基于 SCHISM-HM 模型的台湾丹輝河河口锰迁移模拟、参数敏感性分析与不确定性研究

《Toxics》：Manganese Transport and Sediment Remobilization in a Tidal Estuary: Parameter Sensitivity and Uncertainty Analysis

　　

摘要

潮汐河口的特点是具有复杂的水动力过程，而重金属的迁移则受到多种相互作用的物理机制的调控。这些复杂性为关键模型参数带来了不确定性，可能影响模型预测的可靠性。本研究开发了一个三维水动力-重金属迁移模型（SCHISM-HM），并将其应用于台湾的丹輝河河口系统，系统地研究了锰的迁移机制、参数敏感性以及预测不确定性。该模型通过2020年收集的实地观测数据进行了验证。模拟的水动力变量（包括水位、流速和盐度）与观测结果吻合良好，相关系数（SS）超过0.8。对于总锰浓度，平均绝对误差（MAE）介于0.001至0.006 mg/L之间，均方根误差（RMSE）介于0.001至0.008 mg/L之间，相关系数（SS）介于0.909至0.999之间，这表明SCHISM-HM能够再现丹輝河河口复杂的水动力条件和重金属迁移过程。敏感性分析显示，分配系数（K_d）和悬浮沉积物沉降速度（w_s）与水柱中的总锰浓度呈负相关。将K_d从0.1增加到0.4 L/mg，导致各个监测站点的总锰浓度峰值降低了32.03%至93.75%；相反，将w_s从7.0 m/day降低到3.0 m/day，下游站点的总锰浓度增加了高达382.08%。这些结果表明，w_s对总锰浓度的影响大于K_d，突显了悬浮沉积物迁移在控制重金属分布中的关键作用。通过结合蒙特卡洛模拟和贝叶斯推断进一步量化了模型不确定性。K_d和w_s的后验分布最适合用正态分布来表示，其相关系数（R）超过0.997。模拟总锰浓度的不确定性主要与浓度峰值期相关，并表现出显著的空间变异性。特别是在台北桥站点，由于河流横截面的收缩增强了水动力作用和沉积物的重新悬浮，90%置信区间宽度最大（0.118 mg/L），且超出水质标准的概率相对较高。总体而言，研究结果表明，河床沉积物的侵蚀和悬浮沉积物的迁移是控制丹輝河河口锰动态的关键过程。所提出的建模和不确定性分析框架为潮汐河口的水污染管理和环境风险评估提供了定量依据。