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相關係數 (Coefficient of Correlation； ρ)
觀察兩個變數資料間之線性關係程度，相關係數介於+1 ~ -1之間，其情況可為下列三種：
ρ = 0 無相關 ρ > 0 正相關 ρ < 0 負相關
0.6 — 0.8
0.4 — 0.6
0.2 — 0.4
0.0 — 0.2
簡易判斷方式：當相關係數 < 1，就會有風險分散的效果。相關係數越低，具有相同期望報酬的投資組合，其風險也會越低，風險分散的效益亦會越大。當相關係數 < 1所結合成的投資組合，就能在不影響預期報酬率的情況下，降低投資的風險。當相關係數 = -1時，風險降低的效果最顯著，且投資人甚至能形成無風險的投資組合。
散布圖是將兩變數相對應的數值，以點分佈繪製在座標圖上，來表明兩變數分佈狀態的圖形，以研究兩個變數之間關係程度。
成交量(仟)
0.72-1.02-58.62109,29616:000.32-0.09-21.9597,18616:000.10-0.03-21.263,226,93216:000.36-0.08-18.3940,48816:000.06-0.01-16.441,34016:00
成交量(仟)
0.060.007.144,038,95016:000.10-0.03-21.263,226,93216:000.240.029.632,013,69616:004.230.020.48245,23116:008.180.010.12235,28616:00
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水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟 中国环境科学 )： China Environmental Science 水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟 李如忠1*,黄青飞1,杨继伟2,张瑞钢3,金菊良3(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 .安徽省水利部淮委水利科学研究院,安徽 蚌埠 .合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所,安徽 合肥 230009) 摘要：以巢湖流域某一典型农田源头溪流为对象,基于溪流水文条件的动态变化性,从水文概率密度模型与营养盐滞留率模型综合集成角度,解析较长时间尺度下营养盐滞留有效流量的动态变化特征.在对水文概率密度模型Monte Carlo随机模拟的基础上,根据先前10次野外示踪实验获得的营养盐吸收速度等数据信息,定量评估溪流营养盐滞留的总体水平,估算最有效流量和等效流量.结果表明,农田溪流渠段的 NH4+、PO43g16滞留能力总体偏低,相应的期望滞留率分别为 0.%)和 0.%),最有效流量分别为 0.9m3/s,功能等效流量分别为 0.044,0.043m3/s.基于溪流营养盐吸收速度明显偏低的客观现状,有必要从溪流形态和河床地貌特征的改ggg2331溪流水体营养盐滞留能力. 关键词：水文变化g727营养盐滞留g727有效流量g727Monte Carlo模拟g727农田源头溪流 中图分类号：X171.1 文献标识码：A 文章编号：(877g1609 Modeling of nutrient retention effect in an agricultural headwater stream considering hydrological variability. LI Ru-zhong1*, HUANG Qing-fei1, YANG Ji-wei2, ZHANG Rui-gang3, JIN Ju-liang3 (1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2.Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research, Bengbu 233000, China；3.Institute of Water Resources and Environmental Systems Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China). China Environmental Science, )： Abstract：A typical agricultural headwater stream was chosen as the representative to investigate the dynamic characteristics of effective flow for nutrient retention over a longer time scale, based on the change of regional hydrology, from the perspective of coupling the discharge probability density function and nutrient retention efficiency. Through the Monte Carlo simulation for discharge probability density function, the overall level of nutrient retention for the target stream was quantitatively evaluated as well as the most effective flow and the functionally equivalent discharge were calculated, according to the nutrient uptake velocity derived from field tracer experiments. The overall levels of retention capability for NH4+ and PO43g16were quite low. The expected values of the retention efficiency of NH4+ and PO43g16were 0.%) and 0.