考虑城乡产污机制的水量水质耦合模拟与调控研究-以武汉市北湖集水区为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 杨志洲 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 夏军 |
| 关键词 | 水污染 分解重构 污染源识别 TVGM_Urban 水污染调控系统 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 城市水污染由于受高速增长的城镇化率和气候因子的影响，呈现出极为复杂的动态特征，并且对生态环境产生了不利影响，因此，城市水污染是目前的研究热点和实现城市可持续发展目标所面临的重大战略问题。城市水污染由于受多驱动因子不同响应机制的影响，历史水质呈现出复杂的动态特征，导致单一的趋势性分析不能很好地评价水质动态特征及对各因子的响应机制。对历史水质数据分解获得其不同频率的动态特征，是评价不同驱动因子对水质数据不同频率动态响应的关键点，支撑了缺少数据条件下长时间序列水质数据的高精度重构。由于城市水系统的复杂性，准确识别城市水体污染的来源，建立模拟复杂污染来源的水文水环境模型及建立水污染调控系统仍然较为困难，而精确识别污染源可以很好地支撑城市水系统的水文水环境建模及水污染调控。本次研究以武汉市北湖集水区水系统为例，以污染动态特征分解和污染源识别为切入点，分析了不同驱动因子对水质数据不同频率的响应机制，识别了研究区有无雨日的污染源，并应用至TVGM_Urban模型，增加了TVGM_Urban模型池塘的产流产污模块和点源模块，实现了城市高精度的水量水质耦合模拟，评价了不同土地利用类型在降雨期间对产污过程的响应机制。以识别的污染源和改进的TVGM_Urban模型为基础，构建了城市水污染多目标调控系统，结合北湖集水区现有及规划的调控措施评价了不同调控措施下水质和治理成本的互动规律。主要的结论如下： （1）基于自适应噪声完备集合经验模态分解方法、随机森林方法和污染源识别模型，构建了考虑多要素影响下的城乡复杂污染源识别方法，有效识别了城乡结合部有无雨日水体中主要的污染源。本研究集成了自适应噪声完备集合经验模态分解方法（CEEMDAN）、随机森林方法（RF）和遗传算法-支持向量机模型（GA-SVM），从而提出了一种集成的水质监测数据分解-重分类-重构的方法。该方法在将水质监测数据进行分解的基础上，将分解的多个序列重分类为高频项、低频项和趋势项3个不同的频率项，利用随机森林方法评价了不同驱动因子对水质监测数据不同频率动态特征的响应相关并评价了水质的动态趋势。将原始水质序列和分解后的不同频率动态与GA-SVM模型集成从而形成了2种重构预测模型。研究结果表明：NH3-N和TN监测数据的高频项对水质贡献较大且波动较为剧烈，主要受蒸散发、短期降雨、湖泊水位动态等水文气象因子的影响。NH3-N和TN监测数据的低频项波动较小，体现了水质的年际变化趋势，主要受年降雨量、人口、土地利用类型和景观格局指数的影响。NH3-N和TN监测数据的趋势项主要反映了水质长期变化趋势，揭示了在研究期内水质持续恶化的现状，且主要受土地利用类型、人口和年降雨量的影响。水质要素的重构及预测结果表明：基于分解-重构的水质序列与GA-SVM模型集成可以获取更高的模拟精度，NH3-N和TN模拟的Nash-Sutcliffe（NSE）效率系数均提升了0.13。基于两种污染源识别的受体模型，即主成分分析-线性回归（PCA-MLR）模型和正定矩阵因子分解（PMF）模型，识别了研究区在无雨日及降雨事件中的主要污染源，并对两种污染源识别的受体模型进行了对比。研究结果表明：无论是无雨日还是在降雨事件中，城市扩张都使水质发生了显著的时空变化。非点源是研究区主要污染源，在无雨日，北湖集水区、城区、城乡结合部和郊区非点源污染的比例分别为： 68.57%、68.31%、71.87%和67.02%。降雨期间，北湖集水区、城区、城乡结合部和郊区非点源污染的比例分别为：83.35%、83.84%、84.34%和86.07%。