基于LOADEST模型和M K检验的淮河入洪泽湖氮磷污染通量分析

基于2015-2020年淮河入洪泽湖断面的水文水质数据,利用LOADEST模型建立污染物通量与河流流量之间的统计回归模型,并估算淮河入洪泽湖总氮(TN)、总磷(TP)污染物通量。结果表明,2005-2020年间淮河TN、TP年平均输移通量分别为(4730.14±1893.32)t、(257.56±108.53)t;受流量变幅影响,TN、TP输移通量与河流流量均呈极显著性相关关系(p<0.01)。采用M K检验分析发现,研究期间淮河TN和TP的输移通量总体上呈下降趋势,2018年12月后受入湖水量与氮磷浓度双重影响氮磷输移通量下降趋势更为明显。

基于数字滤波和LOADEST模型的思茅河基流氮磷输出通量估算

为定量解析云贵高原地区河流基流的氮磷输出通量过程,采用最小滑动法、Chapman-Maxwell滤波法、Boughton-Chapman滤波法及递归数字滤波法对澜沧江三级支流思茅河进行了基流分割,基于LOADEST模型模拟了思茅河总径流及基流氮磷输出通量过程,估算了基流的氮磷输出贡献。研究结果表明:Boughton-Chapman滤波法对思茅河基流分割的适宜性较好,基流年均补给量约占思茅河总径流量的66%;基于LOADEST模型构建的思茅河总径流NH_(3)-N、TP输出通量模型方程判定系数R^(2)分别为81.89%和72.67%,拟合效果较好,二者年均输出通量分别为567.58 t和25.75 t;基流NH_(3)-N、TP年均输出通量分别为391.57 t和18.87 t,对思茅河总径流氮磷输出通量的年均贡献率分别为69%和73%;在做好陆域氮磷削减的同时,更要充分考虑到对基流氮磷污染的精准防控。

基于统计模型LOADEST的宝象河污染物通量估算

污染物通量的估算是掌握河流输移负荷的简便方法,可为流域总量控制提供科学依据.LOADEST模型利用连续的水量数据和离散的水质数据,建立污染物通量回归方程,进而估算河流不同时间尺度(日/月/季节/年)下的污染物通量,此外,模型还考虑删失型水质数据的情况,是估算低频率水质监测河流污染物通量的有效途径.以滇池污染严重的入湖河流—宝象河为例,利用LOADEST模型建立污染物通量回归方程,进而估算1999—2008年河流的入湖通量和水质情况.结果表明:(1)TP、COD、TSS多年平均入湖通量分别为18.9×103、1374.0×103、5608.6×103kg/年,TN为239.2×103kg/年,其中溶解态氮(NO3--N,NH4+-N)占83.8%;(2)2001年后各污染物年均浓度均超过Ⅳ类水质标准,超标最严重的为TN;(3)丰水期入湖通量占年通量的40%以上,暴雨径流冲刷成为污染物进入河流的主要方式;(4)NH4+-N、TN、TP年和不同季节入湖通量、浓度均呈现显著增加趋势,年增长率达6%以上;COD入湖通量和浓度在1999—2004年呈增加趋势,2005年后呈下降趋势;由于流域开展水土保持治理措施,TSS的入湖通量和浓度均呈下降趋势.

河流水质采样策略与频率对氮磷负荷估算的影响

为探究适合的流域水质监测频率与采样策略,提高氮磷污染物负荷估算的精度,基于云南省洱源县凤羽河流域2011~2013年间逐日流量与总氮､总磷浓度的每日数据,在7d/次,14d/次,21d/次,28d/次4种采样频率下设定了3种不同的采样情景(情景a:普通随机取样､情景b:随机取样的基础上增加降水量超过10mm的水样样品采集,情景c:随机取样的基础上增加降水量超过25mm的水样样品采集).基于采样频率与采样情景的组合,利用LOADEST模型估算的总氮与总磷负荷,并与逐日连续水量水质数据计算的实测值进行比较,评估了不同取样频率和取样情景下LOADEST模型的负荷估算精度.结果表明:在LOADEST模型的估算过程中,同种采样频率下,增加降雨时期的浓度数据将会提高LOADEST模型的模拟精度;在降雨事件期间进行加密采样,不仅加大了工作量,且增加的采样次数过多(如情景b)使总氮的RMSE值由1.92增至2.26,总磷的RMSE值由0.08增至0.19,高估氮磷负荷,模型模拟精度降低.在四种不同的采样频率下,情景c中总氮的RMSE值范围为1.92~2.07,总磷的RMSE值范围为0.06~0.13,均取得了该频率下最低的RMSE值,模型估算精度最高;从不同频率与采样情景对模型估算结果的影响来看,对总氮负荷估算结果(RMSE值范围为1.92~2.52)影响要大于总磷(RMSE值范围为0.06~0.18).其中,情景a与情景b的负荷估算结果精度随着采样频率降低而降低.情景c的估算结果受现有取样频率降低的影响不明显.本研究表明,在常规固定频率水质监测基础上结合气象预报适量增加降雨时的采样可在28d/次的较低取样频率下得到较高的氮磷负荷估算精度,符合我国各地区环境水质采样频率,可为相关研究的水质采样策略提供一定的参考作用.

