城市大型水库水华发生预警及管理模型研究

以一座典型的供水防洪城市大型水库为研究对象,采用决策树方法,构建其水华发生预警及管理模型。结果显示,该水库水体叶绿素浓度水平受多重因素的影响,其中,总磷、氮磷比及调水量对水库水体叶绿素水平的影响最大,其次为水温和溶解氧。叶绿素浓度与氮磷比值之间存在显著的正相关关系(R~2=0.25)。水库水体的TN∶TP多年平均值为25∶1,该水库为磷限制。决策树分析结果表明,该水库水华暴发的重要因素为来水量、氮磷比和总磷浓度。防止研究区水华暴发的最有效措施是提高水库的来水量,当每月来水量高于7 776万m~3时,就能在一定程度上避免该水库暴发水华灾害。此外,该水库水华暴发时氮磷比一般高于30,通过控制水体总磷的浓度和氮磷比,可降低该水库水华暴发的风险。     

基于多重优化灰色模型的三峡库区香溪河支流回水区水华变化趋势预测研究

三峡水库蓄水后,支流香溪河夏季水体富营养化严重,水华现象暴发频繁,水质污染严重.为预知香溪河库湾水华暴发程度与分布区域,以叶绿素-a为指标,引入灰色伯努利模型,并运用参数优化、含参马尔科夫误差修正、子序列独立优化等多重优化理论对模型进行改进,验证模型的优化效果.同时,利用该优化模型对2015年夏季香溪河近10个点位的叶绿素-a平均浓度变化趋势进行短期预测,结果表明,预测值与实际值相差较小,该模型能够基本反映香溪河近几年的水华变化趋势,目前香溪河库湾XX06~XX08和XX02点位区域分别为水华暴发高危区和局部次高危区,叶绿素-a浓度远高于水华阈值,有较高的水华暴发风险.与传统灰色预测相比,该预测方法的精确度和对波动序列的适应性更好.     

基于Mann-Kendall法的湖泊稳态转换突变分析

采用变化趋势与倾向率、Mann-Kendall趋势检验法和突变点分析法对1981~2008年间太湖湖泊稳态转换关键因子总氮(TN)、总磷(TP)和叶绿素a(Chla)进行突变识别,结果表明,(1)TN、TP和Chla分别在0.05、0.10和0.05水平上呈显著增加趋势;(2)TN浓度在1990~1991年间和1994~1995年间发生了两次突变;TP浓度突变点发生在1987~1988年;Chla浓度历史变化存在三个阶段,1981~1989年为第一阶段,尚未产生突变阶段,第二阶段为1990~1996年,突变过渡阶段,第三阶段为1997~2008年,属于突变后的状态;(3)综合TN、TP和Chla浓度历史变化存在不同阶段,结合各因子的历史变化序列,太湖湖泊稳态转换突变点为1988年和1997年,并把太湖划分为三个阶段,第一阶段为1981~1987年, TP浓度为0.025mg/L,属于草藻共存,接近于清水稳态阶段;第二阶段为1988~1996年, TP浓度为0.086mg/L,属于藻草共存阶段;第三阶段为1997到2008年, TP浓度为0.103mg/L,属于藻型浊水稳态.研究结果表明Mann-Kendall法在湖泊稳态转换突变分析中具有一定的适用性.     

于桥水库浮游藻类时空分布规律的数值模拟研究

于桥水库作为天津市重要的饮用水水源地,为改善水库环境、防治水华爆发,有必要研究其浮游藻类时空分布规律.本研究的主要方法是引入可以反映影响藻类生长的多个复杂非线性因子的综合参数——藻类综合生长系数,用于表征其生长变化趋势,该综合参数作为参变量添加到动力迁移模型中的对流—扩散传导方程中求解,实现生长模型与动力迁移模型的耦合,得到的耦合模型即可达到对藻类的生长规律和动力迁移作用同时兼顾的效果.应用耦合模型对于桥水库库区藻类进行模拟预测,模拟输出的时空分布图能够直观清晰地显示库区藻类浓度偏高时期和易富集区域,模拟值与实测值的平均误差为15.4%,在可以接受范围之内.模拟结果表明该模型可用于探索藻类的生长、富集和迁移规律,并为水库防治水华采取相应措施提供科学依据.     

