导　　师： 王学军

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 北京大学

摘　　要： 随着点源污染得到逐步控制，非点源污染业已成为水环境污染的重要原因，数学模拟是非点源污染研究的重要内容。本文是北京大学与美国加州大学合作进行流域非点源污染模拟研究的一部分。首次引入美国新型流域水质管理模型-warmf模型作为研究平台，选择巢湖的典型支流——杭埠-丰乐河流域作为研究区，研究了流域非点源污染基础数据库的构建、流域概化、模型的适应性评价、流域非点源污染的系统分析、基于气象预测模型与非点源污染模型集成的流域非点源污染预警预报系统构建、流域非点源污染综合控制区划及其控制措施分析等问题，得到以下成果与结论： (1)通过现场调研、资料收集(图形与统计资料)及其处理，构建了流域非点源污染研究基础数据库(包括空间与属性数据)，分析得到了流域地形地貌与土壤、土地利用的空间分布特征及其对应关系；选择avswat2000模型自带的topoaz自动地形数字化软件包将研究区流域平面上划分为37个子流域；在流域概化研究中，依据子流域—地貌—土壤分布的对应关系，将子流域按地貌进行平面分组，进一步依据各组子流域主要土壤及其剖面结构、地下水位埋深等特点，初步拟定了各组子流域的剖面土层结构。这种流域概化方法对降低模型参数校准的不确定性与复杂性具有实际意义。 (2)采用局部灵敏度分析方法进行了模型参数及其空间变化的灵敏度分析，给出了模型水文模拟的关键参数、关键区与关键土层，有效地降低了模型参数校准的不确定性与难度；利用2000-2003年水文、水质观测资料对warmf模型的水文、水温、泥沙与水质参数进行了校准与检验，研究表明：warmf模型在研究区具有较好的水文、水温、泥沙以及tn模拟适应性能，排除预热期(2000年)后，入湖径流年均值相对误差小于20﹪；水温的年均值相对误差小于20﹪；ss入湖含量的年均值相对误差小于35﹪，随时间延续有望控制在30﹪以内；tn入湖含量的年均值相对误差小于20﹪，随时间延续可以控制在15﹪以内；桃溪站warmf模型与avswat2000模型的水文拟合性能对比研究表明：两模型都能达到满意的拟合精度，avswat2000模型的年、月拟合效果略好于warmf模型，但日拟合效果却显著弱于warmf模型，反映warmf模型具有良好的水文过程拟合性能。 (3)构建了旨在反映流域非点源污染时、空变化及其污染来源的非点源污染系统分析“时间-空间尺度-污染物-污染负荷-污染来源”五维概念模式，考虑了流域空间的层次性(全流域-支流域-子流域)、非点源污染负荷表述的全面性(入河负荷-出口负荷)以及非点源污染来源表达的确切性(基于土地利用类型及其结构两个方面)。基于该模式，系统分析了研究区流域ss、tn非点源污染的时间(年内月变化)、空间(全流域-支流域-子流域)分布特征。在分析流域土地利用结构特点基础上，尝试采用分形理论中的半径分维数方法对流域土地利用结构进行了定量表达，进一步探讨了基于土地利用类型及其结构的流域非点源污染来源定量表达。“五维概念模式”既符合分布式机理模型的输出特点，又能较好地反映流域非点源污染的时、空变化特征以及非点源污染来源，同时描述直观、便于理解，是一种值得推广的流域非点源污染系统分析方法。 (4)构建了基于流域气象预测模型与非点源污染模型集成的流域非点源污染预警预报系统，并将其应用于研究区流域典型年(以10﹪丰水年为例)与2006年降水产生的流域非点源污染风险与常规预测，结果表明：典型年全流域、支流域(杭埠河支流、丰乐河支流)ss非点源入河与出口负荷将增加为多年平均值的2倍以上，tn非点源入河与出口负荷将增加为多年平均值的1.8倍以上；2006年全流域、支流域ss非点源非点源入河与出口负荷将增加为多年平均值的1.02-1.1倍，tn非点源入河与出口负荷将增加为多年平均值的1.03-1.12倍。在集成模型中，气象预测采用了对风险预测与常规预测较为有效的随机方法(适线法)与rbf神经网络方法，可以较好地保障流域非点源污染预测的可靠性。 (5)研究多种非点源污染的综合控制区划，对于提高人们对流域非点源污染形成的认识以及非点源污染控制水平具有重要的实践意义。在子流域ss、tn非点源负荷空间分布研究的基础上，将流域划分为tn-ss控制区、ss控制区、tn控制区以及非控区四类；以tn-ss控制区、tn控制区为例选择典型子流域(15、4号子流域)进行非点源污染控制措施研究，表明：土地利用结构控制是tn-ss控制区(15号子流域)非点源污染控制的有效途径之一，退耕还林20﹪，ss、tn非点源入河负荷分别降低14.94﹪、11.78﹪；施肥、灌溉及其复合措施都是tn控制区(4号子流域)较为有效的非点源污染控制措施，水早轮作地施肥量从412kg/hm2下降到经济施肥量范围，即300-200kg/hm2，tn非点源入河负荷将下降13.44-26.87﹪；采用500mm灌溉方案，即常规节水达到的水量，tn非点源入河负荷将下降6.93﹪；采用常规节水方案(500mm)与施肥量削减方案(300kg/hm2、200kg/hm2)结合，tn非点源入河负荷将下降19.27-33.26﹪。此外，基于warmf模型的点源-非点源排污交易尝试表明，基于warmf模型可以较为方便地确定点源-非点源排污交易系数，进行子流域内部以及子流域之间的点源-非点源排污交易，从而进一步拓展了模型的应用范围。

关 键 词： 模型 神经网络 非点源污染 数据库 流域气象预测 水环境污染

分 类 号： [X52]

领　　域： [环境科学与工程]