%), respectively. The most effective flow for NH4+and PO43g16were 0.0051m3/s and 0.0049m3/s, and the functionally equivalent discharge for them were 0.044m3/s and 0.043m3/s, respectively. In view of the fact of low nutrient uptake velocity in the stream, it is necessary to improve the nutrient retention efficiency of the target stream by reconstructing stream morphology and streambed geomorphology. Key words：hydrological variability；nutrient retention；effective flow；Monte Carlo simulation；agricultural headwater stream 源头溪流是河流、湖泊、水库水系统的重要组成部分,由于具有相对较大的水底面积与水体体积之比,因此对营养盐具有很好的截留、净化和滞留效果;加之源头溪流数量巨大、分布广泛,在非点源污染控制中发挥着重要作用[1g163].截至目前,有关溪流营养盐滞留能力和滞留特征的分析与评估,基本都是针对基流或较低流量情景,虽也有学者开展洪水发生前后营养盐滞留情况的对比分析[4g165],但由于针对的是某一特定流量情形且时间尺度较小,无法揭示真实状态下整个溪流营养盐滞留的总体水平.目前,水文因素对营养 收稿日期：03 基金项目：g270gg4410基gg42,) * gg, g,
1878 中 国 环 境 科 学 36卷 盐滞留的重要性g66g34gg],但由于溪流水文g具有很g5390的g2172态g2476化性[10g1611],特g2047是g7555、g1028水g流量g,gg993g2528水文情景的营养盐滞留能力gg13479果g较g86,gg13485水gggg很大g.g10628有营养盐滞留能力评估是g338g3818示g17406实gg15904的,g4396在g5049作g5390度较大、化学分析g和数学g757g时较g19283的g,加之gg9167加营养盐g能加重水体污染,g98大g示g17406实g数和gg7481揭示溪流营养盐滞留能力的g7053法g9g3].针对溪流水文g的g2172态g2476化性,g70g16278、有效g3332评估溪流营养盐滞留的总体水平,g19668要g一个能g水文因素与营养盐滞留能力g1817分g19610成的g53法. ,Wolmang64g有效流量g,g1039要g1186流量对河g5214形态g的g着gg11023水流对河g5214形态g2476化的g.g20g11705,河流水系统的一g1135重要生态g,g3926营养盐和有ggg17902量、水底大g3423无gg的gg12573,都与流量有着g关系.Doyle g70有效流量g和基本思想应用于小河流沉积g10301的g17767移g,g5194以水文g曲线与沉积g10301的流量特性曲线的乘积作g1038有效流量曲线,定量反映g1114粗颗粒态有g(CPOM)、细颗粒态有g(FPOM)、溶解性有g(DOM)、细颗粒态磷(FPP)g12573随水流g的有效流量g2476化.Doyle[16]gg19610成河流水文g2476化性与营养螺旋原g1g以水文g曲线与溶解态营养盐滞留g化曲线乘积定量描述营养盐滞留有效流量g2476化特征的基本思想,g5194以虚g6323的g参数对水文因素g2476化g839gg6323分析.Claessens g12573[17]采用水流g曲线与 NO3g16损失经gg3423相g13479合的g7053法,构建g1114描述NO3g16损失与超越g关系的NO3g16损失g线,探究g时间尺度下 NO3g16损失的g2172态g2476化性,g5194以 Monte Carlo g28g7427,预g8991超越g的 NO3g16损失.g2499以断言,g1268统的确定性g7053法在营养盐滞留能力分析与评估g7053面面临的g,g2499以g水文g76化与营养盐滞留特征g19610成的g75段有效解g1927.巢湖是水体富营养化十分严重的大g3423淡水湖泊,g10627湖河流水系的源头溪流数目g1259多,g13792且也是非点源氮磷负荷汇g19610、滞留、g入湖的重要g17902道.g源头g3332区控制非点源氮磷负荷的向下g,有必要摸清g10627湖河流水系氮磷滞留能力.本研究g6323以巢湖流域某一典g3423农田源头溪流g1038对象,尝g水文gg4506度g与营养盐滞留gg3423综合g19610成角度,解析溪流水系统营养盐滞留有效流量的g2172态g2476化性、定量评估溪流营养盐滞留的总体水平,以g627湖河流水系氮磷营养盐滞留能力的科学评估和调控g6564供g1393据. 1 研究区概况 二十埠河是巢湖g1039要入湖河流南淝河的重要支流,g1039体位于合肥市g1039城区g3818侧的北部至东部区域范围,拥有多g度在数百至数千米的一、二级源头溪流,由于城市建设和g5049业园区的向g3818扩展,部分溪流汇流区的土g3332利用类g3423正逐渐由农业用g3332向城市建设或g5049业用g3332转化.本研究在位于合肥市城区东北角的职教城附近,筛选g1114一g7477以农业用g39的源头溪流(g1km、水面宽约0.5~2.0m),在gg近2g5192的水g调查和水文、水力学参数g8991定的g2528时,g17836在下游一g19283约80m溪流段,开展g7以确定营养螺旋指标g1038目的的示g17406实g20576.由于g1039要靠自然降水和农田排水补g13485,在持续干旱的情况下溪流中上游渠段g2499能g断流或水流g的g10628象.总体g,实g20576段以上溪流汇水区域都以农业、g7531业用g3332类g39,g8821有g的g5049业污染源和g化的g点,溪流中污染g要g7481自降g流和农业排水. 农田溪流g6164在区域g4658低g529区,溪流g1039要由g3837然g5464流g形成,河流形态总体较g1038平g11464.由于gg661g侧土gg16较g86,上游河g5214大g3423水生/g9299生g较多,中下游河g81.溪流上游的下g2011较g8985,约g.5m,中下游下g度g12257大,约g.5m,gg1998较g86的渠道化特征.