亚热带暴雨事件九龙江营养盐输出过程与河口响应

摘要

由于气候变化（极端暴雨事件增加）和人类活动干扰（人为氮磷输入增加），亚热带流域-近海生物地球化学过程与通量受到显著影响。本研究选取九龙江流域-河口系统作为整体研究对象，以九龙江河流-河口混合区作为重点研究对象，开展常态和暴雨事件河流-河口营养盐（氮、磷、硅）和悬浮颗粒物的综合观测，分析暴雨事件河流营养盐输出过程、通量及主要控制因素，探讨河口营养盐生地化行为对河流输入的响应关系。主要研究结论如下:
　　(1)常态下九龙江两大干流（北溪、西溪）的营养盐氮磷时空分布受污染分布和类型、大坝滞留和水文条件的综合影响，溶解硅(DSi)的分布由地质背景和土地利用共同控制。含量与组分上，北溪输出更多的NO23-N和DOP，而西溪输出相对多的NH4-N和DRP。通量上，北溪NO23-N和DIN通量明显大于西溪，而枯水期西溪NH4-N通量较北溪大，对河口（至少河口上游）有重要影响;北溪DOP的输出通量大于西溪，而西溪DRP通量略高于北溪。根据周年日观测数据，计算2014年九龙江北溪营养盐DIN、DTP和DSi输出通量分别是32.97×106kg N a-1，1.95×106kgP a-1和66.12×106kg Si a-1。河流营养盐输送通量总体受径流量控制。在亚热带季风气候影响下，从春雨-夏季持续降雨-秋冬少雨三个阶段，河流氮磷含量呈现富集-稀释-再富集的变化模式。
　　(2)暴雨事件河流营养盐输出过程和通量是降雨格局（量级、时间和位置）、输送途径（地表径流、地下径流和壤中流）和前期条件（干或湿）的综合结果。NH4-N和DOP主要来自地表污染源，而NO23-N和DRP主要来自地下水。暴雨事件驱动地表径流和地下径流冲刷作用NH4-N和DOP通常先于NO23-N和DRP输出。降雨初期河道内的营养盐先被稀释，后期通过流域上游补给。在前期水分饱和、地下水位较高的情况下，NO23-N经地下径流补给进入河道;在前期非饱和（干）情况下的暴雨易形成超渗产流（壤中流），土壤表层富含DRP经壤中流进入河道。因此，NH4-N和DOP在涨水阶段富集，而NO23-N和DRP在退水阶段富集。随降雨量级、时间和位置的不同，氮磷的输出模式各异，反映了富集或稀释效应的动态平衡关系。所观测的5场暴雨事件河流氮磷硅的入河口通量大幅增加（与基流相比增加3-16倍）。尽管北溪流量略高于西溪(storm E)，但暴雨事件西溪各形态氮磷输出负荷(t)略高于北溪，DSi输出负荷北溪较高。DSi的输出与流量基本同步，TPP和TSM输出主要在前期涨水阶段。在周年尺度上，2014年北溪地表径流与基流对总通量的贡献比是51∶49，其中8场降雨事件占全年通量的40％-56％(NH4-N和DRP相对富集)。
　　(3)常态下，九龙江河口区营养盐浓度的季节变化基本与河流营养盐对应，暴雨事件河口区对河流脉冲式输入产生强信号响应。暴雨后河口区淡咸水锋面可往下游推移约20km，颗粒态氮磷和TSM浓度增加2-5倍;NH4-N浓度及其占比在暴雨15天后仍然保持高值;DRP占比增加，DRP-盐度关系由常态的“缓冲”分布变为保守混合特征;NO23-N和DSi仍然表观保守混合。观测到2014年7月“麦德姆”台风暴雨3天后，颗粒态磷在河口上游转化（解吸）成DRP，河口营养盐入海通量（td-1）增加0.6-1.8倍。暴雨事件改变河口营养盐供给（无机氮磷增加）和结构(NH4-N和DRP相对增加)，可能引起河口海湾发生藻华。

目录

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图表目录

专业词汇与缩略语

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 流域营养盐输出与河流输送过程

1．2．2 暴雨事件河流营养盐动态及其控制机制

1．2．3 暴雨事件河口-近海生物地球化学响应

1．2．4 国内外研究进展与科学问题提出

1．3 研究目标和内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 主要科学问题

1．4 研究技术路线

第2章 研究区域概况

2．1 九龙江流域概况

2．1．1 自然环境

2．1．2 社会经济

2．1．3 水环境质量

2．2 九龙江河口概况

2．2．1 地形地貌

2．2．2 气象水文

2．2．3 潮汐特征

2．2．4 营养盐年代际变化

第3章 材料与方法

3．1 观测方案

3．1．1 站点布设

3．1．2 观测安排

3．1．3 九龙江流域、河口背景调查采样方案

3．1．4 九龙江流域暴雨过程定点观测方案

3．1．5 九龙江河口暴雨响应观测方案

3．1．6 九龙江营养盐周年日通量定点观测方案

3．1．7 样品采集与保存

3．1．8 现场测定参数

3．2 样品测定方法

3．2．1 营养盐测定方法

3．2．2 总悬浮颗粒物浓度(TSM)测定方法

3．3 数据预处理与综合分析

3．3．1 流量数据获取与预处理

3．3．2 降雨数据收集与计算

3．3．3 营养盐通量与负荷估算方法

3．3．4 数据统计分析

第4章 九龙江流域水文与营养盐基本特征

4．1 九龙江流域气象水文特征

4．1．1 历史水文气象情况

4．1．2 观测期间北溪和西溪的气象水文条件(2011-2014)

4．2 九龙江流域营养盐浓度、形态结构的时空分布

4．3 九龙江北溪周年日通量观测结果

4．4 九龙江流域营养盐输出的控制因素

4．5 本章小结

第5章 暴雨事件九龙江营养盐动态变化、输出过程与通量

5．1 暴雨事件降雨特征与水文过程线

5．2 降雨径流过程九龙江营养盐浓度、形态结构变化特征

5．2．1 各形态营养盐和悬浮颗粒物浓度变化与流量的关系

5．2．2 营养盐形态结构变化与流量的关系

5．3 暴雨事件九龙江营养盐输出通量

5．4 暴雨事件对九龙江营养盐输出的影响及控制因素

5．4．1 降雨水文条件对河流营养盐输出的总体影响

5．4．2 控制暴雨事件河流营养盐输出的过程和机制

5．5 本章小结

第6章 暴雨事件九龙江口营养盐分布及其对河流输入的响应

6．1 常态下九龙江口营养盐分布特征

6．1．1 调查期间潮汐与水质参数背景

6．1．2 河口区盐度、营养盐和TSM空间分布特征

6．1．3 河口混合区营养盐、TSM与盐度的关系特征

6．1．4 河口区营养盐的季节变化规律

6．2 暴雨事件期间九龙江河口营养盐分布

6．2．1 盐度和营养盐空间分布的变化

6．2．2 营养盐与盐度关系的变化

6．3 河流输送与河口响应的关系分析

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 研究展望

参考文献

致谢

附录 硕士期间参与的课题研究与发表的论文