基于SPARROW模型的多尺度流域營養(yǎng)鹽分布研究及其與底棲生物關(guān)系探索.pdf

1、我國目前水環(huán)境污染嚴重，完善流域管理制度，加強生物監(jiān)測勢在必行。本研究以流域空間屬性回歸模型SPARROW模型作為研究基礎，通過對其原理和結(jié)構(gòu)的學習，選擇松花江流域（556,700km2）作為目標區(qū)域進行模型適用性的研究，開發(fā)并總結(jié)了一系列適用于我國數(shù)據(jù)現(xiàn)狀的處理方法，基于102個TN監(jiān)測站點和65個TP監(jiān)測站點進行模型校準，得到能夠通過統(tǒng)計學檢驗的參數(shù)結(jié)果，選取中俄兩國交界斷面——同江斷面進行TN、TP污染源的溯源分析，通過考慮土水傳

2、輸過程和水體衰減作用，顯示約有一半以上的污染物來自耕地和林草地貢獻，對其上游子流域的污染貢獻量進行排序后發(fā)現(xiàn)，貢獻較大的子流域集中于干流附近，且TN與TP的貢獻最大子流域不盡相同，根據(jù)模型預測結(jié)果能夠為管理措施的制定提供理論參考。由于單獨的理化指標不能反映水生態(tài)系統(tǒng)的健康程度，因此選擇太子河流域（14,000km2）的大型底棲生物作為研究對象，利用結(jié)構(gòu)方程模型及貝葉斯網(wǎng)絡建立土地利用面積、水質(zhì)指標、大型底棲生物之間的相互影響關(guān)系，根據(jù)結(jié)

3、構(gòu)方程模型中的修正因子對因果結(jié)構(gòu)進行反復修正，確定能夠通過相應檢驗指標的因果關(guān)系網(wǎng)絡，利用最大期望算法及觀測數(shù)據(jù)對該網(wǎng)絡進行訓練，確定各指標離散數(shù)據(jù)間的定量關(guān)系，將該結(jié)果與SPARROW模型的營養(yǎng)鹽預測結(jié)果相結(jié)合，基于貝葉斯決策網(wǎng)絡確定流域內(nèi)的生態(tài)分區(qū)，從生態(tài)學角度對水質(zhì)進行評價。SPARROW模型目前主要在監(jiān)測點位分布較多的大尺度流域進行應用，以減小回歸分析過程中可能帶來的誤差，但是由于其分析結(jié)果同樣能夠?qū)χ行×饔虻乃|(zhì)管理提供指導和

4、建議，因此引入貝葉斯方法校準模型參數(shù)并分析其不確定性。貝葉斯算法能夠充分考慮已有的研究成果，通過對各參數(shù)的先驗取值范圍加以限制，能夠有效避免尋優(yōu)過程中可能出現(xiàn)的偏差，尋得具有合理物理意義的參數(shù)結(jié)果。本研究選取安徽省境內(nèi)的新安江流域（6440km2）作為研究區(qū)域，利用貝葉斯算法中的蒙特卡洛馬爾科夫鏈（MCMC）方法進行TN相關(guān)參數(shù)擬合及不確定性分析，當各參數(shù)的后驗分布實現(xiàn)平穩(wěn)收斂后，選擇其均值進行流域內(nèi)污染源和水質(zhì)分布的預測，發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)以

5、農(nóng)業(yè)源污染為主，生活源污染次之，由于工業(yè)企業(yè)數(shù)量較少，因此來自點源的TN污染較少，整體水質(zhì)狀況良好，跨省界的街口斷面TN濃度達到地表水III類水質(zhì)標準，基本能夠滿足千島湖的用水安全?；赟PARROW模型的基本原理，利用FORTRAN語言進行中國大尺度流域水環(huán)境管理模型的編寫，以松花江流域作為案例研究對象，通過與原始SPARROW模型進行界面、運行速度、擬合結(jié)果等方面的比較，發(fā)現(xiàn)水環(huán)境管理模型擁有中文界面，運行速度較快，擬合結(jié)果可靠，能