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吉林省西部灌区土地整理对地下水环境影响及风险评价

作　者: 张端梅
导　师: 梁秀娟
学　校: 吉林大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 灌区地下水环境指标体系风险评价标准模糊综合评价法突变理论对数型幂函数指数模型
分类号: P641.8
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

吉林西部灌区属于半干旱大陆性季风气候，降水量少、蒸发量大，是吉林省生态环境脆弱带。在环境变化和人为因素双重作用下，吉林西部生态环境日益恶化，土壤次生盐碱化问题加重，其导致的后果往往是潜在的、广泛性的和持久性的。吉林省是我国重要的商品粮生产基地。为了建立生态农业灌区，解决土地退化等问题，需要对吉林西部灌区进行土地整理，以实现生态环境改善和粮食增产目的。土地整理对地下水环境影响既有有利的影响，也有不利的影响。本文在收集研究区水文地质资料的基础上，对吉林省西部低平原区具有代表性的3个灌区五家子灌区、大安灌区和松原灌区，分析了土地整理对其地下水环境的影响，这对于实现灌区的可持续发展提供了依据，有着重要的意义。论文取得的研究成果如下：1、收集了研究区内现有的大量相关资料，对研究区的区域地质和水文地质情况进行了分析，研究区水质类型主要为重碳酸钙型和重碳酸钙钠型。选取了37个地下水水质取样点，采用综合评价分值法对地下水水质状况进行了分析，分析结果表明，3个灌区的潜水均以Ⅳ、V类水为主，不适合饮用；在嫩江白沙滩断面、大安灌区嫩江取水口处、松花江断面取样，采用单因子评价方法对灌溉水水质进行分析，分析结果表明，灌溉水质整体上基本满足灌溉用水要求。2、采用水量均衡原理和地下水流数值模拟，分析了土地整理对灌区地下水水量和水位的影响。分析结果表明，土地整理后，多年平均条件下，五家子灌区、大安灌区和松原灌区的地下水补给量分别增加21.82%、52.57%、33.29%，10年内地下水位分别上升了0.8m、0.6m和0.4m。一开始地下水位上升，但当地下水位上升到排水渠底板后，地下水位基本保持动态的平衡状态。3、分析土地整理对灌区地下水水质影响。采用质量守恒定律，分析了地下水矿化度有减少趋势；采用室内试验，分析了硝态氮在土壤中的吸附解吸特性，硝态氮在土壤中的解吸作用明显；采用美国EPA提出的健康风险评价模型(HRA)定量分析氮肥施用对人体健康的风险，指数值均小于1，说明灌区化肥使用对人体健康风险影响很小；农药由于其半衰期短，对地下水环境影响不大。4、以大安市月亮泡东灌区退水水质和前郭灌区退水水质进行分析对比，分析五家子灌区、大安灌区和松原灌区退水区受灌区农药化肥的影响程度；还有退水区水分蒸发量和盐分累积量。结果表明：农药对退水区的影响不大；化肥使用对退水区有一定的影响；退水区水分基本消耗于蒸发；10年内退水区重碳酸盐累积量分别为5.66×104t、10.23×104t和26.73×104t。5、干旱是水分收支不平衡的一种自然现象。本文对灌区干旱特点和趋势进行了分析。根据灌区已有的基本资料，采用P-III频率曲线、降水量距平百分率对灌区进行干旱特征分析，灌区降水量年际变化较不稳定，3个灌区出现干旱年数都在20%以上。采用灰色系统理论进行灌区干旱预测，得出了3个灌区的干旱响应模型。6、采用可开采系数法对灌区地下水可开采量进行了限值分析，在满足五家子灌区的地下水最大开采量2624.85×104m~3/a、大安灌区7000.69×104m~3/a、松原灌区27163.90×104m~3/a，开采地下水一般不会造成下游干旱。7、灌区是个复杂的农业系统，本文构建了农业种植结构多目标优化模型。该模型综合考虑灌区的节水效益、经济效益和生态效益，以用水量最小、粮食作物产量最大、生态效益最大化为3个最优目标，以面积、灌溉水量为约束条件，采用功效系数法求解计算，并将该模型用于五家子灌区。结果表明，在作物种植面积不减少的情况下，五家子灌区种植水稻和玉米，作物种植结构为最优化。8、按照代表性、综合性、系统性等指标选取原则，从自然状态、水环境、土壤环境和灌区环境4个相关指标，选取了17个评价因子，包括地下水天然防护能力、干旱指数、地下水补给模数、地下水可采模数、水位埋深、潜水矿化度、地下水开发利用程度、灌溉水盐度、灌溉水碱度、灌溉水矿化度、土壤含盐量、土壤碱化度、土壤有机质含量、渠系布置、化肥施用强度、农药施用强度和环境保护意识，按照目标层、准则层Ⅰ、准则层Ⅱ和基础指标层四个层次构建了灌区地下水环境风险评价指标体系。其次，按照国家标准、行业及地方规定颁布的有关标准和参考其他地区类似的有关标准，分析每个评价因子，对其进行风险等级的划分，并采用5个风险等级进行描述，风险等级为{无险，轻险，中险，重险，特险}。该指标体系内容全面、易于量化，可为其他灌区的地下水环境风险评价提供参考。9、采用模糊综合评价法、突变理论、对数型幂函数指数模型对3个灌区分别进行了地下水环境风险综合评价，并采用灵敏度分析法分析了灌区地下水环境风险指标体系建立的合理性。分析得出，各指标的灵敏度值均不超过5，说明评价结果对误差不敏感，灌区地下水环境风险指标体系的建立是合理可行的；土地整理前，3个灌区地下水环境是存在风险，处于轻险状态，风险评价结果与实际情况较为符合；土地整理后灌区地下水环境处于无险状态。在吉林西部进行土地整理使灌区地下水环境向良性发展。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-24
