汉江下游河流型水华暴发的多影响要素特征识别

水体富营养化通常发生于湖泊和水库等闭合水域,在大型流动性河流中通常较少发生.然而,随着近年来人类活动的干扰,汉江中下游水华事件频繁暴发,给沿岸居民的饮用水安全带来了严重隐患.科学辨识可能导致汉江下游水华暴发的多要素变化特征,是揭示河流水华成因和优化上游水利工程调度的重要依据.基于收集的汉江流域下游气象、水文、水环境和水生态长序列数据,系统检测了可能导致汉江河流型水华暴发的多要素特征和不同时期的变化差异.结果表明:①汉江中下游降雨量（1961-2015年）下降、气温（1961-2012年）显著上升,汉江流域近50年气候逐渐呈现暖干的变化趋势.②1992-2013年汉江中下游径流变化呈显著下降趋势,在水华严重暴发的2008-2011年,汉江干流中下游主要断面年均流量和水位均处于历史上相对较低的一段时期.③2004-2014年汉江下游主要水环境指标变化趋势不显著,但总体水质状况较差,水华年ρ（COD_Mn）和ρ（TP）明显高于非水华年.④汉江水华暴发季节时间自2008年后有明显前移趋势,每年春季的2月中下旬-3月中旬将是水华暴发的重点防控时段.研究显示,汉江下游藻密度的变化相对于营养盐和水文情势要素更加敏感,在不同水华暴发时期的差异也最为显著,是导致河流型水华暴发的主要驱动因素.      

南水北调中线不同调水方案下的汉江水华发生概率分析

为评估南水北调中线工程对汉江中下游水华的影响，从汉江水华的成因机理分析入手，提出了汉江水华发生概率的计算模型．该模型由河流一维水动力学模型、水体富营养化模型以及随机数生成模型组成，它不仅可以模拟汉江水华的发生机理，而且可以对诱发水华的各种因子进行随机抽样组合，从而求出中线调水不同方案实施后汉江水华的发生概率．计算结果表明，在现状情况下汉江水华的发生概率为9．2％，南水北调中线各调水方案（无引江济汉工程）实施后，汉江水华发生的概率将有一定程度的增加，而如果调水方案与引江济汉工程同时兴建将大大减少汉江水华发生的概率．最后提出建议，汉江自身的水污染治理是减少水华发生概率的最根本措施，而丹江口水库和引江济汉工程的联合调度将会减小汉江水华发生的概率．     

低通时序滤波轨线法在太湖营养过程识别中的应用

环境背景条件变化会导致湖泊ρ（Chla）与环境因子响应关系发生变化.采用低通时序滤波轨线方法可以方便地识别ρ（Chla）与环境因子响应关系的时间转折点,将长时间序列数据进行分段,从而建立分段回归函数,为研究环境因子与湖泊ρ（Chla）的因果关系提供了一种新的思路.以太湖为研究对象,采用低通时序滤波轨线方法,评估了2001—2018年太湖的ρ（Chla）与营养盐〔ρ（TN）、ρ（TP）〕以及氮磷比〔ρ（TN）/ρ（TP）〕的变化过程,研究了年均气温、滞留时间对产藻效率〔ρ（Chla）/ρ（TP）〕的影响过程.结果表明:①2006年、2011年为太湖营养过程轨线的两个时间转折点,将太湖的营养过程轨线分为3段.第1段为污染阶段（2001—2006年）,太湖的ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（Chla）同步升高,于2006年达到第一个峰值;第2段为修复阶段（2006—2011年）,太湖的ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（Chla）同步降低,于2011年达到谷值;第3段为富营养化加剧阶段（2011—2018年）,太湖的ρ（TN）呈下降趋势,ρ（TP）与ρ（Chla）同步升高,至今未出现转折点.②太湖藻类生长的限值因子为ρ（TP）,2011年之后氮磷比进入浮游藻类适宜生长区,为蓝藻暴发提供了条件.③2011—2018年产藻效率增长了51%,且目前仍在升高未出现转折点,气温升高可能是主要原因.④依据2011—2018年的滤波值建立ρ（Chla）-ρ（TP）的函数预测,为控制蓝藻暴发〔ρ（Chla） < 10 mg/m3〕,太湖的ρ（TP）需要控制在52 μg/L以下.⑤2006年后,太湖的滞留时间呈现缩短趋势,对藻类的繁殖形成抑制,但滞留时间不是影响产藻效率的关键因子.研究显示:自2006年太湖流域实施一系列生态修复工程后,湖泊氮浓度明显降低,但由于流域氮磷排放量较大而且湖体沉积物中累积磷含量较高,致使水体营养盐水平仍未降到能显著抑制蓝藻生长的水平;目前气温升高趋势仍在持续,太湖的控藻形势严峻,为摆脱气候变暖对蓝藻水华趋势的决定作用,应当在控氮基础上加大控磷的力度,同时更多考虑水文调节、生物修复、加强打捞等措施.      