示g17406实g在渠段河g5214上g量gg有大g3423水生gg4396在,沉积g10301也很g要底g17148构成是十分g的水g12303土.10g8437实g20576中溪水流量g2476化范围g~0.065m3/s、流g 0.11~ 0.30m/s;溪流水g17148总体较好,NH4+和 PO43g16g8999度分g.32~0.96mg/L和0.011~0.120mg/L. 6期 李如忠等：水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟 1879 2 模型与方法 2.1g3g3溪流营养盐g17813移转化g 溪流水体中营养盐的g17813移、转化g,g2499以利用一g13512水gggg: C(L) = C0exp (g16kL) (1) g5347中:C0g15932示g断面营养盐g8999度,mg/L;C(L)g15932示下游gg断面g19283度g1038 L g3800的营养盐g8999度,mg/L;k g15932示营养盐g系数,mg161;L g15932示gg断面g19283度,m. 溪流具有较大中g3423河流g7368大的水g18河g314面积比[18],因此具有相对g86g14891的营养盐滞留能力.g,g993g3964以营养螺旋原g10714中营养盐g907度(也gg17148系数)指标反映溪流河g5214底g17148对营养盐滞留的g,g据g系数 k 与g907度Vf的相关关系,g)g15932示g7]???????? -=uhLVCLCfexp)(0(2) g5347中:u g15932示平g3355流g17907,m/s;h g15932示平g3355水g9157,m;Vfg15932示营养盐g907度,m/s. 2.2 营养盐滞留g10587 溪流水体营养盐的滞留水平,g2499以利用g81定量描述,g2375[17]???????? --=-=uhLVCLCRfexp1)(10(3) g5347中:Rg15932示营养盐滞留g10587. 溪流流量g2499以g7693据平g3355水g9157h、水面宽度W和水流g17907度ug12573数据g,利用Q=uhWgg.一g,g7138渠中流量Q与水面宽度W之间具有下述定量关系,g2375 baQW = (4) g5347中:a、bg1038经g20576参数. 由此,g2499以g)的营养盐滞留ggg17839一g8505转化g]???????? --=-=-bQaLVCLCQRf10exp1)(1)( (5) g7186然,g70营养盐滞留g10587R(Q)g15932示g1038流量Q的g2001数形g且随着Q的g3698大,R(Q)g逐g8505下降的态g言之,相对于g能力较g5390的g20652流量情形,溪流g3800于基流或g6521近基流情况下具有相对g7368大的营养盐滞留能力. 2.3 营养盐滞留有效流量 溪流的g5464流量因降水、g14988发、侧向补g因素的g45gg很大的随g72性,在持续干旱g,g10990至g2499能发生断流g10628象.g1563设溪流g5464流量g对数正态分布特性,相应的水文gg4506度g2001数g15932示g1038 ?????? --=222)(lnexpπ21)(σuσQQQf (6) g5347中:f(Q)g15932示g5464流量的gg4506度g2001数;u 和 σ 分g示lnQ的平g和标g. 由于R(Q)、f(Q)g流量 Q的g2001数,gg5347(5)与g5347(6)相乘,g83g2052一个g19610成水文gg4506度g2001数与营养盐滞留g10587的营养盐滞留g分布g2001数Rf (Q),g11(ln)() () () exp22π1expffbQRQ fQ RQQaLVQuσσ-??--=×= ×?????-???-????????(7) Qeff (B)(A)(C)Q(m3/s) 营养盐滞留率或流量频率(%) (A) 流量频率分布f(Q) (B) 有效流量曲线Rf(Q) (C) 营养盐滞留率R(Q) 图1 有效流量计算示意 Fig.1 Schematic of the calculation of the effective discharge for nutrient retention g7693据g5347(7),g2499以对水文g2476化、生gg6922、河g992特征g12573因素g的营养盐滞留g839g15904综合评估.此时,相应的时间尺度由g1268统确定性g7053法中数十分g19059或数小时,g6311展g以gg17842续多个水g7411的g时间段.gR(Q)、f(Q)g2462Rf (Q)之间的相g1126关系[16],g1866中 Rf (Q)g营养盐滞留的g加g7447曲线,也g12228营养盐滞留有效流量曲线,1880 中 国 环 境 科 学 36卷 g16825曲线g对应的g标 Qeffgg1114营养盐滞留效应g有效的流量gg有效流量. 2.4 g2163能g12573效流量 gg3332,由g加g7447滞留曲线 Rf(Q)=f(Q)× R(Q)g的积分面积∫Rf (Q)dQ,综合体gg19610成g6164有g2499能发生流量的溪流营养盐滞留总体水平,数学gg]∫∫×== QQfQRQQRMfd)]()([d)( (8) g5347中:Mg15932示g滞留g1g溪流营养盐滞留总体水平. g营养盐滞留水平 R(Q)曲线上与g滞留g10587M相对应的流量gg2163能g12573效流量,g66g15932示g1038Qfed,g2029有 R(Qfed)=M (9) g,Qfed是g1186营养盐滞留效果g4630面,定量g与g6164有g2499能发生流量滞留g2163效相g5415的溪流某一g2499能流量.gQfed的gg示g5859. 营养盐滞留率R(Q)=M Qfed 营养盐滞留率 曲线R(Q) Q(m3/s)图2 等效流量计算示意 Fig.2 Schematic of the calculation of the functionally equivalent discharge 3 结果与讨论 3.1 基本g13ggg7097,在80mg19283的实g20576渠段上,针对基流或g6521近基流的低流量情景,选g6333 NaCl g44性示g,NH4Cl 和 KH2PO4g加营养盐,采用gg17842续g6249加的g,开展g7g示g17406实g2g8991定g1114流量Q、流g17907u、水面宽度W和水g水力学参数(g159321).示g17406实gg12255和具体g6817作g7053法,参g16277文g1].g3由示g17406实gg5483的Clg16、NH4+和PO43g16g8999度g803时间g曲线(BTC),采用g19610成g7254态g4396储g的OTIS g81g6323溪流营养盐的g17813移转化g,g5194以Runkel[22]g的OTIS应用g12255序和OTIS参数优化g12255序包,借助g法确定g的各项参数.