Development and application of a water pollution emergency response system for the Three Gorges Reservoir in the Yangtze River, China

There are many watercraft and production accidents in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA) of the Yangtze River in China every year. Accidents threaten the water quality of the 1085 km2 surface area of the TGRA and millions of local people if oil and chemical leakage were to occur. A water pollution management system for emergency response (WPMS ER) was therefore designed for the management of pollution in this area. An integrated geographic information system (GIS)-based water pollution management information system for the TGRA, called WPMS ER TGRA, was developed in this study. ArcGIS engine was used as the system development platform, and Visual Basic as the programming language. The models for hydraulic and water quality simulation and the generation of body-fitted coordinates were developed and programmed as a dynamically linked library file using Visual Basic, and they can be launched by other computer programs. Subsequently, the GIS-based information system was applied to the emergency water pollution management of a shipwreck releasing 10 tons of phenol into the Yangtze River during two hours. The results showed that WPMS ER TGRA can assist with emergency water pollution management and simulate the transfer and di usion of accidental pollutants in the river. Furthermore, it can quickly identify the a ected area and how it will change over time within a few minutes of an accident occurring.     

1980—2009年三峡库区空中水资源变化特征

利用1980—2009年三峡库区及周边15个气象探空站的高空资料,分析了三峡库区空中水资源的变化特征,结果表明:三峡库区上空整层水汽含量分布从东北到西南逐渐增加。三峡库区的水汽主要来自西南水汽输送,夏季西南风水汽输送强度最大。三峡库区上空水汽多以辐合为主,尤其在库区西北部和东南部的辐合特征更为明显。三峡库区的水汽主要从南边界流入,而主要从东边界流出。三峡库区各月的净水汽通量都为正值,呈单峰型变化,在7月达到最大值。近30 a,三峡库区净水汽通量经历了明显的先上升后下降的抛物线型年代际变化,春季和冬季的平均净水汽通量整体呈减少趋势,而夏季、 秋季和年平均的净水汽通量呈增加趋势。     

Reductions in non-point source pollution through different management practices for an agricultural watershed in the Three Gorges Reservoir Area

Non-point source water pollution generated by agricultural production is considered a major environmental issue in the Three Gorges Reservoir Area(TGRA) of China.The Annualised Agricultural Non-Point Source Pollution(AnnAGNPS) model was selected to assess the impact of the application of various management treats,including seven crops,five fertilizer levels and three-group management practice scenarios,on water quality from Heigou River Watershed in TGRA.The scenario subsets include conservation tillage practice(CTP),conservation reserve program(CRP) and conversion of cropland into forestland program(CCFP).Results indicated that tea can not be replaced by other crops because comparatively tea resulted in a higher sediment yield.CTP with no-tillage was more effective to reduce sediment yield,but could increased nutrient loss.CRP reduced sediment yield significantly,but slightly benefited on nutrient loss.CCFP reduced not only sediment yield but also the nutrient loss significantly.The conversion of cropland with a slope greater than 10 ° into forestland was found to be the best scenario as the sediment yield export is less than 5 tons/ha and nutrient loss is within the permissible limit.     

基于农业面源污染的三峡库区重庆段水质时空格局演变特征

农业面源污染已成为我国河流污染的主要来源。三峡库区是典型的生态脆弱区,水资源安全已越来越受到关注。以三峡库区重庆段21个区县为实例,在区县级尺度上,研究了2005-2011年农业面源污染化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、全氮（TN）、全磷（TP）所导致的水质的变化。并借助地统计学中的空间插值方法,对30个水质监测站点的数据进行插值分析,最后利用内梅罗综合水质指数,通过核算和实测的数据来研究三峡库区重庆段水质的时空变化。结果表明：1）从库区平均水质浓度分析得出,2005、2008、2011年3个时间断面的TN、TP的浓度已经超过地表水环境质量三级标准。2）从核算数据所反映的水质综合指数的时空特征来看,2005、2008、2011年水质综合指数分别为2.48、2.51、2.88,均处于中度污染状态,而2011年甚至逼近严重污染状态。在空间分布上,三峡库区重庆段库中和库区腹地的区县整体的水质状况在下降,而位于库尾的核心都市区水质状况则有所提升。3）从监测数据所反映的水质综合指数的时空特征来看,2005、2008、2011年水质综合指数分别为1.26、1.38、2.14,2005和2008年属于轻污染状态,而2011年则为中度污染状态。在空间分布上,和核算数据的空间分布呈现出相似的地方。4）通过河流水体断面的监测数据与理论核算数据的对比看出,两者呈现出较好的吻合度。     

