SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势

模型是研究水环境变化、进行水环境管理的重要工具.SPARROW（spatially referenced regressions on watershed attributes）是一个基于质量平衡方法将监测数据与流域特征和污染物来源信息相关联的非线性流域回归模型,具有数据需求量少、结构透明、普适性强等优点.为深刻理解SPARROW模型在水环境管理中的应用现状及未来发展趋势,笔者对SPARROW模型的原理以及其在营养物背景浓度模拟、水质评价、水质目标管理、气候变化对水环境影响等方面应用的国内外研究现状进行了系统梳理.结果表明:①通过选择合适的参考点,SPARROW模型可以有效模拟流域背景营养物通量和浓度,为流域水质标准的制定提供参照依据.②SPARROW模型可将营养物监测获得的数据信息外推至未监测区域,在水质监测数据数量有限的情况下进行水质评价.③SPARROW模型可模拟不同土地使用条件、资源管理等情境下河流营养物负荷,为水质的管理与决策提供支撑.④气候变化情景下,基于SPARROW模型进行气候变化对水环境影响的研究可以支撑水环境管理方案的制定,以应对未来气候变化导致的营养物输出增加.针对SPARROW模型目前在应用中存在的问题进行了分析与讨论,建议未来在应用SPARROW模型时,加强以下几个方面的研究:①进一步开发高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、氨氮等相关模块;②将SPARROW模型与机器学习模型相结合,提高量化模型参数的能力,使模型更好地应用于不同尺度、不同流域的水质相关研究.      

1996-2015年大伙房水库水环境演变特征

水质恶化是水库水生态健康主要胁迫因子之一,准确地认识水环境演变特征是解决水环境问题的首要步骤。通过对位于抚顺市上游的大伙房水库长时间序列的水质变化和主要驱动因素研究,揭示其长时间尺度上的水质变化规律,为大伙房水库环境污染控制与治理提供参考。基于大伙房水库1996-2015年水质监测数据,采用Mann-Kendall趋势检验法和相关性分析法分析了ρ(高锰酸盐指数)、ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chl a)的年际和年内变化趋势,以及引起4项指标变化的主要环境因素。分析结果表明:1996-2015年大伙房水库库区水质主要指标高锰酸盐指数、TN、TP、Chl a浓度时间序列的线性回归趋势斜率估计分别为-0.03、0.06、0.000 4、-0.14,Mann-Kendall检验斜率估计分别为-0.02、0.06、0.000、-0.15,2个趋势检验结果一致。ρ(Chl a)呈现显著下降趋势,ρ(TN)呈现显著升高趋势,ρ(高锰酸盐指数)、ρ(TP)无明显的变化趋势。从年内变化来看,ρ(高锰酸盐指数)、ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chl a)月份之间有明显的差异。研究显示:ρ(Chl a)年内变化的主要影响因素为季节温度的变化,出现明显的季节性质量浓度周期变化规律;ρ(高锰酸盐指数)和ρ(TP)主要影响因素为大伙房水库流域内的地表径流量;ρ(TN)主要受耕地化肥消费和流域内径流量的影响。     

连续降雨对淡水河流域非点源污染的影响

利用淡水河流域污染物通量站的连续流量水质监测数据,研究了4场连续降雨对流域非点源污染的影响.相关分析结果表明,在连续降雨期间,污染浓度与流域相关性不显著,但NH4+ -N、TP及TN通量与流量之间存在显著相关关系,污染物通量与流量的相关系数大小顺序如下:TP＞NH4+ -N＞TN＞SS＞NO3——N.另外,统计结果表明...     

湘江流域水质综合评价及其时空演变分析

选取湘江流域29个水质监测断面2008—2015年的水质监测数据,包括DO、COD_(Mn)、NH_3-N、TP、Pb、As、Cd,利用单因子评价法及季节性Mann-Kendall检验,对湘江流域的水质及其时空演化特征进行综合评价分析。结果表明:1)湘江流域水环境质量整体优良,且污染物浓度呈现持续下降趋势;部分地区受其自身条件及其发展的影响,污染类型及趋势差异明显。2)对于重金属Pb、As、Cd的整体治理效果要好于NH_3-N、TP。3)湘江流域内NH_3-N和TP的污染浓度表现为丰水期高于枯水期。而重金属污染差异明显,主要受河流流量变化以及历史排放的影响。4) 2008年以后,政府干预逐渐替代城市发展等经济因素成为影响湘江流域水环境变化的主要因素。     

我国东部河流水文水质对气候变化响应的研究

基于A2和B2气候变化情景,采用统计降尺度模型SDSM,将由3个国际上流行的大气环流模式GCMs(Had CM3、CSIRO-Mk2和CGCM2)模拟的未来我国东部长乐江流域的气温和降水,与水土评价模型SWAT相耦合,分析了该流域水文水质对气候变化的响应,并比较了3个大气环流模式模拟结果的异同.结果表明,所有气候情景下,TN浓度有明显的升高趋势;TP浓度有增有减,总体上仍呈微弱增加趋势.河川径流呈微弱减少趋势,而营养物负荷量呈微弱增加趋势,说明该流域水文水质状况受气温升高的影响大于降水微弱增加的影响.另外,在不同的气候变化情景下,年内径流和营养物负荷变化情况存在较大差异.研究结果可为理解河流水环境对气候变化的响应及其应对管理提供理论依据.     

