Approaches to Evaluate Water Quality Model Parameter Uncertainty for Adaptive TMDL Implementation1

Abstract: The National Research Council recommended Adaptive Total Maximum Daily Load implementation with the recognition that the predictive uncertainty of water quality models can be high. Quantifying predictive uncertainty provides important information for model selection and decision‐making. We review five methods that have been used with water quality models to evaluate model parameter and predictive uncertainty. These methods (1) Regionalized Sensitivity Analysis, (2) Generalized Likelihood Uncertainty Estimation, (3) Bayesian Monte Carlo, (4) Importance Sampling, and (5) Markov Chain Monte Carlo (MCMC) are based on similar concepts; their development over time was facilitated by the increasing availability of fast, cheap computers. Using a Streeter‐Phelps model as an example we show that, applied consistently, these methods give compatible results. Thus, all of these methods can, in principle, provide useful sets of parameter values that can be used to evaluate model predictive uncertainty, though, in practice, some are quickly limited by the “curse of dimensionality” or may have difficulty evaluating irregularly shaped parameter spaces. Adaptive implementation invites model updating, as new data become available reflecting water‐body responses to pollutant load reductions, and a Bayesian approach using MCMC is particularly handy for that task.     

Belief Networks: A Framework for the Participatory Development of Natural Resource Management Strategies

Successful long-term management of natural resources requires the development of strategies which recognise the constraints pertaining to the environmental system and can therefore be realistically expected to work. This paper presents a new technique for strategy formulation using belief networks, a framework based on Bayesian probability calculus that supports the investigation of complex environmental systems by the user and analysis of all constraints. While mathematical in nature, belief networks are superficially simple and allow concepts to be expressed in terms with which a wide range of user will be familiar. This offers a participatory approach to the development of management strategies through consideration of the impact of potential management options with consequent benefits for strategy implementation.     

基于MODIS NPP的2006—2015年三江源区产草量时空变化研究

草地既是高原地区重要的生态屏障,也是维系当地人民生产生活的自然资源,准确估算本区域的产草量,可为区域资源开发利用、社会经济可持续发展决策提供科学参考。论文基于MODIS遥感影像获得不同分辨率的NDVI、EVI和NPP产品,结合三江源区监测点的产草量地面实测数据,利用统计分析方法分别建立多种产草量遥感估算模型。利用择优选取的估产模型进行区域适用性评价和模型反演,研究三江源区产草量在2006—2015年的时空分布情况。研究结果表明,基于MOD17A2H NPP的一元线性模型的估算精度相对较高,三江源区的产草量（单产）呈东多西少、自东南向西北逐渐减少的空间分布特点。2006—2013年的产草量（总量）整体呈上升趋势,2013年的产草量（总量）达到3 869.43×10⁴ t,产草量（总量）自2014年开始降低,2015产草量（总量）为2 069.07×10⁴ t。     

湖泊水质时空变化特征识别的贝叶斯方差分析方法

精细识别湖泊水质的时空变化特征是确定流域污染调控措施的基础.贝叶斯方差分析具有灵活的模型结构,可直接表征变量的时空动态特征.本文据此提出了基于该方法的湖泊水质时空变化特征识别的方法框架,研究了异龙湖稳态转换条件下富营养化指标的变化特征和滇池外海特征污染物达标率的时空变化2个案例,验证了该方法在总体服从正态分布和二项分布时的适用性.针对参数可交换性假设被忽视的问题,本文提出了一种基于模型选择准则的判定方法,并将其应用于滇池案例中.结果表明:(1)相对于清水稳态,异龙湖在浊水稳态时3种富营养化指标浓度更高,且年际方差所占总方差比例减小;(2)滇池外海总氮浓度超标率由2007—2013年间的40%左右降到2014—2016年间的10%左右,且波动性降低.随着监测数据的积累和监测时空精度的增加,贝叶斯方差分析在湖泊水质时空变化特征识别中具有广阔的应用前景.     