三峡库区非点源污染氮磷负荷时空变化及其来源解析

三峡库区是我国重要水源保护区,也是长江流域经济迅速发展区域之一.非点源污染是库区水环境恶化的主要原因,因此研究库区非点源污染状况对于区域的生态安全以及可持续发展具有重要意义.研究采用改进输出系数模型,估算库区1990~2015年的非点源氮磷污染负荷总量,分析非点源氮磷污染的时空变化特征,并通过计算各污染源的贡献率确定主要污染来源.结果表明,氮磷污染负荷量在空间上均呈现库区腹地高,库尾次之,库首最低的分布特征;氮磷污染负荷总量在时间上均呈现先增加后降低的趋势,在2000年达到最高值,2015年降到最低值;各污染源对氮磷污染负荷量的贡献率按从大到小依此为：土地利用、农村生活以及畜禽养殖;其中,旱地这种土地利用类型是非点源氮磷污染的主要来源.     

三峡库区长江干流入出库水质评价及其变化趋势

水质问题关系着三峡工程的安全运行与库区社会经济的可持续发展.选取重庆朱沱断面和湖北南津关断面分别代表三峡库区长江干流的入出库断面,在对DO、COD_(Mn)和NH_3-N的年均、季均值统计基础上,运用基于灰色关联系数矩阵的TOPSIS法评价入出库水质,运用R/S法查明入出库水质的未来变化趋势.结果表明:入出库水质在2004—2014年间均介于Ⅰ、Ⅱ类间(《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)),其中,2004—2007年、2012—2014年均为Ⅰ类,2008年均为Ⅱ类,2009—2010年均在Ⅰ、Ⅱ类间变动,且均距Ⅰ类较近;入出库断面每年4个季度水质的相对贴近度均在Ⅰ、Ⅱ类间波动,但更偏近于Ⅰ类,这一趋势在多年平均情况下最为显著,2005—2007、2009、2010和2013年整体上两断面水质在4个季度中存在着相反的变化趋势;年均入库水质变化明显呈现良好趋势,而出库水质变化趋势基本不变.入出库季均水质变化呈现明显的阶段性差异,入出库过去的水质变好趋势会延续到未来相同的时间序列里,但这种水质变好趋势在将来的变化中并不稳定,具有一定的随机性.本研究结果有助于提高人们对三峡工程阶段性的蓄水对长江干流水质产生明显影响的认识,丰富人们对近年实施的环库生态治理工程成效的理解.     

三峡库区消落带干湿交替表层沉积物磷分布特征

通过研究分析经历完整反季节干湿交替周期的三峡库区消落带沉积物中磷的赋存形态及含量变化,揭示了消落带沉积物磷的源/汇转化趋势。结果表明:三峡库区消落带本底土壤、覆水沉积物以及落干沉积物无机形态磷分布均呈现一致规律,即钙磷>闭蓄态磷>铝磷>铁磷>可交换态磷,反映出三峡库区短期反季节干湿交替对无机形态磷分布规律影响不大。消落带反季节干湿交替有利于表层沉积物中活性较高的有机磷、活性磷累积,有利于相对稳定的闭蓄态磷、钙磷释放。     

三峡库区新生消落区沉积物磷形态分析

通过分析三峡库区新生典型消落区上覆水及沉积物中磷的赋存形态,揭示消落区沉积物中磷的分布特征和释放规律. 结果表明,不同类型的新生消落区沉积物磷的分布特征与消落区类型、原有使用背景、临时性使用情况等因素有关. 消落区类型对消落区上覆水ρ(总磷)的影响较弱. 消落区沉积物w(活性磷)与淹没状态相关,由露出到淹没状态活性磷逐渐减少,沉积物中w(钙磷)和w(闭蓄态磷)相对较恒定. 受水陆交替非稳态环境因素的影响,水陆交替沉积物w(总磷)相对较低. 消落区沉积物与上覆水中磷的迁移、转化主要以活性磷的释放和沉积为主.      

