型不易推廣應(yīng)用（數(shù)據(jù)要求高、參數(shù)過多、校正和驗證困難等），初步建立了一套普適而又相對簡單的流域尺度氮污染分區(qū)分類源解析方法。首先，綜合應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)方法，建立了生活點源、地表水污染源和地下水污染源對河流總氮貢獻率的分割模型；然后采用遺傳算法，優(yōu)化求解各種土地利用類型的營養(yǎng)物入河系數(shù)；最后通過輸出系數(shù)模型實現(xiàn)非點源污染物的分區(qū)分類溯源。雙江溪流域年平均生活點源污染、地表水污染和地下水污染對TN入河量的年均貢獻率為6.9±1.3%、28.2±2.7%和64.9±4.0%。水田、旱地、園地、林地、灌木地、草地、水域和建設(shè)用地年平均TN入河量分別為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。在搞清楚流域非點源污染過程以后，水環(huán)境容量的公平分配和減排責任的認定將是水質(zhì)控制的核心問題?；嵯禂?shù)法已被廣泛應(yīng)用于水環(huán)境容量分配中，然而在同時考慮多個分配指標是，各個優(yōu)化目標直接往往會相互矛盾。為解決這個問題，本文建立了基于多維基尼系數(shù)法的水環(huán)境容量分配模型，并開發(fā)了專門的軟件。考慮到地下水污染的滯后性，提出了可分配水環(huán)境容量的概念，即將實際水環(huán)境容量扣除地下水的貢獻量，才是可分配水環(huán)境容量。在總氮達到=2\*ROMANII類水質(zhì)標準，再以90%、75%和50%保證率的年徑流量作為入庫的水量條件下，湯浦水庫可分配的總氮水環(huán)境容量分別為-30ton、148ton和247ton。在總氮達到=2\*ROMANII類水質(zhì)標準，以及50%保證率的年徑流量作為入庫的水量條件下，全流域地表水總氮入河量需要削減-68.5ton，削減率為-30.9%，全流域仍有剩余的水環(huán)境容量可以分配。運用基于基尼系數(shù)法的水環(huán)境容量分配模型，得出王院鄉(xiāng)、竹溪鄉(xiāng)、谷來鎮(zhèn)、稽東鎮(zhèn)、王壇鎮(zhèn)和平水鎮(zhèn)分別需要減排2.4ton、2.6ton、-2.5ton、-20.3ton、-37.2ton和-13.5ton，減排率分別為27.5%、21.2%、-4.0%、-35.2%、-63.1%和-59.9%。最后，還針對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實際情況討論了減排方法與措施。關(guān)鍵詞：湯浦水庫;水源地;非點源污染;總氮;源解析;水環(huán)境容量分配AbstractUndertheconditionthatthepointsourcepollutionhasbeengraduallycontrolled,thenon-pointsourcepollutionbecomesthemajorcauseofwatereutrophication.TangpuReservoiristheimportantdrinkingwatersourcefor3millionpeopleinYushaoPlain,locatedintheupstreamofXiaoshunRiver,oneofthemajortributariesofCao’ERiver.Sinceitsoperationformorethantenyearsago,mostofthewaterqualityindexesofthereservoirandthetributariesmeetGrade=1\*ROMANIofenvironmentalguidelineofnationalqualitystandardsforsurfacewaters,China(GB3838-2002).However,theconcentrationofTotalnitrogen(TN)hasalwaysbeeninhighlevel,rangingfromGradeⅣtoworsethanGradeⅤ.AimingatthestatusaqoofheavyTNpollutioninTangpuReservoirWatershed,thispapercarriedouttheresearchonthequantitativesourceapportionmentandcontrolofTN.Themajorcontentsincludewaterenvironmentalcapacitycalculating,partitionofthecontributionsofsurfacewaterandbaseflow,sourceapportionmentofsurfacewaterpollution,andtheallocationofwaterenvironmentalcapacity,etc.Themajorresultsareasfollows:AppliedDillionModeltocalculatethewaterenvironmentalcapacityofTNinTangpuReservoir.TWiththegoalofTNconcentrationreachesGrade=2\*ROMANII,inconditionstheinflowsequalto90%,75%and50%guaranteesofannualrunoffvolumes,thewaterenvironmentalcapacitieswere402ton,580tonand679ton,respectively.AppliedReNuMamodelinthesimulationofhydrologicalprocessandTNloadinTangpuReservoirWatershed.Domesticpollutionsource,surfacewatersourceandbaseflowsourceaccountedfor11.1±1.1%,34.3±8.9%and54.4±10.4%toannualTNinputstoreservoir,whileirrigatedland,dryland,garden,forest,shrubland,grassland,watersandconstructionlandcontributedfor16.9±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%and11.6±0.7%,respectively.TheresultsofscenesimulationsshowedthatthehighestreducingrateofTNwas22.1%bymeansoflanduseconversion,explainingthereasonforTNconcentrationwasalwaysinhighlevelevenifmanypollutioncontrolmeasurementshadbeenputtingintopracticeinthepasttenyears.EstablishedauniversalyetsimpleseriesofmethodologiesforquantitativesourceapportionmentofTNaccordingtotheregionsandpollutionsourcesinwatershedscale.Firstly,thecontributionsofdomesticpollutionsource,surfacewatersourceandbaseflowsourcetoriverineTNwasquantitativelyseparatebymeansofdigitalfilteringandstatisticalmethod.Andthen,theexportcoefficientsofvariouslandusesweresolvedbymodernoptimizationalgorithmofgeneticalgorithm.Domesticpollutionsource,surfacewatersourceandbaseflowsourceaccountedfor6.9±1.3%,28.2±2.7%and64.9±4.0%toannualriverineTN.Inconsiderationofthetimelagofbaseflowsourcepollution,theTNpollutionlevelinthiswatershedwouldnotbedecreasedinnearfuture.ThisconclusionwascoincidingwiththescenesimulationresultsofReNuMamodel.Theannualexportcoefficientsofirrigatedland,dryland,garden,forest,shrubland,grassland,watersandconstructionlandwere15.48±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-2and11.75±1.14/kg.hm-2,respectively.Thefairallocationofwaterenvironmentalcapacityandtheconfirmationofreductionresponsibilitywerethecoreissuesaftertheprocessesofnon-pointsourcepollutionhadbeenquantified.GiNicoefficientmethodhadbeenwidlyappliedinthefield.However,thetraditionalGiNicoefficientmethodwasbasedontwodimensionalplane.Inordertodealwiththisproblem,weestablishedawaterenvironmentalcapacityallocationmodelbasedonmulti-dimensionalGiNicoefficientmethod,makinganadvanceinwaterenvironmentcapacityallocation.Inordertoexpandtheapplicationofthismodel,asoftwerewasdeveloped.FormulatedaTNreductionprogramaccordingtoregionsandsourcesinwatershedscale.Inconsiderationofthetimelagofbaseflowsourcepollution,proposedaconceptnamely“realisticallocatablewaterenvironmentalcapacity”,whichwastherealisticwaterenvironmentalcapacityminustheportionofbaseflowsource.Inconditionstheinflowsequalto90%,75%and50%guaranteesofannualrunoffvolumes,therealisticallocatablewaterenvironmentalcapacitywere-30ton,148tonand247ton,respectively.WiththegoalofTNconcentrationreachesGrade=2\*ROMANII,andinconditionstheinflowsequalto50%guaranteesofannualrunoffvolumes,thetotalreductionamountofTNwas-68.5ton,accountedfor-30.9%ofthesurfacesourceTN.InaccordingtotheWaterenvironmentalcapacityallocationsystembasedonmulti-dimensionalGiNicoefficientmethod,regionsofWangyan,Zhuxi,Gulai,Jidong,WangtanandPingshuiinthewatershedshouldreducefor2.4ton,2.6ton,-2.5ton,-20.3ton,-37.2tonand-13.5ton,respectively,andaccountedfor27.5%,21.2%,-4.0%,-35.2%,-63.1%and-59.9%tothetotalreductionamount,respectively.Finally,measurementsforTNreductioninaccordingtodifferentregionsandsourceswereproposed.Keywords:TangpuReservior;Watersource;Non-pointsourcepollution;Totalnitrogen;Sourceapportment;Waterenvironmentalcapacityallocation.