武汉汤逊湖未来水环境演变趋势的模拟

以流域为基本单元进行水质水量耦合,构建武汉汤逊湖水环境演变模型(TXHwater);借助Monte Carlo分析方法,对未来汤逊湖的水环境演变趋势进行了分析.结果表明,来水不确定条件下,COD模拟结果的不确定性较大,NH3-N和TN的不确定性中等,TP的不确定性最小.来水不确定性对流域汇流、巡司河入流过程影响较大,主要体现在汛期的5~9月份.如按现有规划,不考虑对污染物指标的削减,到2010年和2020年该湖未来水环境形势严峻,水质将演变为劣V类,主要控制指标为TN和TP,汛期6~8月浓度达到峰值.     

黄河流域氮磷营养盐动态特征及主要影响因素

收集了黄河流域下游主要干流监测站近40a来(氮数据)或20a(磷数据)来的水质数据,同时,收集了流域各省人口、氮肥磷肥施用量(折纯)及工业废水排放量等数据,研究了黄河氮磷营养盐通量(或浓度)的多年变化趋势,并统计了水质变化与流域人口、化肥用量和工业废水排放量等社会经济指标的关系.结果表明,黄河氮输送通量近40a来有不断升高的趋势,但1990s后期受黄河断流影响有明显下降;同时,由于下游引黄灌区大量取水使得花园口-利津之间的氮通量相对入海口的氮通量为负值.黄河总磷含量在一定范围内波动,没有呈现趋势性变化,受断流影响1990s后期总磷含量值也明显减小.进一步分析表明,黄河氮输送通量的变化主要受流域内人口、氮肥施用量的影响,而与工业废水排放量没有统计上的相关性;黄河总磷含量和流域人口、磷肥施用量和废水排放量均无相关性,而与黄河水体中悬浮物含量显著相关.回归分析结果表明,黄河水体悬浮物中的总磷含量为0.54g·kg-1,与黄土高原总磷背景值十分接近.由于黄河悬浮物主要来自黄土高原,故判断黄河总磷输送的主要影响因素是黄土高原的水土流失.查明黄河流域氮磷输送量多年变化情况和主要影响因素可为流域和海域污染控制及负荷分配提供依据.     

北湖流域水质改善系统动力学研究

利用系统动力学擅长研究动态、非线性复杂系统的特点,将其应用于北湖水质改善分析,构建了系统动力学-水质耦合模型,可实现长时间序列的连续模拟和水环境管理的情景分析。文章定量分析了三产比例调整、城镇化率提高与污水集中处理等因素对流域纳污控制及水质改善的影响,推演出可协调经济发展-水环境保护-污水治理资金三方矛盾的合理方案,为类似小城镇的发展提供可借鉴的思路和方法。     

基于水量-水质耦合过程的流域水生态承载力优化方法与例证

水质与水量是影响水生态系统健康的重要因子,开展以生态需水和功能区水质达标为核心的水生态承载力研究对改善流域生态用水不足和水污染具有重要意义.当前流域水生态承载力优化方法将水量和水质作为独立系统处理,忽视了其耦合关系.基于河流水质模型和水资源模型,建立了流域水环境容量与环境流量的函数关系,并作为水生态承载力优化模型的约束条件,构建了以人口与产业规模最大化为目标的水生态承载力的优化模型.最后,对水污染严重且水资源短缺的盘龙江流域进行了实证研究.结果表明:建立的水生态承载力模型能够反映水量与水质的耦合作用,从而提高了流域水生态承载力决策的科学性;盘龙江流域的水生态承载力为20.56万人和119.24亿元GDP,2014年的流域现状值超载了234%;流域水生态承载力与环境流量比例具有显著的补偿关系,呈现倒V型非线性变化过程;当外流域调水的水质高于或等于受水区水质时,受水区的水生态承载力可得到一定程度的提高.     