首先,g7693据示g17406实gg5483的g1039流区 Clg16g8999度g16时间g数据,经g757gg2052 OTIS g水文参数,g流区断面面积(A)、g7254态g4396储区断面面积(As)、扩散系数(D)和g7254态g4396储交g6454系数(α);然后,g4570水文参数g1207入 OTIS g,g7693据示g17406实gg5483的g1039流区NH4+、PO43g16的BTC相关数据g,再gg15904OTIS g81ggg流区和g7254态g4396储区营养盐g系数(分gλ、λs)g12573.具体gg7053法g16277文g4]. 在此基础上, 利用 /sskAλαλ=+ ()s sAλAα + g营养盐综合g系数 k,再由营养螺旋指标Sw=u/k和Vf=uh/Sw,gNH4+和PO43g16的g907度Vf,g13479果g[20g1621]. 表1 水力学参数及营养盐吸收速度 Table 1 Hydraulic parameters and metrics of nutrient uptake velocity 实验日期 Q(m3/s) W(m) u(m/s) h(m) Vf -NH4+(×10g166m/s) Vf –PO43g16(×10g166m/s)
0.065 0.92 0.30 0.24 2.82 3.30
0.010 0.51 0.12 0.16 1.00 0.99
0.022 0.68 0.18 0.18 1.68 1.31
0.008 0.45 0.11 0.16 2.74 3.43
0.012 0.53 0.13 0.17 1.24 1.06
0.022 0.67 0.18 0.18 4.15 1.49
0.020 0.63 0.17 0.19 4.07 2.27
0.058 0.88 0.28 0.24 2.12 2.09
0.050 0.83 0.27 0.22 1.82 1.75
0.027 0.72 0.20 0.19 3.29 2.06 平均值 0.029 0.68 0.19 0.19 2.49 1.98 标准差 0.021 0.16 0.07 0.03 1.11 0.85 6期 李如忠等：水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟 据 10 g8437实gg5483的数据(g15932 1),采用回归分析对 W、Q gg6323合,g13479果g 3.相应的g6323合gg0Q0.g1927系数R2= 0.9874(P< 0.001),g W、Q 具有很好的幂g2001数关系.对照g5347(4),g常数a、bg1552分g.6. w = 2.6R2= 0. 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08Q(m3/s)W (m) 图3 Q与W的拟合结果 Fig.3 Fitting results between Q and W 3.2 水文g分布与营养盐滞留g 考虑g2052农田溪流中下游渠段在渠道形态、河g5214下垫面状况g面都与实g20576渠段很相似,g993g包括上述实g20576段在内的g19283约 L=1500m 渠段作g23单元,gmg19283实g20576段g的Vfg6311展g2052整个g单元,g利用营养盐滞留g10587数学gg5347,解析NH4+、PO43g16滞留水平随流量的g2476化特征.g,考虑g中Vf平g作g22g17907度,g07入g83g2052以 Q g1038自g2476量的数学gg中,NH4+滞留g以g15932示g1038 R(Q)=1g16exp(g165.630× 10g166L/Q0.674),PO43g16滞留g以g15932示g1038 R(Q)=1g16g3exp(g164.477×10g166L/Q0.674). 示g17406实g20576安排在较低流量情况下g,g定g1114相应的u、h、W和Qg12573水力g.本研究g26gg8,逐g7388开展g1114溪流g5464流情况的调查,g据暴g19644发生后溪流滨g4748洪水g和裹挟杂g10301的残留情况,估g12651洪水流g17907和流量水平.g993g3964选g中g17842续12个g7388以旬g1038时间单元的流量数据片段(n=36),粗略开展溪流水文特征g,相应的流量g2476化范围g~ 0.976m3/s,中g.049m3/s,平g38 0.181m3/s,标g380.270m3/s.g1563设溪流的g5464流量g2476化g47(6)的对数正态分布特征,g7693据水文监g8991资料,利用 Monte Carlo g53法对水文gg4506度g839g15904随g23g,g无偏估g16757情形lnQg7509大似然估gu=g162.613、σ=1.301(g159322). 表2 无偏估计情形的u和σ估值 Table 2 Estimation of u and σ values under unbiased estimation case 显著性水平(可能性) 0.01 (99%) 0.05 (95%) 0.10 (90%) 0.15 (85%) 参数 试验 次数 置信区间 均值 置信区间 均值 置信区间 均值 置信区间 均值 5000 [-3.198,-2.051] -2.613 [-3.031,-2.171] -2.607 [-2.971,-2.233] -2.612 [-2.922,-2.304] -2.617 10000 [-3.175,-2.061] -2.611 [-3.043,-2.187] -2.612 [-2.977,-2.260] -2.616 [-2.924,-2.306] -2.614 50000 [-3.171,-2.051] -2.614 [-3.043,-2.187] -2.611 [-2.972,-2.256] -2.614 [-2.927,-2.300] -2.613 u 100000 [-3.175,-2.054] -2.612 [-3.040,-2.186] -2.615 [-2.971,-2.254] -2.613 [-2.926,-2.300] -2.613 ,1.713] 1.301 [1.005,1.621] 1.301 [1.047,1.563] 1.299 [1.081,1.527] 1.302 1,1.717] 1.300 [1.012,1.611] 1.301 [1.050,1.556] 1.299 [1.074,1.526] 1.301 5,1.726] 1.301 [1.002, 1.615] 1.298 [1.049,1.561] 1.300 [1.078,1.528] 1.300 σ .918,1.720] 1.301 [1.004,1.614] 1.300 [1.050,1.562] 1.300 [1.077,1.528] 1.300 于是,g描述溪流g5464流量g2476化的水文gg4506度g,g2375 ??????×+-=.2(lnexpπ2301.11)(QQQf g以g7481,由于对溪流g12573小尺度河流水g和水灾害g重视g12255度较低,g837类水体水文水g17148资料总体较g1038匮gg13792制约g1114水文g的构建、g参数的确定以g23的g20576证和精度检g2是g5415前国内g953面临的g.Doyle g12573[15]在对溪流g5464流量g2476化g162