目次致謝 =1\*ROMANI摘要 =3\*ROMANIII第1章緒論 11.1背景和意義 11.2國內(nèi)外研究進展 31.2.1水污染特征分析方法 31.2.2水污染源解析方法 41.2.3水環(huán)境容量計算方法 41.2.4水環(huán)境容量分配方法 51.2.5非點源污染研究的難點 61.3主要研究內(nèi)容與擬解決的關(guān)鍵技術(shù) 61.3.1研究目標 61.3.2研究內(nèi)容 71.3.3擬解決的關(guān)鍵問題 71.4研究方案及技術(shù)路線 8第2章湯浦水庫流域自然、社會經(jīng)濟和水質(zhì)狀況 102.1湯浦水庫流域自然環(huán)境狀況 112.2湯浦水庫流域經(jīng)濟社會發(fā)展狀況 122.2.1平水鎮(zhèn) 122.2.2王壇鎮(zhèn) 132.2.3稽東鎮(zhèn) 132.2.4谷來鎮(zhèn) 142.2.5王院鄉(xiāng) 152.2.6竹溪鄉(xiāng) 162.3湯浦水庫流域水源地保護狀況 172.4湯浦水庫水質(zhì)狀況 182.5湯浦水庫流域入庫河流污染特征分析 182.5.1入庫河流水質(zhì)總體特征 182.5.2入庫河流污染特征分析 192.6本章小結(jié) 21第3章基于ReNuMa模型的流域水文和氮污染負荷模擬 223.1ReNuMa模型的原理 223.1.1水文子模型 233.1.2土壤侵蝕子模型 243.1.3氮負荷子模型 243.1.4模型參數(shù) 293.2ReNuMa模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)要求 303.3ReNuMa模型的操作方法 313.3.1模型的用戶界面 313.3.2模型的輸入 353.3.3模型的運行 393.3.4模型的輸出 393.3.5特殊功能 403.4湯浦水庫流域ReNuMa模型數(shù)據(jù)的準備 403.5湯浦水庫流域ReNuMa模型的校準和驗證 453.6湯浦水庫流域水文和氮負荷的模擬結(jié)果 453.6.1ReNuMa模型的有效性 453.6.2基于ReNuMa模型的總氮負荷量源解析結(jié)果 473.6.2基于ReNuMa模型的總氮入庫量的情景模擬 483.7本章小結(jié) 49第4章流域氮污染分區(qū)分類定量源解析的方法體系 504.1地表水和地下水對河流氮污染貢獻率的分割方法 554.1.1水文過程的分割 554.1.2地表水和地下水污染分割模型的建立 554.1.3地表水和地下水污染分割模型的校準和驗證 574.2不同土地利用類型總氮輸出系數(shù)的求解方法 584.2.1地表水污染分類源解析模型的建立 584.2.2地表水污染分類源解析模型的校準和驗證 584.3湯浦水庫入庫河流點源、地表水和地下水總氮污染的分割結(jié)果 594.3.1數(shù)據(jù)準備 594.3.2水文過程的分割結(jié)果 594.3.3地表水和地下水分割模型的校準和驗證結(jié)果 604.3.4點源、地表水污染和地下水污染源對入庫河流總氮貢獻率的分割結(jié)果 624.4各種土地利用類型總氮入河系數(shù)的求解結(jié)果 634.4.1分類源解析模型的校準和驗證結(jié)果 634.4.2地表水總氮污染的分類源解析結(jié)果 644.4.3地表水總氮污染的分區(qū)源解析結(jié)果 664.5本章小結(jié) 66第5章湯浦水庫總氮水環(huán)境容量的計算 685.1湯浦水庫水體總氮污染特征分析 695.2湯浦水庫氮的水環(huán)境容量計算 695.2.1狄龍模型 695.2.2不同水文條件下總氮水環(huán)境容量的計算 695.3總氮入庫量的計算結(jié)果 705.4不同水文條件下總氮的水環(huán)境容量 725.6本章小結(jié) 73第6章水環(huán)境容量公平分配的多維基尼系數(shù)法 746.1基尼系數(shù)法的原理 746.2水環(huán)境容量公平分配的基尼系數(shù)法 756.3水環(huán)境容量公平分配的雙維基尼系數(shù)法 786.3.1雙維基尼系數(shù)法的基本思想 786.3.2雙維基尼系數(shù)的計算 786.3.3基于雙維基尼系數(shù)的水環(huán)境容量公平分配 806.4水環(huán)境容量公平分配的多維基尼系數(shù)法 816.4.1多維基尼系數(shù)法的基本思想 816.4.2多維基尼系數(shù)的計算 826.4.3基于多維基尼系數(shù)的水環(huán)境容量公平分配 856.5水環(huán)境容量公平分配的多維基尼系數(shù)法軟件的設(shè)計 856.6本章小結(jié) 86第7章湯浦流域氮污染分區(qū)分類減排方案 917.1湯浦水庫總氮水環(huán)境容量和減排目標的確定 917.2區(qū)域間水環(huán)境容量公平分配的基本準則和分配指標 927.3各鄉(xiāng)鎮(zhèn)總氮水環(huán)境容量的分配和減排責任的認定 927.4總氮減排的可行性分析與措施 967.4.1總氮減排目標實現(xiàn)的可行性分析 967.4.2總氮分區(qū)分類減排的措施 977.5本章小結(jié) 97第8章結(jié)論與展望 988.1主要成果和結(jié)論 988.2創(chuàng)新和特色之處 998.3不足與展望 100參考文獻 101攻讀博士學(xué)位期間科研成果及獲獎情況 108浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第1章緒論PAGE108第1章緒論1.1背景和意義水是生命之源，飲用水安全關(guān)系到人民生活質(zhì)量和身體健康。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)調(diào)查結(jié)果，80%的疾病和50%的兒童死亡率都與飲用水水質(zhì)不良有關(guān)。飲用水安全涉及到社會穩(wěn)定和諧，是關(guān)系國計民生的重大問題。在第七次全國環(huán)境保護大會上，時任國務(wù)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(zhì)標準基本持平。盡管政府和相關(guān)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，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)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，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的湖泊(水庫)比例分別為61.3%、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(jié)果，我國有2.8億居民使用不安全飲用水。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(zhì)達到《國家地表水環(huán)境質(zhì)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(zhì)為IV類到劣V類水，主要表現(xiàn)為總氮(TN)超標。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(quán),2008)。湯浦水庫位于曹娥江支流小舜江上游，總庫容235億m3，設(shè)計供水能力100萬t/d，是虞紹平原近300萬人唯一的飲用水源地。流域集水面積460km2，水庫水域面積13.64km2，匯入水庫的河流主要有南溪、北溪、王化溪和萬寶溪，其中南溪、北溪在庫前匯成雙江溪。水庫上游流域主要包括原紹興縣(現(xiàn)為紹興市柯橋區(qū))的平水鎮(zhèn)、稽東鎮(zhèn)和王壇鎮(zhèn)，嵊州市的谷來鎮(zhèn)、竹溪鄉(xiāng)和王院鄉(xiāng)，總共6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。