Chesapeake海湾氮负荷调控：流域水环境模拟与地下水影响

第七章水环境数值模拟课程深入探讨了流域尺度上的水环境模拟应用案例，以美国Chesapeake海湾的富营养化问题为例进行详细分析。该章节的核心关注点在于地下水氮的排放对地表水环境的影响及其可能的减量化途径。 在 Chesapeake 流域，非潮汐河流和溪流带来的大约40%至50%的总氮排放主要源自地下水。这一情况促使研究者着重关注地下水化学反应，特别是脱氮（denitrification）过程，它被认为能在很大程度上减少流域内的氮负荷。因此，研究的目标之一是建立一个与地质化学特别是脱氮相关的地下水层理模型，以理解其对基质流（stream base flow）化学成分的影响。 针对 Morgan Creek 和 Chesterville Branch 这两个具体流域，模型着重模拟了地下水流动以及长期的硝酸盐-氮（nitrate-N）输入情况。流域内农业活动占主导地位，主要包括种植玉米、大豆和小麦的农田，占据了90%的比例。剩下的10%包括沿岸森林、苗圃和其他类型的土地利用。土壤类型以适度到良好排水的粘土为主，表面含水层主要由Pensauken Formation的深透风化砂和砾石构成，而下部则由Aquia Formation的鲕状铁铝土和白云岩构成。 由于地表水流量主要受地下水排泄驱动，模型开发过程中，研究团队收集了关于土壤特性、水质参数、降雨数据以及土地利用分布等多方面的详细信息。通过这些数据，他们构建了包括地下水流、污染物传输、生物地球化学反应等关键过程的数学模型，并进行了模拟。 模拟结果揭示了地下水流动如何影响地表水质，以及不同因素如何影响脱氮效率。例如，特定的土壤类型、植被覆盖和农业管理实践可能影响氮的储存和释放，进而影响水体的富营养化程度。通过这些案例分析，学生和专业人士可以更好地理解如何通过数值模拟工具来预测和管理复杂的水环境问题，从而制定更有效的水资源管理和保护策略。