气候变化下的流域面源污染响应模型评估

该研究提出了一种基于耦合模型联用的方法,对未来气候变化影响下的流域面源污染负荷特征响应进行定量化评估。选取了中国安徽省练江流域作为案例研究对象,针对其水体中的总氮污染物负荷通量及来源构成特征开展模型分析。使用LARS-WG气象发生器模型对HADCM3气候模式结果进行时空降尺度分析,分别模拟3种典型温室气体排放情景(A1B、A2、B1)在未来不同时期的逐日气象数据序列,使用区域营养盐负荷模型(ReNuMa)对练江流域水体中的总氮污染开展源解析,评估未来变化气候条件下的流域污染负荷通量及来源比例构成,并与现状污染源特征进行对比,分析流域面源污染对气候变化的响应。结果表明,未来流域总氮污染负荷通量整体呈上升趋势,且主要集中在秋冬季节,增加的总氮污染主要来自耕地和自然用地,经地表径流和地下潜流过程进入水体,在管理上应予以关注。     

汾河流域磷赋存形态及来源解析

汾河是山西省工农业生产和人民生活用水的主要水源,水质质量对整个流域的健康程度起着至关重要的作用,因此解析流域水质及其污染源能为流域水环境治理和管理提供基础数据和技术支持。文章以汾河流域为研究区,通过现场实测结合模型构建,分析该流域磷污染的赋存特征,量化磷的污染来源。结果表明：汾河流域水体总磷浓度范围在0.011～0.433 mg/L,平均值0.187 mg/L,上游磷含量满足水质Ⅱ类考核指标,中下游基本满足Ⅳ类考核指标;汾河流域水体中无机磷浓度在0.000～0.304 mg/L,平均值0.093 mg/L,有机磷浓度范围在0.011～0.295 mg/L,平均值0.094 mg/L,其中上游以有机磷为主,中下游有机磷、无机磷占比相当,这与沿河产业分布密切相关。沉积物中磷含量为63.9～492 mg/kg,平均值为257 mg/kg,属于轻度污染。总磷的沉积物-水分配系数为313～36 182 L/kg,总体呈现上游高下游低的趋势,特别是流量相对静止、沉积物有机质含量相对较高的汾河水库出口Kp较高。利用SWAT模型对汾河流域的总磷污染现状及污染源进行解析,城镇居民生活污水排放是汾河流域总...     

黄河干流水质评价与时空变化分析

在黄河流域生态保护的实施中,分析流域的水质污染状况以及时空变化规律,成为保证流域水安全的首要任务.为了全面了解黄河流域近年来的水环境状况,基于流域8个监测断面2004～2018年的水质数据,使用Mann-Kendall(M-K)趋势检验、层次聚类分析和主成分分析等多元数据分析方法,结合改进的综合水质标识指数(WQI),...     

三峡蓄水前后长江口水域营养盐浓度变化特征和通量估算

根据2003至2007年对长江口大通站附近水域的调查,比较和讨论了三峡工程蓄水前后该水域溶解态营养盐的浓度变化特征:蓄水后NH4+、NO2-浓度的季节分布发生了较大的变化,表现为浓度峰值均出现在2月份,高出其余3个月份约一个数量级,季节分布差异显著,RSD分别为142%和119%.蓄水后,营养盐浓度除了PO43-外均呈明显下降趋势.估算并研究了长江人河口蓄水前后营养盐通量的季节变化、年际变化,并利用月通量序列以及相应的流量序列,拟合出利用已知的月均流量预测进入河口区的月通量的关系函数.     

洞庭湖水环境演变特征及关键影响因素识别

为了更有效地保护洞庭湖水环境,本研究基于1991—2015年流域社会经济发展、水文情势变化与湖泊水环境监测数据,从水质和藻类水华两方面探讨了洞庭湖水环境演变特征,采用主成分分析法筛选确定了主要驱动因素,并通过多元回归分析识别了不同阶段洞庭湖水环境演变的关键影响因素.结果表明:1991—2015年,洞庭湖水环境质量总体呈下降趋势;其中,1991—2002年洞庭湖水质下降较为缓慢,藻类水华程度总体稳定,影响水环境演变的关键影响因素为流域污染负荷输入,其中农业面源贡献相对较大;2003—2015年洞庭湖水质呈加速下降趋势,藻类水华程度也明显加重,局部水域已出现明显藻类水华现象,该阶段水环境演变主要受流域污染负荷输入和水文情势变化共同影响.因此,今后洞庭湖水环境保护不仅要继续加强流域污染控制,有效削减入湖污染负荷,也要密切关注水文情势变化对洞庭湖水环境的不利影响,采取针对性的措施,科学恢复或调整江湖关系,把不利影响降到最低.     