另外，在水庫壩址周邊一級保護區(qū)內(nèi)有一部分面積屬于上虞市湯浦鎮(zhèn)。根據(jù)紹興縣和嵊州市統(tǒng)計年鑒(2011年)資料，流域集水區(qū)域內(nèi)總?cè)丝?0.319萬(2010年)，村落總數(shù)為86個，人口密度超過210人/km2。當?shù)卣退畮旃芾砭忠恢笔种匾曀畮焖|(zhì)保護工作，為庫區(qū)污染控制和水質(zhì)管理做了大量有成效的工作。2010年市政府重新修訂和頒布了《紹興市湯浦水庫水源環(huán)境保護辦法》嚴格執(zhí)行飲用水源保護區(qū)的有關(guān)規(guī)定，并將各級政府對水源保護工作情況列入年度考核內(nèi)容；系統(tǒng)開展了保護區(qū)生活污水處理、生活垃圾收集和轉(zhuǎn)運、農(nóng)業(yè)面源和畜禽養(yǎng)殖污染控制、生態(tài)防護林建設(shè)，以及水庫內(nèi)的前置生態(tài)濕地和庫內(nèi)養(yǎng)魚除藻體系建設(shè)等；水庫管理局設(shè)立湯浦水庫環(huán)?；穑瑢ｍ椨糜趲靺^(qū)上游環(huán)境治理，推動水質(zhì)保護。但是，長年的監(jiān)測和研究也表明，湯普水庫水體的營養(yǎng)化水平不容樂觀，總氮、總磷常年偏高，其中總氮達1.73～2.05mg.L-1，在V類與劣V類之間變化，總磷為0.02～0.03mg.L-1，在Ⅱ～Ⅲ類之間變化，綜合評價水庫水體已屬中營養(yǎng)水平(施練東等,2011)，一些時段達到富營養(yǎng)水平。水庫曾多次發(fā)生硅藻類“水華”，尤其是2010年5月發(fā)生的硅藻類“水華”，是歷時最長、規(guī)模最大、影響范圍最廣的一次，黃褐色水體覆蓋全庫區(qū)，持續(xù)時間長達1.5月，藻體總數(shù)最高時達1.5×l08個以上(沈榮根和童秀華,2010)。顯然，湯浦水庫總氮、總磷污染水平過高的主要原因是非點源污染。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(fù)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(xué)研究，水質(zhì)目標管理的技術(shù)基礎(chǔ)不足，多年來一直停留在設(shè)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(zhì)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(zhì)惡化趨勢一直未能扭轉(zhuǎn)的重要原因之一(李恒鵬等,2013)。非點源污染的控制，既是科學(xué)問題，也是社會問題，需要解決一系列關(guān)鍵問題和難題。水庫能容納多少污染物？需要減排多少？各個污染源的貢獻率分別是多少？流域內(nèi)各行政區(qū)對水庫污染的貢獻率分別是多少？各行政區(qū)分別應(yīng)該減排多少？只有系統(tǒng)定量地回答這些關(guān)鍵問題，才能切實地推進非點源污染的控制，改善湖庫飲用水源地的水質(zhì)。本研究針對湯浦水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化水平較高，流域總氮濃度常年超標的現(xiàn)狀，開展湯浦水庫水源地總氮定量溯源和分區(qū)分類控制研究。研究根據(jù)湯浦水庫流域水文水質(zhì)特征和整個流域水源地的社會經(jīng)濟和土地利用狀況，在對水庫和水源地河流的多年水文、水質(zhì)和氣象監(jiān)測的基礎(chǔ)上，全面監(jiān)測水源地和水庫的水文水質(zhì)變化，以氮污染過程的分區(qū)、分類和定量化研究為基本方向，以解決河流水質(zhì)對集水區(qū)陸地上不同污染源投排放量的響應(yīng)關(guān)系為核心，建立氮污染分區(qū)、分類、定量的源頭控制方法體系。這些研究既是湯浦水庫水質(zhì)保護十分必要和緊迫的基礎(chǔ)工作，也是“五水共治”的核心內(nèi)容之一。1.2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究仍然很少。以下將對這些個核心環(huán)節(jié)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)進行分析。1.2.1水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(ThurstonandSpengler,1985;Brunoetal.,2001;Singhetal.,2008;Liuetal.,2010)。近年來，一些學(xué)者將多元統(tǒng)計方法應(yīng)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)模型(Suetal.,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(Bzduseketal.,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(zhì)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(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)和生化需氧量(BOD5)的主要來源。用多元統(tǒng)計方法分析河流污染特征及來源較為常見而且有效(Huangetal.,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)點在于簡便，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(zhì)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。1.2.2水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)，而水文模型方法則是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(Soil

and

Water

Assessment

