水库调度氮滞留效应的多时间尺度分析

The reservoir has a retention effect on the nitrogen nutrient transported form upland watershed. However, the retention characteristics of different forms of nitrogen in the reservoir under changing hydrological regime and hydrodynamic conditions by reservoir operation are still unclear. It is an urgent issue for scientific community to figure out the differences and the transformation mechanism of nitrogen retention and influential factors at multiple time scales. This project selects the Shanmei Reservoir watershed located in the southeast of China as the study area. Firstly, based on the applicability study of coupling watershed models (SWAT and HSPF) and water environment models (EFDC and CE-QUAL-W2), an optimized model system of water environment dynamics model in Shanmei Reservoir watershed is developed. Based on the combination of original operation data and multiple operation scenarios, the influences of reservoir operation on the nitrogen retention effect are identified. The temporal characteristics of nitrogen retention effect are revealed by analyzing the variations of nitrogen retention flux and retention rates in the reservoir on the daily, monthly and yearly time scales. Fianlly, choosing multiple factors such as nutrient loading, hydrological regime, hydrodynamic condition and climatic conditions, the variation characteristics of key factors in nitrogen retention at different time scales are quantitatively evaluated, and multiple time-scale differences in nitrogen retention mechanism are further discussed. This study leads to a deeper understanding of reservoir’s effect on the process of biogeochemical cycling process of biogenic substances. It also provides a scientific guide to optimize the ecological operation schemes, to control the process of eutrophication and to improve the water environment in the reservoirs.

水库对流域输出的氮有滞留作用，但水库调度下库区水文、水动力条件的改变如何影响不同形态氮的滞留效应尚不明确；不同时间尺度下水库的氮滞留特征及影响因素存在何种差异及变化特征，是亟待解决的重要科学问题。本研究以山美水库流域为研究区，基于流域模型SWAT、HSPF和水环境模型EFDC、CE-QUAL-W2的组合适用性研究，构建山美水库流域水环境动力学模型；综合已有调度资料和水库调度情景的设定，对不同调度方案下的氮滞留效应进行模拟；通过分析日、月、年等不同时间尺度下的氮滞留量和滞留率变化规律，揭示水库氮滞留效应的时间尺度特征；选择水文情势、水动力条件、营养盐负荷以及气候条件等多项因子，定量评价氮滞留关键因素在不同时间尺度上的变化特征，探讨水库氮滞留机理的时间尺度差异，深入认识水库在生源物质的生物地球化学循环过程中的作用，为制定生态调度优化方案、控制水体富营养化进程、改善库区水环境提供科学依据。

水库对流域输出的氮营养盐有滞留作用，造成河流对下游输出的营养盐通量下降，影响了库区、下游以及河口水体的营养化程度。水库调度通过改变库区的水动力条件影响氮的滞留机制，但水库调度下库区水文、水动力条件的改变如何影响水库不同形态氮的滞留效应尚不明确，不同时间尺度下水库的氮滞留特征及影响因素存在何种差异及变化特征，是河流生源要素生物地球化学过程中的一个关键科学问题。.本研究以山美水库流域为研究区，基于流域分布式水文模型SWAT和二维横向平均水动力水质模型CE-QUAL-W2的联合应用，构建山美水库流域水环境动力学模型，对流域尺度的人类活动氮输入、氮输出和氮滞留的时空分布特征进行模拟；分析年、月、日等不同时间尺度下水库不同形态氮的滞留量和滞留率的变化规律；基于水库调度情景的设定，对不同调度方案下的氮滞留效应进行模拟；选择水文情势、水动力条件、营养盐负荷等多项因子，定量评价氮滞留关键因素在不同时间尺度上的变化特征。.研究结果表明，流域上中游的农田和茶果园是人类氮输入的主要土地利用类型，氮肥施用是影响河道氮通量输出和氮滞留的关键影响因素。大约有36%的氮通过流域输向下游及河口，还有一大部分（64%）氮被滞留于流域内。不同时间尺度下山美水库不同形态的氮滞留过程均呈现波动特征，年尺度下，TN、NO3和NH4大部分年份都呈现滞留效应，水库是重要的氮汇；月尺度下氮滞留有明显的季节变化特征，丰水期，TN和NO3呈现滞留，枯水期呈现释放，而NH4在5到12月份均呈现滞留效应；日尺度上，三氮滞留特征变化更为剧烈。水库调度流量差在年、月及日尺度有调度情况下，对氮滞留的影响表现得极为显著，但在无调度影响下则毫无相关；其他要素如水力滞留时间、温度、流速和水位等，不管有无调度情况均是影响日尺度过程氮滞留的关键因子。本项目的研究深入认识了水库在生源物质的生物地球化学循环过程中的作用，为制定生态调度优化方案、控制水体富营养化进程、改善库区水环境提供科学依据。