美国宾夕法尼亚州东北部天堂河流域气温/溪流水温关系模型及溪流水温变化

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温度对水生生物有很重要的影响。河流温度影响着水生生物的生态进程，例如水生生物的生长、代谢率、生理学、分布。河流温度也是影响水质量的重要因素。历史上，宾夕法尼亚州东北部的天堂河流域一直是被宾州环保局标定为淡水鱼的理想栖息地。但是，近几年来流域内的城市化，人口增长和经济发展等人类活动已经明显威胁到淡水鱼的生存环境。本研究对天堂河的气温/溪流温度模型以及溪流温度是否上升进行深入的探讨。主要研究方法如下：在天堂河流域内设35个观测点，用HOBO温度记录器记录湖泊、池塘、大坝和污水处理厂的上方和下方的温度，用来探究人类活动对下方的水温变化到底产生了多大的影响，在上方的测量点叫做对照点，下方的叫做测试点。每个观测点每隔15分钟记录一次温度数据。收集的水温收据从2009年的1月至2010年的3月。本文的主要工作和结论如下：
　　(1)气温/溪流温度模型。本研究采用线性和非线性模型来预测溪流温度，其中非线性回归模型包括傅立叶函数模型和高斯函数模型。我们发现随着时间尺度的延长，气温和溪流温度的相关性在增加。线性回归显示不同时间尺度的平均最弱的相关关系，其决定系数分别是0.8687(日)、0.9330(周)、和0.9504(月)；高斯模型中气温/溪流温度之间具有中等的相关关系，其决定系数分别是0.9247(日)、0.9633(周)、和0.9711(月)；而傅里叶模型显示了最强的相关关系，其决定系数分别为0.9339(日)、0.9721(周)、和0.9781(月)。均方根误差随着时间尺度的延长而下降。线性回归的均方根误差比两种非线性回归的均方根误差都低，傅里叶模型的均方根误差比高斯模型的要低。在测试点的气温和溪流温度模型的相关关系比上方对照点的弱，我们推测可能的原因是测试点受污水处理厂和湖泊流出物的影响，使得这些地方的气温和溪流温度之间的相关性降低。三个时间尺度中，点FOHI05和YANK01，线性模型的斜率都小于0.36。测试点和对照点相比，大多数的测试点的斜率并没有下降，反而上升。本研究在大部分的测试点(SWIF04和 FOHI02)和对照点(FOHI01)观察到溪流温度的迟滞现象。
　　(2)冷水渔业标准和天堂河流域内的溪流水温的月违规率。温度读数与宾夕法尼亚环保局规定的冷水渔业规定标准进行比较，计算每个收集点的违规率，违规率高的河段，栖息地发生热量退化和降级的几率就越大。从1991年到2010年，夏季和冬季气温与违反冷水渔业标准温度读数的次数之间存在微弱的正相关关系，相关系数分别为0.2385和0.0901。我们发现大量的违规现象发生在3月，大多数的测试点在冬季的犯规率比较高(如SWIF04和SWIF06)，但某些点夏季的违规率比较高(如FOHI02)。而且Swiftwater Creek和Forest Hills Run是受到人类活动的影响发生热量降级最明显的河流。尽管本研究可以证实大坝、池塘、湖泊和污水处理厂排放的污水是导致违规率的主要因素，但不能根据一年的数据,就此判定天堂河流域的溪流温度是在增加的。
　　(3)天堂河流域的最大溪流温度变化模式。最大溪流温度变暖会沿着纵向梯度从水温很低的上游河源变化到水温较高的下游，因此下游的最大溪流温度很有可能超出美洲红点鲑所需的热量极限,尤其是在7、8月份(如FOHI02)。然而由于河流两岸的缓冲区和绝缘体的作用，在最下游的测试点(如FOHI01)，溪流温度反而是下降的，溪流温度下降到美洲红点鲑所需的热量极限以下。这证明了河流缓冲区和绝缘体的重要作用。
　　本研究显示天堂河流域的热量降解或者退化已经在发生。大坝、池塘、湖泊和污水处理厂排放的污水是导致违规率的主要因素。测试点的空气/溪流温度模型较低的决定系数，大量的溪流温度读数都高于宾夕法尼亚环保局规定的冷水渔业标准和高违规率，说明了此流域内的热量动态正在发生降级，应采取一些流域管理方法来减轻或者消除这些因素的影响。保持流域内的绝缘带和缓冲区(例如植树造林和建造绿色缓冲带)来减缓温暖人为因素所可能导致的溪流温度升高是比较有效和实际的办法。持续的水温检测和一些先进的技术对未来天堂河流域的管理非常必要。

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作者
靳贺;
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作者单位

河南大学;

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授予单位河南大学;
学科自然地理学
授予学位硕士
导师姓名朱连奇;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类河流;
关键词
美国; 天堂河流域; 溪流水温; 气温相关性; 关系模型;

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