基于LOADEST和卡尔曼滤波的河流污染通量过程估算

针对当前国内水质低频监测的现状以及河流污染通量计算方法的缺陷,为了提高河流污染通量估算成果的合理性与可信度,将LOADEST污染通量估算模型与卡尔曼滤波校正算法相结合提出一种新的河流污染通量估算方法。基于LOADEST模型的污染通量过程预估,通过建立污染物通量与流量之间的回归方程,利用逐日高频流量数据预估出波动变化的逐日污染通量过程;基于卡尔曼滤波的污染通量过程校正,对通量实测值与基于LOADEST模型的通量预估值进行同化,减小最终估算值与实测值之间的误差。新方法应用于淮河干流蚌埠闸断面2012年污染通量的估算,氨氮和高锰酸盐指数通量过程的估算值与高频水污染联防监测值吻合较好,判定系数R^2分别为0.78和0.99,累计通量相对偏差分别为1.71%和5.57%。研究结果表明,新方法在不增加数据需求的同时能合理可信的估算河流污染通量的变化过程,可弥补月单值法、线性插值法、污染负荷过程模型法估算河流污染通量的不足与缺陷。

基于浓度与流量突变的河流总磷通量估算

为进一步加深对流量与水质浓度突变特征的理解,探究浓度与流量突变点对通量模拟的影响,本研究基于Mann-Kendall突变检验法以及贝叶斯突变点模型,对潮河流域20多年来(1992—2014年)的径流量、总磷(TP)浓度以及二者之间关系进行突变分析,并结合LOADEST模型估算TP通量。结果表明:潮河流域径流、TP浓度整体均呈下降趋势,径流突变点发生于1998年,突变前后的平均流量分别为7.92 m^(3)·s^(-1)和2.86 m^(3)·s^(-1);TP浓度突变点发生于1993年和1996年,1992—1993年、1994—1996年和1997—2014年平均浓度分别为0.08、0.06 mg·L^(-1)和0.03 mg·L^(-1)。TP浓度-流量关系在2004年12月前后发生突变,前后两个阶段的流量阈值分别为2.36 m^(3)·s^(-1)和9.08 m^(3)·s^(-1)。突变点前,TP浓度与流量的关系是典型的流量驱动模式;突变点后二者关系会在高流量情况下转变为稀释主导模式。基于突变点识别的分段建模有助于改善LOADEST模型的模拟效果,而不同类型突变点各有优势。基于TP浓度突变点的分段模型的整体模拟效果最佳,使纳什系数从0.50提高到0.96;基于浓度-径流关系突变点的模型对关系突变后TP通量的模拟效果最佳,使纳什系数从-0.31提高到0.89。此外本研究讨论了降水及流域管理措施的可能影响。研究表明,进行水质建模及负荷模拟时,考虑水质浓度与流量及其关系的突变可在一定程度上提高模型的适用性。

基于LOADEST模型的牛栏江(昆明段)污染负荷时空分布特征分析

以牛栏江(昆明段)为研究对象,科学评估LOADEST模型运用于牛栏江污染负荷估算的效果,并对牛栏江(昆明段)中化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH_(3)-N)、总磷(TP)污染负荷时空变化特征进行分析。结果表明:①2011年(枯水年)七星桥和四营断面COD、NH_(3)-N、TN、TP负荷较低,分别为2183.83 t/a、73.17 t/a、437.73 t/a和3642.91 t/a、437.73 t/a、629.86 t/a、25.26 t/a;2008年、2015年各类污染物负荷突高,降雨情况对各类污染物负荷变化影响显著;②7—8月七星桥和四营断面COD、NH_(3)-N、TN、TP负荷突出,最大负荷分别为27417.1 t/月、672.11 t/月、2390.35 t/月、353.34 t/月和15032.66 t/月、5852.44 t/月、175.45 t/月、1078.95 t/月;(下游)七星桥断面的COD、TP污染负荷高于四营断面,而(上游)四营断面NH_(3)-N、TN始终较七星桥高。

