基于LOADEST和数字滤波的水源地基流氮素输出定量方法应用实例

地表直接径流和基流均是流域非点源氮/磷养分输出的重要水文途径.科学认识和定量模拟基流氮/磷养分输出对于准确解析水源地水体非点源污染来源至关重要.基于Load Estimator模型和数字滤波算法,建立了定量水源地基流氮素输出的方法体系.以浙江省珊溪水源地的玉泉溪流域为例,利用玉泉溪2010-01—2013-12期间逐月总氮(TN)水质监测数据和逐日流量数据,展示了该方法的计算过程.结果表明,本文建立的水源地基流氮素输出定量方法结果合理,模拟精度高,决定系数和纳什系数分别为0.83和0.80;玉泉溪流域2010—2013年TN负荷量为141.21～274.68 t·a~(-1),平均208.63 t·a~(-1),年基流TN负荷量为84.39～168.68 t·a~(-1),平均127.69 t·a~(-1);基流对玉泉溪年均TN负荷量贡献率高达60%以上,流域基流养分输出对地表水体的污染应引起足够重视.     

流域氮素主要输出途径及变化特征

流域农业面源输出氮素是湖泊流域水体中氮的主要来源之一,对水环境安全造成了极大威胁.不同流域间地形、水文、植被覆盖等因子的差异及气象条件的变化,造成氮的输出途径具有流域异质性及时间变化特征.本研究以高原湖泊典型流域——凤羽河流域为例,基于2011-06~2013-05期间径流水量、水质高频监测数据,应用基流分割的方法,通过分析流域产流与氮素输出途径的季节性变化,探讨了流域氮素输出的主要途径及变化特征.结果表明,基流是高原湖泊流域水量输出的主要形式和总氮输出的主要途径;基流输出水量及总氮负荷分别占流域总输出水量的80. 0%和流域总氮输负荷的71. 1%;降雨显著增加了流域水量和总氮负荷的输出量,同时改变了总氮的输出途径;降雨导致地表径流量增加,进而使流域输出水量和总氮输出负荷中地表径流途径的比重升高;当地表径流占流域输出水量的比重约达40%以上时,流域总氮输出的主要途径由基流转变为地表径流;监测周期内,地表径流输出的总氮负荷占流域总输出负荷的比重最高达65. 6%.     

水利水电工程最小下泄生态基流量计算方法研析

水利水电工程对下游河道的生态环境影响较大,适宜的生态基流计算方法为快速估算工程下泄生态基流提供有效的途径。通过梳理河道生态基流的概念,提出了水利水电工程最小下泄生态基流的含义。运用生态基流空间插值方法,依据生态基流计算方法的适用性结果,确立了水利水电工程最小下泄生态基流的计算方案。通过对汉江流域进行实证分析,干流宜采用Tennant法、最小流量法,支流推荐采用Tennant法计算,由此计算出干支流控制断面的最小下泄生态基流量,基本处于多年平均流量的15%~20%。     

太子河流域水库建设对河流水文情势的影响

水库建设所导致的河流水文情势变化是造成河流生态系统退化的重要原因之一.在河流水文指标生态学意义分析的基础上,建立了反映基流量、断流、高流量及涨退水率等特征的指标体系,提出了各类指标的计算方法.利用太子河53 a的日流量数据,计算并分析了水库建设前后水文指标的变异,反映水库建设对河流水文情势乃至生态系统的影响.结果表明:①太子河流域水库建设改变了河流的基流过程,减少了汛期基流,增加了汛前基流;②增加了辽阳河段断流的频率和历时;③减少了汛期洪水的发生次数,增加了汛后中小型脉冲流频率和历时.太子河水库建设导致了显著的水文变化,具有负面生态效应.      

基于河道生态基流保障的农业生态补偿量研究

针对西北干旱和半干旱地区流域非汛期农业需水和生态基流间的矛盾问题,论文提出了基于河道生态基流保障的农业生态补偿量计算方法。从生态基流得到保障后农业灌溉用水受到影响的角度出发,通过引入作物需水系数建立河道生态基流保障造成的农业用水短缺量与产量损失间的关系,定量计算农业生态补偿量。以宝鸡峡灌区为实例,计算了河道生态基流保障的农业生态补偿量,确定宝鸡峡灌区不同情形下的补偿上、下限,分别为5.25 亿元和0.37 亿元。生态补偿对象为宝鸡峡灌区因河道生态基流保障导致产量受损的农户,补偿的主体为流域的相关管理部门,生态补偿标准的实施也不应只局限于现金发放,也可以用投资建设等形式进行补偿,以提高宝鸡峡灌区的农业可持续发展。     

