半分布式城市暴雨径流及非点源污染模型及应用

论文摘要

城市化过程导致城市地表不透水面显著增加，降雨径流增大，洪峰提前，洪量增大，洪涝灾威胁增大。径流冲刷城市地表沉积物、污染物等加剧了城市非点源污染，居民饮用水水质受到威胁。因此，迫切需要开展城市化区域的降雨径流和污染物相关机理、模拟模型及控制技术的研究，制定有效措施，降低洪涝灾害风险，缓解和防治城市非点源污染。目前国外较为成熟的城市非点源污染模型多为分布式模型，对实测资料的要求较高。而国内缺乏这方面的监测资料，参数的确定往往依靠优化率定方法。分布式模型的参数信息复杂，率定运算量大，且易出现“异参同效”等问题。半分布式模型在保留分布式模型的流域特征空间差异性的前提下，简化流域的某些要素，降低对实测资料的要求，减少参数率定规模，保证模拟精度。本研究在已有参数自适应城市流域降雨径流和污染物模拟模型的基础上，引入聚类思想，将子流域聚类成相似的簇，通过主从式并行遗传算法，实现了半分布式城市流域降雨径流及污染物模拟模型。模型首先利用TOPAZ模块处理流域DEM数据，划分子流域，统计子流域相关参数；然后通过聚类算法，将子流域聚类成相似的簇，对每一簇定义各自的降雨径流和污染物累积、冲刷模型和相应参数；最后利用主从式并行遗传算法，在适应度函数计算上实现并行，加速参数率定过程。以北京市温榆河流域为案例区，对实测数据进行了率定和验证。结果表明，模型能够很好地模拟城区径流及径流污染；模型引入的主从式并行遗传算法，极大地提高了计算效率，有效地降低参数来测定时间，保证模拟精度；城市化进程中，不透水面的增加以及不透水面无洼地比例的增加，将会使得同等降雨条件下，径流明显增加。同时，雨季径流污染显著高于旱季径流污染负荷。改善城市径流水质，必须对初期雨水进行截流治理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 流域水文模型研究动态
• 1.2.1 流域水文模型的发展
• 1.2.2 集总式流域水文模型
• 1.2.3 分布式流域水文模型
• 1.2.4 半分布式流域水文模型
• 1.3 城市非点源污染研究动态
• 1.3.1 城市非点源污染模型的发展
• 1.3.2 国外城市非点源污染研究动态
• 1.3.3 国内城市非点源污染模型研究现状
• 1.4 研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究技术路线
• 第2章 半分布式城市暴雨径流及非点源污染模型
• 2.1 子流域划分
• 2.2 子流域特征因子提取
• 2.3 子流域特征聚类分析方法
• 2.3.1 层次聚类法
• 2.3.2 凝聚法的算法实现
• 2.4 产汇流模型
• 2.4.1 产流模型
• 2.4.2 汇流模型
• 2.4.3 地下水模拟
• 2.5 水质模型
• 2.5.1 地表污染物累积过程模型
• 2.5.2 污染物冲刷过程模拟
• 2.6 基于并行遗传算法的模型参数率定方法
• 2.6.1 并行计算简介
• 2.6.2 遗传算法简介
• 2.6.3 并行遗传算法
• 2.6.4 半分布式城市暴雨径流与非点源污染模拟中的并行遗传算法
• 第3章 半分布式城市降雨径流与污染物模拟模型在温榆河流域的应用
• 3.1 研究区域概况
• 3.1.1 气候条件
• 3.1.2 流域地形地貌
• 3.1.3 土壤及土地利用类型
• 3.1.4 水文信息
• 3.1.5 研究区水质状况
• 3.2 子流域划分及特征聚类分析
• 3.2.1 子流域划分
• 3.2.2 子流域特征因子统计
• 3.2.3 聚类过程及结果
• 3.3 水文过程的率定及验证
• 3.4 水质过程的率定及验证
• 3.5 并行遗传算法的计算时间分析
• 3.6 模型参数灵敏度分析
• 3.6.1 不透水面的变化
• 3.6.2 初期截留
• 3.7 污染源浓度面上分布
• 第4章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 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