人工调控河流营养状况-流域养分输入非稳态响应关系研究

Understanding the eutrophication response to nutrient inputs from land is essential to implementing watershed management with targeted water quality and preventing rivers from eutrophication. In order to learn influence of the uncertainty in nutrient inputs from land and the unsteady hydraulic features in the constructed river system, we consider the Yang He watershed as our study area. Watershed nitrogen and phosphorus sources and nutrient inputs to the river during the seasons of snow-melting and summer flooding were investigated. A watershed load estimation model will be applied to predict nitrogen and phosphorus loads under different scenarios of hydrological years (wet, average or dry year). River eutrophication status and its influencing factors will be observed using online monitoring equipment. We will study phosphorus transport process and the eutrophication mechanism in the rivers with human being controlled system. Based on the one dimension river hydra-dynamic model, we will add a module with the function of predicting the nitrogen and phosphorus transport and eutrophication status?. Thus a new model will be developed to quantify the relationship between hydro-dynamic and eutrophication status in an unsteady river system. The model will be applied to predict the river eutrophication status and evaluate the impact of human controlled practices on eutrophication risk. Our findings will be the scientific guidance for preventing the human controlled river system from eutrophication.

认识河流营养状况对陆源养分输入响应关系是实施流域水质目标管理、有效防治河流富营养化的重要基础。针对流域陆源氮磷养分输入与人工调控河流的非稳态特征对河流营养状况影响关系不确定性的挑战，以洋河流域为例，观测陆源氮磷养分污染源及冻融期和汛期主导的河流养分输入，运用流域污染负荷模型预测不同水文年型（丰水、平水、枯水）的氮磷养分入河通量；定位监测人工调控河段营养状况及其影响因素的变化，研究人工调控影响下磷的迁移转化规律，探讨人工调控措施对河流富营养化不确定性风险的影响；在适用于人工调控非稳态一维河流水动力模型的基础上，嵌入能够表达氮磷养分及影响因子迁移转化规律及水体营养状况表达的模块，构建非稳态河流的水动力-营养状态模型，模拟人工调控河流的营养状态-流域氮磷养分输入的非稳态响应关系，预测不同情景下河流的营养状况，评价人工调控措施对河流富营养化风险的可能影响，为人工调控河流的富营养化防治提供科学依据。

越来越多的河流进行了大量小型闸坝，如橡胶坝、溢流堰等，和硬化河道的建设，河流水动力特征也发生了巨大变化，这种筑坝与硬化对河流营养物质迁移与富营养化风险的影响很少受到关注。本研究主要针对华北永定河流域上游山区河流-清水河-洋河水系干流的不同程度筑坝与硬化河流，研究了筑坝与硬化对河流磷、氮迁移特征及其水体营养状态特征的影响。主要研究成果如下：.（1）估算了高强度筑坝与硬化河流-橡胶坝拦蓄河段对不同形态磷、氮的滞留特征，结果表明：磷滞留主要在河段上部几个橡胶坝内，而氮的迁移距离更远滞留主要发生在河段中部，所以TN:TP原子比沿梯级橡胶坝先增加而后降低，浮游植物生长受磷的营养限制（TN:TP > 16:1）；由于生物吸收利用或反硝化作用，溶解态磷（磷酸盐，86.3%）和氮（硝态氮，66.3%）的滞留率均高于颗粒态磷（40.3%）和氮（30.1%）滞留率，且在夏季的滞留率最高；人为管控的水动力变化（塌坝和升坝）和自然水文情势变化所致的养分浓度、泥沙通量的变化，以及生物作用是影响该橡胶坝拦蓄河流磷滞留的主要因素，而氮主要受浓度和生物作用的影响。 .（2）橡胶坝拦蓄河流内沉积物是磷的主要归宿，以沉积物磷释放潜力EPCsat研究的筑坝对磷在沉积物和水体之间迁移的影响表明，由于橡胶坝拦截使得流速骤降（从1 m3/s到0.01 m3/s）。闸坝建设直接的、间接地改变了河流的理化性质，是决定磷在沉积物和水体之间迁移的主要驱动力。.（3）不同程度筑坝与硬化河流中，一定程度的筑坝（增加水体滞留时间）和河床底质保持自然状态的多样化（增加生境连通性和物质循环途径），比硬化或无闸坝河流，磷和氮的滞留率更高；自然流量升高能够降低河流对营养物质的滞留效率，由于闸坝对水动力的削减，同等流量条件下，水动力管控程度较高的河段的滞留率降低效率低于河段。