湘江流域水环境问题及其综合应对策略

基于历史长系列水文资料统计与水质评价方法,对湘江流域水环境质量时空尺度变化规律进行了分析,并一步明晰了造成水环境问题的主要成因,最后提出了相应的综合应对策略。结果表明,在时间上,湘江流域水质呈不断恶化态势;在空间上,湘江上游水质好于中下游,中游水质污染最为严重。区域气候与江湖关系变化、社会经济发展、水土资源开发等都对湘江流域水环境产生显著影响。为解决湘江水环境问题,在优化调整流域生态水文格局的基础上,进行生态环境友好型水利工程群的布置、建设和联合调度,并制定适合流域水环境特征的政策法规体系。     

SWAT模型下“十三五”中期污染减排措施及气象条件对岷江流域水环境改善贡献

基于SWAT构建了岷江流域分布式水文和污染负荷模型,模拟水文变化过程的效率系数超过0.6,模拟污染物浓度的效率系数超过0.5,能够有效模拟岷江流域2015-2018年的水文、污染浓度和通量变化过程。通过模型计算分析了岷江流域主要污染物排放量变化、《水污染防治行动计划》不同减排措施及气象驱动条件对岷江流域水环境改善贡献。结果表明:岷江流域11个国考断面COD、NH₃-N、TP排放量分别下降8%、13%和12%,其中8个考核断面废水排放量上升,主要污染物排放量降低,其中点源强度下降,密度上升;岷江流域中段排放强度高、减排量同样凸显,成都市对岷江出境断面污染物排放及减排贡献均高于眉山市;各项减排措施中,城镇生活污染治理对污染物减排及通量降低占主导作用,对COD_Mn、NH₃-N、TP通量减排分别贡献53%、71%、81%;生活源减排贡献大于工业源减排,点源减排贡献率大于面源污染减排;污染减排措施对凉姜沟断面COD_Mn、NH₃-N和TP浓度变化的贡献率分别为20.7%、26.8%和34.4%。     

流域污染负荷解析与环境容量研究——以安徽太平湖流域为例

以安徽省太平湖流域为例,运用监测、统计数据以及排污系数法对流域内8种污染源的污染排放情况进行全面解析,结合一维水质模型、沃伦威得尔模型以及狄龙模型等水质模型的应用,在流域水质监测的基础上核算了太平湖及主要入湖河流的水环境容量.结果表明,2011年,太平湖流域污染物入湖量为:COD 3863.75t/a,NH3-N 410.24t/a,TP 51.63t/a;城镇和农村生活污染为太平湖流域的主要污染源,约占流域入湖污染物总量的60%;麻川河和浦溪河流域的污染最严重;流域污染物的排放在空间上呈现较为明显的区域分布,经济发达区域污染相对较严重.在当前水质目标下,太平湖仍有相当大的可用容量;浦溪河、秧溪河和舒溪河流域的氨氮和总磷排放量接近环境容量,需进行总量控制及削减.     

流域污染负荷解析与环境容量研究

以安徽省太平湖流域为例,运用监测、统计数据以及排污系数法对流域内8种污染源的污染排放情况进行全面解析,结合一维水质模型、沃伦威得尔模型以及狄龙模型等水质模型的应用,在流域水质监测的基础上核算了太平湖及主要入湖河流的水环境容量.结果表明, 2011年,太平湖流域污染物入湖量为:COD 3863.75t/a, NH3-N 410.24t/a, TP 51.63t/a;城镇和农村生活污染为太平湖流域的主要污染源,约占流域入湖污染物总量的60%;麻川河和浦溪河流域的污染最严重;流域污染物的排放在空间上呈现较为明显的区域分布,经济发达区域污染相对较严重.在当前水质目标下,太平湖仍有相当大的可用容量;浦溪河、秧溪河和舒溪河流域的氨氮和总磷排放量接近环境容量,需进行总量控制及削减.     

面向控制单元的北运河水环境承载力预警研究

北运河流域水环境承载力严重超载，危及流域可持续健康发展.为了响应“水十条”关于建立水环境承载力监测预警的需求，基于径流模拟模型与河流一维水质模型的水资源量和水环境容量核算，构建了基于人工神经网络法的北运河流域水环境承载力预警模型，并面向水污染控制单元，开展北运河流域水环境承载力预警研究.结果表明：多变量的神经网络预警模型相较于单变量模型拟合程度更高；2018年北运河1/2以上控制单元的水环境承载力呈超载状态，其中心城区及下游地区的超载情况较为严重.最后，针对超载严重的地区，基于双向调控提出排警对策，为北运河流域水系统规划提供科学依据.     

水质模型研究进展及发展趋势

水环境数学模型的研究按照时间可以划分为3个阶段,对每个阶段的特点以及应用最广泛的WASP模型进行了简单叙述.介绍了国内的研究学者在水质模型研究方面所取得的成果,并说明水质模型未来的6个发展趋势:人工智能和水质模型的结合,多介质环境生态综合模型,不确定性水质模型的研究;模糊数学的应用,水质模型与"3S"的结合,流域管理模型的产生.