流域水文响应与非点源污染物输移机理研究

摘要

农业非点源污染物的产生和输移与水文过程有着密切的互动关系，流域的水文响应机理是研究这种密切互动关系的前提。本文通过野外观测实验，深入研究了流域水文响应与农业非点源污染物运移的互动机制，采用分布式方法定量研究了流域产流产污的时空分布特点。 大多数分布式水文模型在构建时简化了对流域水文过程的描述，例如忽略了土壤水水文过程，或地表水与地下水之间水量交换过程等。这种简化提高了模型的计算效率，降低了模型的资料需求，但弱化了模型对真实物理过程的描述能力。针对此类问题，本文构建了耦合降雨产流、汇流、土壤水运动、蒸散发、地下水运动等水文过程的分布式水文模型，并通过基于GIS建立的数字流域提取了模型参数。通过对模型的数值模拟实验，研究了不同产流模式与参数空间变异性对不同流域模拟结果的影响。 通过梅林流域获得的水文及水质数据，分析了梅林流域的水文响应机制，模拟了流域水文过程，揭示了梅林流域农业非点源污染物迁移转化规律，确定了氮磷输出的主要成分、季节特点，以及不同径流成分与不同土地利用对氮磷运移的影响。根据以上结论，以分布式水文模拟结果为驱动，以简化的氮磷迁移转化动力学机制为前提，构建了农业非点源污染物运移模型，并取得了较好的应用成果，获得了流域氮磷关键输出区域的分布特点，为非点源污染控制提供了科学依据。

目录

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论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1分布式水文模型研究进展

1.2.2农业非点源污染物迁移转化研究进展

1.3研究内容与技术路线

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

1.3.3技术路线

第二章分布式耦合水文模型的建立及适用性分析

2.1降雨下渗模拟

2.1.1概述

2.1.2 SCS曲线数方法

2.1.3 Green-Ampt方法

2.2汇流过程模拟

2.2.1坡面汇流模拟

2.2.2河网汇流模拟

2.3非饱和土壤水分运动规律模拟

2.3.1士壤水垂向通量计算

2.3.2源汇项计算

2.4地下水运动规律模拟

2.5河水—地下水水量交换模拟

2.6模型适用性分析

2.6.1威廉波特流域水文模拟

2.6.2 WE-38流域水文模拟

2.7本章小结

第三章山丘区流域水文响应机理及定量化研究

3.1研究流域概况

3.1.1地理位置

3.1.2地形地貌

3.1.3水文气象

3.1.4流域水文观测实验

3.2基于GIS的流域特征提取

3.2.1概述

3.2.2建立流域数字高程模型(DEM)

3.2.3流域特征获取

3.3流域水文响应机理研究

3.4流域分布式水文模拟

3.4.1分布式耦合水文模型系统在梅林流域的率定

3.4.2分布式耦合水文模型系统在梅林流域的验证

3.4.3不同产流模式对水文响应结果的影响

3.4.4参数空间变异性对水文响应模拟的影响

3.5本章小结

第四章典型山丘区农业非点源污染物迁移规律研究

4.1流域农业非点源污染物输移特征实验设计

4.2降雨事件对流域氮磷输出的影响

4.3梅林流域氮磷随降雨事件运移规律

4.3.1梅林流域氮磷输出主要成分

4.3.2梅林流域流量与氮磷浓度关系研究

4.3.3梅林流域氮磷输出的季节规律研究

4.3.4梅林流域不同径流成分输出氮磷规律

4.4不同土地利用氮磷输出规律研究

4.5地下水中氮磷浓度时空变化规律研究

4.6本章小结

第五章典型山丘区农业非点源污染物随水文过程迁移规律定量化研究

5.1氮输移转化模拟方法

5.1.1氮素的径流输出量

5.1.2氨的硝化与挥发

5.1.3硝氮的反硝化

5.1.4无机氮的固定与有机氮的矿化

5.2磷输移转化模拟方法

5.2.1总磷的径流输出量

5.2.2无机磷的固定与有机磷的矿化

5.2.3无机磷磷的吸附和解吸

5.3梅林流域氮素迁移转化模拟结果

5.3.1土壤氮素迁移转化模拟

5.3.2降雨事件输出氮素负荷模拟

5.4梅林流域磷素迁移转化模拟结果

5.4.1土壤磷素迁移转化模拟

5.4.2降雨事件输出磷素负荷模拟

5.5梅林流域氮磷素输移的时空变化

5.6本章小结

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的文章

攻读博士期间参加的科研项目