[正版][科学出版社直发]三峡库区水质与水生态环境分区评价

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三峡库区水质与水生态环境分区评价
	曾用价	50.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2017年11月
	开本	16
	著编译者	刘广龙
	页数	172
	ISBN编码	9787030555083

　　三峡水库的修建和运行在带来巨大经济效益的同时，也对库区水质和水生态安全产生了重大影响。随着三峡水库进入175m稳定运行期后，其库区水质和水生态安全产生了新的变化。本书通过对三峡水库175m稳定运行期后干流水质监测数据的获取及分析，采用模糊综合评价等多种方法分析库区干流的水质；采用国际先进的Deflt 3D模型对库区支流的水文和水质进行模拟；基于DPSIR模型，对库区不同分区如库首、库腹和库尾及不同角度如农业面源污染、城镇化等进行水生态安全评价。以期相关工作能对三峡库区进一步的科学管理提供依据。

目录
第1章 绪论 1
1.1 三峡库区概况 1
1.1.1 自然概况 1
1.1.2 社会经济概况 5
1.1.3 面源污染来源分析 6
1.1.4 城镇化现状 7
1.2 水质评价 7
1.2.1 国内外研究动态 7
1.2.2 主要方法 9
1.2.3 方法比较 13
1.3 水生态安全评价 14
1.3.1 指标体革 14
1.3.2 技术方法 15
1.3.3 水生态安全指数预测 17
第2章 三峡库区平流水质诊断方法 19
2.1 主成分分析法原理与运算 19
2.1.1 主成分分析法概述 19
2.1.2 主成分分析法在水质评价中的应用 20
2.1.3 175 m 蓄水位运行后干流水质时空特征 22
2.1.4 不同水位条件下主成分分析法分析水质空间变化 34
2.2 聚类分析 41
2.2.1 聚类分析法概述 41
2.2.2 2012 年三峡库区干流断面聚类分析 42
2.2.3 不同水质指标下三峡库区干流断面聚类分析 43
2.3 逐步判别分析法 45
2.3.1 Bayes 判别分析法 45
2.3.2 三峡库区水质评价 46
2.3.3 小结 49
2.4 基于分层遗传算法的投影寻踪模型 50
2.4.1 水质评价指标 50
2.4.2 建立投影寻踪模型的步骤 50
2.4.3 加速分层遗传算法优化模型 51
2.4.4 水质评价及结果分析 51
2.4.5 小结 53
2.5 距离评判理论和支持向量机的水环境质量评价 54
2.5.1 基本理论 54
2.5.2 基于距离评判理论构建水环境质量评价指标体革 56
2.5.3 三峡库区水环境质量评价模型的构建 57
2.5.4 小结 58
第3章 三峡库区不同水位条件下水质变化特征 59
3.1 Delft3D 模型概述 59
3.1.1 Delft3D 模型介绍 59
3.1.2 Delft3D 模型结构模块 59
3.1.3 Delft3D 模型部分模块介绍 59
3.1.4 基本原理 61
3.2 香溪河流域水质变化特征 62
3.2.1 香溪河研究区域概况 62
3.2.2 Delft3D 模型构建和水动力模拟 63
3.2.3 水动力分析 70
3.2.4 香溪河水质模拟 75
3.2.5 小结 82
3.3 大宁河研究区水质变化特征 82
3.3.1 研究区域概况与数据来源 82
3.3.2 Delft3D 网格创建与水动力模拟 83
3.3.3 结果与讨论 85
3.3.4 小结 93
第4章 三峡库区水生态安全评价 94
4.1 基本术语 94
4.1.1 水生态安全 94
4.1.2 生态风险 94
4.1.3 水生态安全评价 94
4.1.4 水生态安全评价的指标体革 94