三江源区径流退水过程演变规律

利用三江源区1960~2009年间的月径流数据,使用数字滤波法进行基流分割并使用Depuit-Boussinesq方程进行退水系数计算,同时对径流量、基流量、退水系数分别进行Mann-Kendall趋势检验。结果显示:(1)过去50 a间黄河与澜沧江年内径流量显著减少,而长江源区径流变化趋势不明显;(2)三江源区冬季枯水期径流量主要受基流控制,基流占冬季径流的比值最高可达100%,黄河源区与澜沧江源区过去50 a来基流在不断减少基流的变化趋势和突变点与径流呈现出高度一致;(3)在过去50 a,长江源区的年径流退水过程正在减缓,气候变化影响下,降雨是三江源区径流退水过程的主要影响因素,降雨量的增加会导致退水系数的减小,而温度对三江源区的退水过程影响存在着不确定性。研究为揭示气候变化下三江源区径流退水过程的演变过程提供了理论参考。     

新疆头屯河河道生态基流的分析研究

头屯河流域在主要河道上修建2处拦河水库及多处引水工程,虽然每年不同程度,周期性向拦河控制性工程以下河段下泄河道生态水量,但是尚未分析论证下泄的河道生态水量及下泄周期是否满足全年河道生态需求。尤其在枯水季节头屯河水库下游往往干涸断流,洪水季节易发污染事故,河道生态达不到预期保护效果。河道生态基流分析计算及提出头屯河流域生态保护的保障措施已经到了非解决不可的地步,河道生态基流分析计算成果作为流域水行政主管部门提出头屯河流域生态保护的保障措施的重要技术支撑,从水资源合理利用与节约,河道两库联合调度、合理利用,维护水生态、保障河道基流量等方面进行工程、调度及制度建设。     

贡嘎山森林系统小流域基流分割与降雨入渗补给计算

利用不同的方法对贡嘎山黄崩溜沟水文站实测日径流资料进行了基流分割,并利用数理统计方法对基流指数的均值、均方差、变异系数进行了计算,并对黄崩溜沟基流过程和地表径流、基流的滞后时间进行了分析。黄崩溜沟基流分割指数为0.65~0.74,平均值为0.71;枯水期,黄崩溜沟地表径流量相对降雨量滞后时间为2.7~14.5d,平均滞后8d,基流量相对地表径流滞后0.7~3d,平均滞后1.8d;丰水期,黄崩溜沟地表径流量相对降雨量滞后时间为0.7~3.7d,平均滞后1.8d,基流量相对地表径流滞后0.9~2.6d,平均滞后1.5d;考虑流域整体,计算黄崩溜沟流域降雨入渗补给系数为0.16~0.28。研究表明:利用数字滤波法中F4方法对黄崩溜沟径流进行基流分割,其结果的稳定性与可靠性最佳;丰水期黄崩溜沟地表径流量相对降雨量滞后时间明显比枯水期短,而其基流量相对地表径流滞后时间丰水期、枯水期相差不大;对某一流域径流进行基流分割时应选取多种方法,并需要对其分割结果的稳定性与可靠性进行讨论,按照流域计算降雨入渗补给地下水补给问题应考虑流域整体,尤其是在山区。     

渭河关中段生态基流保障的水质水量响应关系研究

以渭河关中段为研究对象,结合渭河关中段的水文和水质特征,建立了渭河关中段水质水量响应关系计算程序.设置现状年(2007年)生态基流调控方案,通过渭河关中段生态基流保障调控模型计算渭河关中段各断面调控后的流量.将调控后的各断面流量输入渭河关中段水量水质响应关系的Visual Basic程序中,计算得到各断面水质与枯水期平均流量、最小流量及90％基流保证率流量的响应关系.结果表明,林家村断面至常兴桥断面水质相对较好,且优于地表水环境质量标准(GB 3838-2002)V类水标准,兴平断面至新丰镇桥断面之间水质相对较差.本文可为渭河关中段枯水期生态基流保障及水质改善提供技术支持.     

千岛湖地区上梧溪流域基流磷输出定量研究

基于双参数递归数字滤波 （ERDF）、LOADEST模型和遗传算法,建立一种递归滤波基流负荷分割算法 （RFLSA）,对千岛湖地区上梧溪流域的基流总磷 （TP） 负荷进行分割定量.结果表明：利用遗传算法对双参数滤波日尺度退水常数和最大基流指数 （BFI_max） 进行同步优化,可以有效提高ERDF基流分割结果的准确性和可靠性 （NSE = 0.92, RSR = 0.29, R² = 0.92）;以此为基础建立的RFLSA能够实现上梧溪流域基流TP负荷的准确定量 （NSE = 0.79, RSR = 0.46, R² = 0.95）,可以作为流域尺度上基流非点源污染定量评价的一种有效方法;2020年11月—2021年10月,上梧溪流域以基流形式输出的TP负荷量为0.167 kg·hm^-2,占总径流负荷量 （0.302 kg·hm^-2） 的比例高达55.30%.基流已经成为上梧溪流域非点源TP的主要输出途径,是该地区地表河流水体一个不容忽视的重要污染源.