《Ecological Modelling》：Application of WASP8 for modeling water temperature and eutrophication dynamics in the Liard River Basin, Canada
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•加拿大利阿德河的首个机制性水质与富营养化模型。•展示了适用于数据稀缺的偏远北方流域的建模框架。•在寒冷的北方河流中，物理控制因素可能比营养物质更主导藻类生长。•溶解氧收支主要由物理过程而非生物过程所控制。•WASP8的灵活性允许模型随着更多数据的获取而进行改进。引言加拿大北
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加拿大利阿德河的首个机制性水质与富营养化模型。
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展示了适用于数据稀缺的偏远北方流域的建模框架。
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在寒冷的北方河流中，物理控制因素可能比营养物质更主导藻类生长。
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溶解氧收支主要由物理过程而非生物过程所控制。
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WASP8的灵活性允许模型随着更多数据的获取而进行改进。
引言
加拿大北部地区拥有丰富的淡水资源，包括广阔的河流、湖泊和湿地网络。麦克连河盆地部分地区水质不佳，导致一些农村和原住民社区长期存在烧水饮用建议（De Coste等，2024）。此外，还引发了有害藻华、鱼类死亡和游泳水质警告等问题，严重影响了广阔地理区域内居民的生活质量（Dibike等，2025）。利阿德河流域（LRB）位于加拿大西北部，是麦克连河水系的一部分，也是麦克连河最大的支流，流域面积约275,000平方公里。由于其地处偏远、气候恶劣——尤其是冬季极端低温和长时间冰冻条件——以及人口密度低，利阿德河流域基本未受开发，其生态系统保存完好。然而，在过去几十年中，由于城市化、工业发展和气候变化等人为影响逐渐增加（麦克连河盆地委员会，2021）。因此，建立利阿德河流域的水质模型，预测人为活动对河流水质的潜在影响，将可作为识别管理策略的工具，以平衡工业部署与环境保护，确保在不影响当地生态系统的前提下实现可持续经济增长，并预测气候变化对水质的影响。
在众多水质参数中，溶解氧（DO）是评估地表水健康水平最重要的指标之一，因为它直接影响水生生态系统维持生命的能力（Boyd, 2000; Chapra, 2008）。地表水的溶解氧需求因物种和生命阶段（例如繁殖期）而异，但通常认为约6.5 mg/L以上的浓度适合大多数水生生物（Chapman, 1986）。当溶解氧降至5 mg/L以下时，许多鱼类的水生环境会变得胁迫性增大；低于3 mg/L通常不足以维持鱼类生存（美国国家环境保护局，2025）。溶解氧之所以是关键水质参数，还因为它受多种因素影响，是反映整体水质状况的良好指标。影响溶解氧水平的多种自然和环境因素包括营养物浓度、水温、大气复氧以及光合水生生物的存在（Chapra, 2008）。人为来源排放到地表水中的过量营养物质，如农业径流和废水排放，可刺激藻类过度生长，这一过程称为富营养化（Chapra, 2008）。虽然活体藻类通过白天光合作用产生溶解氧，但也通过呼吸作用消耗溶解氧，藻类死亡后还会通过增加生化需氧量进一步消耗溶解氧。此外，在某些系统中，密集的表面藻华可能减少大气复氧，限制溶解氧从大气补充。在严重情况下，不受控制的富营养化可导致缺氧或无氧条件。富营养化已成为一个关键的全球环境问题，严重损害了全球水生生态系统的水质（Blaszczak等，2023; Bocaniov等，2016; Chen等，2007; Conley等，2011; Knightes, 2023; Tellier等，2022; Zhang等，2020）。
