SWAT改进模型在锰矿区土水界面重金属锰污染流负荷预测中的应用研究

摘要

随着社会和科技的不断进步，人们对资源的利用量显著提高，尤其是对重金属的利用也在持续上升，重金属对环境的污染也日益受到关注，是摆在眼前亟需解决的环境污染问题。对于重金属的污染，主要是在土壤或水体中的重金属的迁移转化方面进行研究，而在土水界面流的重金属污染物的迁移转化研究甚少，对土水界面流的重金属污染负荷的预测几乎没有。因此，研究矿区土水界面流的重金属污染负荷的预测模型是一种科学性的有益探讨。
　　本文以湘潭市锰矿地区红旗矿为主研究区，通过野外实验、实际调查、GPS定位采样和分析测试以及相关数据处理，在研究了降雨径流作用下锰矿区土水界面重金属污染流的污染特征、来源，分析其主要影响因素、空间分布及变异规律的基础上，着重研究以ArcGIS、RS为技术工具，利用分布式水文模型SWAT为软件平台，借助林玉环汞迁移一维模型，通过分配系数与元素差异性修正因子的改进，并在一定的基本假设下，得到了锰的一维迁移转化动力学模型。通过Fortran语言对锰的一维转化模型进行编程并嵌入到原SWAT模型中的泥沙迁移源程序板块，从而构建锰矿区土水界面重金属锰污染流负荷预测的SWAT改进模型。初次运行SWAT改进模型得出锰矿区土水界面流重金属锰的污染负荷分布，用纳什系数和确定性系数对其进行拟合度的评价，得到Ens和r2分别是0.76，0.81没有达到拟合度0.85以上。通过参数敏感性分析确定主要影响参数，并在1998到2007年对主要影响参数进行了率定和验证，调节主要影响参数，使其拟合度达到0.85以上并确定此时的主要参数取值。在SWAT改进模型参数优化的基础上，第二次运行优化的SWAT改进模型得到湘潭锰矿区土水界面流重金属锰污染负荷，与实际锰负荷的测定值的拟合度能达0.88，具有较高的重金属污染负荷预测精度。为锰矿区及其它有色金属矿区重金属污染的评测和控制、治理与修复等提供理论基础和科学依据，具有深远的社会意义和科研意义。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究的意义，目标和内容

1．1．1 研究的意义

1．1．2 研究的目标和内容

1．2 研究中的重要概念

1．2．1 点源污染与非点源污染

1．2．2 SWAT模型

1．2．3 土水界面污染流

1．3 国内外研究现状

1．3．1 重金属及锰污染负荷研究现状

1．3．2 土水界面流污染负荷预测研究现状

1．3．3 非点源污染研究现状和SWAT模型应用研究现状

第二章 研究路线和锰矿区的数据采集与整理

2．1 锰矿区概况

2．2 研究路线

2．2．1 研究准备工作

2．2．2 室外采样和调查

2．2．3 室内研究分析

2．3 基础数据采集

2．3．1 土地利用类型数据

2．3．2 土壤类型数据

2．3．3 锰矿区其他数据

2．4 基于GIS的空间插值

2．4．1 锰矿区数字高程(DEM)的生成

2．4．2 锰矿区雨量站的添加

2．5 锰矿区子流域划分

2．6 本章小结

第三章 SWAT模型改进及其参数提取

3．1 SWAT模型功能与演算原理简介

3．1．1 SWAT模型优缺点

3．1．2 水文气象以及土壤温度的模拟原理

3．1．3 作物生长，营养吸收与农业管理因素

3．1．4 产沙和重金属迁移

3．1．5 河道演算与水塘演算

3．1．6 泥沙与重金属负荷演算

3．2 SWAT模型改进

3．2．1 锰迁移转化模型的选取

3．2．2 改进的锰迁移转化模型分析

3．2．3 锰迁移转化动力学模型的编程

3．3 锰矿区土地利用与土壤类型参数提取

3．4 锰矿区土壤饱和导水率，容重及有机碳含量的测定

3．4．1 锰矿区土壤饱和导水率的测定

3．4．2 锰矿区土壤容重的测量

3．4．3 锰矿区有机碳参数的提取

3．5 锰矿区氮磷数据与气象数据参数提取

3．6 锰矿区水文水塘资料与农业管理数据提取

3．7 本章小结

第四章 SWAT改进模型数据导入及运行结果分析

4．1 锰矿区相关处理数据的输入

4．1．1 锰矿区流域的描绘

4．1．2 锰矿区土地利用和土壤的定义及叠加

4．1．3 锰矿区水文响应单元(HRU)的具体划分

4．1．4 锰矿区气象数据的输入和不完整参数的添加

4．1．5 SWAT系统自动检测导入数据

4．1．6 运行SWAT改进模型并得出运行结果

4．2 SWAT改进模型的参数敏感性分析

4．3 SWAT改进模型参数的率定与验证

4．4 SWAT改进模型调整参数后的运行结果

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 不足与展望

参考文献

致谢

A：攻读硕士学位期间发表的学术论文

B：攻读硕士学位期问参与的课题