汉江中下游干流水质状况时空分布特征及变化规律

汉江是南水北调中线工程的水源区,其中下游水质状况是国家和湖北省政府重点关注的饮用水安全问题.研究南水北调中线工程影响区汉江中下游干流的水质状况和特征,为进一步分析工程运行对汉江中下游水质的影响奠定基础.收集了汉江中下游干流11个水质监测站2011—2014年pH、ρ（DO）、ρ（COD_Mn）、ρ（BOD₅）、ρ（NH₃-N）、ρ（TP）、ρ（TN）等7项水质指标,应用水污染指数法和层次聚类分析法,综合辨识2011—2014年汉江中下游干流的水环境时空变化特征.结果表明:①2011—2014年汉江中下游干流水质整体上为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅳ类~劣Ⅴ类水体,超标指标为ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（BOD₅）,其中ρ（TN）超标最严重.②为深入辨识TN负荷对研究区域水质的影响,通过情景分析发现控制ρ（TN）可有效改善汉江中下游干流水质状况.③汉江中下游干流水质状况层次聚类分析表明,在时间上将研究时段分为2类,基本对应于汉江中下游的汛期和非汛期;在空间上将水质监测断面（沈湾、泽口、新沟、宗关、转斗、皇庄、汉南村、石剅、白家湾、余家湖、罗汉闸）分为3类,其中第3类可细分为3个子类,各子类所对应的水质监测断面与其空间分布基本对应.④汉江中下游干流富营养化严重,其中ρ（TP）和ρ（TN）在非汛期分别呈显著降低和增加趋势,汛期无明显变化.研究显示,江汉中下游污染严重,营养盐尤其丰富且ρ（TN）为主要影响因素.      

汉江中下游水质时空特征与土地利用类型响应识别研究

人类活动干扰下的水环境过程演变是当前全球水安全面临的难点问题.汉江作为南水北调中线工程的重要影响区和水源区,在气候变化和人类活动双重影响下近十几年来水华频繁暴发,科学辨析土地利用类型影响下的汉江水环境质量演变特征,对于政府制定和实施水污染防治政策具有重要的现实意义.基于2011—2018年汉江中下游8个监测站点的7个主要水质指标〔pH、ρ(DO)、ρ(COD_Mn)、ρ(BOD₅)、ρ(NH₃-N)、ρ(TP)、ρ(TN)〕448组连续野外监测数据,利用季节性曼肯达尔检验法、相关分析和冗余分析等多种数学统计分析方法,分析了汉江中下游的水质时空演变特征,分析了土地利用类型与水质变化的相关关系.结果表明:①时间特征上,2011—2018年汉江中下游总体水质呈好转趋势,丰水期污染物浓度高于枯水期,2013—2014年出现峰值,2015年以后水质逐渐变好.②空间特征上,水质从汉江中游至下游呈逐渐变差的趋势,由于2014年引江济汉工程的开通,水质在罗汉闸站点及下游有好转趋势.③总体上,农田和城镇用地与污染物浓度均呈显著正相关,最大解释度为0.27;林地、草地与污染物浓度均呈显著负相关,最大解释度为0.31.研究显示,汉江中下游水质有所改善,农田与城镇用地对于汉江中下游水质恶化影响较大,林地、草地等植被覆盖等由于存在一定的水源涵养功能和天然净化能力,可以对水污染起到一定的缓解作用.      

