基于SWAT模型的赣江流域水环境模拟及总量控制研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
改革开放以来，伴随着国民经济的飞速发展，我国的水污染问题日益严重。2010年《中国环境状况公报》[1]显示，全国地表水污染形势依然严峻。七大水系（长江、黄河、珠江、淮河、海河、辽河和松花江）总体呈轻度污染。204条河流 409 个国控断面中，各级别水质断面对应的比例分别为：Ⅰ至Ⅲ类（59.9%）、Ⅳ至Ⅴ类（23.7%）和劣Ⅴ类（16.4%）。首先，长江、珠江总体水质良好，淮河、松花江呈轻度污染，黄河、辽河呈中度污染，海河呈重度污染；其次，湖泊（水库）富营养化问题依然突出，对 26个湖泊（水库）营养状态的监测显示，富营养化状态的占 42.3%；第三，全国部分流域水生态系统的功能有所改善，但依然存在着主要生态环境问题，尚未能有效遏制生物多样性的下降趋势。此外，我国农村生态环境问题日渐凸显，农业非点源污染物的控制处于低级阶段，污染负荷较大，据研究[2-5]，在我国，北京密云水库、天津于桥水库、云南洱海和滇池、上海淀山湖、安徽巢湖、江苏太湖等水域，非点源污染负荷所占比例均高于点源污染。我国的水生态环境污染呈现多元化、复合型、结构性的特征，给人体健康和生态安全带来严重威胁，已逐渐成为制约经济和社会发展的瓶颈[6]，总体形势仍十分严峻。国务院总理温家宝在2007年《政府工作报告》中指出：2006年全国所有“十一五”规划指标，除了环保指标没能实现年初确定的主要污染物排放总量控制，其它指标均超额完成；在 2011年《政府工作报告中》指出：2011年要加快重点流域水污染治理、大气污染治理、重点地区重金属污染治理和农村环境综合整治，控制农村面源污染；“十二五”期间要加大耕地保护、环境保护力度，加强生态建设和防灾减灾体系建设，全面增强可持续发展能力。主要污染物排放总量减少8%至10%，切实加强水利基础设施建设，推进大江大河重要支流、湖泊和中小河流治理。然而，与上述严峻的水污染形势和美好的愿景形成鲜明对比的是，我国从上世纪 70年代开始的水环境总量控制理念的发展依旧处在探索和变革的阶段，并没有形成一套完备的理论体系，可以被证实为高效的控制了水环境污染。
我国的流域水质管理技术始于20世纪70年代，相继在水环境容量计算[7]、水质数学模型[8, 9]、流域非点源的计算[10, 11]、水环境功能区划[12]、水环境质量标准[13]、水生态功能分区[14]、流域水污染综合防治[15, 16]及排污许可证制度等诸多领域进行了探索和实践。在借鉴日本[17]、美国[18, 19]及欧盟[20]先进水质管理体系的基础上，我国的水质管理技术不断得到深化和发展。“九五”期间确定了污染物排放总量控制指标，水污染控制由浓度控制进入目标总量控制阶段；“十五”期间，先后对“三湖三河”进行了污染物排放的总量控制，建立了以水环境容量为基础、排污许可证为主要管理手段和持续改善水环境质量为主要目标的水污染防治管理体系[21]；2007—2008 年，孟伟等在借鉴美国和欧洲先进的水环境管理理念的基础上指出，我国尚未从流域尺度上对水环境特征开展全面系统的研究和评估，针对不同特征流域的水环境容量无法准确判断，尚未建立流域/区域水环境生态安全控制基准，没有明确流域/区域经济社会发展等人类活动与水生态环境影响的响应关系。因此，现阶段制定的管理标准体系，不能较好的实现流域/区域水环境特征的管理标准体系，不能对流域/区域水污染物总量实现有效控制，使得污染源控制与水环境管理存在较大的“一刀切”式的盲目性，难以有效保护水环境系统[6, 22]。
二、研究目的和意义
本研究旨在利用 SWAT 模型，建立适合赣江流域和典型研究区（锦江流域）的水文和水环境模型，并利用率定好的模型，定量分析研究区的非点源污染时空演变特征和 BMPs 效益分析和评价。在此基础上，定量核算丰、平、枯水期的动态水环境容量，提出在非点源参与下基于控制单元的总量动态分配技术。以期为我国“控制单元的总量控制”的顺利实施提供一定的科学支持。
三、本文研究涉及的主要理论
