湖泊水质模型研究进展

湖泊是最重要的淡水资源之一，对社会和经济的发展起着不可估量的作用。保护和改善湖泊水环境问题已成为当前世界关注的一个焦点。湖泊水质模型是一种利用数学语言来描述湖泊污染过程中的物理、化学、生物化学及生物生态各方面之内在规律和相互联系的手段。作为湖泊水环境污染治理、规划决策分析中的一个重要工具，它可以为湖泊的综合整治和科学管理提供科学的依据，在环境保护领域中发挥着举足轻重的作用。分别介绍了湖泊水质模型国内外研究动态、类型、常用软件（WASP、EFDC、CE QUAL W2、CE QUAL R1、CE QUAL ICM、MIKE、SMS等）和应用实例，并综观湖泊水质模型的研究历史和应用前景，系统分析了湖泊水质模型研究的发展趋势。     

太湖西北部湖区入湖河流氮磷水质标准修正方案研究

氮磷污染一直是太湖流域的首要污染问题,有效遏制氮磷入湖量的增加是治理太湖的重要任务。然而由于我国现行的地表水环境质量标准(GB3838-2002)中河流和湖泊氮、磷水质标准存在差异,即河流无总氮控制指标、河湖总磷标准不一致的问题,往往造成通过控制入湖河流污染来改善太湖湖泊水质时,湖泊污染物浓度往往达不到治理目标。以太湖西北部湖区及其入湖河流为例,利用BATHTUB模型模拟入湖河流与湖泊TN、TP的关系,推算太湖在满足现行湖泊水质标准中TN和TP各类别目标值的情形下的环境容量并以此环境容量决定入湖河流的水质,进而提出相应的方案进行比选,从而提出太湖入湖河流氮磷水质标准修正方案。结果表明:(1)当太湖入湖河流执行现行河流水质TP标准时,对应湖泊的水质TP超标,并不能达到保护湖泊的目标;(2)当太湖西北部湖区入湖河流TN、TP执行现行湖泊水质标准,对应湖区水质均能达标并且优于目标限值,然而该方案对于污染较为严重的太湖区域的实际参考意义不足;(3)以现行湖泊水质标准TN、TP各类别为目标值反推计算入湖河流水质指标,既能保证湖泊水质达标,又不会使河流水质标准过于严格,因此其结果可作为入湖河流水质标准修正的参考,从而提出太湖入湖河流TN、TP水质标准建议方案。     

水利调度修复东湖水质的数值模拟

总结武汉东湖水质污染问题基础上，根据湖泊和港渠联通状况设计了长江-东湖水利调度的调水线路和调水方案。基于一维港渠河道水动力水质模型和二维湖泊水动力水质模型，通过嵌套耦合求解的方式实现耦合，建立了一、二维湖泊河网水动力水质耦合模型，并利用实测数据进行了参数率定和验证。采用数值模拟的方式研究了水利调度影响下东湖水质的改善效果，结果表明：水利调度影响下东湖主要湖区水体CODMn和TN指标得以明显改善，但TP指标改善不大；东湖湾汊众多，个别湖区受到调水线路影响较小，水质改善不明显。因此水利调度可以作为东湖水体修复的重要思路。建立的数学模型也可以为东湖以及其他类似水域的水污染治理提供科学参考和依据     

望虞河引清调水改善太湖水环境定量分析

以望虞河引清调水实践为背景，利用引水调水现状及实测数据，建立适合太湖的二维水量水质数学模型，并模拟计算调水前后湖体各项水质因子浓度的空间变化规律。结果显示：水利调度影响下太湖湖体中高锰酸盐指数、氨氮、和总氮的浓度大体上有所减小，改善率分别为60%、160%和92%，总磷稍有反弹，其指标恶化了44%，太湖湖体水质总体改善面积37%，主要集中在贡湖、梅梁湖及东部湖区这些引排水水流流经的区域，表明“引江济太”调水工程对改善太湖局部湖区水质、保障太湖供水安全具有重要意义，可为其他类似水域的水污染治理提供科学参考和依据     