汉江中下游硅藻水华形成条件及其防治对策

文章总结了汉江中下游五次硅藻水华开始发生的时间、地点及范围、持续时间、浮游植物最高密度以及浮游植物群落结构特点,1992-2000年汉江中下游硅藻水华呈现加重趋势,2000年以后,硅藻水华发生范围有所减小,但发生频度明显增加。在对历次硅藻水华形成的气象条件、水文条件、营养条件和生物条件进行分析的基础上,从控制汉江污染途径、提高汉江中下游硅藻水华预警时效和生态调水方式等方面,提出了防治汉江中下游硅藻水华对策。     

汉江中下游藻华暴发特征及生态流量阈值

基于2015～2019年汉江中下游水文,水环境和水生态数据,采用主成分分析与冗余分析识别了河流藻华暴发防控的关键因子,拟合得到其调控阈值,然后,使用断面通量法和流速抑制法推求了抑制河流藻类水华暴发的生态流量.结果表明:汉江中下游藻类水华主要发生在枯水期,枯水期藻类优势种群为硅藻,小环藻为优势种,丰水期绿藻门和硅藻门是优势种群,小球藻为优势种.流速是影响汉江藻类生长的主控因子,当流速超过0.462m/s时,流速继续增大将抑制藻类生长.汉江中下游枯水期控制藻类水华的生态流量:沙洋断面流量为890m³/s,潜江断面流量为918m³/s,仙桃断面流量为953m³/s,汉川断面流量为1075m³/s.     

基于宏条形码技术的白洋淀水华藻类识别及其驱动因子分析

浮游藻类是引起水华暴发的主要原因.为筛选潜在水华藻类,评估白洋淀水华风险区域,于2020年8月对白洋淀373点位展开浮游藻类调查.利用宏条形码技术分析,解析水华藻类群落组成,同时采用显微镜计数法统计藻密度.根据总藻密度对白洋淀不同区域的水华程度进行评估,同时进一步针对水华藻类群落,耦合淀区水质条件,探究白洋淀不同区域水华藻类群落空间差异驱动因子,以甄别影响水华藻类群落结构关键环境因子.结果表明,95%以上采样区域无水华风险(藻类密度<2×10⁶个·L^-1),仅5个样点存在轻微水华风险.但水华藻类群落分析共检测到了90种水华藻类,其中优势水华藻种有20种,隶属于以绿藻门、蓝藻门和裸藻门为主.水华藻类群落结构在不同区域上具有显著空间异质性(P<0.05).关键驱动因子解析结果表明,总磷(TP)、总氮(TN)和氨氮(NH⁺₄-N)是造成水华藻类群落结构差异的关键因子.其中,门水平上,蓝藻门水华藻类与以上关键因子显著正相关;种水平上,硅藻门和绿藻门水华藻类与关键因子响应更显著.因此,水华藻类群落...     

南水北调对汉江下游藻类生长的影响及对策研究

采用水质生态模型 ,模拟分析因南水北调中线工程导致水量的变化以及河道内营养负荷的改变 ,引起汉江下游水体藻类生长速率的变化 ,并对藻类生长的规律做了分析 ,结果表明 :要有效地控制汉江中下游“水华”的发生 ,在现状水量和营养负荷条件下 ,需削减营养负荷 5 0 %;实施设计方案调水 1 45亿m3且有引江济汉配套工程条件下 ,需削减现状营养负荷 80 %;调水后控制污染负荷至现状的 5 0 %,要消除因调水产生的负面影响 ,则需将引江济汉水量增大 30 %。由此可减轻因南水北调中线工程对汉江中下游造成的负面影响 ,但“水华”发生机率仍比不调水年程度严重且历时长久。因此 ,首先必须治污 ,控制沿江的污水排放 ;其次在藻类大量繁殖的春季 ,结合丹江口水库和引江济汉工程的合理调度 ,确保汉江中下游工农业生产和生态环境需水。     