三峡库区重庆段农村面源污染时空格局演变特征

论文以三峡库区重庆段21 个区县为实例,利用空间自相关及冷热点分析方法,在区县级尺度上,研究了化学肥料施用、有机肥施用、农作物秸秆、畜禽养殖、水产养殖、农村生活污水、生活垃圾和农田土壤侵蚀等8 个来源中农业面源污染化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、全氮(TN)、全磷(TP)的时空变化特征,结果表明:① 从Moran's I 值判断,2005-2011年间,三峡库区重庆段的COD、BOD5、TN、TP在区域上一直处于较高的集聚状态,2005-2008年集聚减弱,2008-2011 年集聚增强。② 从COD、BOD5、TN、TP排放总量来看,由农业面源污染引起的COD、BOD5、TN、TP 绝对排放量,2005 年分别为15.85×10⁴、7.35×10⁴、5.50×10⁴ 和0.97×10⁴ t·a^-1;2008 年分别为10.93×10⁴、6.45×10⁴、5.60×10⁴ 和1.04×10⁴ t·a^-1;2011 年分别为14.67×10⁴、8.68×10⁴、6.94×10⁴和1.14×10⁴ t·a^-1。COD、BOD5 绝对排放总量经历了先降后升的趋势,TN和TP绝对排放总量则一直处于增长的态势。③ 从冷热点分析结果来看,三峡库区腹地是热点区域的集中区,而三峡库区库尾都市核心区是冷点区域集中区。     

三峡库区农田养分动态及非点源污染情势

三峡库区农田坡耕地多，水土流失严重。通过资料调查和室内试验，研究了三峡库区典型淹水区——开县农田系统的养分动态。结果表明，开县施肥具有氮肥施用量大、粪尿肥在有机肥中比例大的特点；由于农用化学物不断施入，引起农田系统中重金属积累，土壤受到污染；养分随水土流失量大，农业非点源污染严重并有加剧的趋势。并指出，在三峡库区建立农业非点源污染数据库和动态监测站，筛选有效控制农田养分流失措施，具有重要意义。     

三峡库区面源污染的时空特征及EKC分析

在全面核算2008~2018年三峡库区19个区县农业面源污染TN、TP排放量的基础上,分析了其时空变化特征.基于环境库兹涅茨曲线(EKC)理论,构建了基于面板数据的回归模型,探究了库区农业经济发展与面源污染排放强度的演替关系.结果显示,库区农业TN排放波动减少,TP波动增加.各区县的TN和TP年均排放量分别在374~6046t和105~1267t之间.其中,农田化肥与畜禽养殖单元的总产污贡献率达80%以上.库区TN排放强度、畜禽养殖与农村生活单元的TN、TP排放强度均存在显著的"倒U型"EKC关系,目前已跨越拐点.农田化肥TP排放强度、水产养殖与农田固废单元的TN、TP排放强度呈现显著的"直线型"EKC关系,处于与经济同步增长的阶段.建议重点升级农田化肥单元的污染防控能力,以配套推进农村人居环境的改善,促进区域氮磷减排.     

三峡库区次级河流春季水环境中有机锡在水/SPM间的分配特征

为了解三峡库区次级河流春季水环境中有机锡污染及有机锡在水/SPM(悬浮颗粒物)间的分配情况,于2013年3月分别在大宁河和小江采集地表水样,以三丁基锡(TBT)和三苯基锡(TPh T)及它们的代谢产物一丁基锡(MBT)、二丁基锡(DBT)、一苯基锡(MPh T)和二苯基锡(DPh T)为研究对象,采用固相微萃取处理溶解态样品,液液萃取-固相萃取处理悬浮颗粒态样品,气相色谱-质谱联用技术及内标法定量测定有机锡浓度,调查研究了大宁河和小江春季地表水溶解态和颗粒态样品中有机锡的浓度水平及分配特征.结果表明,该时期大宁河和小江的各监测点都不同程度地检测到了以上6种有机锡,但不同形态的有机锡在水环境中的分配差异较大.大宁河和小江溶解态样品中总有机锡污染水平明显高于颗粒态样品,并且溶解态样品中有机锡污染主要以低取代MBT和MPh T为主,而颗粒态样品主要以高取代丁基锡DBT和TBT为主.     

