流域水生态系统完整性模拟方法展望

水生态系统完整性变化模拟是流域水生态退化诊断、风险预警和修复重建的基础。受到多种环境压力的叠加影响,水生态系统完整性状态具有累积性、复合性和滞后性的响应特征,难以采用常规静态实验和水质模型进行表征和预测。梳理了国内外该领域最新进展,按照水生生物、生态系统动力学、栖息地适宜性、统计经验、流域水系统耦合等5类模型,阐明了不同类型模型的基本原理、适用性和应用案例。结果表明:我国环境管理亟需水生态系统完整性模拟工具支撑,应围绕该领域开展重大科学基础研究,突破河湖水生生物模拟预测和多尺度耦合关键技术,加快构建具有自主知识产权的水生态系统完整性模型库和参数库,推动建设我国流域水生态系统模拟器大科学装置,支撑构建长江、黄河等重点河流水生态系统综合管理体系。     

达里诺尔湖溶解性有机质荧光特征与人工神经网络非线性响应研究

研究湖泊水体DOM（溶解性有机质）特征及其与复合环境要素的响应关系,对水生态系统保护及生物地球化学循环研究具有重要意义.以内蒙古达里诺尔湖（简称“达里湖”）为研究区,利用紫外-可见光谱技术（UV-vis）和人工神经网络模型（ANN）方法,开展达里湖水体DOM特征识别及其水质响应关系的研究.结果表明:①达里湖水环境污染程度较为严重,水体呈富营养化趋势.DOM吸收系数〔α（355）〕表明,夏季湖体DOM浓度较高.②建立了α（355）与达里湖水体ρ（TN）、ρ（TP）、pH和ρ（Chla）的人工神经网络模型,该模型验证期和测试期决定系数（R2）分别为0.78和0.84,该模型具有较好的DOM模拟和预测能力.③人工神经网络模型参数敏感性分析结果表明,α（355）对ρ（Chla）变化最敏感,敏感性水平为31.95%;其次为pH和ρ（TN）,α（355）对二者变化的敏感性水平分别为28.53%和25.54%;α（355）对ρ（TP）变化敏感性最低,敏感性水平为8.16%.研究显示,达里湖DOM对富营养化的发生具有较显著的表征影响,人工神经网络模型可为富营养化预测提供科学参考.      

支持向量机在太湖叶绿素a非线性反演中的应用

根据湖泊监测的特点,采用支持向量机(SVM)方法,反演太湖叶绿素a的浓度分布.将2005年8月太湖29个现场水质监测点数据分为训练测试样本集和验证样本集,利用训练测试样本集以及与其时间同步的MODIS遥感影像,分别构建了4种SVM模型.对比分析表明,直接以波段反射率以及水深信息构成输入向量的SVM模型预测效果最好.利用训练测试样本构建了线性回归模型、主成分分析模型(PCA)以及神经网络模型(ANN),并利用验证数据比较了上述3种模型与SVM模型的预测结果.结果表明ANN模型和SVM模型预测能力明显优于另外2种模型,其中SVM模型对低值和高值均有较好的预测精度,平均相对误差仅为15.91%,预测精度比ANN模型提高了10%.利用SVM模型和ANN模型分别反演了2005年8月15日太湖叶绿素a浓度分布,比较了2种模型反演结果的异同,分析了太湖叶绿素a分布特征及其成因.     

生态模型在水体富营养化研究领域的应用进展

生态模型在水体富营养化研究领域的应用拥有巨大潜力,为帮助初学者尽快掌握近年来生态模型在水体富营养化领域的研究成果,运用CiteSpace梳理了2008-2018年生态模型在水体富营养化领域的应用进展,以期为生态模型在水环境领域的广泛应用提供参考.以WoS（Web of Science）核心库收录1 523篇文献和CNKI（中国知网）数据库收录的3 779篇文献为样本数据源,通过可视化分析软件CiteSpace进行相应的数据挖掘和计量分析,提炼出生态模型在水体富营养化领域应用进展、前沿热点、演化路径和未来趋势.采用文献调研、分类梳理的方法,系统地分析和总结了EFDC系列模型、CE-QUAL-W2模型、DYRESM-CAEDYM模型、AQUATOX模型、Vollenweider（VOL）模型、PCLake模型、MIKE系列模型、WASP模型在水体富营养化领域应用现状、局限性、不确定性来源及注意事项.结果表明:2008-2018年国外研究应用热点主要涉及富营养化、营养盐循环对水生态系统的影响、气候变化及富营养化水体的管理等领域;国内热点研究则主要集中在水体富营养化问题相关领域应用.研究显示,新型试验数据的采集与获取（遥感数据、高频传感器）、大数据、数据-模型耦合及数据同化、生态建模之间耦合等应用是未来发展趋势.      