基于多源数据的巢湖蓝藻水华时空分布及驱动因素分析

富营养化和有害藻类水华暴发是全世界淡水湖泊共同面临的生态环境问题之一.巢湖作为典型的内陆淡水湖泊,其富营养化水平和蓝藻水华暴发面积常年居高不下,且在各湖区表现为一定的时空分布差异.为认识和了解不同阶段巢湖蓝藻水华发生和发展基本规律,利用巢湖水上综合观测平台和卫星遥感等多源数据,获得2015~2020年水体中藻密度和水华面积的时空分布信息,并采用基于增强回归树的机器学习算法,定量评估不同阶段各环境因子对蓝藻水华影响的重要程度及相互作用关系.结果表明：①巢湖蓝藻水华表现出较大的季节变化特征,蓝藻细胞在春季开始复苏,主要在巢湖西半湖和沿岸地区形成轻度水华,水体藻密度在夏、秋季达到最大,该季节发生中等程度以上的水华频率较高.②非暴发期间,巢湖藻密度变化受物理和化学因素影响较大,二者对解释藻密度方差变化的贡献率可达80.3%,水体中高浓度溶解氧、弱碱性pH值（7.2~7.6）和适宜水温（3℃）是藻类细胞生长繁殖的有利环境条件,巢湖蓝藻水华首次暴发一般在气温稳定通过7℃初日11 d前后出现.③暴发期内,巢湖蓝藻水华发生主要受藻类生物量和气象条件的综合影响,气温、藻密度、日照时数和风速的累计贡献率为95%,各因子均存在一个有利于蓝藻水华发生的最适区间.多因子交互作用分析结果显示,在水体藻密度大、气温适宜和微风的综合作用下,巢湖蓝藻水华发生概率较高.上述研究成果分析和揭示了不同阶段巢湖蓝藻水华的时空分布特征及其主导影响因子,可为巢湖蓝藻水华防控和预测、预警提供科学依据.     

运用水质指数法评价南水北调中线水源地丹江口水库水质

丹江口水库是南水北调中线工程水源地,水库水质的好坏直接影响工程效益的发挥. 根据2005年雨季和枯季的水质监测数据,参照GB3838-2002中Ⅱ类水质标准,将21项水质监测指标分为难处理的毒性指标(ρ(As),ρ(Hg),ρ(Cd),ρ(Cr),ρ(Pb)和ρ(Se))、易净化的污染指标(pH,ρ(DO),I_Mn,ρ(BOD₅)和ρ(NH₃-N))及其他指标(ρ(DP),ρ(DIN),ρ(F-),ρ(Cl-),ρ(SO₄2-),ρ(NO₃--N),ρ(Cu),ρ(Zn),ρ(Fe)和ρ(Mn))3类,首先计算单项水质指数,然后分类别计算分类指数,最后得到综合水质指数(WQI). 结果表明:①重金属Hg,Se,Cd和Pb危及库区水质安全;②易净化污染指标及其他指标的WQI值小于20,但氮已对水质构成极大威胁;③水库水质在枯季好于雨季;④水质空间格局为汉江库区好于丹江库区,丹江库区好于库区下游. 对于水源地,在评价有毒重金属时应结合地表水环境标准和饮用水标准. 另外,就污染物成因及水资源保护措施进行了初步探讨.      

基于水域面积法的山区河流水电站下游生态流量定值研究

水电站的大量兴建导致下游河道萎缩退化甚至断流,如何改变水电站运行调度方式,维持下游河道一定的生态流量、保障河流健康成为国内外普遍关注的问题.本文在传统水文学方法的基础上融入生物栖息地法思想,以河流生态系统的生物多样性为功能目标,用河道流量反映河流的水文过程,河道水域面积反映河流生态系统的生物多样性,创新性地提出考虑河道水文生态特性的生态流量定值方法——水域面积法.以北江上游浈江二级支流罗坝水为例进行分析计算.计算结果表明:枯水年罗坝水生态流量为2.26 m3·s-1,占多年平均流量的25.97%;平水年生态流量分月控制,生态流量过程与建站前流量过程基本一致.根据枯水年的生态流量值和平水年各月份的生态流量值,结合水电站的运行调度规则,换算成一定时期内的径流量来确定该时期内水电站需释放的水量,进而对水电站下游河道的生态功能进行保护和修复.     

