基于数字流域系统的平原河网区非点源污染模型研究与应用

论文摘要

本文在环太湖丘陵地区选择典型小流域以及径流小区开展野外原位试验，通过野外观测和室内分析相结合的方法，研究小流域及不同土地利用下各形态营养盐在自然降雨-径流驱动下的迁移特征，建立了稻季和非稻季营养盐的迁移通量与径流通量的回归方程，揭示了营养盐在暴雨条件下随径流的流失过程，重点分析了不同土地利用下营养盐迁移的频率分布特征和时空分布特征，以及导致营养盐迁移时空分布存在显著差异的主要原因，对比了不同土地利用下各形态营养盐的迁移通量。 针对平原河网区稻田面积所占比例较高的特点，从稻田水分和营养盐运移转化规律出发，结合土壤胶体对营养盐的吸附—解吸速率公式，动态模拟稻田土壤养分的运移和转化，建立水—土耦合稻田营养盐流失模型，并采用田间实测数据对模型参数进行率定和验证，并对模型关键参数进行灵敏性分析。 在荷兰Delft水力学研究所开发的污染负荷模型（Waste Load Model，WLM）的基础上，将环太湖丘陵小流域的研究成果以及稻田营养盐流失模型引入WLM，通过借鉴非点源污染模型的发展方向和特点，提出适合平原河网区非点源污染物迁移特征的时空分配方法，建立了分布式污染负荷模型（Distributed Waste Load Model，DWLM）。模型将污染源分为工业、大城市居民、城镇居民、农村居民、城市和城镇降雨径流、旱地降雨径流、稻田降雨径流、畜禽养殖和渔业养殖等9种类型，采用四种模式计算各种污染源的负荷量，并根据污染源的迁移特征分别计算其入河过程。 针对平原河网区河道纵横交错、湖泊星罗棋布的特点，分别采用零维、一维和准三维水质模型模拟平原河网区的中小型湖泊、河道以及大型浅水湖泊等水体中污染物的运移转化规律。结合污染物在不同水体中的转化特征，分别建立各种水质指标的动力反应项，对三种水质模型的基本方程组进行耦合联解，并与水量模型实现步长级耦合，建立了平原河网区多维数水质模型。水质模型包含C、N、P三种物质的循环，模拟COD、BOD5、TN、TP、NH3-N和DO等六种水质指标。 在3S技术的支撑下，将DWLM模型与降雨径流模型和水质数学模型相耦合，建立了基于数字流域系统的平原河网区非点源污染模型。并将其成功应用于太湖流域平原地区，取得了满意的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 非点源污染机理研究综述
• 1.2.2 非点源污染模型（定量化）研究综述
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.4 论文的创新点
• 第二章 环太湖丘陵地区农田营养盐迁移特征
• 2.1 典型小流域农田营养盐迁移试验研究
• 2.1.1 梅林小流域概况
• 2.1.2 试验方案设计及水样分析
• 2.1.3 营养盐迁移通量和径流通量
• 2.1.4 次降雨径流平均浓度EMC
• 2.2 各形态农田营养盐迁移特征
• 2.2.1 农田氮素迁移特征
• 2.2.2 农田磷素迁移特征
• 2.3 典型暴雨条件下农田营养盐迁移特征
• 2.3.1 暴雨条件下氮素流失特征
• 2.3.2 暴雨条件下磷素流失特征
• 2.4 小结
• 第三章 环太湖丘陵地区不同土地利用下的营养盐迁移特征
• 3.1 不同土地利用下农田营养盐迁移试验研究
• 3.1.1 径流小区概况
• 3.1.2 试验方案设计
• 3.1.3 多场降雨径流平均浓度SMC
• 3.1.4 径流小区土壤基本理化特性
• 3.2 不同土地利用下氮素随地表径流的迁移特征
• 3.2.1 氮素迁移的频率分布特征
• 3.2.2 氮素迁移的时间分布特征
• 3.2.3 氮素迁移的空间分布特征
• 3.3 不同土地利用下磷素随地表径流的迁移特征
• 3.3.1 磷素迁移的频率分布特征
• 3.3.2 磷素迁移的时间分布特征
• 3.3.3 磷素迁移的空间分布特征
• 3.4 小结
• 第四章 水土耦合的稻田营养盐流失模型研究
• 4.1 稻田水分和营养盐的运移转化规律
• 4.1.1 稻田土壤水分的运移规律
• 4.1.2 稻田土壤氮素的运移和转化规律
• 4.1.3 稻田土壤磷素的运移和转化规律
• 4.2 稻田氮素流失模型
• 4.2.1 氮素流失模型基本方程
• 4.2.2 氮素流失模型定解条件
• 4.2.3 模型率定与验证
• 4.2.4 模型敏感性分析
• 4.3 稻田磷素流失模型
• 4.3.1 磷素流失模型基本方程
• 4.3.2 磷素流失模型定解条件
• 4.3.3 模型率定与验证
• 4.3.4 模型敏感性分析
• 4.4 小结
• 第五章 平原河网区分布式污染负荷模型
• 5.1 分布式污染负荷模型的建立
• 5.1.1 分布式污染负荷模型概念的提出
• 5.1.2 DWLM模型总框架
• 5.1.3 DWLM模型产生模块
• 5.1.4 DWLM模型处理模块
• 5.2 平原河网区污染物时空分配研究
• 5.2.1 平原河网区污染物的时空迁移特征
• 5.2.2 平原河网区污染物空间分配
• 5.2.3 平原河网区污染物时间分配
• 5.3 小结
• 第六章 平原河网区多维数水质模型
• 6.1 平原河网区水质模型的建立
• 6.1.1 水质模型基本方程
• 6.1.2 水质模型结构
• 6.1.3 水质模型定解条件
• 6.2 平原河网区水质模型的求解
• 6.2.1 平原河网水质模型求解方法
• 6.2.2 准三维水质模型求解方法
• 6.2.3 水质模型间的相互耦合
• 6.3 小结
• 第七章 基于数字流域系统的平原河网区非点源污染模型及其应用
• 7.1 数字流域系统和平原河网区非点源污染模型
• 7.1.1 数字流域系统
• 7.1.2 平原河网区非点源污染模型
• 7.2 数字流域系统在太湖流域的应用
• 7.2.1 研究背景
• 7.2.2 研究范围及模型概化
• 7.3 DWLM模型在太湖流域的应用
• 7.3.1 DWLM模型计算条件
• 7.3.2 DWLM模型参数取值
• 7.3.3 污染负荷计算结果与分析
• 7.4 水质模型在太湖流域的应用
• 7.4.1 水质模型计算条件
• 7.4.2 水质监测断面
• 7.4.3 水质模型参数取值
• 7.4.4 水质模型计算结果与分析
• 7.5 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.1.1 环太湖典型小流域农田营养盐迁移特征研究结论
• 8.1.2 水-土耦合的稻田营养盐流失模型研究结论
• 8.1.3 分布式污染负荷模型研究结论
• 8.1.4 多维数水质模型研究结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录 2000年太湖流域部分水质站点浓度计算值与实测值对比图
• 科研工作、发表论文及获奖情况
• 致谢