20 世纪 60 年代末，日本学者首先提出水污染总量控制的概念[26-28]。当时日本的经济快速发展带来了一系列的突出环境问题，为了提高水体和大气的环境质量，而提出污染物总量控制的问题[29, 30]，总量控制是指把一定区域内的水体或大气中的污染物总量控制在一定的允许限度内，而“一定的允许限度”的表述成为日本学者提出环境容量概念的依据；1971 年，日本开始着手研究水环境的污染总量控制[31]，并于 1973年制定了《濑户内海环境保护临时措施法》，该法令首次将总量控制的概念引入到废水排放管理中，并以 COD 为控制指标对企业限额颁发排污许可证；1975 年，日本卫生工学小组受日本环境厅的委托提出了《1975 年环境容量计算化调查研究报告》，将水环境容量和水污染总量控制相结合，成为水污染物容量总量控制的理论基础[17]；1977 年，日本环境厅提出“水污染总量控制方法”，并于 1978年，对该法令的部分条文进行了修订，实现了以COD为控制指标的水污染总量控制工作；1979年，日本内阁明确了水污染物总量控制的基本方法、方针，并制定了年度的削减目标；1984 年，日本首次将水污染总量控制目标规划正式运用到实际的水污染控制管理中，同时将总量控制法在伊始湾和东京湾水域进行实际应用，对无证排污的企业严令禁止，取得了良好的效果，这两个海湾内的污染源控制率高达 80%[32]，显著改善了流域内的水环境质量。日本对超标排放的企业和单位给予严惩，同时对绝大部分的污染源实施在线实时监测，以总量控制为基础，要求各排污单位制定污染物总排放负荷年度削减方案[32, 33]。日本自实施水污染总量控制至今，水体水质及生态环境有了明显改善，水污染物总量控制技术在日本蓬勃发展。
1972 年，美国国家环保局（EPA, Environmental Protection Agency）在《水清洁法》303（d）条款中，提出 TMDL（Total Maximum Daily Loads）计划的概念，年水平用最大年负荷量（TotalMaximumYearlyLoads，TMYL）来描述[18]。TMDL的具体内容为：在满足水质标准的前提下，受纳水体可容纳的某种污染物的日最大负荷量，并将污染物负荷总量在污染源之间进行分配[18]。美国的 TMDL 计划总目标识别系统可以识别全国受损和受到威胁的水体以及导致损害的污染源，将可分配的污染物负荷分配到每个污染源（包括点源和非点源），TMDL 同时考虑了安全临界值（也称安全余量或安全因数）、季节性变化及流域未来发展的排污余地等因素[19, 34]，采取具体的污染物控制措施来使得目标水体达到相应的水质标准[35]，该方法在确保水质管理目标的前提下，允许充分地利用水环境容量，是国际上较为先进的水质管理措施之一[34, 36]。1972 年，美国开始在全国范围内实施水污染物排放许可证制度，并不断改进和完善该制度的实施方法与技术路线；1983 年，正式立法，明确规定实施以水质限制为基础的水污染物排放总量控制，由联邦政府制定基本的政策和水污染物排放标准，并由各州强制执行的水污染总量控制制度。形成了以排放标准管理为主，以水质标准管理为辅，以水污染总量控制和排污许可证为主要内容的水体污染防治体系；1985 年和 1992 年 EPA 颁布了关于 TMDL 计划实施的细则；1996年，EPA为了加快水质达标和改善 TMDL 计划，根据《清洁水法》303（d）条款的要求全面评价各州的执行情况；1997 年，EPA 对 TMDL 计划发布了详细的指导性指南书，该书指出了执行 TMDL 计划时可能产生的问题，并且，EPA 通过了联邦顾问委员会的授权，组成了一个由农业、环境、森林等方面不同知识背景的专家学者和各州、领地及部族的政府官员组成的委员会；1998 年，该委员会发布了建议，EPA 充分考虑了这些建议，于当年 8 月起草了TMDL 的新计划法则，历经近 1 年的讨论及论证，在 2000 年 7 月 13 日颁布[37-40]。2001—2002 年，被批准或实施的 TMDL 计划超过 5000 多个，并呈现出持续上升趋势[41]。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
1 主要研究内容
1）基于 ArcGis10.0 平台建立赣江流域基础信息数据库，包括属性数据库（气象、径流、泥沙、水质、土壤物理化学性质、农作物的管理措施等）和图形数据库（地形图、土壤图、土地利用图、行政区划图、水生态功能分区、电子水系图、水功能区划图等）；
2）基于 ArcSWAT 流域划分模块对数字高程模型（DEM，Digital ElevationModel）进行子流域划分；对点源、排污口和地表水环境功能分区等因子进行子流域尺度的概化；总结和提出控制单元的概念及内涵，并以赣江和典型研究区为例，提出不同尺度流域的划分原则、指标体系、划分方法，以及划分方案的可行性验证；
