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流域非点源污染模型的比较与不确定性研究

作　者: 李明涛
导　师: 王晓燕
学　校: 首都师范大学
专　业: 自然地理学
关键词: 非点源污染 HSPF模型适用性比较参数不确定性负荷估算
分类号: X522
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

密云水库是北京市的重要水源地。潮河流域作为密云水库的两大集水流域之一,其水环境状况对下游水库的水质和水资源供应有很大的影响。相关研究表明,非点源污染已经成为流域的主要污染源。随着饮水需求的增大,流域非点源污染的研究和防治显得迫切需要,对密云水库水质的保护和北京市的饮水安全意义重大模型模拟是非点源污染研究的重要手段。本研究从流域非点源污染模型的适用性评价和不确定性入手,以国内外研究案例为基础,对3种常用的非点源模型AnnAGNPS、SWAT、HSPF的模型结构和效率进行比较,并运用一阶误差不确定性分析方法研究HSPF模型参数的不确定性,确定各模拟变量的重要不确定参数,通过变异系数CV定量描述各模拟变量的不确定性程度。最后利用校准和验证后的模型对潮河流域的非点源污染负荷进行定量评价,探讨流域非点源污染发生的时空变化规律。主要结论如下：(1)流域非点源污染模型比较的结果表明,在相同的流域条件下HSPF模型对径流和泥沙的模拟效果通常优于SWAT和AnnAGNPS;对营养物的模拟效果,SWAT稍优于其他两个模型。从模型的适用范围来看,SWAT模型相对具有较广泛的适用性。3个模型对不同时间步长的模拟效果一般是年、月长时间序列的模拟结果比较可靠,但随步长的缩短,精度降低。(2)利用潮河流域的实测水文、水质数据对HSPF模型的校准和验证,模型输出的模拟值与实测值匹配较好,径流模拟的相对误差(RE)控制在15%以内,纳什效率系数(NSE)为0.88,泥沙、总氮、总磷的RE分别为35.13%、34.37%和40.72%,NSE分别为0.74、0.76和0.63,各模拟变量的精度均能满足模拟要求,表明HSPF模型适用于潮河流域非点源污染的模拟和预测。模型参数的不确定性分析结果表明,参数不确定性对模拟输出的影响是泥沙的不确定性最大,其变异系数CV为229.6%；总磷次之,CV值为152.5%；然后依次是总氮和流量,CV值分别为130.66%和12.99%。(3)模拟潮河流域1999年-2001年的非点源污染负荷,分析认为污染负荷的年内变化与降雨量变化的特点相一致,汛期的污染负荷占全年总负荷比重较大,泥沙负荷的汛期比重在78%-90%之间,总氮和总磷负荷在枯水年约占30%-50%,丰水年汛期约占80%-90%。非点源污染负荷的空间变化主要取决于降雨量和土地利用的影响。丰水年潮河流域的降水量随地形的变化从西北向东南逐渐增大。从整个流域来看,非点源污染负荷的空间分布也表现出了相近的趋势。污染物输出与降雨量间存在明显的相关关系,降雨量对非点源污染负荷影响很大。在枯水年份,降雨量的分布变化不大,非点源污染负荷与降雨量也没有表现出明显的相关性,各子流域的非点源污染负荷是各种因素综合作用的结果。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-18
    1.2.1 非点源污染研究现状  11-13
    1.2.2 非点源污染模型的研究现状  13-15
    1.2.3 非点源污染模型的适用性比较  15-16
    1.2.4 非点源污染模拟的不确定性  16-18
  1.3 研究内容和技术路线  18-20
第2章流域非点源污染模型及适用性比较  20-29
  2.1 流域非点源模型结构及其算法  20-22
    2.1.1 降雨径流过程  21
    2.1.2 土壤侵蚀与泥沙输移  21-22
    2.1.3 污染物迁移  22
  2.2 非点源模型的应用效果分析  22-28
    2.2.1 模型效率评价指标  22-23
    2.2.2 同一流域应用不同模型的效果类比分析  23-25
    2.2.3 同一模型在不同流域应用效果类比分析  25-28
  2.3 小结  28-29
第3章潮河流域非点源污染模型的率定与验证  29-42
  3.1 流域特征与数据库建立  29-34
    3.1.1 潮河流域概况  29-31
    3.1.2 流域数据库构建  31-34
  3.2 潮河流域HSPF模型的建立  34-35
  3.3 模型的校准与验证  35-40
    3.3.1 径流的校准与验证  36-37
    3.3.2 泥沙的校准与验证  37-39
    3.3.3 营养物的校准与验证  39-40
  3.4 小结  40-42
第4章流域非点源污染模型的不确定性分析  42-50
  4.1 不确定性的分类  42-43
  4.2 不确定性分析的数学方法  43-44
  4.3 模型参数的不确定性分析  44-48
    4.3.1 参数敏感性分析  45-46
    4.3.2 一阶误差分析  46-48
  4.4 小结  48-50
第5章流域非点源污染负荷估算与分析  50-55
  5.1 非点源污染负荷的确定  50
  5.2 非点源污染时空变化规律  50-53
    5.2.1 时间分布  50-51
    5.2.2 空间分布  51-53
  5.3 小结  53-55
第6章结论与展望  55-57
  6.1 结论  55-56
  6.2 展望  56-57
参考文献  57-63
致谢  63-64

流域非点源污染模型的比较与不确定性研究

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