多源信息融合技术在内陆湖库水华预警中的研究进展与展望

面对水体富营养化愈来愈严重，水华爆发越来越频繁的严峻形式；为减少水华发生频率及由此造成的损失，开展水华预警已成当务之急。水华爆发是水体中营养盐的累积、气候条件与水力条件等众多因素非线性共同作用的产物；为此，有必要在众多水华影响因素的动态监测信息的融合基础上，寻求水华爆发与这些影响因素间的影射关系，这就需要信息融合技术。通过归纳总结多源信息融合技术在内陆湖库水华预警中应用的研究进展，结合目前我国水华预警的具体需求，提出建立基于多源信息融合技术的水华预警决策支持系统的研究前景与初步设想。信息融合技术为水华预警提供了一个良好的平台，它将与水华相关的不同信息源（水文、气象、水环境质量与环境遥感）所提供的局部不完整的观测信息加以集成与互补，消除多源信息之间存在的冗余和矛盾，形成对水华爆发环境相对完整的感知与描述；从而提高水华预警与应急响应决策的效率，提高预警信息的时间与空间分辨率，扩展信息的时空监测范围。     

三峡库区典型支流春季特征及其水华优势种差异分析

三峡水库蓄水后,多年来众多支流水华频发引起广泛关注。为研究春季三峡库区不同区域典型支流特征及水华的差异性,选取小江、大宁河、香溪河为研究对象,于2015年春季对三条支流进行监测与分析。结果表明:三条支流回水区长度与宽度有所区别,小江、大宁河、香溪河的蜿蜒度分别为2.151、1.384、1.126;长江干流水体以表层倒灌潜入小江,以中上层倒灌潜入大宁河,由中层倒灌潜入香溪河,越靠近库首,其倒灌影响距离相对越远,分别占研究回水范围的61.9%、69.2%和80.7%;温跃层梯度逐渐减小,水温呈现不同的层化结构,回水区上游水温较下游高;三条支流的光混比变化规律相似,水体中的总氮、总磷含量能够为藻类生长提供丰富的营养条件;春季水华的优势藻种及各优势种的分布区域有所不同,回水区上游更易暴发高强度水华,小江水华优势种主要包括蓝藻、绿藻、甲藻、硅藻;大宁河多发生以绿藻为优势藻种的水华,偶尔伴有甲藻、硅藻和隐藻水华,香溪河春季优势共存的水华类型较多见,多发生硅藻、甲藻水华,有时出现绿藻水华。倒灌异重流是三条支流水华暴发呈现分区的主要原因,水温及水动力条件差异是造成三条典型支流水华优势藻种存在差异的主要因素。     

防控三峡水库支流水华的生态约束型优化调度

三峡水库蓄水后支流水华频发，严重影响了库区支流的水环境，开展水库生态调度，改变干支流水体之间的水动力条件，能有效的防控水库支流水华的发生。提出了嵌套水华预测模型的水库生态约束型调度模型，以水位（H）、水位变频(HF)、水位变幅(HR)为水华预测模型的输入量，水体中的叶绿素浓度为预测输出量，采用BP神经网络（BNN）构建了水华预测模型；将水华预测模型嵌入到水库调度模型中，以水体中的叶绿素值为约束构建了防控支流水华的生态调度模型，并以离散型动态规划法（DDDP）对调度模型进行了求解。结果表明：构建模型的预测验证相关性为R=0.8536，能较好的预测水体叶绿素含量；在极端水华100%控制保证率的生态约束条件下，生态调度发电量较实际调度发电量损失了0.89%，三峡水库开展生态调度在保证整体经济效益不亏损的情况下能有效的控制支流极端水华的暴发。     

三峡水库藻类“水华”预测

根据三峡库区江段16条一级支流以及重庆市35座大中型〖JP2〗水库的调查资料，分析天然河流与水库两种不同水流条件下，水体叶绿素a浓度与总磷和透明度的关系。结果发现,在水库环境中，水体叶绿素a的浓度与总磷以及与透明度都具有较好的相关性，但在河流条件下则没有明显的关系。由于三峡库区江段大多数支流的营养水平已达到富营养化状况，当三峡水库建成、水流条件发生变化后，在支流河口等水域存在爆发“水华”的风险。为此，我们根据1998年枯水期，在三峡库区长江江段流域面积大于100 km2的40条支流河口实测的总磷浓度，利用所建立的水库环境中总磷与叶绿素a 浓度的关系，对三峡成库后在局部水域爆发“水华”的可能性和程度进行了分析，并提出了相应的对策。     