基于航班运行规律的典型机场NOx浓度临近预测方法研究

针对天津机场区域考虑航班运行影响,应用广义加性模型（Generalized Additive Model,GAM）建立污染物浓度预测模型,对因子间的共线性问题和交互作用进行改进,得到最优的NO_x浓度预测模型.选取天津机场区域2019年11月—2020年3月环境、气象及航班数据,建立改进的GAM.结果显示：（1）改进的GAM预测效果优,可以更加准确地预测浓度峰值及变化趋势;（2）样本量会影响模型选择的因子数量及模型性能;（3）改进模型adj-R²为0.940,实测和预测NO_x浓度的相关系数为0.975,预测效果好;（4）航班活动对机场区域污染物浓度影响较大.改进的GAM考虑污染物浓度与影响因子之间的复杂非线性关系及影响因子之间交互作用对污染物浓度变化的影响,使模型精度进一步提升. GAM对污染物浓度的准确预测可为机场区域污染防治提供依据.     

洞庭湖水生态风险防控技术体系研究

为保障洞庭湖水生态系统健康安全,急需回答洞庭湖水生态风险和富营养化演变与流域人类活动及不同水文节律驱动间的响应机制这一科学问题,解决确定洞庭湖适宜生态水位和防治富营养化两个技术难点.本研究拟运用数理统计法、遥感定量反演和定量解译法及层次分析法等方法,确定洞庭湖水生态风险的内涵,提出洞庭湖水生态风险防控技术路线,开展水情驱动条件下洞庭湖生态效应定量评估技术集成与适宜生态水位、水环境演变与藻类水华风险控制技术集成、水生态风险及其防控集成技术构建和水体富营养化防治技术集成与示范等四个方面的研究,建立洞庭湖水生态风险防控技术体系,支撑洞庭湖流域可持续发展.     

洱海富营养化治理科技成果寄语

国家水体污染控制与治理科技重大专项（以下简称水专项）是为实现中国经济社会又好又快发展,调整经济结构,转变经济增长方式,缓解我国能源、资源和环境的瓶颈制约,根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》设立的16个重大科技专项之一,旨在为中国水体污染控制与治理提供强有力的科技支撑。水专项从理论创新、科技创新、体制创新、机制创新和集成创新出发,立足我国水污染控制和治理关键科技问题的解决与突破,集中力量解决主要矛盾,选择典型流域开展水污染控制与水环境保护综合示范。洱海是我国云南省第二大淡水湖泊,流域面积2 565 km2,是大理人民的母亲湖。目前洱海存在的主要问题包括:水质向富营养型发展;来自北部的农田面源和养殖污染形势严峻,北部入湖河流是其主要污染来源;水生态退化问题突出,水生植被大面积消失,藻类生物量显著增加,土著鱼类濒危或消失,外来鱼类资源增长;湖滨带及缓冲区生态系统脆弱等问题凸显。而控制北部农田面源和养殖污染、修复脆弱的湖滨带及缓冲区生态系统、防治水生态退化等是洱海富营养化治理的技术瓶颈。洱海属于富营养化初期湖泊,处于敏感转型期,是保护和治理的最佳时期。水专项以洱海作为我国富营养化初期湖泊的典型代表,通过实施以污染源头控制和污染物入湖过程控制的两重控源技术,以湖滨带生物多样性与稳定性恢复、湖泊防退化以及典型湖湾生态修复技术等构建综合治理技术路线,目的是使洱海综合示范区污染物排放量削减20％以上,使北部示范区水质保持Ⅲ类,使湖滨带及其缓冲区两重陆上污染阻断功能得到强化,示范区生态功能退化趋势得到初步遏制。中国环境科学研究院承担了水专项洱海项目湖泊水生态内负荷变化研究与防退化技术及工程示范课题,从湖泊4种初级生产力的变化、平衡与相互作用出发,针对洱海水生态退化和内负荷持续增加的问题,诠释了洱海作为富营养化初期湖泊的水环境特征,从历史变化的角度剖析了其生态系统的演变趋势,定量评价了沉水植被退化现状,估算了藻源性内负荷,研发了沉水植被防退化技术,编制了水生态防退化方案,开展了水生态防退化综合示范,对推动洱海实现由水质管理向水生态综合管理的理念转变,以及为洱海水污染防治与富营养化治理提供了技术支撑。党的十八大报告提出了我国建设生态文明的新目标,大理州政府提出了转变发展方式、以流域生态文明建设为标志的洱海富营养化防治计划。“十二五”期间,洱海的保护和治理应坚持以“让湖泊休养生息、建设绿色流域、生态文明流域”为准则,整体考虑湖泊水体、湖滨带与缓冲区,以流域空间格局优化和产业结构调整为抓手,采取综合措施加以整治。期望课题组在湖泊水污染治理理论和生态修复方面能收获更多更好的研究成果。      

