九龙江营养盐输出的水文调控及LOADEST模型应用研究

作     者：高信娟 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈能汪

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：亚热带 九龙江 洪水事件 营养盐 通量 

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-N)、硝氮(NO-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-N,其浓度峰值出现时间比地下径流主控的NO-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-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(R0.75,p0.01)。分段模型估算NO-N年月通量的误差小于NH-N和SRP。平水年(2014年),洪水事件NH-N通量(RE10%)的模拟误差整体小于NO-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-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-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-N和SRP浓度的动态变化(极值比更大)强于NO3-N,要求NH-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-N和NH-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。