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关&键&词： 水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟 溪流水文条件 营养盐滞留 下营养盐滞留
资源描述：
中国环境科学 )： China Environmental Science 水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟 李如忠1*,黄青飞1,杨继伟2,张瑞钢3,金菊良3(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 .安徽省水利部淮委水利科学研究院,安徽 蚌埠 .合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所,安徽 合肥 230009) 摘要：以巢湖流域某一典型农田源头溪流为对象,基于溪流水文条件的动态变化性,从水文概率密度模型与营养盐滞留率模型综合集成角度,解析较长时间尺度下营养盐滞留有效流量的动态变化特征.在对水文概率密度模型Monte Carlo随机模拟的基础上,根据先前10次野外示踪实验获得的营养盐吸收速度等数据信息,定量评估溪流营养盐滞留的总体水平,估算最有效流量和等效流量.结果表明,农田溪流渠段的 NH4+、PO43g16滞留能力总体偏低,相应的期望滞留率分别为 0.%)和 0.%),最有效流量分别为 0.9m3/s,功能等效流量分别为 0.044,0.043m3/s.基于溪流营养盐吸收速度明显偏低的客观现状,有必要从溪流形态和河床地貌特征的改ggg2331溪流水体营养盐滞留能力. 关键词：水文变化g727营养盐滞留g727有效流量g727Monte Carlo模拟g727农田源头溪流 中图分类号：X171.1 文献标识码：A 文章编号：(877g1609 Modeling of nutrient retention effect in an agricultural headwater stream considering hydrological variability. LI Ru-zhong1*, HUANG Qing-fei1, YANG Ji-wei2, ZHANG Rui-gang3, JIN Ju-liang3 (1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2.Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research, Bengbu 233000, China；3.Institute of Water Resources and Environmental Systems Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China). China Environmental Science, )： Abstract：A typical agricultural headwater stream was chosen as the representative to investigate the dynamic characteristics of effective flow for nutrient retention over a longer time scale, based on the change of regional hydrology, from the perspective of coupling the discharge probability density function and nutrient retention efficiency. Through the Monte Carlo simulation for discharge probability density function, the overall level of nutrient retention for the target stream was quantitatively evaluated as well as the most effective flow and the functionally equivalent discharge were calculated, according to the nutrient uptake velocity derived from field tracer experiments. The overall levels of retention capability for NH4+ and PO43g16were quite low. The expected values of the retention efficiency of NH4+ and PO43g16were 0.%) and 0.%), respectively. The most effective flow for NH4+and PO43g16were 0.0051m3/s and 0.0049m3/s, and the functionally equivalent discharge for them were 0.044m3/s and 0.043m3/s, respectively. In view of the fact of low nutrient uptake velocity in the stream, it is necessary to improve the nutrient retention efficiency of the target stream by reconstructing stream morphology and streambed geomorphology. Key words：hydrological variability；nutrient retention；effective flow；Monte Carlo simulation；agricultural headwater stream 源头溪流是河流、湖泊、水库水系统的重要组成部分,由于具有相对较大的水底面积与水体体积之比,因此对营养盐具有很好的截留、净化和滞留效果;加之源头溪流数量巨大、分布广泛,在非点源污染控制中发挥着重要作用[1g163].截至目前,有关溪流营养盐滞留能力和滞留特征的分析与评估,基本都是针对基流或较低流量情景,虽也有学者开展洪水发生前后营养盐滞留情况的对比分析[4g165],但由于针对的是某一特定流量情形且时间尺度较小,无法揭示真实状态下整个溪流营养盐滞留的总体水平.目前,水文因素对营养 收稿日期：03 基金项目：g270gg4410基gg42,) * gg, g,
