（环境工程专业论文）基于gwlf模型的于桥水库流域非点源污染模拟.pdf

南开大学学位论文使用授权书 i i i i iii ii ii iii i ii iiiii y 1813 8 91 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，u p - ( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 衄国 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目基于g w l f 模型的于桥水库流域非点源污染模拟 姓名何因学号2 1 2 0 0 7 0 4 3 7答辩日期2 0 1 0 年5 月2 8 日 论文类别博士口学历硕士硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所 环境科学与工程学院 专业环境工程 联系电话1 5 2 1 0 6 6 2 9 4 4e m a i l h e y i n n a n k a i g r n a i l c o m 通信地址( 邮编) ：南开大学环境科学与工程学院 备注： 是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书馆， 非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 l 。擎稀审革拱珥去妊妤非戥申鬲箪投毒￥拦崩l j l d 鹭革孤珥去妊妤非 髫锆固辫蕈鲁专瑟( 睨鞋箪一) 皇藓晕瓠甲。茸孤珥毒驹千监、千斟晕蝈驹士群辫椠出娶华砰群章：嚣 i ， 艺 茸砚拦孑j 鬃耿：衅显著：职导 j e 一 。1 2 群砷匀，荔易娃略墨删笋柱弓以型挚吲 ：( 嘶卿) 弭可| 千署娶 n n ! 删sq 叫例w h i ! b 眦杰 h 1 ，。q 嵌砷显独 就黜 而与? 锄够罗号乜妒 螂当划 口二f 煦何杀舄刨口蛳撵辩掣 口珥杀而卉j 二l 二 暖圆千逾所杂 口+ 斟眙鞯茸锐 闩盯七朋 晦目挺嚣z 仍厶以肛 鲁杀 勘畦；， 男耐 唰趣膨抄鹕7 辫彩善2 各澎型7 彬铎 目鹭茸拱 冒哥晕勘萃拱覃 孝鬲箪搬毒￥妊阜 目 0 时( 2 5 ) 滞留参数d s l 【t 由曲线数参数c n 值所确定： d s t t 2 5 4 ( 舞- 1 ) ( 2 6 ) c n 值的选择由其径流期前的湿度所决定，如下图所示，c n 值根据其温度 条件( 最干条件、普通湿度、最湿条件) 分别设为c n l k 、c n 2 k 、c n 3 k 。c n k t 湿 度条件的选择利用一个a t 的线性方程来计算，a t 为前5 天的降水量值。 图2 2s c s 曲线方程不同湿度条件c n 值图m 1 1 7 农村地区的吸附态营养盐由流域的土地侵蚀产率( y m ，m g ) 与农村地区平 均土壤沉积物浓度( c 。，m g k g ) 的乘积，如公式( 2 9 ) ： s = 0 0 0 1 x e x y 肼( 2 9 ) 由于径流冲刷导致的土壤侵蚀是农村地区产生的颗粒态污染物负荷的主要 来源。土壤侵蚀量瓦根据u s l e ( u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) 方程计算如公 式( 2 1 0 ) ，模型中对于土壤侵蚀量的计算基于以下三个假设：1 ，土壤侵蚀量来源 于流域的片状侵蚀( 不包括河道侵蚀部分) ；2 ，土壤侵蚀能力与地表径流量的 5 3 成正比；3 ，土壤侵蚀产率只计算当年的量。 瓦- - - o 1 3 2 x 鸩疋( s ) i cx 最彳比( 2 1 0 ) x l 【t 为t 时间内、第k 类土地产侵蚀量，k 、l s 、c 、p 分别为u s l e 方程中 的土壤侵蚀因子，地形因子、土地耕作因子、土地管理因子，r e t 为降雨侵蚀因 子( u m m h a - h ) ，常数0 1 3 2 是降雨侵蚀因子的无量纲空间转换系数；降雨侵 蚀因子的计算方法使用经验公式2 1 l ： r e , = 6 4 6 x a t 硝名1 ( 2 1 1 ) 流域每月的土壤侵蚀供给量计算如公式2 1 2 - 蚀 由于进入水体中的沉积物与径流的传输能力有关，因此进入水体的沉积物 量将与径流传输能力成正比，传输能力方程与径流成指数关系，因此： 哆= 岔乃 ( 2 1 4 ) 从而计算出沉积物的月产率为： 匕= 巩( 等 2 3 2 城市地区径流负荷 城市地区的污染物负荷产生是根据污染物的富积与暴雨冲刷的关系进行计 算。