LOADEST污染物负荷估算模型在寒区的适用性研究

对污染物负荷的估算是掌握河流污染物总量输移的简便方法,也可为流域污染物总量控制及模拟提供数据支撑。采用LOADEST模型利用连续的日流量数据和伊吾河研究区四个汇水口瞬时的总氮及总磷负荷浓度,建立寒区伊吾河流域污染物通量回归方程,对回归方程的有效性进行检验,研究其对寒区月污染物负荷估算的适用性。结果表明:LOADEST模型优选出的各污染物负荷回归方程比较有效,可以对项目区污染物负荷进行估算,能够较真实的反映伊吾河流域各污染物的入河负荷。

深圳河河口近10年典型污染物通量变化研究

根据2008-2017年连续水文观测数据和逐月水质监测数据,采用LOADEST模型模拟估算主要污染物COD、氨氮、总氮和总磷的净通量,得到深圳河河口近10年主要污染物通量的变化规律。结合降水和流域内污水处理厂运行情况,分析影响污染物通量变化的自然因素和人为因素,得到以下结论。1)2008-2017年深圳河河口断面各污染物入湾净通量呈现明显的下降趋势,总体水质情况有所好转,但仍未达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中V类水目标要求。2)2008-2017年各污染物净通量的季节性差异逐年变小。3)COD净通量与降雨量的相关性较强,说明其污染来源多为非点源;总氮、氨氮和总磷净通量与降水量的相关性相对较弱,说明其污染来源多为点源。4)污染物净通量与污水处理量明显负相关,说明提高污水处理厂日处理能力和污水出水水质有助于河流水质的改善。

丘陵小流域氮磷流失通量监测频次的优化研究

准确计算污染物流失通量对水资源保护及污染物总量控制有重要意义,考虑到高频次水质监测的成本较高,采用合适的污染物流失通量估算模型并优化监测频次是有效的解决途径。LOADEST模型能利用连续的日径流量数据和离散的污染物浓度数据建立回归方程,可用于估算小流域的污染物流失通量。采用四川省盐亭县万安小流域3个集水面积不同的河流断面在不同监测时间间隔条件下的水质数据及连续的径流数据,估算基流总氮和总磷的流失通量,评估LOADEST模型在丘陵小流域的适用性。结果表明:在研究区域,要保证模型估算结果的准确性和稳定性,集水面积小、坡降大的河流断面允许的最大监测时间间隔为20 d;集水面积大、坡降小的河流断面允许的最大监测时间间隔为40 d;污染物流失通量估算中的模型表现以总磷优于总氮;当年的径流量与污染物浓度数据仅适用于当年的流失通量LOADEST模型估算,并不适用于其他年份,可归因于气象水文情况的年际变化。

北部湾茅岭江化学需氧量、总氮和总磷的入海通量

基于2014—2020年茅岭江入海口断面径流量及化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)数据,通过LOADEST模型优化计算了COD、TN和TP的入海通量。结果表明:(1)LOADEST模型建立的茅岭江COD、TN和TP的入海通量回归方程,模拟计算的入海通量与实测值具有很好的一致性。(2)模拟计算的COD、TN和TP多年平均入海通量分别为34537 t/a、3302 t/a和235 t/a,月平均入海通量分别为2878 t/月、275 t/月和19.58 t/月;雨季COD、TN和TP的入海通量分别占年入海通量的77%、80%和71%;COD、TN和TP的年入海通量中分别有21059~25271 t/a、1775~2130 t/a和70~84 t/a来自于非点源,COD和TN主要受非点源控制,TP不仅受非点源控制,也受点源控制。(3)对比分析钦江和茅岭江COD、TN和TP的多年平均入海通量可知,钦江COD、TN和TP的多年平均入海通量分别约为茅岭江的1.16、2.15和2.37倍,入海通量不同主要受沿岸居住的人口数量影响。

阿什河流域非点源污染优先控制区识别

由于农村生活污水排放及化肥的过度施用,大量的污染物进入河流,对环境造成严重污染。为寻找到污染较严重的区域并进行有针对性的治理,运用美国农业部开发的SWAT模型及美国地质勘探局(United States Geological Survey,简称USGS)开发的LOADEST模型,对研究区的污染物进行估算及模拟,并采用空间分析方法获得污染物优先控制区。结果表明,污染物的模拟效果较好,通过空间分析可以有效识别污染严重的区域,为未来阿什河流域环境的综合治理提供借鉴。