1878 中 国 环 境 科 学 36卷 盐滞留的重要性g66g34gg],但由于溪流水文g具有很g5390的g2172态g2476化性[10g1611],特g2047是g7555、g1028水g流量g,gg993g2528水文情景的营养盐滞留能力gg13479果g较g86,gg13485水gggg很大g.g10628有营养盐滞留能力评估是g338g3818示g17406实gg15904的,g4396在g5049作g5390度较大、化学分析g和数学g757g时较g19283的g,加之gg9167加营养盐g能加重水体污染,g98大g示g17406实g数和gg7481揭示溪流营养盐滞留能力的g7053法g9g3].针对溪流水文g的g2172态g2476化性,g70g16278、有效g3332评估溪流营养盐滞留的总体水平,g19668要g一个能g水文因素与营养盐滞留能力g1817分g19610成的g53法. ,Wolmang64g有效流量g,g1039要g1186流量对河g5214形态g的g着gg11023水流对河g5214形态g2476化的g.g20g11705,河流水系统的一g1135重要生态g,g3926营养盐和有ggg17902量、水底大g3423无gg的gg12573,都与流量有着g关系.Doyle g70有效流量g和基本思想应用于小河流沉积g10301的g17767移g,g5194以水文g曲线与沉积g10301的流量特性曲线的乘积作g1038有效流量曲线,定量反映g1114粗颗粒态有g(CPOM)、细颗粒态有g(FPOM)、溶解性有g(DOM)、细颗粒态磷(FPP)g12573随水流g的有效流量g2476化.Doyle[16]gg19610成河流水文g2476化性与营养螺旋原g1g以水文g曲线与溶解态营养盐滞留g化曲线乘积定量描述营养盐滞留有效流量g2476化特征的基本思想,g5194以虚g6323的g参数对水文因素g2476化g839gg6323分析.Claessens g12573[17]采用水流g曲线与 NO3g16损失经gg3423相g13479合的g7053法,构建g1114描述NO3g16损失与超越g关系的NO3g16损失g线,探究g时间尺度下 NO3g16损失的g2172态g2476化性,g5194以 Monte Carlo g28g7427,预g8991超越g的 NO3g16损失.g2499以断言,g1268统的确定性g7053法在营养盐滞留能力分析与评估g7053面面临的g,g2499以g水文g76化与营养盐滞留特征g19610成的g75段有效解g1927.巢湖是水体富营养化十分严重的大g3423淡水湖泊,g10627湖河流水系的源头溪流数目g1259多,g13792且也是非点源氮磷负荷汇g19610、滞留、g入湖的重要g17902道.g源头g3332区控制非点源氮磷负荷的向下g,有必要摸清g10627湖河流水系氮磷滞留能力.本研究g6323以巢湖流域某一典g3423农田源头溪流g1038对象,尝g水文gg4506度g与营养盐滞留gg3423综合g19610成角度,解析溪流水系统营养盐滞留有效流量的g2172态g2476化性、定量评估溪流营养盐滞留的总体水平,以g627湖河流水系氮磷营养盐滞留能力的科学评估和调控g6564供g1393据. 1 研究区概况 二十埠河是巢湖g1039要入湖河流南淝河的重要支流,g1039体位于合肥市g1039城区g3818侧的北部至东部区域范围,拥有多g度在数百至数千米的一、二级源头溪流,由于城市建设和g5049业园区的向g3818扩展,部分溪流汇流区的土g3332利用类g3423正逐渐由农业用g3332向城市建设或g5049业用g3332转化.本研究在位于合肥市城区东北角的职教城附近,筛选g1114一g7477以农业用g39的源头溪流(g1km、水面宽约0.5~2.0m),在gg近2g5192的水g调查和水文、水力学参数g8991定的g2528时,g17836在下游一g19283约80m溪流段,开展g7以确定营养螺旋指标g1038目的的示g17406实g20576.由于g1039要靠自然降水和农田排水补g13485,在持续干旱的情况下溪流中上游渠段g2499能g断流或水流g的g10628象.总体g,实g20576段以上溪流汇水区域都以农业、g7531业用g3332类g39,g8821有g的g5049业污染源和g化的g点,溪流中污染g要g7481自降g流和农业排水. 农田溪流g6164在区域g4658低g529区,溪流g1039要由g3837然g5464流g形成,河流形态总体较g1038平g11464.由于gg661g侧土gg16较g86,上游河g5214大g3423水生/g9299生g较多,中下游河g81.溪流上游的下g2011较g8985,约g.5m,中下游下g度g12257大,约g.5m,gg1998较g86的渠道化特征.示g17406实g在渠段河g5214上g量gg有大g3423水生gg4396在,沉积g10301也很g要底g17148构成是十分g的水g12303土.10g8437实g20576中溪水流量g2476化范围g~0.065m3/s、流g 0.11~ 0.30m/s;溪流水g17148总体较好,NH4+和 PO43g16g8999度分g.32~0.96mg/L和0.011~0.120mg/L. 6期 李如忠等：水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟 1879 2 模型与方法 2.1g3g3溪流营养盐g17813移转化g 溪流水体中营养盐的g17813移、转化g,g2499以利用一g13512水gggg: C(L) = C0exp (g16kL) (1) g5347中:C0g15932示g断面营养盐g8999度,mg/L;C(L)g15932示下游gg断面g19283度g1038 L g3800的营养盐g8999度,mg/L;k g15932示营养盐g系数,mg161;L g15932示gg断面g19283度,m. 