香溪河流域水生态系统健康评价

随着人们环境保护意识的增强,河湖生态保护与修复成为社会关注的热点问题,科学的生态健康诊断则是有效进行河湖治理的前提.香溪河作为三峡水库典型支流,探究其水生态系统健康对于长江生态保护具有十分重要的意义.通过收集整理香溪河干支流的生物与生境数据,构建了涵盖水环境、水生生物、物理栖息地三方面共16项指标的水生态系统健康评价指标体系,综合运用专家判断法和熵权法确定评价因子权重,采用河流健康指数（RHI）表征香溪河流域水生态系统健康状况.结果表明:①2017年三峡水库蓄水期香溪河流域水生态系统整体健康水平为良好,优和良等级占比分别为12.5%和79.2%.②健康状况呈现出支流优于干流、非回水区优于回水区的空间分布特点,具体表现为支流南阳河>支流古夫河>支流高岚河>香溪河干流.干流水环境问题相对突出,而支流的河流连通性相对较差.③库湾健康状况的年内变化特征为冬季最好,春秋季次之,夏季最差.研究显示,该评价体系能准确地评估香溪河流域水生态健康状况,同时需重视三峡水库支流库湾的水环境治理.      

基于AQUATOX的城市景观湖泊的水环境模拟与控制

城市浅水景观湖泊因其在水循环系统中的特殊性和其景观功能容易产生富营养化污染。针对位于成都市的某小型景观水体,混合了点源污染和非点源污染多种污染源,可持续生态维护难度较大,探索了利用水生态系统模型AQUATOX来模拟和预测该景观水体的水环境状态。根据为期1年的水质参数监测数据,分析不同来源污染负荷对水体营养物质含量的影响。利用实测数据拟合模型结果,分析模型运行的敏感参数,对相关参数进行率定,以增加模型对该水体水生态演变预测的准确性。使用高度拟合模型对水体富营养化关键决定参数TP、TN以及NH₃-N对该浅水景观湖泊水质的影响,利用SWMM模型模拟LID措施对入湖雨水污染负荷的削减效果,LID措施后TP和TN的雨水径流污染负荷分别减少59.34%和58.39%,NH₃-N的负荷降低21.94%,对降低面源污染效果负荷良好。水体中TP、TN和NH₃-N含量的平均削减效果分别为38.57%、42.2%和58.31%,可为景观水体富营养化生态修复提供理论指导。     

我国水生态系统完整性研究的重大意义、现状、挑战与主要任务

水生态系统完整性研究是当今国际热点,维护水生态系统健康与稳定已成为世界各国水生态系统保护的目标、方向和管理策略. “十三五”以来,我国地表水环境质量改善效果显著,但部分流域或局部水生态退化问题成为突出短板,强调水生态系统整体保护、促进水生态环境质量全面改善、提高生态系统自我修复能力将是未来我国水生态环境保护的重点任务. 本文详细剖析了典型流域水生态系统保护现状和需求,阐述了我国开展水生态系统完整性研究的重大意义,系统总结了完整性研究国际进展和应用实践,深入分析了当前我国完整性研究面临的主要挑战,提出了未来发展思路与重点任务. 加快研发完整性监测与评价新技术,建立物理、化学和水生生物多要素统筹的完整性评价指标体系,创新发展多尺度完整性评价理论,持续开展典型流域完整性状况评估,摸清水生态家底及演变趋势;突破完整性退化诊断与修复调控新技术,厘清退化机制及驱动因子,阐明气候变化与人类活动复杂压力下退化水生态系统修复路径和调控策略,提升水生态系统保护修复的科学性,加快推动我国水生态环境管理制度迈上新台阶,为恢复和维持重点流域水生态系统原真性和完整性提供科技支撑.      