三峡水库支流神农溪库湾倒灌异重流特征及成因分析

三峡水库蓄水以来，库区干支流水动力变化显著。探明三峡水库支流库湾倒灌异重流的成因对库区水华防控调度十分关键。基于2018年野外观测数据，对神农溪库湾水流速度，水温，浊度等因素进行分析。结果表明：库湾春冬季由于水温变化不大，泥沙含量很低，干支流密度差较小，导致倒灌异重流呈无规律状态；夏秋水温变化较大，泥沙含量大幅升高，水体多以中、底层倒灌形式从干流潜入库湾。库湾在汛期受泥沙含量较高的影响，导致水体密度增大形成异重流，且大部分出现在库湾中底层，其他月份异重流是由水体温差形成的，温差是倒灌异重流的主要成因；汛期6~8月，干支流泥沙含量升高，泥沙含量对水体密度的贡献率增大，最大为75%；其他月份水体密度主要受水温影响，水温对水体密度的贡献程度在各月均超过80%，最大贡献率为95%。     

巢湖藻华易堆积区蓝藻时空分布的研究

巢湖西半湖采样分析结果表明夏季蓝藻水华主要集聚于湖滨带。因此选择西半湖藻华易堆积的区域，并监测在风力驱使下蓝藻水华的时空分布规律，分析湖滨带浮游植物生物量与理化因子的相关性。结果表明：湖滨带水华生物量的分布容易受到风向和天气的影响；水体的叶绿素a浓度与总氮（TN）、总磷（TP）和高锰酸钾指数（CODMn）呈显著的正相关（p<001）；湖滨带水体中微囊藻（Microcystis）的生物量几乎占据水体总浮游植物生物量的95%以上，而且越靠近湖岸带微囊藻的生物量所占的比例越大。据此，可以选择湖滨带水华易聚集区作为蓝藻水华尤其是微囊藻去除的重点区域，以有效地削减蓝藻水华污染，从而为巢湖水生态系统的修复创造条件     

三峡水库小江夏初水华暴发特征及原因分析

2013年5月对三峡水库小江回水区的水华发生过程进行了连续的动态监测与分析,以期了解水华过程中浮游植物群落结构的变化情况、小江夏初水华暴发特征及其主要的影响因素。期间共鉴定出浮游植物8门80属136种(含变种),以绿藻类为主(35属48种),蓝藻类(10属31种)和硅藻类(18属30种)次之,水华发生后期浮游植物及其蓝藻类的种类数少于初期和中期。浮游植物群落组成表现为蓝藻-绿藻型,且蓝藻门微囊藻占绝对优势,细胞丰度最高可达90%以上。浮游植物数量最高达10⁷cells/L以上,表层水体大于中层和底层水体。水华过程中,总氮处于重富营养水平,总磷处于轻-中富营养水平,不同水层的流速变化规律不同,其中中层与底层水体理化因子的变化特征基本一致,与表层水体有显著差异。冗余分析结果表明,浮游植物细胞总数与蓝藻数量及其微囊藻数量密切相关,与溶解氧、氮磷比等呈正相关,与总磷、流速等呈负相关,氮磷比及流速是水华发生的主要环境影响因素。     

蓝藻水华的拦截和陷阱捕获综合控藻技术研究

基于水文气象条件对巢湖蓝藻水华分布的影响，在西北岸万年埠的迎风岸湖段设置蓝藻水华拦截围隔和蓝藻水华捕获陷阱。通过连续监测，比较围隔内外蓝藻生物量和浮游植物多样性的差异，检测水华陷阱的蓝藻捕获效率，从而对蓝藻水华拦截和陷阱处置综合控藻技术的作用进行评估。结果表明：（1）陷阱设置在西半湖万年埠湖段是科学合理的，监测表明蓝藻水华生物量受风力和水流驱使主要聚集在沿岸带区域；（2）水华拦截围隔对蓝藻水华有很好的拦截效果，在水华暴发期间蓝藻围栏可以拦截50%以上的蓝藻水华和50% 以上的Chla浓度，水华拦截区围隔内的生物多样性指数显著高于拦截围栏之外的水域；（3）陷阱对微囊藻水华的聚集捕获效果显著，在适宜气象条件下聚集效率约为2 kg/(m2·d）。这些研究结果说明该综合技术有很好的控藻效果，具有良好的应用前景     

