九龙江营养盐输出的水文调控及LOADEST模型应用研究

发布时间：2020-08-01 13:13

【摘要】：受高强度人为活动和气候变化影响,亚热带地区河流营养盐(氮、磷)浓度和入海通量呈现高度动态变化。传统水环境监测频率低、参数少,无法准确评估河流氮磷通量及其变化。本研究于2014～2016年在福建省九龙江开展逐日观测(其中2014年为平水年,2015年为偏丰水年,受ENSO影响2016年为极丰水年),探明河流营养盐输送过程及其水文调控机制,建立适用于九龙江流域的LOADEST模型,并分析氨氮(NH_4-N)、硝氮(NO_3-N)和活性磷酸盐(SRP)的模拟效果差异及原因。主要研究结果如下:(1)受亚热带季风气候的影响,水文条件控制着河流营养盐浓度和通量输出的时序与量级。营养盐年均浓度呈现“平水年偏丰水年极丰水年”基本趋势。平水年(2014年),营养盐表现出丰水期稀释和枯水期富集的季节特征。营养盐污染在枯水期存在累积效应,各形态浓度在春季(3月中下旬)达到峰值。由地表径流输送主控的NH_4-N,其浓度峰值出现时间比地下径流主控的NO_3-N早1周。受ENSO影响,极丰水年(2016年)的暴雨事件增多、强度增大,营养盐稀释效应更为显著。暴雨径流引起河流营养盐的变化受控于源供应(富集效应)和降雨径流(稀释效应)的叠加影响。2014年丰水期(5～9月)贡献全年59%～73%的营养盐(NH_4-N、NO3-N和SRP)通量;2015年丰水期(5～10月)贡献全年73%～83%的营养盐通量。2014～2016年,每年7～10场洪水事件历时占比24%～53%,却贡献了当年40%～68%的溶解态总氮(DTN)通量和48%～73%的溶解态总磷(DTP)通量。(2)LOADEST模型估算河流营养盐通量的效果受模拟时段长短、营养盐浓度极值比和采样频率的影响,且存在形态差异。LOADEST季节分段(分丰水期前、丰水期、丰水期后三段)模型估算营养盐通量的效果优于多年模型(2014～2016年)和单年模型。相对于平水年,极丰水年营养盐月通量的模拟误差明显增大。分段模型估算不同时间尺度的营养盐通量的相对误差(RE)范围:洪水事件营养盐通量月通量年通量。洪水事件营养盐通量的模拟效果与营养盐浓度的变化程度密切相关,洪水期间营养盐浓度的极值比和模拟误差的极差呈显著正相关(R~20.75,p0.01)。分段模型估算NO_3-N年月通量的误差小于NH_4-N和SRP。平水年(2014年),洪水事件NH_4-N通量(RE10%)的模拟误差整体小于NO_3-N通量(RE15%)和SRP通量(RE30%);但在丰水年(2015～2016年),分段模型估算洪水事件NO3-N通量(RE10%)的效果优于NH_4-N和SRP。基于每周一采或每周两采的频率,模型可以较合理地模拟NO_3-N的年月通量(月通量误差-0.3±8%,年通量误差-1±3%),降低采样频率会导致更大的误差。NH_4-N和SRP浓度的动态变化(极值比更大)强于NO3-N,要求NH_4-N和SRP有更高的采样频率。捕捉洪水样品和增大采样频率(小时频率)可以有效改善LOADEST模型估算洪水事件营养盐通量的效果(RE5%)。(3)结合水质水量在线高频监测技术,将“水质水量直接估算模型”和“LOADEST通量模型”集成于九龙江河流入海通量智能监控系统,实现对营养盐通量的全过程实时监控。以“年通量模拟误差5%,月通量模拟误差10%”为目标,要求在线监测仪器测量NO_3-N和NH_4-N时维护时限小于7天,测量SRP时最多2天。本文在不同时间尺度(月、季、年际、洪水事件)进行观测与模型研究,总结了九龙江河流营养盐输出的水文控制机制和形态差异,通过模型评估与优化,应用于河流入海通量高频监测与模拟信息系统,可为全球变化背景下我国河口湾污染总量控制、藻华监测预警、海陆统筹管理提供理论指导。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P333;X52
【图文】：