大纵湖水环境污染分析及防治对策研究

大纵湖是江苏省里下河地区的重要湖泊之一,该文介绍了大纵湖自然概况,分析了大纵湖污染现状,如对水环境状况,出、入湖河流水质状况,底泥污染状况以及污染源状况进行了分析,并剖析了大纵湖水环境和污染源特征。针对存在的氮磷超标导致湖体富营养化、生态退化以及入境客水污染等主要环境问题,提出了控制污染物排放总量、修复湖泊生态、治理客水和强化水质监控等措施,为有效地改善大纵湖水环境质量,遏制湖泊富营养化趋势提供科学支撑。     

北京地区再生水补给型河湖水质改善工程案例分析与问题诊断

由于北京地区水资源严重紧缺,再生水作为补给城市河湖景观水体的重要水源,用量逐年加大,随之带来的水环境问题也引起关注,往往需要采用适宜的技术和工程改善水质.通过对北京城市部分再生水补给型河湖现有水质改善工程的调研,分析与评估北京市再生水补给城市河湖景观水体生态修复技术工程建设与运行效果,并与国内外河流、湖泊生态修复经典案例进行了对比分析.结果表明,修复工程受运行时间、季节及后续维护的影响,其运行效果不稳定且逐渐下降.受汛期降水充沛及水量人为调控影响,城市河湖6—9月水质较好;水质恶化时ρ(COD_Cr)为40～50 mg/L,ρ(NH₃-N)为2～5 mg/L,ρ(TN)为10～15 mg/L,ρ(TP)为0.4～1.0 mg/L.水力流动循环、循环过滤、化学除藻和生物调控等单项及相应组合技术是当前北京市再生水补给型河湖水质改善的主要手段.对于水质要求较高的再生水补给型河湖,可以考虑辅膜生物反应器或生物滤池等旁路生化组合工艺.与国外的整流域近自然水生态系统修复相比,我国河湖水生态修复更注重区域水质的改善,以控制水体富营养化为主;对流域生态系统修复的整体性与长效性关注不够,缺乏与园林景观的融合.为更好地发挥河湖水体生态修复工程效果,未来应在政策法规、协调管理及投融资机制等方面加大投入力度.      

洞庭湖近30年水环境演变态势及影响因素研究

水量、泥沙和污染物交换作为河流与湖泊之间的关键过程,对湖泊生态环境演变具有复杂而深远的影响.以长江中游典型通江湖泊洞庭湖为研究对象,着眼于“江湖”“河湖”“人湖”三重作用关系变化,从水文情势、水质、富营养化3个层面剖析了近30年洞庭湖水环境演变态势及主控因素.结果表明:①“江湖”关系变化影响了洞庭湖水沙交换及其年内分配,是湖泊枯水期提前和延长、水沙关系突变等现象的主控因素;“河湖”“人湖”关系变化协同加剧了该现象.②“河湖”关系的失衡和“河湖”统筹管理措施缺位,造成入湖河流长期输送大量营养物质,是湖体氮磷污染较重的根源;“江湖”“人湖”关系变化协同影响着营养盐分布格局,但影响范围及程度有限.③在“江湖”“河湖”作用关系复合影响下,藻类生长条件更为有利,增加了洞庭湖富营养化及水华风险.为保障洞庭湖水环境安全,建议:针对“江湖”作用主导的低枯水位问题,以水资源调控为核心,推进长江与流域上游水库联合生态调度,保障湖泊生态流量;针对“河湖”作用主导的水质恶化问题,以水污染防治为核心,强化流域污染控制,统筹“河湖”一体化监测管理模式,保障湖泊水环境质量;对于“人湖”作用主导的生态破坏问题,以生态空间管控为核心,划定并坚守生态红线,保障生态空间.      