4.1.5 水生态安全评价的方法 94
4.2 技术路线和思路 94
4.3 概念模型 95
4.3.1 DPSIR 模型的发展历史 95
4.3.2 DPSIR 模型的原理、结构 96
4.4 评估指标体系构建 96
4.4.1 指标选取原则 97
4.4.2 评价指标 97
4.5 数据预处理和标准化 105
4.6 权重的确定 106
4.7 生态安全度等级划分 106
4.8 评估过程 107
4.9 三峡库区水生态安全评价一一基于DPSIR 框架分析 108
4.9.1 研究地域 108
4.9.2 研究背景 108
4.9.3 数据来源 109
4.9.4 评价指标 109
4.9.5 评价指标标准佳 109
4.9.6 评价指标权重 110
4.9.7 三峡库区干流水生态安全评价结果与分析 112
4.9.8 三峡库区典型支流——小江水生态安全评价结果与分析 122
4.9.9 三峡库区典型支流——香溪河水生态安全评价结果与分析 125
4.9.10 三峡库区典型支流——大宁河水生态安全评价结果与分析 128
4.9.11 农业面源视角下三峡库区水生态安全评价基于DPSIR 分析 131
第5章 三峡库区水生态安全调控对策 143
5.1 三峡库区水环境问题诊断 143
5.1.1 三峡库区干流水环境问题诊断 143
5.1.2 三峡库区典型主流水环境问题诊断 144
5.2 三峡库区水生态安全问题解析 144
5.3 三峡库区生态产业发展及水污染防治对策 146
5.3.1 产业发展模式 146
5.3.2 农业一一多种模式的生态高效农业 147
5.3.3 渔业保护、改善 148
5.3.4 畜牧业利用库区资源综合发展 149
参考文献 150

第1章 绪论
　　1.1 三峡库区概况
　　1.1.1 自然概况
　　1. 地理位置与流域水系
　　三峡库区位于湖北省西部和重庆市中东部，地跨东经105°44′～111°39′，北纬28°32′～31°44′，所辖地域分为三峡库区和重庆主城区，共涉及20个区县，包括湖北省的巴东县、秭归县、兴山县和夷陵区4个区县，重庆市的江津区、渝北区、巴南区、长寿区、涪陵区、武隆区、丰都县、石柱土家族自治县、忠县、万州区、开洲区、云阳县、奉节县、巫山县、巫溪县15个区县(市)和主城区(包括渝中区、大渡口区、江北区、沙坪坝区、九龙坡区、南岸区、北碚区7区)。总幅员面积为55742km2，其中水域面积为1862km2，占总面积的3.34%；总库容393×108m3；水库全长660km，平均宽度1.1km，平均水深90m。三峡库区江河纵横，水系发达，分属长江干流、嘉陵江、乌江、汉江和洞庭湖等水系。当三峡水库处于175m正常水位时，长江干流的河面宽度一般为700～1700m，干流平均宽度约1100m，其中大部分库区河段睡眠宽度不超过1000m，仅万州区到丰都县之间约150km库段的水面宽度超过1300m。库区干流河段水流平均深度约70m，在坝前达到*大水深，约为170m。水库建成后，由于回水顶托的作用，造成三峡库区内171条支流洄水长度达到1km，16条支流洄水长度达到20km。
　　2. 地形、地貌特征
　　三峡库区内地形复杂，跨越川鄂中低山峡谷和川东平行岭谷低山丘陵区，北靠大巴山麓，南依云贵高原北麓，处于大巴山断褶带、川东褶皱带和川鄂湘黔隆起褶皱带三大构造单元的交汇处。奉节以东属川东鄂西山地，奉节以西属川东平行岭谷低山丘陵区，高差悬殊，山高坡陡，河谷深切。三峡库区地处中国第二级阶梯的东缘，东西部海拔高程一般为500～900m，中部海拔高程一般为1000～2500m，主要地貌类型有中山、低山、丘陵、台地、平坝。山地占库区总面积的74.0%，丘陵占21.7%，河谷平原占库区总面积的4.3%。
　　3. 气候特征
