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水资源是人类赖以生存的物质基础,土地利用作为人类活动的综合表征,对河流的水质有着重要的影响。土地利用普遍被认为与非点源污染相关,但土地利用与水质关系研究的本质未有清晰的阐释,点源污染是否干扰土地利用面积与水质关系的分析结果尚未见报导。根据已有监测数据推测全流域水质状况,研究土地利用引起的污染物来源和传输,使用污染源削减情景分析有助于流域土地利用及水资源管理。 本研究使用文献调研、现场监测、实验分析、模型模拟等方法,借助遥感和地理信息系统等技术,阐释了土地利用影响水质的本质;提出了基于自组织映射网络(SOM)的方法,证实了点源污染对土地利用面积与水质关系的干扰;构建了九龙江流域总氮(TN)与总磷(TP)的流域空间属性关联模型(SPARROW),预测并分析了九龙江各河段的TN、TP负荷及浓度,探索了TN、TP主要污染源及其传输;使用Python语言编写模块对污染源削减策略进行情景模拟,对九龙江流域河流水质管理提出了建议,具体成果如下: 首先,本研究提出土地利用影响水质在本质上为发生在土地覆被上的人类活动对水质的影响。所有土地利用活动产生的污染物(包括点源与非点源污染),都属于土地利用产生污染的范畴,均为土地利用影响水质的原因。现有研究使用直接的污染源数据或土地利用面积代表土地利用产生的污染量,来分析土地利用与水质的关系。这两种方法各有优缺点,优先使用直接的污染源数据,结合使用直接污染源数据和土地利用面积是一种更加全面分析土地利用与水质关系的方法。在产生污染物的同时,土地利用活动还影响着污染物在陆域和水域传输过程,如农业用地耕种方式、大坝建设、城区建设等。土地利用通过对污染物的产量与传输过程的影响,造成了土地利用与水质关系的时空差异性。 其次,本研究提出一种基于SOM的方法,证实了使用土地利用面积代表土地利用产生的污染物量,进而分析土地利用与水质的关系时,点源污染对该分析结果的影响。该方法结合了SOM、分层聚类分析、向后逐步回归分析和相关性分析,将闽江流域的139个子流域聚类为六类。研究发现六类中,水质和土地利用均有各自的特征,点源污染以不同程度影响着每一类的水质。点源污染会减弱甚至掩盖土地利用面积和水质间的相关性:点源污染越严重,土地利用面积和水质参数呈显著相关的数量越少。该方法可以定性的分析点源污染和非点源污染对水质的影响,在一定程度上解释了各类子流域水质的不同。 最后,根据九龙江流域自身特性,直接使用土地利用产生的污染数据,构建了TN与TP的SPARROW模型。并且参考水污染防治行动计划(“水十条”),进行污染源管理情景设计,编写情景分析模块,分析TN与TP的变化。本研究所构建的九龙江流域SPARROW_TN和SPARROW_TP模型对TN和TP有着较好的模拟结果:R2达到0.95和0.94,模拟的TN、TP负荷均在90%置信度下的置信区间内。研究发现2014年九龙江流域西溪和北溪所有河段中,TN达到优良(达到或优于Ⅲ类)的比例为7%,TP达到优良的比例为36%。氮污染源主要为化肥施用(43%)、畜禽养殖(39%)和生活污水(18%),磷污染主要来源为化肥施用(46%)、畜禽养殖(46%)和工业污水(8%)。在不同子流域,污染物负荷、产率、污染物浓度贡献和各污染源所占的比例不同。上游河段中,平均58%的TN、80%的TP被传输至河口。根据情景分析,在不考虑实际可行性的情况下,若以“水十条”中所制定的要求为目标,即到2020年水质优良的河段比例占70%以上,需要至少统一削减相当于2014年80%的氮和50%的磷污染。因污染源具有空间差异性,在其他污染源不变的前提下,削减90-95%化肥施用、约85%畜禽养殖带来的氮污染,削减55-60%化肥施用、50%畜禽养殖带来的磷污染是达到上述目标的优化方式。本研究同时鉴别出九龙江流域TN、TP的关键源区(雁石溪、花山溪等),并证实了控制其污染物排放是提高河流水质的有效手段之一。仅对“十三五”期间水质需改善的控制单元的范围进行污染源管理,可能达不到预期的效果,综合管理控制断面上游污染源是更好的水资源管理方法。从可行性角度考虑,仅仅控制污染源在九龙江流域可行性低,采取合理措施,增加污染物在传输过程中的衰减与滞留是重要的辅助手段。 本研究深入地探讨了土地利用影响水质的本质,进一步详细地分析了九龙江流域污染物来源的空间分布和九龙江全流域的水质状况,对流域土地利用与水资源的管理提供了一定的理论与技术基础。