阿什河流域滨岸缓冲带结构设计及功能强化技术

发布时间：2018-03-03 15:29

本文选题：阿什河流域　切入点：滨岸缓冲带　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：当点源污染的有效控制后,面源污染成为影响流域水环境质量的主要污染来源。滨岸缓冲带因其在面源污染传输过程中的重要地位,是世界公认的阻隔面源污染的有效屏障,但由于我国滨岸缓冲带普遍存在功能面积或宽度不足、破碎化程度高、时空分布格局与功能并不匹配等问题,导致我国大部分滨岸缓冲带对面源污染物净化功能低下,严重影响了地表水体健康。阿什河流域是一条以农业面源污染为主要的典型河流,以此为研究对象,科学解析河流的缓冲带空间格局及优化配置方案,同时结合缓冲带功能强化技术手段,是改善小流域滨岸缓冲带生态功能,降低面源污染入河负荷,提升小流域水环境质量的有效方法,可为全国范围内的相似流域提供重要的理论与技术参考。本研究以滨岸缓冲带为研究对象,旨在生物强化及化学强化为研究手段,通过滨岸缓冲带功能强化及优化空间配置,力图为我国面源污染物质去除及地表水体健康做出贡献。本文认为滨岸缓冲带的功能能够通过生物及化学的方法进行强化,且通过滨岸缓冲带宽度的优化设计能够有效的阻隔面源污染,以下是本文的主要内容。为有效诊断阿什河流域滨岸缓冲带分布与功能的匹配性问题,对其空间分布进行解析。按照行政边界、土壤分布、土地利用分布、坡度分布度及功能定位的差异性将阿什河流域划分成5个功能区,在功能分区的基础上进行卫星影像分析。结果显示阿什河流域5个功能分区内的滨岸缓冲带呈现出明显的空间异质性,在功能区1、2中,滨岸缓冲带分布密集、面积广泛、空间连续性高;功能区3、4、5中滨岸缓冲带缺失、离散破碎化程度高、面积不足,现有的空间格局状况与其功能需求不匹配。针对阿什河流域滨岸缓冲带功能低下的问题,对滨岸缓冲带分别进行生物强化及化学强化的研究。首先,优选三种冷季型禾草早熟禾、高羊茅与匍匐剪股颖的经济性、生长特性、光合作用效率以及对面源污染的去除效果,结果显示早熟禾具有更好的建植和净化效能,是一种适合在中国东北寒冷地区建植的优良缓冲带植被。其次,为优化滨岸缓冲带微生物群落结构及功能,本文应用高通量454分子测序技术对滨岸缓冲带中微生物的群落进行分析。结果表明在原生环境中致病菌富集(气单胞菌属含量9.7%、拟杆菌门含量6%),说明滨岸缓冲带中需要进行群落结构干扰与调整。同时对滨岸缓冲带中的真菌分析时发现丛枝菌根真菌(AMF)为原始土著菌,但含量较低,不利于功能发挥。利用AMF生物菌剂对滨岸缓冲带进行强化,采用摩西球囊霉菌与根内球囊霉菌1:1混合菌群对缓冲带进行强化,加入的量为300g/m2。结果表明,加入AMF生物菌剂后,AMF的含量比没有添加之前显著增加,且真菌的种类有所减少。经过强化的滨岸缓冲带在TN、TP及有机农药阿特拉津的去除方面,是普通滨岸缓冲带去除率的1.20、1.10及1.11倍。为进一步提高滨岸缓冲带的截留净化功能,采用N-S-Ti O2NCs/Ti O2 NTs-AC/PTFE组成的光辅电催化系统对滨岸缓冲带进行化学强化。经过化学材料强化的滨岸缓冲带,在TN、TP及有机农药阿特拉津的去除方面,分别是未强化滨岸缓冲带去除率的2.35、2.07及6.97倍。利用SWAT模型对阿什河流域中对地表水体影响较大的区域(河流两岸1200m)中的面源污染负荷进行计算。结果表明,功能区1、2中的污染负荷较低,功能区3、4、5污染负荷较高。在污染负荷的基础上,计算出地表径流在流到滨岸缓冲带边缘时面源污染物的浓度。结果显示功能区1中滨岸缓冲带安全宽度为19.3m,功能区2中滨岸缓冲带的安全宽度为36.13m,功能区3中滨岸缓冲带的安全宽度为36.91m、功能区4中滨岸缓冲带的安全宽度为47.96m、功能区5中滨岸缓冲带的安全宽度为61.4m。结合上述研究,在结构设计方面,针对阿什河两岸缓冲带实际空间问题,对阿什河流域滨岸缓冲带进行优化。功能区1、2中滨岸缓冲带状态较好,面源污染负荷较低,主要采取修复破损滨岸缓冲带至对应安全宽度;在功能区3、4、5中,其滨岸缓冲带的评价结果为一般状态,且负荷较高,主要采取生物强化与化学强化相结合的方法。在功能区3中人口比较密集,主要应用生物强化,将滨岸缓冲带的宽度提升至33.55m,进行生物强化;在功能区4中,将滨岸缓冲带的宽度提升至41.01m,然后进行生物强化;在功能区5中,对滨岸缓冲带进行生物强化,使其宽度提升至55.87m,在人口密度较低的农田密集的地方,将滨岸缓冲带提升至29.69m,应用化学强化,在个别区域可以进行生物与化学相结合的方法。
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【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】：2017
【分类号】：X52

【参考文献】