　　三峡库区地处中亚热带北部地区，属于亚热带季风湿润气候。主要气候特征为日照充足、气候温暖、雨量充沛、湿度较大、温湿凉热、云雾多、无霜期长、四季分明。年平均气温在15～19℃，无霜期达300～340d。由于三峡库区山高谷深、高差较大，年平均气温高于长江中下游同纬度地区2℃左右。从2001年开始，已连续12年气温偏高。近年来，三峡库区年平均气温一直呈现着上升的趋势，这与西南地区年平均气温的变化趋势基本一致。年均降水量高达1000～1300mm，降水量主要集中在6～9月，占年降水量的50%～65%，多年年均径流量401.8×108m3，6～10月径流量占年径流总量的74.8%～81.7%。海拔500m以下的地区年平均气温10℃以上年积温为5000～6000℃(国家环境保护总局，2007)。
　　三峡库区主要气候灾害有暴雨洪涝、低温阴雨、高温、干旱和大雾等，其中暴雨洪涝的危害居库区气象灾害之首，每年4～11月均会发生洪涝灾害，其中6月与7月发生次数几乎占总次数一半。
　　4. 土地与植被特征
　　三峡库区成土母质复杂，发育的土壤类型多样，一共有7个土类16个亚类。主要土壤类型有黄壤、黄棕壤、紫色土、水稻土、石灰土等。紫色土占土地总面积的47.8%，此种土松软易耕、富含磷钾元素，是三峡库区重要的柑橘产地；石灰土占34.1%，大面积分布在低山丘；黄壤、黄棕壤占16.3%，分布于河谷盆地和丘陵地区，土壤自然肥力较高，是库区的基本地带性土壤。三峡库区已发现的矿产达75种，已探明储量的有39种，是中国矿产资源比较丰富的地区。据《三峡工程生态和环境监测公报》，2008年库区可利用土地8640万亩1亩=666.67m2。，其中农业用地2170万亩，林业用地3486万亩，其他用地2984万亩，分别占库区可利用土地的25%、40%和35%。在2170万亩农业用地中，耕地1789万亩，占82.4%(图1.1)，多分布在长江干支流两岸，大部分是坡耕地和梯田。
　　图1.1三峡库区土地利用面积比例图
　　三峡库区为亚热带季风气候，以栲、楠为主的常绿阔叶林是三峡库区的地带性植被。由于本区域未曾遭受第四纪冰川的侵袭，植物资源极为丰富，三峡库区已知的高等植物(苔藓除外)有182科885属2859种，其中包括26亚种、14变型，总数约为全国植物总数的 10.28%，种子植物总数的9.85%(王汉元，2006)。三峡库区内在海拔1000m以下的地区，除残存小面积的未受人为强烈干扰的群落外，几乎无法找到能反映原来生态群落结构面貌的植被类型。原始的自然植被，只有在较高海拔的地段才能见到。在三峡库区，现在广泛分布的是柏木林、马尾松林以及它们的幼林，还有各种灌木丛、农田和草地。库区东北部和东南部山地残留的原始性植被，正支撑着这些支流河源的生态功能，整个三峡库区的森林覆盖率为27.3%(重庆市环保局，2002)。在2010年，三峡库区森林面积250.86万公顷，森林覆盖率43.50%。其中，重庆库区森林面积171.49万公顷，森林覆盖率37.03%，湖北库区森林面积79.37万公顷，森林覆盖率69.89%(中华人民共和国环境保护部，2010)。农、林、土特产资源丰富，据统计，经济植物超过2000种，其中药用植物1000多种，中药材、柑橘、茶叶、榨菜等在国内外享有盛名。目前三峡库区多数区县农业仍以传统种植业为主。
　　5. 水系与水资源开发利用
　　三峡库区水系庞大、河流纵横：除嘉陵江、乌江及长江干流河系外，有流域面积大于等于100km2的支流152条，其中重庆境内121条、湖北境内31条；流域面积大于等于1000km2的支流19条，其中重庆境内16条、湖北境内3条。三峡库区主要支流见表1.1。嘉陵江、乌江是库区*大的两条支流，其他典型支流有香溪河、大宁河、梅溪河、汤溪河、磨刀溪、小江、龙河、龙溪河、御临河等。
　　表1.1 三峡库区主要一级支流统计表