近10年漓江干流水量水质分析及污染物通量估算

以漓江为研究对象,提出基于“预处理-回归”过程链的河流污染物通量估算方法,利用箱线图法对水质数据进行预处理,基于LOADEST模型估算桂林及阳朔站断面NH_(3)-N、COD_(Mn)、TP的污染物年通量。结果表明:桂林站断面NH_(3)-N浓度大于阳朔站断面,而阳朔站断面COD_(Mn)及TP浓度更高;污染物通量与河流流量的相关系数大于污染物浓度,说明污染物通量主要取决于流量的变化;对水质数据进行预处理后,桂林水文站NH_(3)-N、COD_(Mn)、TP拟合效果分别提高了2.37%、2.82%、0%;阳朔水文站NH_(3)-N、COD_(Mn)、TP拟合效果分别提高了2.89%、1.72%、3.75%;桂林及阳朔水文站断面NH_(3)-N、COD_(Mn)、TP年平均通量分别为987.302、1254.781 t,6784.407、14964.549 t,265.945、756.055 t。该研究对提高污染物通量估算精度,实现河流污染物精准治理具有重要意义。

潮河古北口断面的污染物通量估算及水质评价

为得到潮河古北口断面污染物通量及其与水质状态之间的关系,利用LOADEST模型建立污染物通量回归方程,估算潮河古北口断面的DO、COD_(Mn)、TP、COD和TN的通量,并采用五元集对分析法进行水质评价,推断水体水质发展趋势。结果显示:DO、CODMn、TP、COD和TN的多年日均通量依次为6.2、0.93、0.013、4.83、4.28 t/d;在评价期内断面水质均达到地表Ⅰ类水标准。得出的污染物通量和水质评价结果对潮河水环境保护治理具有一定的借鉴意义。

平原城市区设闸河流氮磷污染物入海通量研究

利用2013～2015年海河防潮闸断面逐日流量及离散的水质数据,基于LOADEST模型构建了TN、TP入海通量多元线性回归方程,对方程进行了评估验证,TN、TP模型的判定系数(R2)分别达到0. 917、0. 924,表明LOADEST模型适用于平原城市区设闸河流断面污染物入海通量的评估。评估结果表明,海河防潮闸断面TN、TP入海通量及水质表现出不同的变化特征。2013～2015年,TN浓度月均值变化范围3. 38～8. 33 mg/L,汛期(6～10月)浓度低于非汛期,TP浓度月均值变化范围0. 17～0. 88 mg/L,汛期浓度高于非汛期; TN年均入海通量2200 t/a,汛期占43. 7%,日均入海通量25. 8 t/d,非汛期日均入海通量是汛期的2倍; TP年均入海通量216 t/a,汛期占69. 3%,日均入海通量2. 5 t/d,汛期日均入海通量高于非汛期,9月份最高,4月份最低。研究结果可为实施陆海统筹的最大日污染负荷(TMDL)总量控制提供科学依据。

典型岩溶地区岩溶泉溶解性碳浓度变化及其通量估算

溶解性无机碳(DIC)和溶解性有机碳(DOC)是岩溶作用、碳汇与碳循环研究的重要指标.为增进对小流域岩溶泉DIC和DOC运移特征的认识,提升离散、有限的水质监测数据条件下碳通量的估算精度,研究了贵州普定陈旗岩溶泉DIC和DOC浓度的变化特征,采用LOADEST模型建立了估算DIC和DOC日通量的回归方程,并估算了陈旗岩溶泉的岩溶碳汇强度.结果表明,陈旗岩溶泉DIC和DOC的浓度分别为16. 47～42. 31 mg·L^(-1)和0. 87～6. 89 mg·L^(-1),它们分别随瞬时径流量的增加呈指数减小和增加.从LOADEST模型构建的回归方程可知,DIC日通量主要受径流量的影响,DOC日通量受径流量和时间的影响;陈旗岩溶泉DIC和DOC的估算通量分别为9 490. 01 kg·a^(-1)和1 704. 87 kg·a^(-1),陈旗岩溶泉的岩溶碳汇强度为3. 40 g·(m^2·a)^(-1). LOADEST模型是低频率水质监测条件下估算岩溶泉DIC和DOC通量的有效工具.

2014-2019年钦江河口典型污染物的入海通量研究

基于2014-2019年钦江入海河口断面流量以及化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)3种典型污染物的浓度,本研究通过LOADEST模型优化了COD、TN和TP入海通量计算方程,其优化后的判定性系数分别为0.857、0.772和0.717,这说明优化后的方程能够满足钦江河口典型污染物入海通量及水质变化特征的评估。结果表明:(1)2014-2019年,COD、TN和TP无论是浓度还是通量均呈现先升高后降低的变化趋势,TN依然超标严重;(2)COD、TN和TP季节变化特征显著(p<0.01),入海通量干季低于湿季,浓度干季高于湿季,COD和TN的入海通量与降雨量呈极显著相关性(R^(2)=0.897,p<0.01,R^(2)=0.748,p<0.01),COD和TN主要来自非点源,而TP与降雨量呈显著相关性(R^(2)=0.359,p<0.05),TP不仅受非点源影响,也受点源影响,建议加强沿江污水管网和污水处理能力建设。