沿海典型流域水文-水动力-水质多模型耦合建模与应用：以甬江流域为例

摘要

甬江水系是浙江省八大水系之一，位于浙江省东部沿海，杭州湾之南。是宁波市的母亲河，随着宁波市经济和人口的快速发展，甬江流域尤其是中下游地区河流水体水质与水生态环境恶化问题较为突出，解析甬江流域污染排放与水体水质响应之间的关系，为水环境综合治理和可持续发展服务，需要科学的理解甬江流域水文循环规律，水体迁移转化特点。同时甬江流域的水系组成十分复杂，既有山区河流，也有平原河网，更有感潮型入海河流，迫切需要能够耦合解析各种复杂水文-水动力-水质关系的系统模型。
　　甬江流域水文-水动力-水质的建模，需要联合分布式水文模型，一维河流水动力-水质模型和多维水动力水质模型，实现该复杂流域水文过程与水体环境的解析与模拟。多模型耦合的优势是可以充分发挥各个模型的特长，耦合的关键是各个模型计算结果间的信息传递与交互。模型的参数率定和耦合形式的优化、不确定分析是耦合过程的难点和关键科学问题。模型的参数率定需要先验的观测数据参与，连续实测数据的质量控制是提高模型精度的前提和保障，以连续实测数据的差分序列平稳性假设为前提，提出了利用滑动窗口技术、Dixon检测准则和统计查找表实现序列中异常数据的检测，对异常数据的重构则采用窗口内正常数据集的加权插值结果代替异常值，实验结果表明:该方法可以对异常数据进行有效检测和重构处理，且充分保留了正常数据的测量结果。
　　在连续实测数据质量控制的基础上，结合甬江流域的地理、土壤和工农业排污数据，通过水文过程的自上而下的特点，将不同模型模拟的水量与水质负荷、浓度信息进行传递，实现各个模型间的耦合。利用L-THIA模型实现流域产水量与面源负荷的测算，利用QUAL2K实现山区河流与平原河流的水动力-水质解析，对于更加复杂的甬江干流水体，采用了EFDC模型进行了建模与解析。通过模型参数的率定和验证，各模型间的耦合效果良好。
　　最后根据甬江流域的降雨特点，设计了90％的枯水年、75％的干旱年、50％的正常年水文情景，利用模型率定的参数信息实现水体浓度的模拟，并计算出对应的水体环境容量与纳污能力，为科学指导流域的水环境管理、总量控制与污染削减方案的制定提供科学的依据。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究内容

1．4 技术路线

2．流域水文-水动力-水质模型基础理论

2．1 多模型耦合的方法

2．2 L-THIA模型的基础理论

2．3 河流一维水动力水质模型基础理论

2．4 流三维水动力水质模型基础理论

3．研究流域概况与数据收集、分析、处理

3．1 研究流域概况

3．1．1 流域概况

3．1．2 自然环境概况

3．1．3 社会经济概况

3．2 数据收集、分析与处理

3．2．1 空间信息数据收集处理

3．2．2 气象、水文、水质监测数据与分析

3．2．3 连续观测数据质量控制策略

3．2．4 流域降雨时空分布与降雨径流规律

3．2．5 水资源量初步估算与水文年型分析

3．2．6 点源排放资料收集与负荷测算

4．沿海流域水文-水动力-水质多模型耦合技术

4．2 分布式水文模型L-THIA构建

4．3 河流一维水动力水质模型的构建

4．4 感潮河流三维水动力水质模型构建

5．耦合模型在甬江流域水文-水动力-水质解析中的应用

5．1 分布式水文模型径流量与非点源负荷计算

5．2 河流一维水动力水质模拟与应用

5．3 感潮河流三维水动力水质模拟结果

6．耦合模型在甬江流域水环境综合管理中的应用

6．1 水功能区划与水质保护目标

6．2 水环境容量计算模型

6．3 典型水文条件设计

6．4 水环境容量与纳污能力初步结果

7．多模型耦合过程的不确定性分析

7．1 面源负荷入河过程的不确定性分析

7．2 原始观测数据质量控制对模拟影响的不确定性分析

8．结论和建议

8．1 结论

8．2 特色与创新

8．3 不足与建议

参考文献

博士期间发表(录用)的论文与取得的奖励