三峡水库支流大宁河冬、春季水华调查研究

以三峡水库主要支流--大宁河冬、春季2次不同类型水华的调查数据为依据,分析并比较了不同水华期间水质的变化、营养盐的构成及水华的特征.结果表明,大宁河冬季水华以唐家湾为中心,叶绿素a(Chl-a)含量较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=260];随着藻类的生长总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数出现富集而含量升高,溶解氧(DO)和pH却出现低值;水华高峰期水体藻类较少,共发现2门4种,水华优势种为铜绿微囊藻和水华微囊藻,藻密度高达3.15×10~7个/L,相关加权综合营养状态指数为80,属于重度富营养化水体.而春季水华属于自回水段以下整体性暴发,Chl-a含量也较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=140];TN、TP和高锰酸盐指数均是随着水华的发生逐渐升高;水华高峰期藻类种群丰富,共发现5门44种,各断面水华优势种和藻密度均不同,相关加权综合营养状态指数显示东坪坝和白水河为轻度富营养化水体.相关性分析表明,冬季水华期间Chl-a与TN、TP、高锰酸盐指数、水温呈显著正相关,与DO、透明度(SD)呈显著负相关;春季水华Chl-a与TP、高锰酸盐指数、DO、pH呈显著正相关,与SD呈显著负相关.冬季水华pH与SD呈显著正相关,与TN、TP、高锰酸盐指数呈显著负相关;而春季水华pH与Chl-a、TP、高锰酸盐指数、DO、气温呈显著正相关,与SD呈显著负相关.     

山仔水库富营养化与水华爆发的水文因素分析

文章通过水质主要指标的时空变化及其与水库流量、水位、水滞留时间等关系,研究水动力条件对山仔水库富营养化的影响。研究表明,由于山仔水库蓄水时清库不彻底,总氮、总磷浓度较高,从1997年开始呈现下降趋势,2001年后又有所回升;水库水滞留时间大于2周的年份,相对年均水位低,水库水华爆发的几率大;水库的进口、支流入口的总磷、COD、藻类数量和叶绿素a相对较高;山仔水库与下游塘坂水库因其水库形态、库容、水力交换能力的差异,藻类数量和叶绿素a含量也存在明显的差异,说明了山仔水库水华的发生与水文因素关系密切。     

水华过程水质参数与浮游植物定量关系的研究——以太湖梅梁湾为例

考虑到太湖水华暴发过程中水质参数（如营养盐或水体理化参数）对浮游植物增殖的滞后效应,利用有滞后变量参与的格兰杰因果关系检验和向量自回归模型,分析了太湖梅梁湾湖区2000年~2012年的监测数据,探讨了湖泊水质参数对于水华暴发的影响和定量关系.结果发现,表征浮游植物生物量的叶绿素a（Chl-a）浓度与总磷（TP）、氮磷比（N/P）、水温（WT）之间存在长期的均衡关系,格兰杰因果关系模型和向量自回归模型（VAR）的结果显示,水体中TP浓度、N/P和WT是Chl-a含量变化的格兰杰原因,上述结果提供了湖泊水质参数与蓝藻生物量的定量关系,在其他水质参数保持不变的情况下,约1%湖泊TP含量、N/P和水温的变化分别造成0.97%、0.078%和0.55%的浮游植物生物量的变化.本研究为水华暴发研究过程中水质参数的定量化影响提供一个新颖的视角,考虑了时间滞后变量的时间序列分析方法也可以加深对水华暴发过程的理解.     