技术路线图,通量,九龙江,模型行为

现对河流入海污染通量的数据管理和智能监控。逡逑１．３．３研究技术路线逡逑研宄思路（图１－１）：通过基础数据研究支撑模型研究，并将研究结果应用于逡逑实践示范中。首先，基于营养盐浓度观测数据和流域气象水文参数总结不同时间逡逑尺度下九龙江流域水文和营养盐输出的基本特征。其次，进行九龙江ＬＯＡＤＥＳＴ逡逑模型效果的评估与优化。建立不同时间尺度（多年、单年、水文期）的数据集分逡逑别率定ＬＯＡＤＥＳＴ模型，得到多年模型、单年模型、分段模型（纵向对比），比逡逑较各营养盐形态（Ｎ０３－Ｎ、ＮＨ４－Ｎ、ＳＲＰ）的通量误差（横向对比），优选适用于逡逑以九龙江为代表的亚热带河流的ＬＯＡＤＥＳＴ模型。评估不同采样频率（主要包括逡逑高频采样和低频懫样）对模型行为的影响。总结水文条件对模型行为的影响。最逡逑后，通过现场应用，将ＬＯＡＤＥＳＴ模型集成于九龙江河海界面营养盐通量智能监逡逑控系统，以“年通量误差＜５％，月通量误差＜１０％”为目标，分营养盐形态对在逡逑线监测仪器的稳定性提出要求。逡逑８逡逑

九龙江,位图,西溪

第２章材料与方法逡逑２．１研究区概况逡逑九龙江位于中国东南沿海地区（图２－１），是福建省第二大河流，流域面积为逡逑１４７４０邋ｋｍ２。九龙江流域东经范围１１６°４６＇５５＂￣１１８°０２＇１７＂，北纬范围逡逑２４°２３Ｗ￣２５°５３３８”，一级支流主要包括北溪、西溪和南溪，流经龙岩、漳平、逡逑华安、长泰、南靖、平和、漳州、龙海等８个县（市、区）。逡逑２．１．１自然环境逡逑九龙江发源于博平岭山脉东麓和戴云山南端，北溪的（最大的干流）流域面逡逑积为９５７０邋ｋｍ２，河道平均坡降为２．４％。；西溪流域面积为３９４０邋ｋｍ２，河道平均坡逡逑降为３．１％。。北溪主流发源于龙岩市西北方向的博平岭山脉梅花山一带，上游为逡逑雁石溪，主要支流包括万安溪、宁洋溪、永福溪、新桥溪、西浦溪和龙津溪等。逡逑北溪从河源到河口全长２７４邋ｋｍ，横贯海拔范围３２５邋ｍ邋（流域内９１％的地区海拔逡逑高于２００邋ｍ）。北溪由西北向东南流经龙岩山区（农业集约化水平较高

降雨量,流量,锋面雨,台风雨

和１６７７逦浦南站、郑店站多年平均年径流量分别是２６２邋ｍ３邋ｓ—１和１２６邋ｍ３邋ｓ＇逡逑北溪的流量明显高于西溪。２０１４年龙岩和漳州的年降雨量分别为１７２４邋ｍｍ和逡逑１５９６邋ｍｍ，浦南和郑店年均径流量分别为２１８邋ｍ３邋ｓ—１和１１２邋ｍ３邋ｓ—１（图３－１、表３－１邋）。逡逑九龙江流域降雨量具有年内分配不均的特征，流域的主要降水形式为春季锋面雨逡逑（３￣４月）以及夏季台风雨（５￣８月）。逡逑７００邋逦—－１邋逦逦邋逦１逡逑ａ）邋Ｎｏｒｔｈ邋Ｒｉｖｅｒ逦｜ｉ＝ＤＰｕｎａｎ邋（１９７０－２００７）￣￣￣邋ｂ）邋Ｗｅｓｔ邋Ｒｉｖｅｒ邋Ｉ逦Ｚｈｅｎｇｄｉａｎ邋（１９７０－２００７）逡逑一邋９ｓ邋６００邋－逦费邋0ａ＊Ｐｕｎａｎ邋（２０１４）逦Ｚｈｅｎｇｄｉａｎ邋（２０１４）逡逑＇灄逦Ｌｏｎｇｙａｎ邋（１９７０－２００７）逦－邋Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ邋（１９７０－２００７）逡逑＿邋－ｏ－邋Ｌｏｎｇ＼ｒａｎ邋（２０１４）逦邋—Ｏ？邋Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ邋（２０１４）逡逑５００邋■逦／Ｉ逡逑ｓ．｜逦１逦ｆｌ逡逑？Ｓ邋ｆ邋４００邋－逡逑：邋Ｍｉｌ邋１邋ｌｉＪｉ邋丨邋Ｉｆｌｗ，逡逑１逦２逦３逦４逦５逦６逦７逦８逦９逦１０邋１１邋１２逦１２３４５６７８９逦１０邋１１逦１２逡逑Ｍｏｎｔｈ逦Ｍｏｎｔｈ逡逑注：柱状表示流量；圆圈表示降雨量。逡逑图３－１邋２０１４年月降雨量、流量与１９７０？２００７年期间多年月均水平的比较逡逑Ｆｉｇ．邋３－１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋２０１４邋ａｎｄ邋１９７０－２００７逡逑近年来

【参考文献】