3）建立赣江流域 SWAT 模型数据库，分别在赣江流域和典型研究区开展水文模拟和水环境模拟。对模型进行参数校准与验证，并对模型进行了适用性评价；
4）基于建立好的 SWAT 模型，对典型研究区的非点源污染负荷开展了时空演变特征分析，识别了关键源区，并实施了最佳管理措施 BMPs 效益分析和评价；
5）在 SWAT 模型的基础上，利用一维水质模型分别计算了赣江和典型研究区 COD和 NH4+—N的动态水环境容量；
6）分别对赣江和典型研究区进行了非点源参与下水环境容量总量的分配，基于基尼系数法对分配方案进行了评估。并在典型研究区开展了非点源参与下的总量动态分配，利用已建好的 SWAT 模型，对总量分配方案的可行性进行验证。
2 拟解决的关键问题
1）正确理解“流域—控制单元—子流域（计算单元）”之间的区别和联系，并提出不同尺度流域的控制单元划分原则、指标体系和划分方案；
2）基于 SWAT 模型在典型研究区开展水环境模拟，定量分析非点源污染的时空演变特征及 BMPs 效益评价；
3）提出在非点源参与下，动态水环境容量的核算及总量动态分配方法，以及分配方案的可行性验证。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要
ABSTRACT
目录
第一章 绪论
1.1 选题依据及意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 流域水污染总量控制研究进展
1.2.2 水质模型研究进展
1.3 研究目的、内容及技术路线
1.3.1 研究目的
1.3.2 研究内容
1.3.3 研究方法及技术路线
第二章 流域概况
2.1 自然地理概况
2.1.1 地理位置
2.1.2 地形地貌
2.1.3 气候气象
2.1.4 水文水情
2.1.5 水环境现状
2.2 社会经济概况
第三章 “控制单元的总量控制技术”下控制单元划分
3.1 流域控制单元
3.1.1 概念的提出
3.1.2 概念辨析
3.2 材料与方法
3.2.1 研究区概况
3.2.2 划分原则、指标体系与技术路线
3.3 基础数据库的建立及前处理
3.3.1 空间图件的收集与矢量化
3.3.2 子流域（水文单元）的划分
3.3.3 流域模型概化
3.4 划分步骤、方案与验证
3.4.1 操作步骤
3.4.2 划分方案
3.5 讨论
3.6 本章小结
第四章 基于 ArcSWAT2009 的水环境模拟
4.1 水环境模型的选择及运行平台
4.1.1 模型的分类
4.1.2 运行平台
4.2 技术路线与方法
4.2.1 技术路线
4.2.2 方法
4.3 基于 ArcSWAT2009 的赣江流域水文模拟
4.3.1 模型数据库的建立
4.3.2 SWAT 模型的建立
4.3.3 模型的预热
4.3.4 模型的敏感性分析
4.3.5 水量校准与验证结果及分析
4.4 典型研究区水环境模拟
4.4.1 典型研究区的选取
4.4.2 数据库的建立
4.4.3 SWAT 模型的建立
4.4.4 敏感性分析
4.4.5 模型的校准与验证
4.5 本章小结
第五章 研究区非点源污染负荷时空分布特征与最佳管理措施模拟
5.1 非点源污染负荷计算
5.2 非点源污染负荷的分布特征
5.2.1 时间分布特征
5.2.2 空间分布与关键源区识别
5.3 最佳管理措施（BMPs）
5.3.1 BMPs 方案设计
5.3.2 BMPs 效益分析
5.4 本章小结
第六章 基于 SWAT 模型的总量控制技术
6.1 动态水环境容量计算
6.1.1 水环境容量的基本理论
6.1.2 水环境容量计算模型的选取
6.1.3 水环境功能区划分
6.1.4 设计水文条件
6.1.5 水环境容量计算结果
6.2 非点源参与下控制单元动态水环境容量总量分配
6.2.1 分配模型
6.2.2 容量初始分配结果
6.2.3 评估方法以及评估结果
6.2.4 分配系数
6.2.5 典型研究区总量动态分配
6.3 基于 SWAT 的总量分配方案可行性验证
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 主要研究结论
7.2 创新点
7.3 不足之处
7.4 后续研究预期
参考文献
致谢
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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