　　嘉陵江发源于陕西省秦岭南麓，流经陕西、甘肃、四川三省，在合川古楼进入重庆市，入境水量275.5×108m3，在重庆渝中区朝天门处汇入长江。流域面积15.79×104km2，全长1120km，河口多年平均流量2120m3/s，在重庆市境内的河长153.8km，流域面积9262km2，落差43.1m。
　　乌江发源于贵州省咸宁县的乌蒙山麓，沿酉阳边界流过，经彭水、武隆，在涪陵城东注入长江，流域面积87920km2，河流全长1020km，河口多年平均流量1650m3/s，重庆入境水量396.7×108m3，境内河长235km,流域面积2.85×104km2。
　　三峡库区年平均水资源总量401.8×108m3，具有防洪、发电、航运等综合效益。
　　（1）防洪。三峡工程位于湖北宜昌夷陵区三斗坪镇，在长江防洪体系中的战略地位和发挥的防洪作用极其重要。三峡水库正常蓄水位175m，防洪库容221.5×108m3，对上游突发洪水可起到有效控制的作用。三峡水库调控蓄水，使荆江河段防洪标准由成库前的“十年一遇”提高到“百年一遇”或类似于1870年的特大洪水，减轻对中下游武汉市等地的洪水威胁和因洪灾造成的损失。
　　（2）发电。三峡水电站，即长江三峡水利枢纽工程，与下游的葛洲坝水电站构成梯级电站。三峡电站安装32台70万kW水轮发电机组和2台5万kW水轮发电机组，总装机容量达2250万kW，年均发电量超过1000×108kW？h，是世界上装机容量*大的水电站。葛洲坝水电站位于湖北宜昌的长江三峡末端河段上，距长江三峡出口南津关下游2.3km。二江水电站安装2台17万kW和5台12.5万kW机组，大江水电站安装14台12.5万kW机组，总装机容量达271.5万kW，年均发电量140×108kW？h。
　　（3）航运。由于三峡工程抬高了水位，可显著改善宜昌至重庆660km的长江航道，万吨级船只可直达重庆港，河道单向年通过能力5000×104t，运输成本是原来的63%～65%。经三峡水库调节上游来水，三峡大坝下游枯水季*少流量由成库前的3000m3/s提高到5000m3/s，使三峡大坝下游枯水季的航运条件也得到了改善。
　　6. 主要的生态环境问题
　　(1) 三峡库区城镇污染主要源自工业化和城镇化过程中所排放的工业废水和生活污水。由于三峡库区主要是山区，经济欠发达，配套的污染防治设施和措施严重不到位，不能满足工业增长和城镇人口增长所带来的资源消耗和污水的排放，致使资源重复利用率低、污染排放量大，生态环境遭到破坏、水源遭到污染。据调查，2007年三峡库区湖北段工业污水排放总量为1857×104t，其中COD负荷量为611t;城镇集中式生活污水排放总量为3474×104t，其中COD负荷量为13975t。三峡库区点源COD负荷量为14586t，占整个库区总COD负荷量的26.4%。这些污染负荷部分或是较少经过处理后排放，并在雨水的冲刷作用下汇流进入三峡库区，对库区污染负荷总量造成影响。
　　(2) 三峡库区农村非点源污染分为以下四类，主要是农村生活污水、畜禽养殖废水、渔业养殖废水以及农药化肥施用的流失。农村生活污水基本上没有经过任何处理直接排放，会产生大量的污染负荷，经雨水的冲刷和地表径流的传输，*终汇流入三峡库区，对库区污染负荷总量造成影响。据分析，库区非点源污染COD负荷量为40584t，占库区总COD负荷量的73.6%。由以上分析可知，非点源污染几乎占库区污染负荷的3/4，其中水土流失、畜禽养殖污染和农村生活废水的排放是库区富营养化污染的*主要的三个原因。
　　(3) 森林覆盖率低、资源消耗量大。三峡库区林种比较单一，多数为人工林，层次结构简单。由于三峡工程的兴建而淹没了大片土地，人均耕地面积进一步变少，而人口数量却是不断增加，人类活动强度也变得比以前要大，进一步增大资源环境的压力，垦荒开田和自然资源的掠夺开发愈演愈烈。
　　1.1.2 社会经济概况