溪流具有较大中g3423河流g7368大的水g18河g314面积比[18],因此具有相对g86g14891的营养盐滞留能力.g,g993g3964以营养螺旋原g10714中营养盐g907度(也gg17148系数)指标反映溪流河g5214底g17148对营养盐滞留的g,g据g系数 k 与g907度Vf的相关关系,g)g15932示g7]???????? -=uhLVCLCfexp)(0(2) g5347中:u g15932示平g3355流g17907,m/s;h g15932示平g3355水g9157,m;Vfg15932示营养盐g907度,m/s. 2.2 营养盐滞留g10587 溪流水体营养盐的滞留水平,g2499以利用g81定量描述,g2375[17]???????? --=-=uhLVCLCRfexp1)(10(3) g5347中:Rg15932示营养盐滞留g10587. 溪流流量g2499以g7693据平g3355水g9157h、水面宽度W和水流g17907度ug12573数据g,利用Q=uhWgg.一g,g7138渠中流量Q与水面宽度W之间具有下述定量关系,g2375 baQW = (4) g5347中:a、bg1038经g20576参数. 由此,g2499以g)的营养盐滞留ggg17839一g8505转化g]???????? --=-=-bQaLVCLCQRf10exp1)(1)( (5) g7186然,g70营养盐滞留g10587R(Q)g15932示g1038流量Q的g2001数形g且随着Q的g3698大,R(Q)g逐g8505下降的态g言之,相对于g能力较g5390的g20652流量情形,溪流g3800于基流或g6521近基流情况下具有相对g7368大的营养盐滞留能力. 2.3 营养盐滞留有效流量 溪流的g5464流量因降水、g14988发、侧向补g因素的g45gg很大的随g72性,在持续干旱g,g10990至g2499能发生断流g10628象.g1563设溪流g5464流量g对数正态分布特性,相应的水文gg4506度g2001数g15932示g1038 ?????? --=222)(lnexpπ21)(σuσQQQf (6) g5347中:f(Q)g15932示g5464流量的gg4506度g2001数;u 和 σ 分g示lnQ的平g和标g. 由于R(Q)、f(Q)g流量 Q的g2001数,gg5347(5)与g5347(6)相乘,g83g2052一个g19610成水文gg4506度g2001数与营养盐滞留g10587的营养盐滞留g分布g2001数Rf (Q),g11(ln)() () () exp22π1expffbQRQ fQ RQQaLVQuσσ-??--=×= ×?????-???-????????(7) Qeff (B)(A)(C)Q(m3/s) 营养盐滞留率或流量频率(%) (A) 流量频率分布f(Q) (B) 有效流量曲线Rf(Q) (C) 营养盐滞留率R(Q) 图1 有效流量计算示意 Fig.1 Schematic of the calculation of the effective discharge for nutrient retention g7693据g5347(7),g2499以对水文g2476化、生gg6922、河g992特征g12573因素g的营养盐滞留g839g15904综合评估.此时,相应的时间尺度由g1268统确定性g7053法中数十分g19059或数小时,g6311展g以gg17842续多个水g7411的g时间段.gR(Q)、f(Q)g2462Rf (Q)之间的相g1126关系[16],g1866中 Rf (Q)g营养盐滞留的g加g7447曲线,也g12228营养盐滞留有效流量曲线,1880 中 国 环 境 科 学 36卷 g16825曲线g对应的g标 Qeffgg1114营养盐滞留效应g有效的流量gg有效流量. 2.4 g2163能g12573效流量 gg3332,由g加g7447滞留曲线 Rf(Q)=f(Q)× R(Q)g的积分面积∫Rf (Q)dQ,综合体gg19610成g6164有g2499能发生流量的溪流营养盐滞留总体水平,数学gg]∫∫×== QQfQRQQRMfd)]()([d)( (8) g5347中:Mg15932示g滞留g1g溪流营养盐滞留总体水平. g营养盐滞留水平 R(Q)曲线上与g滞留g10587M相对应的流量gg2163能g12573效流量,g66g15932示g1038Qfed,g2029有 R(Qfed)=M (9) g,Qfed是g1186营养盐滞留效果g4630面,定量g与g6164有g2499能发生流量滞留g2163效相g5415的溪流某一g2499能流量.gQfed的gg示g5859. 营养盐滞留率R(Q)=M Qfed 营养盐滞留率 曲线R(Q) Q(m3/s)图2 等效流量计算示意 Fig.2 Schematic of the calculation of the functionally equivalent discharge 3 结果与讨论 3.1 基本g13ggg7097,在80mg19283的实g20576渠段上,针对基流或g6521近基流的低流量情景,选g6333 NaCl g44性示g,NH4Cl 和 KH2PO4g加营养盐,采用gg17842续g6249加的g,开展g7g示g17406实g2g8991定g1114流量Q、流g17907u、水面宽度W和水g水力学参数(g159321).示g17406实gg12255和具体g6817作g7053法,参g16277文g1].g3由示g17406实gg5483的Clg16、NH4+和PO43g16g8999度g803时间g曲线(BTC),采用g19610成g7254态g4396储g的OTIS g81g6323溪流营养盐的g17813移转化g,g5194以Runkel[22]g的OTIS应用g12255序和OTIS参数优化g12255序包,借助g法确定g的各项参数.首先,g7693据示g17406实gg5483的g1039流区 Clg16g8999度g16时间g数据,经g757gg2052 OTIS g水文参数,g流区断面面积(A)、g7254态g4396储区断面面积(As)、扩散系数(D)和g7254态g4396储交g6454系数(α);然后,g4570水文参数g1207入 OTIS g,g7693据示g17406实gg5483的g1039流区NH4+、PO43g16的BTC相关数据g,再gg15904OTIS g81ggg流区和g7254态g4396储区营养盐g系数(分gλ、λs)g12573.具体gg7053法g16277文g4]. 在此基础上, 利用 /sskAλαλ=+ ()s sAλAα + g营养盐综合g系数 k,再由营养螺旋指标Sw=u/k和Vf=uh/Sw,gNH4+和PO43g16的g907度Vf,g13479果g[20g1621]. 表1 水力学参数及营养盐吸收速度 Table 1 Hydraulic parameters and metrics of nutrient uptake velocity 实验日期 Q(m3/s) W(m) u(m/s) h(m) Vf -NH4+(×10g166m/s) Vf –PO43g16(×10g166m/s)