三峡库区出露期消落带沉积物磷分布特征

为了揭示经历完整反季节干湿交替周期消落带沉积物磷的源汇转化趋势,分析了三峡库区出露期消落带沉积物中磷酸盐的分布特征及含量变化.结果表明,首次经历完整反季节干湿交替的消落带宏观上表现出沉积物总磷(TP)累积现象,但覆水沉积物TP>落干沉积物TP,表明夏季水库开闸放水排沙,且消落带夏季出露期降雨资源丰富,有利于出露消落带表层沉积物被冲刷排除.有机磷(Or-P)含量升高是导致首次经历完整反季节干湿交替的消落带沉积物总磷积累的主要原因.消落带反季节干湿交替有利于沉积物中活性较高的活性磷(Ac-P)、Or-P的累积,有利于相对稳定的闭蓄态磷(O-P)、钙磷(Ca-P)排出.     

三峡库区“耕—果”转换时空变化特征及其启示——以草堂溪流域为例

三峡库区坡耕地如何实现功能转型,及其转型过程的作用机制对库区未来的粮食安全、生态安全等问题意义重大。本文利用0.51 m高清遥感影像数据,以草堂溪流域为研究区,结合野外实地考察,通过分析坡耕地向经果林的农地用途转换过程来揭示三峡库区坡耕地功能转型的内在机制。研究表明：（1）草堂溪流域的耕—果转换重心在2012年后,以高程800 m为拐点由西南部低海拔平坝地区向东北部高海拔、坡耕地覆盖地区转移,变化发生点均在坡度 15°~30°范围内;（2）研究区耕—果转换的集聚特征一般发生在8.5 km左右的特征尺度上,且空间分布随时间推移愈发均匀;（3）耕—果转换现象与人为活动关系密切,多发生在河流、道路及农村居民点附近;（4）耕—果转换可在微观与宏观尺度上总结为六种变化模式,受社会经济与自然因素驱动,库区耕—果转换的本质为坡耕地功能转型,且转型重点倾向于经济效益与生态效益的共赢。     

三峡库区城镇化影响下河流DOM光谱特征季节变化

三峡库区城镇化进程对河流溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)的组成和输运具有重要影响.本文选取三峡库区高城镇化河流桃花溪和低城镇化河流普里河,于春季(4 月)和夏季(8 月)采集水样,运用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术,分析DOM的季节变化和空间特征.结果表明,桃花溪和普里河的...     

三峡库区干支流落干期消落带土壤可转化态氮含量及分布特征

为探明三峡支流水体富营养化频发与库岸消落带土壤氮素"源-库"关系转化之间的内在关系,采用分级浸提法,分析了三峡库区长江万州段干流、苎溪河支流、密溪河支流消落带落干期土壤可转化态氮含量和分布特征.结果表明,与三峡库区万州段干流相比,支流消落带落干期土壤有机质和总氮含量较高,而阳离子交换量(CEC)和p H值较低.三峡干支流消落带土壤可转化态氮(TF-N)以OSF-N(有机态和硫化物结合态)为主,且含量上OSF-NIMOF-N(铁锰氧化物结合态氮)IEF-N(离子交换态氮)CF-N(碳酸盐结合态氮);而空间分布上,TF-N表现为:密溪河苎溪河长江干流,4种TF-N形态中IEF-N和OSF-N在干支流间无显著差异,而CF-N和IMOF-N分布与TF-N相反,是造成干支流消落带TF-N差异的主要因素.     

