城市化流域降雨径流污染的频率分析方法研究 ——以深圳石岩河流域为例

论文摘要

我国快速城市化地区的流域面临着严重的降雨径流污染问题，其已经成为主要污染负荷来源之一。降雨径流污染受多种因素影响，次降雨径流污染的随机性较大，采用频率分析的方法不仅可以更为准确的描述流域降雨径流污染的整体状况，而且还可以从风险概率的角度更准确的评估截流等控制措施的有效性，提高截流方案的效益和风险评估的合理性。因此本文开发了基于连续降雨模拟的径流污染频率分析方法。以快速城市化地区的流域为案例研究，分析流域的降雨径流污染的频率分布，并将结果运用于对截流措施的评估中。同时探讨了雨前干旱时间以及季节因素对于降雨径流污染频率分布的影响。主要内容包括：（1）针对监测历史不长的（如＜50年）的城市化流域，开发基于连续降雨模拟的径流污染频率分析方法框架。并将该方法应用于深圳市石岩河流域的降雨径流污染分析中。（2）对在线监测系统进行维护，获取连续的气象-水文-水质数据，采用非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）和人工调试的方法对模型参数进行率定和验证，同时运用普适似然不确定性估计（GLUE）的方法分析模型参数的不确定性。（3）整理石岩雨量站19632002年的小时降雨数据，进行次降雨划分以及特征统计。利用Matlab编程，以次降雨作为输入，连续模拟石岩河流域次降雨的径流深，化学需氧量（COD）的平均浓度（EMC）以及单位面积平均产污量（EPL）。并统计其频率分布。同时探讨雨前干旱时间、季节性因素对降雨径流污染频率分布的影响。（4）将频率分析的结果用于截流措施评估，并分析不同雨前干旱时间以及季节降雨的截流效果。通过对以上内容的研究，得到了如下一些结论：（1）在降雨径流污染模型参数率定及验证方面，水文模型验证的纳什系数（NS）为0.83；水质模型验证的NS系数为0.84，满足分析精度的要求。模型的不确定性研究方面，两场验证降雨事件的流量峰值的置信区间为[-27.87%，+31.28%]，COD浓度峰值的置信区间为[-34.3%，+31.7%]，同时估算EMC的置信区间为[-22.98%，+23.74%]；EPL的置信区间为[-32.70%，+41.42%]。模型模拟具有较大的不确定性。（2）该方法在石岩河流域案例研究结果显示，流域次降雨的EMC的平均值为300mg/L，变差系数Cv为0.76；EPL的平均值为3t/km2，变差系数Cv为1.67。流域降雨径流污染严重，且次降雨径流水质之间差异很大。（3）在高污染范围内，随着雨前干旱时间的增加次降雨径流污染累积频率也随之增加，汛前次降雨径流污染的累积频率高于其他两季；在低污染范围内，不同雨前干旱时间次降雨出现频率基本一致，各季节次降雨出现频率基本一致。（4）该方法在截流措施效果评估方面得到了很好的应用。可以评估不同截流措施下的超标风险以及负荷削减的保证率。在对石岩河流域的截流措施的评估方面，发现在初期雨水径流截流水平为0mm、5mm、10mm和20mm时，对应地表V类水标准，降雨事件的超标风险分别为88.3%、32.6%、18.6%和8.5%。汛前的降雨以及雨前干旱时间较长的降雨在截流后仍具有较高的超标风险，因此在管理中可以增加其他措施，以降低降雨径流污染超标的风险。（5）本研究所开发的方法可以准确的反映流域的降雨径流水质频率分布状况，在降雨径流污染控制以及雨洪利用等领域有着非常好的应用前景，一方面，用降雨径流污染的指标（如平均浓度和污染负荷等）的频率分布可以对流域整体水质状况和超标风险进行评估；另一方面，可以较为准确地评估不同截流工程的风险概率，有助于提高截流方案的效益和风险评估的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景、目的及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 城市化流域降雨径流污染特征的研究进展
• 1.2.2 降雨特征对径流污染影响的研究进展
• 1.2.3 降雨径流污染频率分析方法的研究进展
• 1.3 研究内容、方法、技术路线
• 第二章 降雨径流污染的频率分析方法
• 2.1 降雨径流污染的频率分析方法概述
• 2.2 次降雨生成
• 2.2.1 次降雨的识别
• 2.2.2 次降雨的特征值统计
• 2.2.3 次降雨的时程分配
• 2.3 降雨径流污染模型
• 2.3.1 水文模型
• 2.3.2 非点源模型
• 2.3.3 模型参数率定
• 2.4 降雨径流污染评价指标
• 2.4.1 次降雨平均浓度
• 2.4.2 次降雨单位面积平均产污量
• 2.5 本章小结
• 第三章 石岩河流域降雨径流污染模型
• 3.1 研究区域
• 3.2 降雨径流污染监测
• 3.3 模型选择
• 3.3.1 水文模型
• 3.3.2 污染物累积模型
• 3.3.3 污染物冲刷模型
• 3.4 参数的率定及验证
• 3.5 模型不确定性分析
• 3.5.1 GLUE 的方法
• 3.5.2 模型不确定性分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 石岩河流域降雨径流污染的频率分析
• 4.1 石岩河流域降雨特征
• 4.1.1 降雨的特征值
• 4.1.2 降雨的季节性特征
• 4.2 次降雨径流污染累积频率分析
• 4.2.1 次降雨径流深与 EMC
• 4.2.2 次降雨径流深与 EPL
• 4.3 雨前干旱时间与降雨径流污染的频率分布
• 4.3.1 雨前干旱时间与 EMC
• 4.3.2 雨前干旱时间与 EPL
• 4.4 季节与降雨径流污染的频率分布
• 4.4.1 季节与 EMC
• 4.4.2 季节与 EPL
• 4.5 本章小结
• 第五章 降雨径流污染的频率分析在截流措施评估中的应用
• 5.1 石岩水库截流工程介绍
• 5.2 基于降雨径流污染频率计算的截流效果分析
• 5.2.1 截流后 EMC 累积频率的变化
• 5.2.2 截流后 EPL 累积频率的变化
• 5.3 不同雨前干旱时间降雨的截流效果分析
• 5.4 不同季节降雨的截流效果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