0.065 0.92 0.30 0.24 2.82 3.30
0.010 0.51 0.12 0.16 1.00 0.99
0.022 0.68 0.18 0.18 1.68 1.31
0.008 0.45 0.11 0.16 2.74 3.43
0.012 0.53 0.13 0.17 1.24 1.06
0.022 0.67 0.18 0.18 4.15 1.49
0.020 0.63 0.17 0.19 4.07 2.27
0.058 0.88 0.28 0.24 2.12 2.09
0.050 0.83 0.27 0.22 1.82 1.75
0.027 0.72 0.20 0.19 3.29 2.06 平均值 0.029 0.68 0.19 0.19 2.49 1.98 标准差 0.021 0.16 0.07 0.03 1.11 0.85 6期 李如忠等：水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟 据 10 g8437实gg5483的数据(g15932 1),采用回归分析对 W、Q gg6323合,g13479果g 3.相应的g6323合gg0Q0.g1927系数R2= 0.9874(P< 0.001),g W、Q 具有很好的幂g2001数关系.对照g5347(4),g常数a、bg1552分g.6. w = 2.6R2= 0. 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08Q(m3/s)W (m) 图3 Q与W的拟合结果 Fig.3 Fitting results between Q and W 3.2 水文g分布与营养盐滞留g 考虑g2052农田溪流中下游渠段在渠道形态、河g5214下垫面状况g面都与实g20576渠段很相似,g993g包括上述实g20576段在内的g19283约 L=1500m 渠段作g23单元,gmg19283实g20576段g的Vfg6311展g2052整个g单元,g利用营养盐滞留g10587数学gg5347,解析NH4+、PO43g16滞留水平随流量的g2476化特征.g,考虑g中Vf平g作g22g17907度,g07入g83g2052以 Q g1038自g2476量的数学gg中,NH4+滞留g以g15932示g1038 R(Q)=1g16exp(g165.630× 10g166L/Q0.674),PO43g16滞留g以g15932示g1038 R(Q)=1g16g3exp(g164.477×10g166L/Q0.674). 示g17406实g20576安排在较低流量情况下g,g定g1114相应的u、h、W和Qg12573水力g.本研究g26gg8,逐g7388开展g1114溪流g5464流情况的调查,g据暴g19644发生后溪流滨g4748洪水g和裹挟杂g10301的残留情况,估g12651洪水流g17907和流量水平.g993g3964选g中g17842续12个g7388以旬g1038时间单元的流量数据片段(n=36),粗略开展溪流水文特征g,相应的流量g2476化范围g~ 0.976m3/s,中g.049m3/s,平g38 0.181m3/s,标g380.270m3/s.g1563设溪流的g5464流量g2476化g47(6)的对数正态分布特征,g7693据水文监g8991资料,利用 Monte Carlo g53法对水文gg4506度g839g15904随g23g,g无偏估g16757情形lnQg7509大似然估gu=g162.613、σ=1.301(g159322). 表2 无偏估计情形的u和σ估值 Table 2 Estimation of u and σ values under unbiased estimation case 显著性水平(可能性) 0.01 (99%) 0.05 (95%) 0.10 (90%) 0.15 (85%) 参数 试验 次数 置信区间 均值 置信区间 均值 置信区间 均值 置信区间 均值 5000 [-3.198,-2.051] -2.613 [-3.031,-2.171] -2.607 [-2.971,-2.233] -2.612 [-2.922,-2.304] -2.617 10000 [-3.175,-2.061] -2.611 [-3.043,-2.187] -2.612 [-2.977,-2.260] -2.616 [-2.924,-2.306] -2.614 50000 [-3.171,-2.051] -2.614 [-3.043,-2.187] -2.611 [-2.972,-2.256] -2.614 [-2.927,-2.300] -2.613 u 100000 [-3.175,-2.054] -2.612 [-3.040,-2.186] -2.615 [-2.971,-2.254] -2.613 [-2.926,-2.300] -2.613 ,1.713] 1.301 [1.005,1.621] 1.301 [1.047,1.563] 1.299 [1.081,1.527] 1.302 1,1.717] 1.300 [1.012,1.611] 1.301 [1.050,1.556] 1.299 [1.074,1.526] 1.301 5,1.726] 1.301 [1.002, 1.615] 1.298 [1.049,1.561] 1.300 [1.078,1.528] 1.300 σ .918,1.720] 1.301 [1.004,1.614] 1.300 [1.050,1.562] 1.300 [1.077,1.528] 1.300 于是,g描述溪流g5464流量g2476化的水文gg4506度g,g2375 ??????×+-=.2(lnexpπ2301.11)(QQQf g以g7481,由于对溪流g12573小尺度河流水g和水灾害g重视g12255度较低,g837类水体水文水g17148资料总体较g1038匮gg13792制约g1114水文g的构建、g参数的确定以g23的g20576证和精度检g2是g5415前国内g953面临的g.Doyle g12573[15]在对溪流g5464流量g2476化g162
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