Tool)和AGNPS(AGriculturalNon-PointSourcePollutionModel)(Nasretal.,2007;SalehandDu,2004;Mohammedetal.,2004)等。這些模型具有很強的機理性、綜合性和應(yīng)用性，然而需要大量的基礎(chǔ)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(zhì)等，在缺資料地區(qū)的適用性受到了限制；此外由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多，校準和驗證困難，存在很大不確定性(Yangetal.,2007;GrunwaldandNrton,2000;Al-AbedandWhite,2000)。GWLF(GeneralizedWatershedLoadingFunctions)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(jié)構(gòu)比較簡單、數(shù)據(jù)要求比較少、校準和驗證比較方便，其不同版本已經(jīng)廣泛應(yīng)用到流域的徑流產(chǎn)出、營養(yǎng)鹽負荷預(yù)測和非點源污染解析等(HaithandShoemaker,1987;Schneidermanetal.,2002;Mooreetal.,2008;何因等,2009)。ReNuMa(RegionalNutrientManagement)模型是GWLF模型最新版本，是一個水文驅(qū)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(謝陽村,2012)，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(HongandSwaney,2007)，在氮輸入方面則采用了凈人類氮輸入的算法(Howarthetal.,1996;Boyeretal.,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，國內(nèi)已有一些應(yīng)用實例(Shaetal.,2013)。1.2.3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。這些經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)依賴性比較低，因而被廣泛應(yīng)用于湖庫氮、磷水環(huán)境容量的計算。此類模型得出的結(jié)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)最枯水文條件進行計算，因而計算結(jié)果可能會偏低。20世紀70年代以來，出現(xiàn)了很多綜合性水質(zhì)模型，不僅能夠細致地描述污染物在水體中的遷移和轉(zhuǎn)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(zhì)模型有QUAL2E、WASP、HSPF、ESTU、ARY、STREAM、HAR03、RECEIV-=2\*ROMANII、WQRPS及Link-Node等(歐陽麗,等2008)。在這些模型之中，最具代表性、應(yīng)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)的水質(zhì)模型，能夠用于不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中分析和預(yù)測由于自然和人為污染造成的各種水質(zhì)狀況，可以模擬水文動力學(xué)、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(zhì)以及海藻污染)和有毒污染物(包括有機化學(xué)物質(zhì)、金屬和沉積物)在水中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律(歐陽麗,等2008)。WASP包括水動力學(xué)程序DYNYD和水質(zhì)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(zhì)模塊之中，有一個EUTRO(EutrophicationModel)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。然而，由于WASP等水質(zhì)模型需要大量數(shù)據(jù)，參數(shù)眾多，建模成本高，推廣應(yīng)用的空間受到一定限制。1.2.4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一個問題的兩個方面。在湖庫水質(zhì)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(chǔ)(PetrosjanandZaccour,2003;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(guān)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(yīng)遵循的首要原則，然后是在公平的基礎(chǔ)上追求效益(李如忠等,2005)。排污權(quán)交易制度是目前備受國外關(guān)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(shù)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(quán)交易制度的核心和基礎(chǔ)是初始排污權(quán)分配，影響到排污權(quán)交易的效率和有效配置(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(guān)鍵問題，也是未來我國全面實施排污權(quán)交易制度的基礎(chǔ)保障。區(qū)域間水環(huán)境容量的公平分配本質(zhì)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(shù)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(zhì)性，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(xué)性較強，但是數(shù)據(jù)獲取困難，操作復(fù)雜，而且指標的選取和賦權(quán)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?；嵯禂?shù)由意大利經(jīng)濟學(xué)家基尼于1912年提出的，最初被用于評價收入分配公平程度。基尼系數(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;Sunetal.,2010;Zhangetal.,2013)。基尼系數(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)，在水環(huán)境容量分配中具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2.5非點源污染研究的難點在水文學(xué)中，河川徑流可以分為直接徑流和基流兩部分，都是非點源污染物入河的主要途徑，對河流污染負荷有著不同的影響。相應(yīng)地，可以將非點源污染的來源分為直接徑流污染源和基流污染源兩大類。然而，不論是基流(ZhangandSchilling2005;Zhangetal2008)，還是來自基流的污染物(Lindseyetal.,2003;WorrallandBurt1998;Onderkaetal.2012)，都存在滯后效應(yīng)。