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双台子河为辽河的河口区,水环境污染状况日益严峻,目前对双台子河水环境特性和水质目标管理体系缺乏系统研究,尚未建立“水质目标-水环境质量-污染源-水环境容量”的体系,为有效对管理流域水体环境,结合国家水体污染控制的重大需求,本论文在水环境功能区划的基础上,以双台子河为研究区,以控制单元为基础,主要结论如下:
综合分析控制单元社会经济数据、自然地理条件、人为活动等因素的基础上,识别了影响双台子河水生态格局的主要控制因子,在三级水生态功能区划指标体系的基础上,确定控制单元划分基本原则,应用多元统计方法和GIS技术,将双台子河划分为三个控制单元,分别为:大洼县控制单元、盘山县控制单元、市辖区控制单元。
对双台子河2010年枯、丰、平水期的22个水文监测断面数据,并借助主成分分析法,确定主要污染因子和超标断面。分别采用综合标识指数、单因子、模糊评判、灰色关联四种评价法,选取DO、COD、NH3-N、TP、TN、BOD、氯化物7个评价因子,对河流水污染特性进行综合评价与分析。因模糊评判法和灰色关联法不能对劣(Ⅴ)类水质类别进行划分,而单因子指数法因一票否决而使评价结果不准确,最终确定综合标识指数为最佳评价方法。从结果知:以Bartlett球度检验,判定NH3-N、TN、COD为主要因子,三者的方差累积贡献率82.3%;从超标情况来看,枯水期>平水期>丰水期;根据因子得分可知,钻工桥、入干流闸前、胜利塘大桥、清河桥受COD、氨氮、TN的影响最大,钻工桥断面超标严重。标识指数评价结果中从劣(Ⅴ)类和(Ⅴ)类数量与分布来,盘锦市辖区控制单元的污染程度,比大洼县和盘山县污染较重。
基于LandsatTM遥感数据确定土地利用面积,结合分形理论探索双台子河土地景观格局变化,确定各土地利用分维数、景观指数等,模拟土地利用的空间变化,探究面源污染与土地利用类型的关系及污染物的空间分布情况。结果表明:从时间分布来看,三个时间序列的土地利用动态变化分析,水田、城镇用地、未利用土地的动态变化较明显,其中城镇用地1996-2003年变化了-3.9%,2003-2010年变化了0.26%。从景观格局分析:耕地和水田的分维数较高,板块的复杂度较大,未利用土地的分维数较小;1996-2003年分离度,水田、草地的分离度在减小,水域、城镇用地、未利用土地分离度增大;2003-2010年未利用土地、耕地、林地分离度在增加,水域、城镇用地、草地分离度在减小。1996-2003年耕地、水域、城镇用地、未利用土地的破碎化程度减小,林地、水田、草地破碎度增加;2003-2010年耕地、林地、水田破碎化程度减小,水域、城镇用地、草地、未利用土地破碎度增加,由此看出,破碎度小的土地,表征耕地和水田等土地资源利用受到保护,破碎化程度较低。
对双台子河控制单元主要面源和点源污染源(工业、城镇生活源、集约化畜养殖)进行了调查与统计分析。应用排污系数法对点源污染物的排放量进行核定;应用输出系数模型对耕地、水田、城镇用地、森林、未利用土地、草地6种土地类型的面源污染负荷输出量进行模拟。结果表明:控制单元内COD排放量为16411.06t/a,NH3-N排放量为1232.45t/a,点源COD和NH3-N的污染负荷比例分别为68.8%、60.4%,以点源污染占优;面源COD和NH3-N的污染负荷比例分别为31.2%、39.6%,其中农业用地面积占总面积约70%,农业污染负荷输出贡献不同,其中水田、耕地COD负荷强度较大,分别占面源污染负荷的32.7%、37.5%,NH3-N占面源污染负荷33.6%、30.4%,草地受人为影响较小,COD和NH3-N分别占面源污染负荷的5%、1%。
基于1996-2010年降水资料和1996年、2003年、2010年土地利用类型的输出系数模型,结果表明:各控制单元以农业用地为主,输出贡献率最大,城镇用地次之,草地和林地输出贡献率最小。2010年主要土地类型中的COD和NH3-N输出系数较大的为水田和耕地,输出系数中水田COD为2.0t/(km2·a),NH3-N为0.167t/(km2·a);耕地COD为1.8t/(km2·a),NH3-N为0.1882t/(km2·a)。1996年因经济发展较慢,工业、生活排污小,流域监测浓度低,主要以农业污染为主,城镇用地的输出系数为1.16t/(km2·a),比2003年和2010年小。
基于一维圣维南方程组,在水环境功能区划的基础上,用线性优化的技术手段,建立水质目标与污染物输入-响应矩阵的关系,以规划求解分别计算了75%、95%保证率及30Q10水文条件下的NH3-N、COD水环境容量。结果表明:①在30Q10水文条件下,COD水环境容量为8607.49t/a,NH3-N水环境容量为1154.35t/a。②在水动力模型中以六间房水文站的实测水位和流量的关系,对水动力参数水位和流量进行了校验,在水位模拟时段内实测水位和模拟水位误差为4.2%,相关系数R2为0.965,验证期的水位误差为4.5%。③在水质模型模拟中,以衰减系数、断面流达率、河流背景浓度为求解水质模型的基础条件,其中,衰减系数COD为0.1d1,NH3-N为0.05d-1,并以2010年曙光大桥的实测值进行验证分析,COD计算值与实测值的相对误差为5.6%;NH3-N的计算值和模拟值的相对误差为8.8%。