基于复杂网络的城市湖库藻类水华形成识别研究

在对城市湖库藻类水华形成机理深入研究的基础上,将提取的影响水华暴发的关键因子总磷(TP)、总氮(TN)、温度(T)、pH值、溶解氧(DO)、光照(I)、叶绿素a浓度(chl_a)作为网络节点,将影响因素间的关系抽象成网络的边,构建了藻类水华形成的有向网络模型.同时,计算了复杂网络的统计特征参数,构建了节点的关键度模型,并进行修正,进而构建了水华形成的复杂网络统计特征参数模型G,对其进行半定量分级,从而实现对水华暴发的有效识别,最后采用北京城市河湖水质的实验数据对模型进行了验证.结果表明,复杂网络统计特征参数G与叶绿素a浓度有显著的相关性,能够较好地表征水华形成过程.     

湖北枝江市石子岭水库蓝藻水华研究

2009年8月21日对枝江市作为饮用水源的石子岭水库浮游植物和水体营养盐状况进行了调查.结果表明,该水库已经发生了微囊藻水华;浮游植物群落结构定量分析和多样性指数计算表明石子岭水库明显富营养化,惠氏微囊藻是是群落中绝对优势种.同时浮游植物生态位测度值表明微囊藻等蓝藻在时下的生态因子作用下将呈现逐渐衰退,而绿藻种群扩张,水库中浮游植物明显呈现由蓝藻优势向绿藻优势群落演替趋势.测定叶绿素荧光参数,以了解微囊藻水华的生长状态,比较研究中午强光下和经过24 h暗恢复及与室内培养的惠氏微囊藻三者的差异,表明夏末秋初阶段水库中微囊藻受到了一定的光照胁迫.水库中营养盐分析表明过高的总氮、总磷浓度和适宜的N/P比可能是水华暴发的主要原因,同时也是导致石子岭水库浮游植物呈现特定的群落结构特征的关键因素.     

新立城水库藻类水华环境因子分析及其预警监测

调查研究表明长春市新立城水库发生小范围藻类水华期间浮游植物藻类群落结构变化不明显,种群丰度增加。对监测数据进行了分析并与该地区非水华期间的监测数据相比较;同时对水质进行了环境因子相关性及对藻类水华的影响分析。结果显示溶解氧和温度是影响水库叶绿素a值变化的主要环境因子,且可以作为北方湖泊藻类水华预警的主要监测指标。     

大宁河水生态系统健康评价

随着人口增长及社会经济的发展,河流水生态系统健康受到严重威胁.为了解大宁河水生态系统健康状况,选取大宁河2011-2015年水体水质[水温、pH、SD（透明度）、ρ（DO）、ρ（COD_Mn）、ρ（TN）、ρ（TP）]与水生态[藻密度、ρ（Chla）]9个主要指标,构建了大宁河水生态系统健康评价指标体系,运用基于熵值法的综合健康指数法对其水体生态系统健康状况进行综合评价.结果表明,2011-2015年,大宁河水生态系统健康状况整体呈亚健康状态,有50.89%的监测样本处于亚健康状态,枯水期健康状态好于丰水期.大宁河各监测断面CHI（综合健康指数）值的季节变化特征为丰水期低于枯水期;年际变化特征为从2011-2015年CHI值呈先升后降的变化趋势,健康状态呈先转好后转差的变化趋势,大宁河水体富营养化趋势明显;空间变化特征为丰水期和枯水期CHI最低值主要位于中下游的白水河、龙门和菜子坝断面,河流水质与人类活动强度密切相关.研究显示,影响大宁河水生态系统健康的关键因子为营养盐指标[ρ（TN）、ρ（TP）]和有机物指标[ρ（COD_Mn）].      

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.      