  1.1 选题依据及研究意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-21
  1.3 研究内容及技术路线  21-22
    1.3.1 研究内容  21-22
    1.3.2 技术路线  22
  1.4 创新点  22-24
第2章研究区概况  24-39
  2.1 自然地理和社会经济概况  24-30
    2.1.1 地理位置  24-27
    2.1.2 气候  27
    2.1.3 水文  27-29
    2.1.4 土壤特征  29
    2.1.5 社会经济状况  29-30
  2.2 区域地质及水文地质  30-39
    2.2.1 区域地质  30-32
    2.2.2 区域水文地质  32-39
第3章土地整理对灌区地下水环境的影响  39-88
  3.1 土地整理的设计方案  39-40
    3.1.1 五家子灌区  39
    3.1.2 大安灌区  39-40
    3.1.3 松原灌区  40
  3.2 土地整理对灌区地下水水量的影响  40-64
    3.2.1 参数分区  40-42
    3.2.2 参数计算与选用  42-44
    3.2.3 土地整理前地下水资源量的计算  44-54
    3.2.4 土地整理后地下水资源量的计算  54-57
    3.2.5 土地整理对地下水水位的影响  57-63
    3.2.6 土地整理对地下水量和水位的影响分析  63-64
  3.3 土地整理对灌区地下水水质的影响  64-71
    3.3.1 地下水水质状况  64-66
    3.3.2 引水水质状况  66-67
    3.3.3 土地整理后地下水水质分析  67-71
  3.4 土地整理对灌区土壤次生盐渍化的影响  71-73
    3.4.1 土壤盐渍化和次生盐渍化形成过程  71
    3.4.2 灌区形成土壤次生盐渍化的可能性分析  71-73
  3.5 土地整理对退水区地下水环境的影响  73-77
    3.5.1 退水方案  73
    3.5.2 退水区地下水水位  73-74
    3.5.3 退水区地下水水质  74-77
    3.5.4 退水区土壤盐渍化分析  77
  3.6 土地整理对下游地区干旱风险的影响  77-84
    3.6.1 干旱风险  77
    3.6.2 干旱特征分析及干旱预测  77-83
    3.6.3 地下水可开采量的限值分析  83-84
    3.6.4 开采地下水造成下游干旱的风险性分析  84
  3.7 灌区作物种植结构多目标优化模型  84-88
    3.7.1 模型的建立  85-86
    3.7.2 灌区作物种植结构优化  86-88
第4章灌区地下水环境风险指标体系研究  88-105
  4.1 地下水环境风险评价的内涵  88
  4.2 评价指标体系  88-89
    4.2.1 指标及指标体系  88
    4.2.2 指标体系构建原则  88-89
  4.3 灌区地下水环境风险影响因素  89-103
    4.3.1 自然状态  90-94
    4.3.2 水环境  94-98
    4.3.3 土壤环境  98-101
    4.3.4 灌区环境  101-103
  4.4 指标体系的构建和风险等级的划分  103-105
    4.4.1 指标体系的构建  103
    4.4.2 风险评价等级划分结果  103-105
第5章灌区地下水环境风险评价  105-133
  5.1 灌区基本情况  105-106
  5.2 应用模糊综合评价法对灌区地下水环境风险进行评价  106-115
    5.2.1 模糊综合评价原理  106
    5.2.2 灌区地下水环境风险等级多级模糊评价步骤  106-109
    5.2.3 实际区域评价  109-115
  5.3 应用突变理论对灌区地下水环境风险进行评价  115-122
    5.3.1 突变理论基本原理与算法  115-118
    5.3.2 实际区域评价  118-122
  5.4 应用对数型幂函数指数模型对灌区地下水环境风险进行评价  122-127
    5.4.1 对数型幂函数指数模型  122-124
    5.4.2 基于遗传算法的模型参数优化  124-125
    5.4.3 综合指数的分级标准  125-126
    5.4.4 实际区域评价  126-127
  5.5 评价结果合理性分析  127-132
    5.5.1 指标体系灵敏度分析  127-130
    5.5.2 评价结果对比分析  130-132
  5.6 土地整理对灌区周边环境的影响  132-133
第6章灌区地下水环境风险管理及对策  133-136
  6.1 管理措施  133
  6.2 工程措施  133-134
  6.3 生态措施  134-135
  6.4 农业措施  135-136
第7章结论和建议  136-139
  7.1 结论  136-137
  7.2 建议  137-139
参考文献  139-145
攻读博士学位期间发表论文  145-146
导师及作者简介  146-147
致谢  147

吉林省西部灌区土地整理对地下水环境影响及风险评价

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