基于地貌特征的流域水—沙—污染物耦合模型及其应用

论文摘要

水环境恶化是全球共同面临的问题,非点源污染是水体污染的重要来源,也是当前研究的热点和难点。采用水、沙、污染物耦合的流域水文模型进行非点源污染模拟,对深化流域水文循环、泥沙和污染物产生及输移转化过程的认识,提高流域水资源与水环境的综合管理水平有重要意义。流域水沙运动及其承载的污染物运移与地形地貌和生态之间是相互作用、相互影响的,论文基于地貌特征划分水文响应单元,在GBHM水文过程模型基础上,耦合泥沙和污染物的运动过程,建立了流域水-沙-污染物耦合机理模型GBHM-CWSP,对流域水文过程、土壤侵蚀和泥沙输移以及污染物迁移转化过程采用物理性的方程进行描述,可体现地貌特征对流域水文、泥沙和污染物运移过程的控制性作用,在保持机理性和模拟精度的前提下减少计算量。分析了张家坟水文站多年径流泥沙资料,认为土石山区土壤侵蚀产沙受“侵蚀能力”和“可侵蚀量”双重控制,在土壤侵蚀和河道冲淤动力学模型中增加“可侵蚀量”作为实际土壤侵蚀量和河道冲刷量的阈值,改进了流域泥沙运动的模拟。根据土壤溶质向坡面径流中的输出及其在土壤中运移的不同机制,构造了降雨径流与土壤水的交换函数,建立径流层、混合层和土壤层的水分溶质耦合运移方程,将土壤中污染物垂向运动与流域地表径流中沿坡向运移结合,建立了机理性流域坡面单元污染物运移模型。论文以潮白河流域为研究对象,建立了水-沙-污染物耦合模型,并利用下会、张家坟两个水文站的径流和水质实测数据进行模型的率定和验证。应用GBHM-CWSP模型,采用情景模拟方法分析了潮白河流域1980-2005年的径流、泥沙和污染负荷变化趋势及其与土地利用、气象要素变化之间的关系。研究表明,气象要素变化是引起径流、泥沙和氮磷污染负荷变化的主要原因,其贡献率分别为92%、95%、51%和70%。论文还应用GBHM-CWSP模型,对IPCC提供的两种未来气候情景模式下潮白河流域径流、泥沙和氮磷负荷量进行了预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 流域综合管理与非点源污染
• 1.1.2 水-沙-污染物耦合模拟
• 1.2 流域非点源污染模型的国内外研究现状
• 1.2.1 非点源污染模型的研究进展
• 1.2.2 非点源污染模型的发展趋势
• 1.3 流域地貌特征与水文过程、土壤侵蚀和污染物运移
• 1.4 本文研究的思路和主要内容
• 第2章 流域水-沙-污染物耦合模型GBHM-CWSP 的结构及原理
• 2.1 耦合模型的单元划分及模型框架
• 2.1.1 基于地貌特征的单元划分
• 2.1.2 模型框架及原理
• 2.2 降雨径流子模型
• 2.2.1 坡面单元的水文过程
• 2.2.2 河道水流演进
• 2.3 土壤侵蚀及泥沙输移子模型
• 2.3.1 土壤可侵蚀量
• 2.3.2 坡面单元的土壤侵蚀
• 2.3.3 河道中泥沙输移
• 2.4 污染物迁移转化子模型
• 2.4.1 坡面单元污染物的迁移和转化
• 2.4.2 河道中污染物的输移
• 2.4.3 点污染源
• 第3章 坡面单元水分和污染物运动的耦合模拟
• 3.1 坡面氮、磷流失的模拟
• 3.2 土壤中氮、磷的迁移和转化模拟
• 3.2.1 土壤中氮的迁移和转化
• 3.2.2 土壤中磷的迁移和转化
• 3.2.3 土壤中氮磷迁移转化的基本方程
• 3.3 城区的非点源污染
• 3.4 位山灌区田间土壤水分-溶质观测与模拟
• 3.4.1 位山灌区概况
• 3.4.2 田间观测及结果分析
• 3.4.3 模拟计算
• 3.5 流域非点源污染的影响因素
• 第4章 GBHM-CWSP 模型的建立、率定和验证
• 4.1 潮白河流域概况
• 4.1.1 自然条件
• 4.1.2 社会经济状况
• 4.2 基础数据处理
• 4.2.1 DEM 数据及子流域划分
• 4.2.2 土地利用数据
• 4.2.3 土壤数据
• 4.2.4 NDVI 和植被数据
• 4.2.5 气象站及雨量站数据
• 4.2.6 作物种植及施肥管理
• 4.2.7 点源和非点源污染
• 4.3 模型的率定和验证
• 4.3.1 径流参数的率定和验证
• 4.3.2 泥沙参数的率定和验证
• 4.3.3 污染物参数的率定和验证
• 第5章 GBHM-CWSP 模型在潮白河流域的应用变化条件下的水量水质分析
• 5.1 近30 年降水径流变化趋势
• 5.2 土地利用及气象要素变化对水量水质的影响
• 5.2.1 土地利用的变化情况
• 5.2.2 土地利用变化的影响
• 5.2.3 气象要素变化的影响
• 5.3 未来气候条件下的水量水质变化预测
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要成果
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附表 点源污染负荷的估算
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果