区域土地利用类型的胁迫转换与优化配置——以三峡库区为例

三峡大坝蓄水淹没土地、库区移民安置和新城及工矿迁建等带来了库区土地利用结构与布局的巨大变化。为此,如何构建符合景观生态学原理和可持续发展准则的宏观土地利用类型新格局,不仅是近10年内百万移民安置和生产布局的重点,而且关系到库区未来经济、社会与资源、环境的协调和可持续发展。论文分析了在土地淹没与置换的胁迫条件下,库区土地资源类型转换的方式与过程;从要素控制、地段设计到系统模式优化的不同层次,提出了库区土地生态设计模式与措施;并从产业协调发展的角度,提出了库区土地利用优化配置的方案。     

流域水质目标管理的风险识别与对策研究

以水质目标为约束和核心的管理将逐步完善、补充和强化当前的总量控制模式,成为我国中长期流域水环境管理的重要内容.流域水质目标管理是一个"响应→调控"并不断反馈调整的过程,但由于流域系统的非线性和不确定性,流域污染减排并不能完全确保水质目标的实现.本文将这种由不确定性而引致的流域水质目标的不完全可达性界定为风险,并在分析流域水质目标管理框架思路的基础上,识别并实证了水质目标管理中的主要风险来源,主要包括:1在"响应"层面,由于水质响应与负荷削减等措施间的非线性、时滞性、指标不协同等不对应关系带来的风险;2在"调控"层面,由于水环境管理缺乏适应性的调控和反馈机制而产生的水质达标风险.在此基础上,提出了流域水质目标风险管理的转变途径及其定量表征方法,以期为流域水质目标风险管理提供借鉴.     

SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势

模型是研究水环境变化、进行水环境管理的重要工具.SPARROW（spatially referenced regressions on watershed attributes）是一个基于质量平衡方法将监测数据与流域特征和污染物来源信息相关联的非线性流域回归模型,具有数据需求量少、结构透明、普适性强等优点.为深刻理解SPARROW模型在水环境管理中的应用现状及未来发展趋势,笔者对SPARROW模型的原理以及其在营养物背景浓度模拟、水质评价、水质目标管理、气候变化对水环境影响等方面应用的国内外研究现状进行了系统梳理.结果表明:①通过选择合适的参考点,SPARROW模型可以有效模拟流域背景营养物通量和浓度,为流域水质标准的制定提供参照依据.②SPARROW模型可将营养物监测获得的数据信息外推至未监测区域,在水质监测数据数量有限的情况下进行水质评价.③SPARROW模型可模拟不同土地使用条件、资源管理等情境下河流营养物负荷,为水质的管理与决策提供支撑.④气候变化情景下,基于SPARROW模型进行气候变化对水环境影响的研究可以支撑水环境管理方案的制定,以应对未来气候变化导致的营养物输出增加.针对SPARROW模型目前在应用中存在的问题进行了分析与讨论,建议未来在应用SPARROW模型时,加强以下几个方面的研究:①进一步开发高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、氨氮等相关模块;②将SPARROW模型与机器学习模型相结合,提高量化模型参数的能力,使模型更好地应用于不同尺度、不同流域的水质相关研究.      

松花江吉林段水环境分类管理研究

以松花江吉林段9a的监测资料为依据,采用因子分析和构建水环境分区管理模型对松花江吉林段水环境质量进行分析。采用因子分析方法,识别出河流的水污染成因,依据主成分得分合理划分出各类水环境管理区域,并提出相应的水环境管理措施。结果表明:松花江吉林段主要污染物是高锰酸盐指数、石油类和悬浮物,表现为工业点源污染和水土流失引发的面源污染;在水环境管理分区中,丰满周围区域属于轻污染,为水源保护江段,清源桥———哨口区域属于中度污染状况,为水环境自净江段,哨口———白旗区域属于重污染,为水环境控制江段。另外,针对水环境区域的污染成因和污染因子提出了相应的微观控制措施,为水环境达标治理提供了科学依据。这一工作的开展对于实施河流水环境污染总量控制,实现松花江吉林段水域的科学化分类管理具有一定的参考价值。