四川升钟水库水体富营养化评价

针对四川升钟水库生态安全问题进行了研究讨论,采用该水库2006年具有代表性监测点的监测数据与1987年、2006年、2007年监测数据平均值进行分析,选择总氮（1N）、总磷（11P）、叶绿紊a（CMa）、化学需氧量（CODMn）等4项指标作为评价参数对水库富营养化现状进行了评价。1987年升钟水库水体为中营养,2006年、2007年水体为中富营养,20余年以来水库水质下降,同时提出防治升钟水库水体富营养的措施。     

蠡湖水环境综合整治工程实施前后水质及水生态差异

为探讨水环境综合治理工程措施对蠡湖水生态环境的改善效果,对工程实施前后蠡湖水生态环境的变化及趋势进行了分析. 结果表明,水环境综合治理工程实施后,蠡湖水质明显好转,水体中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(COD_Mn)和ρ(Chla)年均值显著下降(P<0.01),ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)分别由综合治理前 (1992—2002年平均值) 的5.77、0.19 mg/L和59.90 μg/L降至综合治理后的3.13、0.13 mg/L和27.12 μg/L,ρ(COD_Mn)则由7.09 mg/L降至5.00 mg/L以下;表层沉积物中w(OM)、w(TN)和w(TP)分别由2001年的40.40、1.19、2.61 g/kg降至2012年的19.60、1.16、0.59 g/kg;2012年生态修复工程区内初步形成了一个水生植物较为完整的生态系统. 综合整治后,水质改善效果明显,但部分水体感观指标〔如ρ(TSS)、SD(透明度)〕改善效果不明显,底栖动物优势种群仍为耐污种,生态系统完全恢复还需时日. 因此,有必要进一步开展以提高透明度、恢复沉水植物为核心的生态优化调控,促进蠡湖由藻型浊水稳态向草型清水稳态转变.      

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.      

典型云南高原湖泊叶绿素a与影响因子的定量关系及对比分析

湖泊富营养化的影响因子涉及水文、物化、生物等多方面,具有复合性和非线性特征,定量化其与影响因素间的相关关系有助于识别影响湖泊营养状态的关键因子,可以用较低的成本、较短的时间达到理想的控制效果.云南高原湖泊具有易发生富营养化的自然和气候特征,对其富营养化发生条件及影响因子的分析可为科学的控制决策提供参考.本文选取云南滇池、程海、抚仙湖和异龙湖4个高原湖泊,比较湖泊自然特征与流域社会经济条件的异同;构建包括绝对主成分多元线性回归分析(APCS-MLR)、结构方程模型(SEM)及人工神经网络模型(ANN)的综合分析方法,重点关注并确定浮游初级生产力的代表指标(叶绿素a,Chla)与相关影响因子间的定量相关关系.研究发现:14个湖泊中,对Chla浓度变化影响最大的均为理化因子,但在各湖中该影响的正、负性及不同理化因子的贡献权重有较大差异;2流域污染源构成的不同在一定程度上影响了入湖的氮、磷负荷,使4个湖泊表现出不同的营养盐限制性特征;3流域面积、湖泊形态及湖体水动力条件影响着营养盐在湖体中的迁移转换,造成4个湖泊富营养化的差异性特征;4对Chla与影响因子间因果关联的识别须结合深入的机理过程分析.     

泥沙沉降对水库富营养化指标的影响

为监测成库后三峡库区重庆段富营养化的状况,通过泥沙沉降对水质影响静态模拟试验,研究了长江原水的泥沙沉降对水体中Chla、SD、TP、TN、浊度等指标的影响.结果表明,三峡成库后泥沙更易沉降,引起水体浊度降低、SD增大,这可能利于藻类的生长,导致Chla的质量浓度增加,同时,泥沙沉降也使水体的TN/TP增大,对富营养化的发生有抑制作用.     

珊溪库区富营养化灰色聚类评价及防治对策

参照湖泊富营养化评价标准,选取高锰酸盐指数、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chla)、透明度(SD)5个评价指标为聚类指标,采用灰色聚类法对珊溪(赵山渡)水库6个监测点的2011年3-8月监测数据进行富营养化评价。结果表明:黄坦坑为5级富营养,主要受畜禽养殖废水影响,其余交溪口、百丈口、珊溪大坝、支坑和赵山渡5个监测点为4级中富营养,出现了富营养化趋势。6个监测点富营养化程度由重到轻的顺序为:黄坦坑>交溪口>百丈口>珊溪大坝>支坑>赵山渡。在对评价结果的分析探讨基础上,提出了水质改善及富营养化防治对策。