密西西比河出口出的氮污染的時間滯后達2-9年(McIsaacetal.2001;Schwarzetal.2006)。LativianRiver流域自1990年代以來農(nóng)業(yè)耕種強度雖然急劇下降，但是河流水質(zhì)并未有太大改善(Stalnackeetal.,2003)。鑒于地下水的污染物在河流污染中占有相當大的比例(SchilingandKutz2004;B?hlkeetal.2007)，并且來自地下水的污染物有時間上的滯后性(Bachmanetal.1998;McIssaicetal.2001;Lindseyetal.2003)，現(xiàn)有研究往往把河流污染主要歸咎于地表水來源，這將會嚴重高估地表水污染的貢獻率。然而，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，仍難以通過實驗手段量化地下水污染量及其滯后時間?？梢?，地下水污染源的分割是水污染控制的難點和關(guān)鍵問題之一。1.3主要研究內(nèi)容與擬解決的關(guān)鍵技術(shù)1.3.1研究目標通過本研究，期望在流域非點源污染的分類定量解析等關(guān)鍵問題上取得突破，構(gòu)建以“河流水質(zhì)變化監(jiān)測——入河通量求解——地表/地下水污染分割——輸出系數(shù)率定——不同土地利用類型各類污染物負荷量核定”為主線的流域非點源污染分區(qū)分類定量溯源系統(tǒng)方法；開展湯浦水庫流域非點源污染責任認定和減排分配研究，制定非點源污染分類定量控制規(guī)劃。1.3.2研究內(nèi)容本研究針對湯浦水庫水質(zhì)特征和整個流域水源地的社會經(jīng)濟和土地利用狀況，在對水庫和水源地河流的多年水文、水質(zhì)和氣象監(jiān)測的基礎(chǔ)上，監(jiān)測水源地和水庫的水文水質(zhì)變化，以氮污染過程的分區(qū)、分類和定量化研究為基本方向，以解決河流水質(zhì)對集水區(qū)陸地上不同污染源投排放量的響應(yīng)關(guān)系為核心，建立氮污染分區(qū)、分類、定量的源頭控制系統(tǒng)理論與方法體系，重點開展以下幾個方面的系統(tǒng)研究：(1)湯浦水庫流域水污染特征分析充分利用湯浦水庫流域水文水質(zhì)監(jiān)測的歷史資料，分析湯浦水庫及其水源地河流水文水質(zhì)的時空變化動態(tài)規(guī)律，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。(2)湯浦水庫水環(huán)境容量估算針對湯浦水庫屬于富營養(yǎng)化水庫的特點，選用水庫水環(huán)境容量估算模型(Dillion)估算湯浦水庫的總氮水環(huán)境容量。(3)湯浦水庫水文過程和氮污染負荷模擬利用區(qū)域養(yǎng)分管理模型(ReNuMa，RegionalNutrientManagement)，模擬湯浦水庫流域水文過程和氮污染負荷，定量估算流域內(nèi)各種氮污染源(水田、旱地、園地、建設(shè)用地、生活污染等)的貢獻率。本部分研究內(nèi)容與后續(xù)研究內(nèi)容相互驗證。(4)湯浦水庫流域氮污染分類分區(qū)定量源解析綜合應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)、統(tǒng)計學(xué)方法、優(yōu)化算法等，分割地下水和地表水污染源對湯浦水庫入庫河流總氮的貢獻比例，在此基礎(chǔ)上進一步區(qū)分地表水中各種污染源貢獻比例，建立一套即普遍適用又比較簡單可行的非點源污染分類溯源方法。通過與水文水污染模型(ReNuMa)的研究結(jié)果相比較，對本技術(shù)進行驗證。(5)湯浦水庫流域氮污染的分區(qū)減排責任分配建立基于多維基尼系數(shù)法的水環(huán)境容量公平分配模型，根據(jù)流域集水區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自然和經(jīng)濟社會狀況確定相應(yīng)的水環(huán)境容量分配比例，結(jié)合水環(huán)境容量和氮污染定量源解析結(jié)果將減排責任劃分到各行政區(qū)。1.3.3擬解決的關(guān)鍵問題本文將以發(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(guān)鍵技術(shù)包括：(1)地下水和地表水對河流總氮污染貢獻率的分割。地下水污染源的滯后期可達數(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(dǎo)致對地表水污染源的高估。地下水污染源比例分割將是本研究要解決的第一個關(guān)鍵技術(shù)，本研究根據(jù)水文、水質(zhì)和氣象觀測數(shù)據(jù)，將數(shù)字濾波技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)方法相結(jié)合，分割地表水和地下水對河流總氮污染的貢獻率。(2)地表水非點源污染的分類源解析。從污染控制角度，能也只能從地表水污染的控制著手。因此，定量解析各種污染源(水田、旱地、園地等)對地表水總氮污染的貢獻率是本文的另一個關(guān)鍵問題，也是污染控制實踐的重要依據(jù)。本研究結(jié)合流域內(nèi)土地利用、水文、水質(zhì)和氣象資料，采用現(xiàn)代優(yōu)化算法求解各種土地利用類型的輸出系數(shù)，實現(xiàn)地表水氮污染的分類源解析。同時，根據(jù)ReNuMa模型的源解析結(jié)果來驗證本方法的可靠性。(3)污染減排責任的公平、合理分配。將減排責任公平、合理地分配到各行政區(qū)，是污染減排的核心環(huán)節(jié)，也是本文的關(guān)鍵之一。本文將采用“減排責任分區(qū)認定落實”方法，建立基于多維基尼系數(shù)法的水環(huán)境容量分配模型。1.4研究方案及技術(shù)路線利用湯浦水庫流域的水文、水質(zhì)和氣象資料和土地利用數(shù)據(jù)，分析流域水污染特征；以非點源污染的分類分區(qū)定量化研究為指導(dǎo)思想，綜合應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)、統(tǒng)計學(xué)方法、現(xiàn)代優(yōu)化算法等，建立一套簡單而又普適的流域非點源污染分區(qū)分類定量源解析方法；以公平合理為原則，建立區(qū)域間水環(huán)境容量公平分配的多維基尼系數(shù)模型；以解決湯浦水庫流域非點源復(fù)合污染過程分區(qū)分類定量溯源為突破口，推進水源保護區(qū)流域非點源污染分區(qū)分類定量控制。本文的研究總體方案和技術(shù)路線如下圖所示。