【摘要】：松花江流经黑龙江、吉林、内蒙古三省(自治区),具有丰富的时间和空间异质性。现有对松花江水环境问题的研究多集中于全流域尺度,对流域水资源及非点源污染规律的解析做出了重要贡献。但对于地区行政管理需求而言,需要针对特定区域的水文及水污染的规律进行科学研究,以解决区域的特征性环境问题,进行更细致的环境规划管理。本文以哈尔滨市市辖区优先控制单元(后简称哈尔滨优控单元)作为研究区域,分析其近年来的水资源和非点源污染变化情况,并基于三种GCMs(General Circulation Model)生成了未来的气候情景,进而预测了未来不同时期水资源和非点源污染的变化情况,并根据其分布变化特征,进一步划分水环境管控单元,为区域水环境管理与水资源综合利用提供技术依据,并为河长制的分段管理提供技术参考。研究选择哈尔滨优控单元作为研究区域,收集资料并建立数据库,构建了适用于研究区的SWAT(Soil and WaterAssessment Tool)模型,将研究区划分成25个亚流域,以2008-2014年作为基准期分析区域水资源和非点源污染的时空变化规律,结果表明哈尔滨优控单元降水具有时空分布不均性,年降水量呈不显著上升趋势。多年平均降水呈现出北少南多的规律,平均降水量较大的地区主要集中在支流阿什河上游区域,降水量可达700mm以上。基准期哈尔滨优控单元年平均气温在3.38-5.44℃之间,年均流量725-2872m3/s。径流贡献较大的亚流域分布在支流阿什河上游及松花江干流的上游和下游附近。径流贡献最大的是亚流域20,最小的是亚流域12。区域非点源TN和TP负荷在空间上分布不均,亚流域19的TN和TP负荷最大。基于三个GCMs模式在A1B情景下的输出结果分析未来情景下的水资源和非点源变化情况。采用统计降尺度方法(Statistical Downscaling Model,SDSM),得到可用于SWAT模型的气象数据。结果表明:三个模式在21世纪末期温度增量均高于中期,并且高于基准时期。21世纪中期和末期温度增加最大的模式分别为GFDL和HadCM3,三个模式主要的温度增加时段均出现在冬季。GFDL多年平均降水在21世纪中期降低,末期增加;HadCM3和MIROC在21世纪中期和末期多年平均降水均增加。降水变化幅度最大的是HadCM3,相对较小的是GFDL。季度性降水增加主要出现在秋季,减少主要出现在冬季。21世纪中期,GFDL模式25个亚流域中仅有7个降水量增加,HadCM3模式和MIROC模式25个亚流域中仅有2个降水量降低;21世纪末期,GFDL模式25个亚流域中有7个降水量降低,整体来说,降水在空间上呈现西北增加较多、东南增加较少的规律。采用降尺度后的气象数据得到未来情景下的水资源和非点源污染情况,结果表明,在21世纪中期和末期,GFDL模式流量均降低,HadCM3模式和MIROC模式均增加。在空间分布中,流域内流量贡献较大的地区集中在支流阿什河上游及松花江干流的上游和下游。GFDL模式在21世纪中期全部亚流域流量均下降,21世纪末期有10个亚流域流量增加;HadCM3模式和MIROC模式在21世纪中期和末期仅有13和16两个亚流域流量下降。GFDL模式在21世纪中期的TN和TP负荷均降低,在21世纪末期TN和TP负荷均增加;HadCM3和MIROC模式的降水量在21世纪中期和末期都有所增加,其对应的TN和TP负荷也有所增加。三个模式中,21世纪末期的增加量均高于中期,其中HadCM3模式对应的TN和TP负荷增加最大。非点源TN和TP在空间上的分布较相似,GFDL模式的负荷低于HadCM3和MIROC。三个模式中输出能力最大的均为亚流域19,最小的均为亚流域12,总氮输出较大的亚流域为19、2、17、14、22,总磷输出较大的亚流域为19、2、17、8、22。以《全国水资源分区》和《全国生态功能区划》中的三级分区为参考,结合区域在基准时期和未来时期的水环境变化情况,继续划分了9个水环境管控单元,并按照亚流域非点源氮磷负荷情况将各亚流域分为优先控制区、重点控制区、基本控制区、一般控制区。由于未来情景下非点源污染负荷呈现增加趋势,各控制区的级别也有所上升,优先控制区由基准时期的3个增加至21世纪中期的5个,再增加至21世纪末期的9个。基本控制区和一般控制区都在逐渐减少。针对管控单元中不同控制级别的亚流域采用了包括人工湿地、植被缓冲带、退耕还林,化肥减量、水源涵养林等措施。采用SWAT模拟使用退耕还林、化肥减量、植被缓冲带三种措施后的非点源污染,结果表明植被缓冲带对非点源的削减最大,建议在哈尔滨优控单元采用25度以上耕地退耕还林、降低10%化肥和5 m植被缓冲带的综合管理措施。研究结果为哈尔滨优控单元的规划管理和河长制的实施提供了参考。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52
【参考文献】
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本文编号：
2784711
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