三种水华藻类在振荡条件下的磷吸收动力学及生长预测研究

为了探讨水动力对不同水华发生和演替的影响,以3株常见水华藻类,铜绿微囊藻(蓝藻)、普通小球藻(绿藻)和汉氏冠盘藻(硅藻)为材料,研究了不同流速条件下(0,0.38m/s)3种水华藻类的磷吸收动力学行为,并根据磷吸收动力学参数对3种水华的生长进行预测。结果表明,振荡(0.38m/s)能显著降低铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和汉氏冠盘藻(Stephanodiscus hantzschii)的磷吸收速率和亲和力(p<0.05),但显著提高普通小球藻(Chlorella vulga)的磷吸收速率和亲和力(p<0.05)。根据Monod模型预测,水体扰动能不同程度的抑制铜绿微囊藻和汉氏冠盘藻的生长而促进普通小球藻的生长。3种水华藻对扰动条件的不同生理响应可能是导致河流中优势藻规律性分布与演替的原因之一。因此随着河流水体流速的减慢和磷浓度的升高,可能出现硅藻水华向蓝绿藻水华演替的风险。     

春季香溪河库湾CODMn时空分布及其影响因子初探

于2012年春季在香溪河库湾合理布置断面观测，分析水体高锰酸盐指数(CODMn)的时空分布特征，并对CODMn与水体中叶绿素a、溶解氧(DO)、水体垂向稳定系数、总氮(TN)和溶解性硅酸盐(D Si)进行相关分析，以期为香溪河流域有机污染的治理提供支持和指导。结果表明：春季香溪河库湾CODMn浓度变化范围为1.40～5.36 mg/L，4月CODMn均值明显高于3月和5月，为366 mg/L，整个春季CODMn浓度从下游至上游呈现明显增大的趋势。相关分析发现，春季水华暴发期间，CODMn与叶绿素a显著正相关(分别为072和074)，而在未暴发水华的3月二者的相关性不显著。浮游植物和水体稳定系数是影响CODMn变化的主要因素。倒灌异重流使得高含氮、低CODMn浓度的长江干流水体进入库湾下游并稀释CODMn浓度。CODMn与DO在3月和5月的弱相关关系为香溪河CODMn特殊的分布特征提供了其它合理的解释,其分布特征受多种因素的共同影响。春季库湾上游有机污染趋于恶化，限制支流特别是上游污染物的排放是改善有机污染现状的有效途径     

三峡库区及上游流域面源污染特征与防治策略

三峡水库自2003年蓄水运行以来，富营养化问题突出，面源污染防治愈发受到关注。依托2004、2005年生态环境调查成果，在分析三峡库区及其上游流域（简称三峡地区）面源污染负荷特征、面源污染发生原因的基础上，提出了区域面源污染防治策略。研究结果表明：入库污染负荷总量组成中，面源贡献占绝对优势；空间分布上，上游长江干流、嘉陵江及乌江流域贡献占绝对优势，库区区间贡献较小；形态特征上，氮对水体的影响以溶解态为主，磷对水体的影响以颗粒态为主。从面源污染发生过程来看，三峡地区生态环境脆弱、土地利用不合理为土壤侵蚀、污染物迁移转化提供了先决条件；而农村经济增长迅速、耕作管理技术落后亦增大了面源污染的风险。结合上述分析以及三峡地区实际情况，针对性地提出污染控制分区策略、工程措施治理策略、生态经济培育策略、农业耕作管理策略，旨在为三峡水库长效环境保护提供借鉴.     