南水北调中线工程对汉江中下游水华的影响及对策研究(Ⅰ)——汉江水华发生的关键因子分析

为了评估南水北调中线工程对汉江中下游水华的影响,在广泛现场监测、资料收集、调查论证工作的基础上,应用水动力学模型和富营养化动力学模型对汉江水华发生的成因和关键因子进行了分析。汉江水华发生的主要原因有3个:汉江中游进入城区的排污量日趋增大,藻类等生物所需的氮、磷等营养物质严重过量(此乃根本原因);汉江水枯同时长江水位增高使汉江流速变缓,产生类似于湖泊的水流特性;春季气温偏高。在已满足藻类生长需求的营养条件下,流量和流速是制约汉江水华发生的关键(敏感)因子,南水北调中线工程对汉江中下游水华的影响将主要体现在水文因子上。     

基于生态足迹的丹江口库区生态承载力分析

利用生态足迹模型对南水北调中线工程实施前后的丹江口库区的生态足迹进行了计算和分析。结果表明:南水北调工程实施前,丹江口库区2007年人均生态足迹赤字为1.059 gha,库区整体上处于不可持续状态;与南水北调中线工程实施前相比,库区可利用的生态承载力减少了2.3%,生态赤字扩大了0.014 gha/cap;根据库区生态足迹和生态承载力计算结果,库区生态适度人口为122.8万人。     

城市流域降雨径流水质特性及初期冲刷现象

为了解城市流域降雨径流水质特性及其初期冲刷现象,以重庆市盘溪河流域和虎溪流域为研究对象,对6场降雨径流进行监测. 结果表明:各场次降雨中,城市流域降雨径流污染物浓度均呈抛物线型分布;在所监测的6场降雨中,盘溪河流域ρ(TSS)(TSS为总悬浮物)、ρ(COD_Cr)、ρ(TN)、ρ(TP)平均值分别为2 000、420、13.0、5.7 mg/L,虎溪流域ρ(TSS)、ρ(COD_Cr)、ρ(TN)、ρ(NH₃-N)、ρ(NO₃--N)、ρ(TP)、ρ(Fe)、ρ(Zn)、ρ(Pb)、ρ(Cd)的平均值分别为33、38、2.6、0.7、1.1、0.1、2.1、0.2、0.6、0.06 mg/L. 在盘溪河流域和虎溪流域降雨径流中,磷均以颗粒态为主(分别占56%和87%),氮均以无机氮为主(分别占72%和82%). 盘溪河流域未发现明显的初期冲刷现象,虎溪流域初期40%的径流携带了50%~80%的污染负荷. 降雨径流流量分析表明,单峰降雨事件的峰值流量取决于且滞后于峰值雨强,多峰降雨事则件往往导致多峰流量响应.      

汉江上游现代洪水滞流沉积物重金属元素特征

年对汉江上游现代洪水SWD(滞流沉积物)系统采样,并分析样品的粒度、烧失量和重金属元素质量分数,以揭示该流域内大洪水期间重金属的面源污染状况. 结果表明:汉江上游现代洪水SWD的粒度成分中,黏粒(粒径<2μm,下同)占1.3%~6.9%,细粉沙(2~<16μm)占9.0%~40.9%,粗粉沙(16~63μm)占22.7%~50.3%,并且三者沿程自上而下逐渐增加;而沙粒(>63μm)占7.1%~65.6%,沿程自上而下呈逐渐减少的趋势. 与全国泛滥平原沉积物重金属背景值比较发现,Co、Cr、Ba和V累积明显,而w(Cu)、w(Ni)、w(Pb)和w(Zn)不同程度地高出背景值. 运用地质累积指数(I_geo)和污染指数(PI)评价表明,主要污染元素的地质累积指数为Co>Cr>Ba>V,而Cu、Ni、Pb和Zn都属于清洁. 汉江上游现代洪水SWD的重金属整体处于中等污染水平. 利用相关性和主成分分析发现,Co和Cr多富集在沙粒中,而Cu、Ni、Pb、Zn、Ba和V多累积在黏粒、细粉沙和粗粉沙中. 现代洪水SWD的粒径分布和重金属元素质量分数空间变化明显,聚类分析发现其空间分布可分为安康盆地、汉江上游北岸和汉江上游南岸3类,这种分布特征与汉江上游地貌特征、羽毛状水系和人类活动的影响等密切相关.      

基于DPSIR模型的丹江口库区生态安全评估

作为汉江重要的水利枢纽,丹江口水库不仅为库区居民提供生活、生产及生态用水,更关系南水北调中线人民的生活与生产用水,水库生态功能极其关键。文章借助DPSIR(Driving force-Press-Station-Imapct-Reservoit)模型,对丹江口库区生态安全状态进行综合评估,并结合区域环境问题分析,提出丹江口库区综合治理对策及建议。