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摘要
随着经济的发展,各种水环境问题愈发显现,严重威胁人类的健康。水体污染源主要分为外源和内源,外源包括点源和非点源;近年来,随着污染排放的控制,内源污染和流域非点源污染已成为水体质量的主要威胁。本研究以流域河流水质为研究对象,通过室内物理模型实验、流域水文水质数值模型（HSPF）和水体水质数值模型（WASP）对内源、非点源污染以及水质进行模拟与分析,从微观和宏观的角度分析流域不同环境变化对河流水质以及各污染源的影响。主要内容包括:上覆水流速、扰动和水温对沉积物内源释放的影响机理实验研究、流域非点源污染模型的构建与模拟、流域河流水质模型的构建与模拟、环境变化对河流水质的影响以及河流污染来源的定量分析。主要得到以下结论:（1）溶解氧是影响水质的重要因素,沉积物耗氧速率（SOD）决定了水质的变化,不同区域的SOD千差万别,沉积物类型、有机质、上覆水溶解氧含量以及流速都会对SOD产生不同程度的影响。水体流速增大会促进氨氮的释放也增大了水体溶解氧的消耗,硝酸盐氮的浓度受到抑制,间歇性的扰动会增大上覆水硝酸盐氮的含量。水体扰动会抑制磷酸盐的释放,但是水动力升高至一定程度会提高磷的释放。温度对于内源释放有显著影响,20～25℃时水体中硫酸盐含量处于最高状态。水体中水质指标的变化受多种因素的共同作用,沉积物-水环境是一个联动的动态整体,沉积物或水体的变化都会对整个环境产生变化。（2）在收集地形数据和气象数据的基础上,以拉帕汉诺克河流域2009～2013年的实测数据为基础构建了 HSPF非点源污染模型,流量、泥沙、水温和水质的输出结果都满足精度要求。水质结果可以作为河流水质模拟的非点源污染来源,子流域90～108中,子流域97和106的非点源氮排放相对较高,而子流域91、96和107磷排放则相对较高。（3）利用BASINS平台得到河流的信息,并以此为基础,构建HSPF和WASP耦合模型,采用试算法对富营养模块（EUTRO）的参数进行调整,以拉帕汉诺克河上5个数据监测站的水质数据对模型进行校准,最终相关系数均在0.66以上,满足精度要求;K71（20℃时溶解性有机氮矿化速率）对氨氮以及K1（20℃时浮游植物饱和生长速率）对叶绿素a的灵敏度较高。（4）全球气候变化可能导致气温、水温和河流流量发生变化,基于此,设置不同的情景工况,采用耦合模型并模拟,结果表明,当温度分别提高和降低1、2、5℃时,基础温度较高时温度变化对河流污染指标变化产生较大的影响,氨氮对温度相对敏感,硝酸盐氮受温度影响较小。当流量分别比原始流量高20%、50%、100%以及降低20%、50%时,流量变化主要引起了溶解氧含量的变化,进一步对氨氮、硝酸盐氮、总氮和总磷都产生了显著的影响。总磷受流量影响最为明显,但是几乎没有季节性差异。（5）拉帕汉诺克河中不同的污染物质来源有所差异,氨氮主要来自于非点源的汇入与沉积物的内源释放;硝酸盐氮则主要来自于非点源汇入,大量硝酸盐氮发生形态变化或沉积于河流底部;总氮大部分来自于非点源汇入,这与河流两岸有部分农田有关;超过70%的总磷来自于点源的排放,畜牧面积少也导致了非点源磷排放较低,河流中的磷几乎全部来自于外源,仅1%的磷由沉积物释放。
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