非点源污染模型研究及其在香溪河流域的应用

论文摘要

中国正面临着严重的水质危机,大量湖泊、水库处于富营养状态,直接威胁到饮用水安全。三峡水库运行后所造成支流水体富营养化问题已经显现,一些支流开始发生水华现象。在点源污染逐步得到控制的情况下,非点源的氮、磷的汇入便成为富营养化的重要因素。构建流域分布式非点源污染模型是对流域泥沙、污染物进行量化,并研究它们的变化规律的有效方法。本文首先参照分布式水文模型的通用框架,建立了能够描述土地覆被、土壤水力特性的坡面单元产流计算子模型和河网汇流计算子模型,然后将土壤侵蚀/输移模型和污染物输移模型嵌入到两个子模型中,形成分布式非点源污染模型,在总体框架的构建方面取得了新的发展。对分布式非点源污染模型的支撑技术进行了系统研究:以数据结构中的多叉树理论为基础提出了自动建立子流域拓扑关系的新算法;采用“+1”分级与Strahler分级的河网生成算法,实现了同级河段的多线程并行汇流计算及扩散波与动力波汇流计算的自动搭接。利用Visual C++开发环境结合GIS、数据库和多线程并行计算等多种技术,开发了综合计算平台。该计算平台具备了通用模型系统的基本功能及扩展功能,即前处理、模型计算、后处理功能,重视功能模块间的组织和配合,具有较强的适应性和可扩展性。平台的数据自动提取、制备功能得以增强,支持基于数据库和基于文件的数据流模式,能够支持Access、Oracle多种流行数据库格式。坡面计算采用多线程并行计算机制,能充分发挥多核计算机的工作效能。选取香溪河流域作为研究对象,收集整理了流域内的水文、气象、土地、植被等数据,同时计入工业、农业及生活排水量和排污量,对流域内的水文动态过程进行了模拟,并与流域内的兴山水文站的资料进行了对比验证。在水文模拟的基础上,对土壤侵蚀和氮磷污染负荷的变化过程、规律进行了模拟研究。结果表明,流域内的土壤侵蚀量与短时降雨强度正相关;月平均总氮浓度与降雨量存在明显的正相关,而月平均总磷浓度则主要受人类生产生活的影响;三峡蓄水后,随着污染物在香溪河库湾内的蓄积,库湾内的水质将有可能进一步恶化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 非点源污染概述
• 1.2.1 非点源污染概念
• 1.2.2 非点源污染特点及发生机理
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 国外研究现状及进展
• 1.3.2 国内研究现状及进展
• 1.3.3 非点源污染常用模型及评价
• 1.4 研究内容和技术路线
• 第2章 GIS/RS 在分布式模型中的应用
• 2.1 数字高程模型
• 2.2 基于数字高程模型的河网提取
• 2.2.1 DEM 预处理
• 2.2.2 水流方向矩阵生成
• 2.2.3 水流累积矩阵
• 2.2.4 河网提取
• 2.2.5 分水线的确定和子流域划分
• 2.2.6 常用软件及其处理流程
• 2.3 流域离散化研究
• 2.3.1 流域离散化方法
• 2.3.2 计算单元拓扑关系算法研究
• 2.3.3 可并行汇流演算的河网分级算法研究
• 2.4 遥感在分布式模型中的应用
• 2.5 本章小结
• 第3章 综合模型的原理及模拟方法
• 3.1 综合模型概述
• 3.2 坡面水文过程及污染物淋洗数学物理描述
• 3.2.1 坡面单元的概化
• 3.2.2 植被冠层降雨截流模型
• 3.2.3 积雪融雪计算模型
• 3.2.4 蒸散发计算模型
• 3.2.5 饱和—非饱和土壤水分运动模型
• 3.2.6 坡面径流模型
• 3.2.7 坡面产输沙模型
• 3.2.8 坡面污染物淋洗模型
• 3.3 沟道汇流及污染物演进模型
• 3.3.1 沟道汇流模型
• 3.3.2 沟道泥沙侵蚀模型
• 3.3.3 沟道污染物输移模型
• 3.4 模型参数说明
• 3.5 本章小结
• 第4章 综合计算平台开发
• 4.1 综合计算平台基本框架
• 4.2 数据处理模块
• 4.2.1 时间相关序列的时间插值
• 4.2.2 降雨数据空间插值
• 4.2.3 气温数据空间插值
• 4.3 GIS 模块
• 4.3.1 DEM 读取及参数提取
• 4.3.2 Shape 文件读取
• 4.3.3 图层管理
• 4.4 参数设置模块
• 4.4.1 文件组织管理
• 4.4.2 计算参数配置
• 4.4.3 沟道汇流计算参数配置
• 4.5 后台数据库模块
• 4.5.1 数据库连接
• 4.5.2 数据表结构
• 4.6 计算模型模块
• 4.6.1 坡面单元计算模块
• 4.6.2 扩散波汇流计算模块
• 4.6.3 动力波汇流计算模块
• 4.7 本章小结
• 第5章 综合模型基础资料制备
• 5.1 香溪河流域自然地理概况
• 5.1.1 流域位置
• 5.1.2 地质地貌
• 5.1.3 水文气象
• 5.1.4 土壤植被及生物资源
• 5.1.5 水土流失现状
• 5.2 流域经济和社会概况
• 5.3 流域空间数据
• 5.3.1 数字地形资料及子流域划分
• 5.3.2 土地利用方式资料
• 5.3.3 土壤类型资料
• 5.3.4 NDVI 和植被覆盖率资料
• 5.4 流域专题数据
• 5.4.1 土壤属性数据
• 5.4.2 气象资料数据
• 5.5 数据的时空展布
• 5.5.1 气象数据的时空展布
• 5.5.2 土地利用和土壤类型的时空展布
• 5.5.3 植被相关数据的时空展布
• 5.6 香溪河污染源分析
• 5.6.1 主要污染源概况
• 5.6.2 现状水质评价
• 第6章 综合模型在香溪河流域的应用
• 6.1 模型参数率定和验证
• 6.1.1 率定和验证的技术路线
• 6.1.2 径流参数率定及验证
• 6.1.3 泥沙参数率定及验证
• 6.1.4 污染物参数率定及验证
• 6.2 模型参数的确定
• 6.3 结果分析与讨论
• 6.3.1 径流模拟结果
• 6.3.2 污染物模拟结果
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 本研究的创新点和取得的进展
• 7.3 研究的不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果