本模型里富积公式同时被用于s w m m 模型，冲刷公式同时用于s w m m 和 s t o r m 模型。 在城市地区，营养盐在城市地表进行富积，同时被地表径流进行冲刷，地 表径流量由前面所述；而富积速率公式用导数公式表示如下： 了d n k ：n c 8 毒n c 魂 ( 2 1 6 ) 仇是富积速率常数( k g l l a d a y ) ；是降解比率常数( d a y ) ；对该方程两边 求积分，可推出以下公式： m p = 以，p m l 2 + ( 恢o 1 2 ) ( 1 - e 吨1 2 ) ( 2 1 7 ) 1 9 时， t 时 式如 = 虬e - 。 1 2 + ( n k 0 1 2 ) ( 1 _ e - 0 1 2 ) ( 2 2 2 ) w k t 为冲刷系数，其计算经验公式如下所示，整个公式基于1 2 7 c m 的径流将 会冲刷掉9 0 的污染物负荷。因此，每月城市地区的径流负荷使用以下公式计 算： 以 s = 既么冠 ( 2 2 3 ) 2 3 3 地下水污染物负荷 每月进入河道中的地下水营养盐负荷计算如下式所示： 西开 d g 册= 0 1 幸q a t 木g ， ( 2 2 4 ) l l l 不： 图2 3 地下水排放的经验参数模型m 1 因此，地下水层分为浅层不饱和区与浅层饱和区的水量平衡公式如下图所 u + = q + 墨+ 必一q 层一户g s 【n = s t + p c t g f d t ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 在上述两个公式中，配、s 分别为不饱和区和饱和区的含水量；q 、巨、 尸c f 、g r 、口分别为该地表径流量、蒸腾量、由浅层不饱和区渗滤进浅层饱和 区的水量、地下水进入河道的水量、进入深层饱和区的水量。以下变量均以c m 2 1 第二章g w l f 模型简介 计。在计算g f 之前，必须确定e 、e c , 两个变量，当不饱和区的含水量超出其 田间持水量u + 时，就会产生渗滤进入饱和区；而蒸腾量则受限于不饱和区的湿 度，其计算公式如下： e c , = m 弧( o ，u + 足+ m q 一互一u ) ( 2 2 7 ) e = r a i n ( o f , p e t ；u ，+ r + m ，一q f ) ( 2 2 8 ) 其中c r , 为叶面覆盖系数：鸩为潜在蒸散；潜在蒸散与湿度、饱和水蒸气 压有关，即： 魍：0 0 = 2 1 xh一,2 x e t ( 2 2 9 ) z + 2 7 3 、 q = 3 3 8 6 3 9 ( 0 0 0 7 8 t t + o 8 0 7 2 ) - 0 0 0 0 0 1 9 ( 1 8 r , + 4 8 ) + o 0 0 1 3 1 6 t 0 ( 2 3 0 ) 其中，h ，、q 、乃分别为t 日的是光照时间、饱和蒸气压、以及温度三个指 标，因此地下水的排放量及深层饱和区含水量分别为： q = ，s d r = s s 式中，r 和s 系数分别为退水系数和深层渗滤系数 2 3 4 化粪池污染物负荷 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) g w l f 模型将流域内居民区产生的生活污染物统称为化粪池污染物。模型 中将化粪池的类型分别普通系统、短循环系统、池塘系统、以及直接排放系统， 全面考虑了由居民区产生的污染物负荷进入水体中不同形式。化粪池产生的污 染物负荷根据应用的人口及单位人口产生负荷量的经验值进行计算。 d s m = 嬲埘+ d s z m + 啦m + 啦脚 ( 2 3 3 ) 啦肘、d s 2 卅、d s 3 册、d s 4 所分别为普通系统、短循环系统、池塘系统、以 第二章g w l f 模型简介 及直接排放系统的月负荷量( k g ) 普通系统：普通化粪池系统是采用美国e p a 推荐的建设与操作运行要求的 化粪池系统。