基于EFDC和WASP模型的突发水污染事故影响的预测预警

近年来，我国突发水污染事故频发。长江作为我国最重要的水源地，其水质安全受到沿江众多化工企业可能突发污染事故的威胁。因此，开展南京化工园突发水污染事故影响的预测预警研究意义重大。基于EFDC和WASP模型，建立了南京化工园突发水污染事故影响的预测模型，并以龙翔甲苯罐区泄漏为例进行了事故情景模拟。研究表明：所建的预测模型能够对南京化工园突发水污染事故后污染物的水环境行为进行快速的模拟和预测，并且能够在地理信息系统的图层上以动画的形式实时展示事故影响的范围和程度，可以为南京化工园突发水污染事故的预警应急提供决策依据；基于EFDC构建的二维水动力模型能够较为准确地反映研究区的水动力情况；事故情景中排放的甲苯在研究江段能够较快地稀释扩散，挥发作用对甲苯的衰减过程影响显著，平水期比枯水期更有利于水体中甲苯的衰减     

底泥悬浮对营养盐释放和水华生长影响的模拟

通过室内模拟实验研究了扰动引起的太湖底泥悬浮对水体氮磷营养盐和蓝藻水华的影响，其中底泥和上覆水均来自太湖，扰动强度以悬浮物浓度表示。实验监测了底泥扰动过程中以及扰动停止后48 h之内水体氮磷营养盐和叶绿素a的变化，采样间隔为6 h。实验结果表明，扰动明显增加了水体中总氮、总磷、活性磷等含量，但是可溶性无机氮的增加不明显，叶绿素a含量没有出现明显的增长。水华没有出现明显增长很可能是氮限制的原因。由此推测太湖一次风浪扰动过程引起的底泥营养盐释放不一定就能够加剧蓝藻水华的暴发。底泥中释放的营养盐对蓝藻水华的影响需要进一步研究     

光照对三峡库区蓝藻垂直迁移过程的影响模拟

三峡蓄水后的支流回水区平均流速在001m/s以下，因此将其近似视为静止水体，通过构筑光照对蓝藻种群垂直迁移影响理论模型，分别以1 a和1 d为研究期限，对蓝藻种群的垂直迁移进行模拟计算。结果显示：蓝藻垂直迁移过程具有明显季节特征，每年冬季，蓝藻处于休眠期，并停留在水底；4月蓝藻开始复苏，11月处于休眠期的过渡阶段，这两个月具有微弱浮力；5和10月蓝藻开始接近水表，易发生垂直迁移；6~9月蓝藻垂直迁移速率增加，易发生水华。计算表明：6和9月蓝藻上升/下沉速率较大，易发生快速的上浮/下沉垂直迁移运动，宏观上表现为水华的急剧暴发/消退；6月易暴发水华的时间为早上8点到10点，9月易暴发水华的时间为早上10点到11点，预测结果和实测资料具有良好的一致性。
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基于BP人工神经网络和模糊理论的太湖蓝藻水华发生风险评价

目前，湖泊蓝藻水华是我国乃至世界的重大环境问题之一。蓝藻水华的暴发机制复杂，具有明显的不确定性。以太湖为例，根据近5 a水环境和水华发生的实测数据，结合BP（Back Propagation）人工神经网络和模糊理论，建立了蓝藻水华发生风险的模糊风险评价方法。对太湖9个水环境功能区的评价结果表明：西部沿岸区、梅梁湖蓝藻水华发生风险最大，为重度蓝藻水华风险区；竺山湖、五里湖次之，为中度蓝藻水华风险区；南部沿岸区、贡湖、湖心区为轻度蓝藻水华风险区，东太湖和东部沿岸区水华发生风险最小，为轻微蓝藻水华风险区。建立的评价方法和评价结果，可为蓝藻水华的预测、预警以及风险管理提供参考和依据。     