湯浦水庫流域湯浦水庫流域水文水質(zhì)調(diào)查研究水文、水質(zhì)和氣象調(diào)查分析流域土地利用調(diào)查分析水污染特征分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立水污染分區(qū)分類定量溯源方法研究流域地下水和地表水污染分割地表水污染的源解析污染分區(qū)分類源解析技術(shù)體系建立水庫水環(huán)境容量研究水文和污染負荷量特征分析水庫水環(huán)境容量的計算水庫水質(zhì)差異特征和變化規(guī)律污染減排責任分配與水污染控制體系建立分區(qū)污染減排責任認定湯浦水庫流域污染分區(qū)控制對策制定污染源控制分配的多維基尼系數(shù)模型研究流域污染控制目標的確定圖1-1總體研究方案和技術(shù)路線圖Fig.1-1Theresearchschemeandtechnologyroadmap浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第2章湯浦水庫流域自然、社會經(jīng)濟和水質(zhì)狀況第2章湯浦水庫流域自然、社會經(jīng)濟和水質(zhì)狀況湯浦水庫是虞紹平原近300萬人的飲用水水源地，位于小舜江上游，主要入庫河流為雙江溪、王化溪和萬寶溪(圖2-1)。水庫上游流域主要包括原紹興縣(現(xiàn)為紹興市柯橋區(qū))的平水鎮(zhèn)、稽東鎮(zhèn)和王壇鎮(zhèn)，嵊州市的谷來鎮(zhèn)、竹溪鄉(xiāng)和王院鄉(xiāng)，總共6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖2-2)。本章介紹了湯浦流域自然環(huán)境狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展狀況、地表水水質(zhì)狀況和水源地保護狀況，并對湯浦流域的污染特征進行分析，為進一步開展污染防控研究奠定基礎(chǔ)。圖2-1湯浦流域地理位置示意圖Fig.2-1GeographicallocationofTangpuWatershed圖2-2湯浦流域鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界示意圖Fig.2-2AdministrativeboundaryofTangpuWatershed2.1湯浦流域自然環(huán)境狀況湯浦水庫位于曹娥江支流小舜江上游，總庫容235億m3，設(shè)計供水能力100萬t／d，是虞紹平原近300萬人唯一的飲用水源地。湯浦流域位于東經(jīng)120°30′～120°45′和北緯29°38′～29°54′之間，流域集水面積460km2，水庫水域面積13.64km2，匯入水庫的河流主要有南溪、北溪、王化溪和萬寶溪，其中南溪、北溪在庫前匯成雙江溪(圖2-1)。雙江溪、王化溪、萬寶溪的入庫流量占水庫總徑流量的比例分別為75.4％、13.3％、4.3％。流域多年平均降水量1530mm，多年平均氣溫17.1℃。全流域土地利用類型以林地、耕地為主，是一個典型的非點源污染流域。2.2湯浦流域經(jīng)濟社會發(fā)展狀況水庫上游流域主要包括原紹興縣(現(xiàn)為紹興市柯橋區(qū))的平水鎮(zhèn)、稽東鎮(zhèn)和王壇鎮(zhèn)，嵊州市的谷來鎮(zhèn)、竹溪鄉(xiāng)和王院鄉(xiāng)，總共6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。另外，在水庫壩址周邊一級保護區(qū)內(nèi)有一部分面積屬于上虞市湯浦鎮(zhèn)。2.2.1平水鎮(zhèn)(1)人口和經(jīng)濟發(fā)展狀況平水鎮(zhèn)位于紹興市柯橋區(qū)南部，距市區(qū)僅15公里，鎮(zhèn)域面積173.4平方公里，轄31個行政村和一個居委會。根據(jù)《紹興縣統(tǒng)計年鑒(2011年)》，2010年，全鎮(zhèn)人口53203人，國民生產(chǎn)總值153006萬元，人均國民生產(chǎn)總值28754元；第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)占國民生產(chǎn)總值的比例分別為15.5%、58.3%和26.2%。(2)土地利用狀況根據(jù)《(紹興縣平水鎮(zhèn)土地利用總體規(guī)劃(2006～2020年)》，2005年平水鎮(zhèn)行政轄區(qū)內(nèi)土地總面積17340.32公頃，其中農(nóng)用地15517.87公頃，占土地總面積的89.49%；建設(shè)用地1528.07公頃，占土地總面積的8.81%；未利用地294.37公頃，占土地總面積的1.70%(表2-1)。表2-1平水鎮(zhèn)土地利用統(tǒng)計表Table2-1StatisticaltableoflanduseofPingshui一級分類二級分類面積/公頃面積合計/公頃占土地總面積的比例/%占土地總面積的比例合計/%農(nóng)用地耕地3057.3815517.8717.6389.49園地586.173.38林地11414.5965.83其他農(nóng)用地459.742.65建設(shè)用地城鄉(xiāng)建設(shè)用地945.631528.075.458.81交通水利用地577.533.33其它建設(shè)用地4.920.03未利用地水域165.58294.370.951.70灘涂沼澤11.400.07自然保留地117.380.682.2.2王壇鎮(zhèn)(1)人口和經(jīng)濟發(fā)展狀況王壇鎮(zhèn)位于紹興市柯橋區(qū)南部山區(qū)，地處小舜江水庫源頭、會稽山縱深腹地，距城區(qū)約50公里，鎮(zhèn)域面積137.9平方公里，轄24個行政村和一個居委會。根據(jù)《紹興縣統(tǒng)計年鑒(2011年)》，2010年，全鎮(zhèn)人口33608人，國民生產(chǎn)總值65935萬元，人均國民生產(chǎn)總值19601元；第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)占國民生產(chǎn)總值的比例分別為31.6%、36.9%和31.5%。(2)土地利用狀況根據(jù)《(紹興縣王壇鎮(zhèn)土地利用總體規(guī)劃(2006～2020年)》，2005年王壇鎮(zhèn)行政轄區(qū)內(nèi)土地總面積13770.53公頃，其中農(nóng)用地12757.70公頃，占土地總面積的92.64%；建設(shè)用地773.93公頃，占土地總面積的5.62%；未利用地238.90公頃，占土地總面積的1.73%(表2-2)。表2-2王壇鎮(zhèn)土地利用統(tǒng)計表Table2-2StatisticaltableoflanduseofWangtan一級分類二級分類面積/公頃面積合計/公頃占土地總面積的比例/%占土地總面積的比例合計/%農(nóng)用地耕地2408.4512757.7017.4992.64園地1360.039.88林地8694.7763.14其他農(nóng)用地294.452.14建設(shè)用地城鄉(xiāng)建設(shè)用地438.86773.933.195.62交通水利用地329.442.39其它建設(shè)用地5.630.04未利用地水域175.62238.901.281.73灘涂沼澤37.430.27自然保留地25.8稽東鎮(zhèn)(1)人口和經(jīng)濟發(fā)展狀況稽東鎮(zhèn)位于紹興市柯橋區(qū)南部，距城區(qū)47公里，鎮(zhèn)域面積111.4平方公里，轄24個行政村，1個居委會。