由这些系统流出的污染物直接渗滤进入不饱和区，其氮营养盐被 转化成硝态氮被植物吸收外，其余都由地下水进入河道水体中；但磷负荷则不 同，其在迁移过程中被土壤吸附以及植物吸收，因此化粪池系统中不会产生磷 的污染。因此普通系统产生氮负荷计算如下式： p n , = 矾+ 色。x e ，s n , o o r t , 。，z - - j 期间对我的照顾与教导，这段 实习是我人生旅途当中重要的一段旅程。此外，论文的数据主要由天津市环境 监测中心提供，众所周知，模型的模拟没有数据支持几乎寸步难行，在此感谢 环境监测中心的各位老师。 最后，我想感谢一下我的家人，父母亲和两位姐姐。我是家里最小的孩子， 惟一的男孩，3 岁上学，至今求学2 2 年，亲人一直都默默支持，2 2 年里没能 为家里分担任何责任，愧疚于心。虽然他们未必需要，但依然向爸爸、妈妈、 两位姐姐说谢谢，感谢你们我年来对儿子与小弟的包容与关爱，家庭的幸福是 我奋斗的动力。 感谢和祝福南开吧! 读南开是从小的梦想，来到南开，欣喜之余，仍有失 望，希望我爱的南开，能够革除弊病，开拓创新，允公允能，日新月异。在光 荣的荆棘路上走得越远，越好，学府北辰，不虚此名。 为什么我的眼里常含泪水， 因为我对这土地爱的深沉。 何因 2 0 1 0 年5 月1 8 日 于南开 附录 附录 附录a 在本文第二章第四节中我们列举了模型的必须数据的详细说明，而附录a 包括了g w l f 模型数据准备过程中非必须数据的详细数据，这其中包括栅格数 据类型的地下水中氮的浓度分布数据、地表土壤中磷的浓度分布数据以及矢量 数据类型的县区边界数据、化粪池系统等。 地下水中氦的浓度分布数据( g r o u n d w a t e rn ) 在g w l f 中，对地下水中氮浓度分布数据的需求主要是用于估算地下水对 河川径流中的总氮的负荷量，一般来说地下水中氮的浓度值与其地表的土地利 用及土壤类型有关。因此，模型将其不同土地利用类型及土壤类型对栅格单元 值进行独特赋值，不同的土地利用类型与土壤类型将会得到地下水中氮浓度分 布的栅格赋值，具体如下表所示： 附表a 1 各土地利用类型栅格值表 地表土壤中磷的浓度分布数据( s o i l _ p ) 该栅格文件的获得由两个方法： 附录 ( 1 ) 利用整个区域内地表土壤中磷含量的监测值，利用g i s 的空间分析功 能进行空间插值方法生成栅格文件。 ( 2 ) 根据土壤结构及土地利用类型( 只考虑农业地与非农业地) 对其单元 值进行赋值的方法。 道路与未铺砌的道路图( r o a da n du n p a v e dr o a d s ) 道路图只作为目标流域的背景数据，对其唯一要求是该图为矢量数据。 未铺砌( 柏油或石砖) 的道路，也是做为目标流域的背景数据，但其做为 “非生长”地区会考虑按照“非生长，扰动型”土地利用类型计算的土壤侵蚀 量。对于此类数据没有什么特别的要求，但是其“l e n g t h 属性需要说明。 县区边界图( c o u n t i e s ) 县区边界图包含了土壤流失方程中的必要参数( 具体的是估计方程中c 、p 因子) 。g w l f 中，全宾西法尼亚州总结的数据库中已经有各类土地利用类型中 的c 因子，及不同坡度的p 因子值。该参数值需根据中国国情进行修正。 附表a 2 县区边界图字段信息说明 化粪池系统( s e p t i cs y s t e m ) 这个数据主要包括了目标区域内的污水处理系统( 直接进入水体中的只进 附录 行过少量甚至未进行处理的污染人口) ，主要是根据政府的污染源调查报告获 得。 附表a 4 化粪池系统图字段信息说明 动物密度匿 ( a n i m a ld e n s i t y ) 动物密度分布图以一英亩多少当量的动物来表示( a e u a e r e ) ，一个a e u 代表1 0 0 0 磅的动物质量( 动物是指放牧的奶牛，肉牛、肥猪、山羊、绵羊、马 等) 。 附表a 5 动物密度图字段信息说明 动物饲养系统( a n i m a lf e e d i n go p e r a t i o n ：a f o ) 附表a 6