鄱阳湖水体垂向分层状况调查研究

湖泊水体混合或分层对环境和生态具有显著指示意义,能够提高对未来湖泊水环境状况的评价与管理。针对洪泛鄱阳湖水位季节性变化显著等特点,基于剖面温度和稳定氢氧同位素的调查分析来探明多因素影响下鄱阳湖水体垂向分层或混合状况。结果发现:鄱阳湖枯水期和洪水期水体垂向温差大多处于0~1.0℃,大部分水域温差小于0.5℃,但偶见洪水期部分水域会达到1.5℃的较大温差。总体表明,在季节变化尺度上,鄱阳湖具有较为稳定的等温层,没有明显温度分层特征。同位素分析结果得出,枯水期和洪水期的氢氧稳定同位素值在深度剖面上呈均一分布,表明鄱阳湖水体混合状况较好或完全混合。虽然湖区气象条件和水文条件均是影响鄱阳湖水体分层或混合的重要因素,但鄱阳湖入流和出流等水文条件是影响鄱阳湖水体垂向混合的主要因素。鄱阳湖水体混合同时对湖泊水环境因子的垂向分布特征可能产生重要的影响或控制作用。首次基于大量野外监测有针对性地开展鄱阳湖水体分层研究,结果有助于对湖泊水流结构的深入认识,可为湖区水体污染物的输移模拟与作用机制阐释等方面提供科学参考。     

小流域面源污染治理与评估模型研究进展

随着社会经济的发展,我国水体污染状况日益严重,如何有效控制水体污染已经成为环境保护工作的重点。本文介绍了面源污染小流域水体环境的影响因素,提出流域性污染治理的对策,并对小流域污染治理的国内外研究进展进行了初步的总结,如小流域地形影响、污染构成及流失规律、模型的开发与应用等,进而为我国的水体环境污染治理工作提供经验借鉴及技术参考。     

天然水体中微囊藻毒素归宿的初步研究

微囊藻毒素是有毒蓝藻释放的肝毒性代谢物,对环境和人们健康具有潜在危害,成为各国普遍关注的热点,并已列入我国地表水环境质量特定检测项目。在暴发严重蓝藻水华的滇池水环境治理工程中,对水华污染水体中微囊藻毒素的含量进行了全年监测,结果表明水样中微囊藻毒素含量的变化范围为0.17~0.82 μg/L,比水体中蓝藻生物量的藻毒素含量低了至少一个数量级。为研究水体中藻毒素的归宿,通过有关微囊藻毒素的吸附、光降解、微生物降解等一系列现场和实验室研究,结果表明光降解是滇池水体中微囊藻毒素浓度降低的主要途径,同时微生物降解、生物积累和颗粒物吸附也是水体中微囊藻毒素浓度降低的因素。探讨了蓝藻水华污染水体的藻毒素归宿途径,并提出了有待研究的问题。     

汛前供水期神农溪库湾倒灌异重流特性及其对营养盐分布的影响

为研究三峡水库神农溪库湾水动力特性及其对营养盐分布的影响,于2013年汛前供水期对神农溪库湾水文、水质及水生态进行空间定点监测与分析。结果表明:2013年汛前供水期三峡水库干流水体依次以底层、中上层和表层倒灌异重流形式潜入神农溪库湾。受干流倒灌异重流影响,库湾营养盐自下游向上游逐渐降低,干流水体对库湾营养盐具有明显补给作用。水位变化过程会影响倒灌异重流的模式和范围,可通过水库调度来解决支流库湾水华和富营养化问题。     

太湖金墅港水源地蓝藻、细菌群落结构及垂直迁移规律研究

以太湖金墅港水源地蓝藻为研究对象,通过高通量测序技术分析水体和底泥中细菌的群落组成,同时检测常规水质理化因子,分析其对蓝藻变化的影响。结果显示,金墅港水体和底泥中细菌群落主要门组成相似,随着季节的变化水体中蓝藻群落结构的变化较大,底泥中蓝藻的群落结构变化较小;蓝藻门主要的优势科是微囊藻科(Microcystaceae)和聚球藻科(Synechococcales),蓝藻爆发期主要是微囊藻;影响蓝藻群落结构变化的主要环境因子是水温、溶解氧、总氮和总磷;金墅港全年共检测到12个属的溶藻细菌,主要为假单胞菌(Pseudomonas)和黄杆菌(Flavobaeteria),溶藻菌在细菌的占比与蓝藻相反,蓝藻水华爆发时比例较低,蓝藻水华爆发前期、末期则比例较高。此外还发现随着气温升高,底泥中蓝藻的繁殖优先于水体中蓝藻的繁殖;蓝藻爆发期,水体中蓝藻比例较高时会出现向底泥中迁移富集的现象。