基于SPARROW模型的多尺度流域營(yíng)養(yǎng)鹽分布研究及其與底棲生物關(guān)系探索.pdf_第1頁(yè)
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1、我國(guó)目前水環(huán)境污染嚴(yán)重,完善流域管理制度,加強(qiáng)生物監(jiān)測(cè)勢(shì)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(chǔ),通過(guò)對(duì)其原理和結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí),選擇松花江流域(556,700km2)作為目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行模型適用性的研究,開(kāi)發(fā)并總結(jié)了一系列適用于我國(guó)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀的處理方法,基于102個(gè)TN監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和65個(gè)TP監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行模型校準(zhǔn),得到能夠通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)的參數(shù)結(jié)果,選取中俄兩國(guó)交界斷面——同江斷面進(jìn)行TN、TP污染源的溯源分析,通過(guò)考慮土水傳

2、輸過(guò)程和水體衰減作用,顯示約有一半以上的污染物來(lái)自耕地和林草地貢獻(xiàn),對(duì)其上游子流域的污染貢獻(xiàn)量進(jìn)行排序后發(fā)現(xiàn),貢獻(xiàn)較大的子流域集中于干流附近,且TN與TP的貢獻(xiàn)最大子流域不盡相同,根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果能夠?yàn)楣芾泶胧┑闹贫ㄌ峁├碚搮⒖?。由于單?dú)的理化指標(biāo)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(duì)象,利用結(jié)構(gòu)方程模型及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立土地利用面積、水質(zhì)指標(biāo)、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(duì)因果結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)修正,確定能夠通過(guò)相應(yīng)檢驗(yàn)指標(biāo)的因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò),利用最大期望算法及觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,確定各指標(biāo)離散數(shù)據(jù)間的定量關(guān)系,將該結(jié)果與SPARROW模型的營(yíng)養(yǎng)鹽預(yù)測(cè)結(jié)果相結(jié)合,基于貝葉斯決策網(wǎng)絡(luò)確定流域內(nèi)的生態(tài)分區(qū),從生態(tài)學(xué)角度對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。SPARROW模型目前主要在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布較多的大尺度流域進(jìn)行應(yīng)用,以減小回歸分析過(guò)程中可能帶來(lái)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(dǎo)和

4、建議,因此引入貝葉斯方法校準(zhǔn)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(guò)對(duì)各參數(shù)的先驗(yàn)取值范圍加以限制,能夠有效避免尋優(yōu)過(guò)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(jìn)行TN相關(guān)參數(shù)擬合及不確定性分析,當(dāng)各參數(shù)的后驗(yàn)分布實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)收斂后,選擇其均值進(jìn)行流域內(nèi)污染源和水質(zhì)分布的預(yù)測(cè),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(lái)自點(diǎn)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(dá)到地表水III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),基本能夠滿足千島湖的用水安全。基于SPARROW模型的基本原理,利用FORTRAN語(yǔ)言進(jìn)行中國(guó)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(duì)象,通過(guò)與原始SPARROW模型進(jìn)行界面、運(yùn)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(yùn)行速度較快,擬合結(jié)果可靠,能

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