通过将物理、化学和生物过程相结合，机制性水质模型可以模拟多种地表水系统中广泛的水质过程。本研究使用的WASP（水质分析模拟程序）模型是由美国国家环境保护局（USEPA）开发的地表水质模型。加拿大有多项研究应用WASP模型模拟富营养化动态，以支持水资源管理并增强环境保护承诺。例如，Zhang和Rao使用WASP模型模拟温尼伯湖的富营养化过程（Zhang和Rao, 2012）。他们的研究表明，基于平均浮游植物生物量的模拟，提高氮磷负荷比（N/P）可能是改善水质的有效策略。Akomeah等也应用WASP模型分析了南萨斯喀彻温河上游的富营养化动态（Akomeah等，2015）。他们的发现表明，夏季溶解氧（DO）和氨是最敏感的状态变量，而磷和叶绿素a（Chl-a）变量对藻华动态更为敏感。在另一项应用中，Hosseini等使用WASP7模型评估上游水库对奎阿佩勒河水系水质的影响，并模拟湖泊和河流系统中与富营养化相关参数的季节性趋势。基于敏感性分析，他们建议湖泊系统的模拟结果全年对模型输入参数的敏感性更高，而河流系统的模拟结果在夏季对模型输入参数的敏感性更高（Hosseini等，2018）。
利阿德河是加拿大西北部的一个大型寒冷地区河流水系。由于人为活动增加和气候变化，水质问题日益突出。加拿大北部的大型河流水系，如利阿德河，具有水力滞留时间短、浊度高、光照可利用性低等特点。这些河流的典型特征使其水质动力学过程与湖泊明显不同。虽然水质模型已在温带、营养丰富的系统中得到广泛应用，但加拿大北部大型河流水系的水质模型却很少，限制了对寒冷高纬度地区营养物和水质动态的当前认识。此外，在数据有限的条件下校准基于过程的水动力和水质模型仍然具有挑战性，因为参数不确定性和等效性——即不同参数组合因不同原因产生类似的良好拟合——可能削弱模型的鲁棒性和可迁移性，特别是当校准依赖于狭窄范围的观测条件时（Zhang和Fu, 2023）。为弥补这一空白，本研究有两个主要目标。首先，我们建立了利阿德河首个基线机制性水质与富营养化模型，为数据稀疏的北方流域提供了基础的建模框架。其次，我们表征了当前模型配置下富营养化动态的关键驱动因素；随着更多野外数据的获取，模型可进一步改进和验证。通过记录数据有限条件下的模型结构、参数估计和关键过程敏感性分析，本研究建立了参考基线模型，未来工作可在补充监测数据的基础上对其进行改进和扩展。具体而言，本研究将WASP8高级富营养化模块与校准后的基于过程的流域模型（即HSPF）耦合，开发了一个一维机制性和质量平衡的水质模拟框架，用于模拟位于加拿大西北部的利阿德河流域的河内富营养化动态。经过良好校准的HSPF模型旨在提供时空流量信息，并估计陆地过程向水体输入的水质参数负荷。随着更多野外水质数据的获取，以及估计各种陆地途径的营养物和其他水质参数负荷的能力和方法的提升，该模型可进一步增强，以更好地表征富营养化动态的全部复杂性，并为利阿德河流域的水资源管理提供深入可靠的支持。
章节摘要
研究区域
利阿德河流域作为麦克连河的一个子流域，位于加拿大西北部，集水面积为277,100平方公里（图1）。利阿德河流域是一个跨多个管辖区域的流域，跨越三个行政区。该河发源于育空地区东南部的佩利山脉，流经不列颠哥伦比亚省北部，进入西北地区，最终汇入麦克连河。根据加拿大自然资源部2015年的土地覆盖数据，2025年，
使用WASP8进行流量演算模拟
图S3和S4展示了HSPF的径流量模拟结果，表1总结了最终校准参数和关键统计指标。在河口监测站，R2和NSE均约为0.79，校准期和验证期的PBIAS分别为5.3%和3.8%；对于整个模拟期，R2、NSE和PBIAS分别为0.79、0.79和4.5%。这些结果表明在校准期、验证期和整体模拟期间均达到了良好评级。
结论
建立全面严谨的水质模型对于评估人为活动对水生系统的潜在影响以及支持资源驱动型经济发展与环境保护相平衡至关重要。为此，我们开发了一个基于WASP的质量平衡机制性模型来模拟利阿德河流域的水质动态。该模型纳入了影响溶解氧（DO）动态的关键过程，其性能及局限性已
生成式AI披露
作者特此披露，在撰写本研究期间，他们使用了Anthropic Claude来改进手稿文本的可读性，并协助对正文和补充材料中的图表进行美学优化（如颜色、字体和布局）。所有图表均基于作者自身的模型结果和分析代码生成。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对内容的
CRediT作者贡献声明
Yanlai Han（韩彦来）：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，方法论，形式化分析，概念化。Yonas Dibike：写作 – 审阅与编辑，指导，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Bernardo Teufel：写作 – 审阅与编辑，资源。
Yanlai Han|Yonas Dibike|Bernardo Teufel
