多闸坝流域水量水质耦合模拟及水污染灾害评估

As an increasingly severe water crisis issue, water pollution has already attracted considerable concerns in the evaluation and management of national water disasters. The inherent nonlinearity and time-variation in hydrological and accompanying nutrient processes become increasingly significant with intensive anthropogenic activities. Thus, the hydrological models, dynamic models and hydrology statistical models, etc. should be made full use of, so as to strengthen study on the formulation and evolution of water pollution disasters with intensive anthropogenic activities. This study explored the mechanisms of water pollution disasters with intensive anthropogenic activities by statistical analysis and numerical simulation on the basis of watershed hydrology, environment, and disaster science and so on. The overland nonlinear response of rainfall-runoff-pollutant was coupled with hydrodynamic model, and was applied to simulate the hydrological-hydrodynamic-water quality processes in the upper and middle streams of Huai River Basin. Finally, water pollution disaster was comprehensively evaluated. This study will be expected to promote the above multidisciplinary studies to improve the research on mechanisms of water pollution disasters with intensive anthropogenic activities, and to provide references for the prevention and management of water pollution disasters.

水污染不但是全球日益严峻的水危机问题之一，而且已成为我国水患灾害评估和管理中重点关注的问题。由于强烈的人类活动干扰，水文及伴随的营养物过程所固有的非线性和时变等特性愈加显著，迫切需要充分利用流域水文模型、动力学模型和水文统计模型的优势，加强人类活动影响下流域水污染灾害形成与演变规律的探索和研究。本文结合水文学、环境学和灾害学等学科研究途径，通过统计分析、数值模拟等多种技术手段，探讨高强度人类活动影响下流域水污染灾害的形成机制；以此为基础，实现流域非线性降水-径流-污染物坡面响应与水动力耦合模拟，并应用于淮河蚌埠闸以上的中上游流域水文-水动力-水质综合模拟中；最终进行流域水污染灾害综合评估。本研究将促进多学科交叉研究，有利于正确认识人类活动影响下流域水污染灾害的形成与演变规律，也为流域水污染灾害防治与管理提供科学依据和技术手段。

本项目采用野外监测、统计分析、数值模拟等技术手段，揭示了高强度人类活动影响下流域水污染灾害的形成机制，实现了流域非线性降水-径流-污染物坡面响应与水动力耦合模拟，并成功用于淮河中上游流域水文-水动力-水质综合模拟和流域水污染灾害综合评估。重要成果包括：（1）各断面水质指标周尺度变化主要集中在非汛期，发现了三种典型洪水类型、水质类型和水质聚集中心，洪水类型与暴雨和流域特性等显著相关，水质类型与不同缓冲区半径水田、旱地、林地、城镇用地等显著相关，受点源污染治理和水量水质联合调度等影响，流域水污染问题的局部性减弱。（2）采用流域坡面降水-径流-污染物非线性关系、河道非恒定流模块、河道污染物迁移转化模块、闸坝调度模块等，构建了考虑人类活动影响的流域水循环-水污染非线性模型，完成了重点流域水循环过程和水污染关键要素模拟。（3）利用流域水循环-水污染非线性模型和情景分析，评估了闸坝调控和污染源强等不同人类活动对河道径流和污染物的影响，典型闸坝调控对水环境改善有一定的积极作用，水体污染主要由污染物排放引起，其中点源贡献率为67%~93%，非点源污染贡献率为7%~33%。（4）模型用于评估主要水污染地区不同水平年和管理方案下水质达标和灾害分布情况，分析了水污染灾害的成因机制，点源污染治理仍然是水污染治理最主要的措施之一（如槐店-界首区间），结合非点源污染流失治理和科学的水量水质联合调度等综合水质管理措施（如周口-槐店区间、界首-阜阳区间），可进一步改善水污染状况。截止目前，已发表学术论文16篇（含SCI 4篇、EI 1篇、中文核心7篇），超额完成各项考核指标。成果为认识人类活动影响下流域水污染灾害的形成与演变规律提供科学依据，也为流域水污染灾害防治与管理提供科学依据和技术手段。