制定湖泊营养物基准的技术方法研究进展

湖泊营养物基准是指用可信的科学数据表示水中营养物的允许浓度和生态指标的阈值,是制定富营养化标准、评价湖泊状态依据。文章分析了国外制定湖泊营养物基准的方法:参照状态法、输入-响应模型法和机理推断法,并概述了目前湖泊富营养化预测模型。通过分析对比,提出了适合我国湖泊营养物基准制定的技术方法及思路。     

Control concept and countermeasures for shallow lakes'eutrophication in China

Research on lake eutrophication in China began in the early 1970s, and many lakes in China are now known to be in meso-eutrophic status. Lake eutrophication has been showing a rapidly increasing trend since 2000. Investigations show that the main reasons for lake eutrophication include a fragile lake background environment, excessive nutrient loading into lakes, excessive human activities, ecological degeneration, weak environmental protection awareness, and lax lake management. Major mechanisms resulting from lake eutrophication include nutrient recycling imbalance, major changes in water chemistry (pH, oxygen, and carbon), lake ecosystem imbalance, and algal prevalence in lakes. Some concepts for controlling eutrophication should be persistently proposed, including lake catchment control, combination of pollutant source control with ecological restoration, protection of three important aspects (terrestrial ecology, lake coast zone, and submerged plant), and combination of lake management with regulation. Measures to control lake eutrophication should include pollution source control (i.e., optimize industrial structural adjustments in the lake catchment, reduce nitrogen and phosphorus emission amounts, and control endogenous pollution) and lake ecological restoration (i.e. establish a zone-lake buffer region and lakeside zone, protect regional vegetation, utilize hydrophytes in renovation technology); countermeasures for lake management should include implementing water quality management, identifying environmental and lake water goals, legislating and formulating laws and regulations to protect lakes, strengthening publicity and the education of people, increasing public awareness through participation in systems and mechanic innovations, establishing lake region management institutions, and ensuring implementation of governance and management measures.     

鄱阳湖入湖河流氮磷水质控制限值研究

鄱阳湖近年氮磷营养物浓度逐步升高,入湖河流是鄱阳湖氮磷输入的重要途径.采用BATHTUB模型建立了鄱阳湖入湖河流与湖区ρ（TP）、ρ（TN）的响应关系,模拟了入湖河流执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中不同氮磷标准限值对湖区水质的影响,发现当入湖河流ρ（TP）执行河流Ⅲ类标准限值或超过Ⅲ类标准限值时,对应湖区ρ（TP）超标;入湖河流执行Ⅲ类及以上湖泊水质标准限值时,湖区水质可以达到Ⅲ类保护目标,但对入湖河流存在一定的过保护现象.因此,以满足现行湖泊水质达标为情景,以湖泊ρ（TP）、ρ（TN）各类别标准限值为目标,试算了入湖河流氮磷控制限值,提出了鄱阳湖入湖河流的氮磷控制限值建议方案,其中鄱阳湖湖体水质目标为Ⅲ类时,入湖河流ρ（TP）、ρ（TN）控制限值分别为0.075和1.20 mg/L,此时入湖河流氮磷控制限值方案既能保证湖泊水质达标,又不会造成对河流的水质控制过于严格.研究显示,基于湖泊水环境质量达标情况试算的入湖河流氮磷所需控制限值,建议可作为解决入湖氮磷污染控制问题的参考.      

SVM与ANN在湖泊富营养化评价中的对比研究

支持向量机是由Vapnik等提出的建立在统计学习理论基础上的一种新的机器学习方法,由于其使用结构风险最小化原则代替经验风险最小化原则,又由于其应用了核函数思想,它可以较好地解决非线性问题;人工神经网络(ANN)已经较成功解决模式识别和任意非线性函数回归问题,但是存在训练样本不足,并可能出现过拟合现象。SVM的结构风险最小化算法引起了科学界的关注,对传统基于经验风险最小化的神经网络算法提出了挑战,文章介绍了SVM和ANN的基本原理,并对二者在巢湖富营养化水平评价上做对比研究,结果表明,ANN比较容易陷入局部最优,支持向量机评价结果更加符合实际。     

徐州市水环境治理技术的应用与分析

以徐州市云龙湖、奎河、九里湖三个不同区域的水环境生态治理为例,对治理过程中采用的植被缓冲带、人工湿地、水下森林等生态措施的构建形式,植被种类选择,水体净化原理、功能及其应用效果与适用性等进行了总结分析和探讨研究,以期为城市河流湖泊的水环境治理提供借鉴.     

骆马湖生态建设

骆马湖为一浅水湖泊，具有典型的过水性特征，其已经处于中一富营养化阶段。通过对骆马湖富营养化发生机制的研究，发现入湖河道携入大量营养物质入湖和水生植物的破坏是骆马湖富营养化进程加快的主要原因。并提出对骆马湖建立自然保护区、建设入湖口人工湿地和建设骆马湖生态湖滨等生态建设的建议。通过生态渔业和生态旅游实现骆马湖的可持续开发。