根據(jù)《紹興縣統(tǒng)計年鑒(2011年)》，2010年，全鎮(zhèn)人口32521人，國民生產(chǎn)總值48219萬元，人均國民生產(chǎn)總值14806元；第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)占國民生產(chǎn)總值的比例分別為36.4%、32.2%和31.4%。(2)土地利用狀況根據(jù)《(紹興縣稽東鎮(zhèn)土地利用總體規(guī)劃(2006～2020年)》，2005年稽東鎮(zhèn)行政轄區(qū)內(nèi)土地總面積11150.88公頃，其中農(nóng)用地10555.87公頃，占土地總面積的94.66%；建設(shè)用地467.87公頃，占土地總面積的4.20%；未利用地127.13公頃，占土地總面積的1.14%(表2-3)。表2-3稽東鎮(zhèn)土地利用統(tǒng)計表Table2-3StatisticaltableoflanduseofJidong一級分類二級分類面積/公頃面積合計/公頃占土地總面積的比例/%占土地總面積的比例合計/%農(nóng)用地耕地1840.4510555.8716.5194.66園地1640.9014.72林地6835.2461.30其他農(nóng)用地239.282.15建設(shè)用地城鄉(xiāng)建設(shè)用地357.95467.873.214.20交通水利用地106.470.95其它建設(shè)用地3.450.03未利用地水域85.59127.130.771.14灘涂沼澤1.160.01自然保留地40.390.362.2.4谷來鎮(zhèn)(1)人口和經(jīng)濟發(fā)展狀況谷來鎮(zhèn)位于嵊州市西北部，離市區(qū)21千米，全鎮(zhèn)面積103.68平方千米，轄20個行政村。根據(jù)《嵊州市統(tǒng)計年鑒(2011年)》，2010年，全鎮(zhèn)人口13725人，國民生產(chǎn)總值19606萬元，人均國民生產(chǎn)總值14285元；第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)占國民生產(chǎn)總值的比例分別為41.9%、29.8%和28.4%。(2)土地利用狀況根據(jù)《(紹興縣谷來鎮(zhèn)土地利用總體規(guī)劃(2006～2020年)》，2005年谷來鎮(zhèn)行政轄區(qū)內(nèi)土地總面積10502.18公頃，其中農(nóng)用地10093.55公頃，占土地總面積的96.11%；建設(shè)用地283.32公頃，占土地總面積的2.71%；未利用地1125.31公頃，占土地總面積的1.19%(表2-4)。表2-4谷來鎮(zhèn)土地利用統(tǒng)計表Table2-4StatisticaltableoflanduseofGulai一級分類二級分類面積/公頃面積合計/公頃占土地總面積的比例/%占土地總面積的比例合計/%農(nóng)用地耕地755.7910093.557.2096.11園地2252.5121.45林地6889.6665.60其他農(nóng)用地195.591.86建設(shè)用地城鄉(xiāng)建設(shè)用地271.63283.322.592.71交通水利用地10.860.10其它建設(shè)用地0.830.01未利用地水域101.961125.310.971.19%灘涂沼澤0.630.01自然保留地22.7王院鄉(xiāng)(1)人口和社會狀況王院鄉(xiāng)轄4個行政村。根據(jù)《嵊州市統(tǒng)計年鑒(2011年)》，2010年，全鄉(xiāng)人口3807人，國民生產(chǎn)總值6706萬元，人均國民生產(chǎn)總值17617元；第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)占國民生產(chǎn)總值的比例分別為58.9%、28.5%和12.5%。(2)土地利用狀況根據(jù)《(紹興縣王院鄉(xiāng)土地利用總體規(guī)劃(2006～2020年)》，2005年王院鄉(xiāng)行政轄區(qū)內(nèi)土地總面積3101.48公頃，其中農(nóng)用地3006.79公頃，占土地總面積的96.96%；建設(shè)用地85.95公頃，占土地總面積的2.77%；未利用地8.74公頃，占土地總面積的0.28%(表2-5)。表2-5王院鄉(xiāng)土地利用統(tǒng)計表Table2-5StatisticaltableoflanduseofWangyuan一級分類二級分類面積/公頃面積合計/公頃占土地總面積的比例/%占土地總面積的比例合計/%農(nóng)用地耕地321.323006.7910.3696.96%園地551.1317.77林地2045.4865.95其他農(nóng)用地88.862.87建設(shè)用地城鄉(xiāng)建設(shè)用地62.1585.952.002.77交通水利用地17.350.56其它建設(shè)用地6.450.21未利用地水域1.268.7450.720.28灘涂沼澤自然保留地7.4竹溪鄉(xiāng)(1)人口和社會狀況竹溪鄉(xiāng)轄3個行政村。根據(jù)《嵊州市統(tǒng)計年鑒(2011年)》，2010年，全鄉(xiāng)人口4221人，國民生產(chǎn)總值7832萬元，人均國民生產(chǎn)總值18557元；第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)占國民生產(chǎn)總值的比例分別為32.1%、50.2%和17.6%。(2)土地利用狀況根據(jù)《(紹興縣竹溪鄉(xiāng)土地利用總體規(guī)劃(2006～2020年)》，2005年竹溪鄉(xiāng)行政轄區(qū)內(nèi)土地總面積2839.18公頃，其中農(nóng)用地2777.57公頃，占土地總面積的97.83%；建設(shè)用地48.22公頃，占土地總面積的1.70%；未利用地12.46公頃，占土地總面積的0.44%(表2-6)。表2-6竹溪鄉(xiāng)土地利用統(tǒng)計表Table2-6StatisticaltableoflanduseofZhuxi一級分類二級分類面積/公頃面積合計/公頃占土地總面積的比例/%占土地總面積的比例合計/%農(nóng)用地耕地229.652777.578.0997.83園地371.2913.08林地2111.3074.36其他農(nóng)用地65.332.30建設(shè)用地城鄉(xiāng)建設(shè)用地48.2248.221.701.70交通水利用地0.090.03其它建設(shè)用地0.840.03未利用地水域9.3712.460.330.44灘涂沼澤0.