在城乡结合部地区，农业污染源（约15%）占比较大，在城乡水量水质耦合模拟及调控中不可忽略。 （2）构建了考虑城乡产污差异的水量水质时变增益耦合模型（TVGM_Urban），提升了城乡结合部水质模拟精度，揭示了多污染源影响下城乡产污分异特征。以识别的污染源为基础，分析了研究区主要的工业点源，并基于夜间灯光指数计算了研究区的人口分布及居民点源排放，从而增加了TVGM_Urban模型的池塘产流产污模块和两个点源（工业源和居民源）模块，在此基础上，利用改进的TVGM_Urban模型构建了城乡水量水质耦合模型，基于小时尺度的降雨径流及月尺度的水环境监测数据建立了长序列水量水质耦合模型，以及基于实测的场次降雨期间的水质过程建立了基于场次降雨的水量水质耦合模型。以污染源为基础的TVGM_Urban模型的模拟结果表明：本次建立的小时尺度长序列水量水质耦合模型能够很好地模拟小时尺度的水文过程及月尺度的水环境过程。在TVGM_Urban模型的率定期和验证期，大部分场次降雨的相对误差（RE）系数小于±10，RE系数的范围为0.88~-8.89。仅有两次小时尺度的水量模拟的RE系数略大于±10，均为-13.04。因此，总体看来，本次研究建立的小时尺度的水量水质耦合模型模拟精度较高。在2018年初至2020年底的长序列水质模拟中，本次建立的模型均能实现较高精度的NH3-N和TN模拟。其中，NH3-N和TN的NSE系数分别为0.63和0.69，RE系数分别为-13.80和-2.40，表明长序列的水质模型能够较好地模拟研究区的水质动态。在实测场次降雨的水质验证模型中，TN模拟的RE系数范围为-0.38~-7.16，表明场次降雨的水环境过程模拟结果较好，NH3-N模拟的RE系数范围为0.97~-13.78，表明场次降雨中NH3-N的模拟结果相对较好。当引入池塘模块后，城市子集水区和城乡结合部子集水区在降雨期间的产污机制差别较大。城市子集水区随着降雨强度的增加污染物浓度迅速增大，降雨减小后污染物浓度也迅速减小，而城乡集合部子集水区由于分布有大量的湿地（池塘），在降雨初期污染物浓度迅速减小，之后呈现出先增大再减小的趋势。 （3）构建了考虑城乡污染源和水量水质互动关系的水污染调控系统，优化了各类城乡复杂下垫面在降雨期间的水污染调控策略。以识别的污染源和基于污染源构建的TVGM_Urban模型为基础，结合北湖集水区现有及建设中的水污染调控措施，构建了基于污染源的城市水污染多目标调控系统。该系统以实现水质最优和成本最优为目标函数，以调控识别的点源和非点源污染为调控对象，以北湖集水区建成及规划建设的外江生态引水工程、合流制分流制管网、污水提升泵站和污水处理厂为调控手段，以不同的降雨重现期为气象条件，从而设置了不同的情景，并基于建立的城市水污染多目标调控系统进行了评价。研究结果表明：在北湖集水区，由于工业排放的点源和居民排放的点源对北湖集水区水体在无雨日污染贡献较大，不施加治理措施时，可能对北湖水体造成较大的污染，当施加点源治理和外江生态引水时，可以在无雨日以较低的治理成本实现水体达标的目标。但是，仅仅治理点源时，由降雨产生的非点源污染会对北湖造成极大的污染，当把所有的非点源水体提升至污水处理厂时，尽管北湖污水处理厂有足够的处理能力（近期规模80×104t/d，远期达到150×104t/d），但是会产生极高的治理费用。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 126 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186937]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨志洲. 考虑城乡产污机制的水量水质耦合模拟与调控研究-以武汉市北湖集水区为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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