当前城市空气污染预报方法存在的问题及新思路

论述了当前国内外城市空气污染预报的主要方法以及存在的问题,探讨了一个基于贝叶斯网络的城市空气污染预报的新思路,并对其技术路线和关键问题等进行了初步探讨。新方法可以在一定程度上克服了现有方法理论上的缺陷和应用上的困难,而且具有更大的灵活性、现实性和可操作性,对于我国中小城市开展空气污染预报具有较好的应用前景。     

贵州典型森林群落植物冠层叶片遭受酸雨直接伤害的模拟实验与效应分析

在贵州龙里地区开展降雨连续监测,依据监测结果,配置不同pH值梯度的模拟酸雨;选择杨梅、油茶等10种贵州典型森林群落优势种,对植物叶片开展模拟酸雨喷淋试验;并利用便携式光合仪LI-6400观测喷淋前后叶片的光合作用,研究酸雨对贵州典型森林群落植物叶片的直接伤害作用.实验结果显示:①pH值5.0和4.0的模拟酸雨基本不会影响供试树种冠层叶片的光合作用;pH值3.0的模拟酸雨使小果红椿、枫树冠层叶片的净光合作用速率不同程度地升高,升高率为11.03%和0.62%,其他树种效果不明显;②pH值2.0的模拟酸雨使供试树种冠层叶片的净光合作用速率降低,其中小果红椿、枫树、白栗和香叶树尤为明显,降低率为28.32%、30.32%、12.21%和11.37%;pH值2.0的模拟酸雨使小果红椿叶片出现可见直接伤害,叶缘和脉间出现黄白色斑点,有穿孔,其他树种未发现可见直接伤害症状.研究表明,研究区典型森林群落植物叶片出现可见直接伤害的酸雨pH值阈值在2.0～3.0之间;同时,在酸雨对叶片造成可见直接伤害之前,存在隐性直接伤害,对叶片造成隐性直接伤害的酸雨pH值阈值为3.0.依据试验结果,从研究区监测数据分析,目前酸雨对该区植物冠层叶片的直接伤害有限.     

Water-saving irrigation of paddy field to reduce nutrient runoff

The purpose of this work is to study the effect of a type of water-saving irrigation (WSI) on nutrient runo of paddy field. The volume of surface drainage was maintained low by WSI. In particular, WSI e ectively reduced surface drainage in rain events. Model simulation indicated that net runo load of total nitrogen (TN) from the paddy field was increased by WSI. Meanwhile, net runo loads of total phosphorus (TP) and total organic carbon (TOC) from the paddy field was decreased by WSI. Because ponding waters of the study fields were enriched with TP and TOC, WSI reduced runo of these nutrients by controlling the volume of surface drainage. WSI could be considered an e cient method for reducing runo loads and could conserve water quality in an agricultural watershed.     

高速公路建设对牡荆生理因子影响的研究

以生物化学手段测定了高速公路建设中牡荆的净光合速率、叶绿素含量和硝酸还原酶活性,并用统计学方法进行了分析。结果表明:不同监测样方的净光合速率、叶绿素含量和硝酸还原酶活性存在着显著的差异,即均川最高,柳林次之,钱场最低,这可能与各监测样方受到高速公路建设所造成的环境污染程度不同有关。同时,高速公路的建设所造成的环境污染对叶绿素含量产生较大影响,使各监测样方的叶绿素含量随时间变化有下降趋势。本研究为高速公路的生态破坏和恢复监测评价提供了依据。     

基于贝叶斯正则化BP神经网络的砂土地震液化研究

砂土地震液化的影响因素具有高度的非线性关系,而神经网络在处理非线性问题上具有其独特的优越性.本文在探讨输人层模式的选择以及砂土液化影响因素的基础上,采用改进的贝叶斯正则化方法和"提前停止"算法建立了砂土地震液化预测模型,通过实例计算和模型评价,表明本模型的计算结果与规范法、改进的Seed简化法以及基于传统BP网络算法的...     

黄河口径流变化对生态系统净生产力的影响研究

针对水文过程变化对河口生态系统整体平衡的重要作用,利用开放水体溶氧曲线法,分析了黄河口径流变化对生态系统净生产力的影响.径流显著变化的4月至9月期间,黄河口生态系统净生产力变化范围约为-5.32-4.84mg·L-1·d-1,且呈现显著的时空差异性.上河口区和中河口区比远河口区异养;丰水期8月至9月比枯水期5月至6月异...