　　2011年，三峡库区户籍总人口1672.77万人，比上年增加0.7%。其中，农业人口1147.51万人，比上年减少5.3%；非农业人口525.26万人，比上年增加17.3%。非农业人口占总人口的比重为31.4%。
　　库区农业经济以种植业为主，其主要产品有水稻、小麦、榨菜、中药材、柑橘等。库区特殊的土壤、水质环境和气候适合榨菜生长，形成了以涪陵为中心主产区的榨菜种植业，其产品远销海外，十分著名。而三峡库区作为我国著名的柑橘生产地，宜昌等地的柑橘亦全国闻名。
　　三峡库区总体来说，社会发展水平依然比较落后，在国家和地方政府帮扶以及三峡建设所带来的经济发展契机下，经济发展较为迅速，人民生活条件有了较大的提高。据《三峡工程生态与环境监测公报》所知，在2011年，整个三峡库区实现了4444.66亿元的生产总值，较上年增长16.8%。其中重庆库区生产总值达4000.01亿元，同比增长16.9%；湖北库区生产总值为444.65亿元，同比增长16.0%。**、二、三产业分别实现增加值486.64亿元、2636.59亿元和1321.48亿元，分别比上年增长5.3%、21.7%和11.6%，其中工业增加值2009.63亿元，同比增长21.8%。**、二、三产业增加值比例为11.0∶59.3∶29.7。
　　三峡地跨重庆市和湖北省，库区内风景优美，旅游景点众多。河流两岸崇山峻岭，悬崖绝壁，风光奇绝，两岸陡峭连绵的山峰，一般高出江面700～800m。江面*狭处只有100m左右。瞿塘峡、巫峡、西陵峡、宏伟的三峡工程、大宁河小三峡等都是风光绮丽的著名旅游景点。长江三峡是中国文化的一个重要发源地，历史文化名胜众多。如南津关孙夫人庙、云阳张飞庙、丰都鬼城、奉节白帝城等都是著名的名胜古迹。
　　1.1.3 面源污染来源分析
　　1. 农田化肥污染
　　三峡库区**产业的快速发展与化肥的施用有很大关系，农业生产得越快，对化肥的需求也就越来越多，施用率也就越来越高，进而过多的化肥使用量使区域内的生态环境受到了严重的考验。并且库区各地的农民在施肥的过程中，对于施肥的时机、施肥量、施肥的方法掌握得不是很专业，造成了较低的化肥利用率。据相关研究，我国氮肥的利用率只有30%～35%，磷肥利用率只有10%～20%，钾肥利用率在40%～50%，平均化肥利用率较发达国家低10%～15%。由于不合理的施肥，很多的肥料残存在土壤中，在降雨等因素作用下而造成化肥流失，多余的氮磷肥便通过地表径流进入水体，或是通过下渗进入地下水，造成库区水体污染。
　　据对氮肥、磷肥的残留和流失的研究资料表明，作物对氮肥的利用率平均为35%，氮肥在土壤中残留率平均为30%，地面径流率为9%，地下淋溶率为0.54%。磷是引起水库富营养化的主要限制因子，磷肥在环境中主要是以P2O5的形式存在，根据磷的研究资料表明，作物对磷肥的利用率平均为34%，磷肥在土壤中残留率平均为13%，地面径流率为5%，地下淋溶率为0.75%。
　　2. 畜禽养殖污染
　　畜禽养殖的过程中会产生大量的畜禽粪便，这些畜禽粪如果加以利用便是资源，如果当成废弃物或是利用不合理那就是污染源。由于山区农民的环保意识薄弱，也没有专门的处理畜禽粪便的企业落户山区，产生的畜禽粪便也就没有经过专门的处理，只是用畜禽粪便、青草和土壤在一起堆肥，等腐熟了之后作为肥料，一旦遇到降雨，粪肥会被雨水冲刷而随着地表径流进入库区，使得库区湖北段水体中氮磷等营养元素增加，有可能引起水体富营养化。
　　据调查，牲猪是库区湖北段主要的畜种，鸡是主要的禽种，大牲畜主要是牛。2007～2012年，畜禽养殖的数量呈现出稳步的增长趋势。到2012年底，畜牧存栏量(以猪计)达256.25万头。
　　3. 生活污染
　　三峡库区城镇生活污水、农村生活污水处理效率低，污水处理设施配套不足，且很难

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