太湖生态修复治理工程

太湖是我国第三大淡水湖泊 ,也是流域的重要水体。近年来 ,随着人口的增长 ,经济高速发展 ,人为社会经济活动影响 ,水资源系统受到很大冲击 ,水质变劣 ,湖体营养过程加剧 ,生态环境受到明显损害 ,制约了流域社会经济的可持续发展。要实现流域水资源的可持续利用 ,必须加快水污染综合治理。除陆域实施严格的达标治理、河网水质调控 ,农业面源及生活污水治理外 ,太湖湖体生态修复和富营养化治理已为当务之急。目前应尽早实施 :①太湖重污染区底泥的生态疏浚 ,减少底泥释放二次污染。②利用浮床陆生植物治理太湖典型富营养化水域 ,利用生物吸收、降解 ,继而富集营养盐 ,净化水质。③建立环湖湿地保护带。④恢复和重建湖滨带水生植被 ,实现长效生态管理和调控。⑤生态渔业工程 ,有效控制过度养殖 ,恢复湖泊生态良性循环。⑥藻类采集和资源化再利用。⑦强化流域     

基于底泥再悬浮试验的太湖水质模拟

为探索浅水湖泊水动力扰动作用对底泥再悬浮影响的规律,在室内矩形水槽内模拟了各种水动力条件下太湖底泥的起动规律,得到了太湖底泥在3种不同起动标准下的起动流速,通过考察上覆水中悬浮物浓度的变化,建立了底泥沉积物再悬浮通量与水体流速的定量化关系。结果表明:太湖底泥在个别动、少量动、普遍动3种标准下的起动流速分别为15、30和40 cm/s,且底泥沉积物再悬浮通量与流速呈现线性正相关关系,再悬浮通量随流速增大而增大,且相关性较好。将该试验结果应用于太湖的水量水质数学模型中,并和太湖实测资料进行了对比,取得了比较满意的效果。该模拟装置能够在室内可控条件下较好地反映太湖沉积物再悬浮特征,对太湖的富营养化治理具有重要意义。     

太湖生态修复治理工程

太湖是我国第三大淡水湖泊,也是流域的重要水体。近年来,随着人口的增长,经济高速发展,人为社会经济活动影响,水资源系统受到很大冲击,水质变劣,湖体富营养过程加剧,生态环境受到明显损害,制约了流域社会经济的可持续发展。要实现流域水资源的可持续利用,必须加快水污染综合治理。除陆域实施严格的达标治理、河网水质调控、农业面源及生活污水治理外,太湖湖体生态修复和富营养化治理已为当务之急。目前应尽早实施：①太湖重污染区底泥的生态疏浚,减少底泥释放二次污染。②利用浮床陆生植物治理太湖典型富营养化水域,利用生物吸收、降解,继而富集营养盐,净化水质。③建立环湖湿地保护带。④恢复和重建湖滨带水生植被,实现长效生态管理和调控。⑤生态渔业工程,有效控制过度养殖,恢复湖泊生态良性循环。⑥藻类采集和资源化再利用。⑦强化流域管理。     

水文连通性对湖泊生态环境影响的研究进展

水文连通性对湖泊水资源调节、水质净化和生态安全等具有重要作用，但同时也可能带来潜在风险。因而厘清水文连通性对其生态环境的影响规律，对于开展水文连通性修复工作具有重要指导意义。基于广泛的文献调研，介绍了水文连通性的定义与内涵，分别综述了水文连通性对湖泊水文水动力、水质、水生态系统影响的研究进展。在此基础上，总结归纳了水文连通性通过改变水文水动力过程影响生态系统的路径：一是直接改变生境面积、植被格局和生物迁移繁殖特征，二是通过改变水质和沉积物特征而作用于生物的生长发育及其体内污染物累积转化过程。最后，对水文连通性变化的生态环境效应研究进行了展望：(1)加强对垂向连通性的研究以及拓展不同维度连通性耦合转化研究；(2）借助水动力-水质-水生态耦合模型研究水文连通性变化下的生态环境效应；(3）开展水文连通性的生态环境风险研究，并基于生态环境效益和社会经济效益权衡确定适宜的水文连通性。     

长江水质评价和预测模型探讨

近年来，长江水质的污染程度日趋严重，已引起社会广泛关注。定量地研究长江流域的污染，并对未来污染情况进行预测，对防治长江水质污染具有重要意义。首先通过合理的假设，根据不同的情形分别建立了完全混合式模型、一维多点源稀释自净模型和一维连续点源流入模型。根据1995～2004年水质监测数据，编写MATLAB程序，计算出主要污染物高锰酸盐指数和氨氮的浓度，较好地确定了长江水质主要污染物的分布状况；其次，通过对历史数据的分析，并注意到实际情况的多变性，使用三次指数平滑法，对未来水质污染情况进行预测分析；最后，对模型的结果进行了分析讨论。     

基于粗糙 信息熵的水质综合评价方法

水质综合评价是水环境治理的指导性工作，水质综合评价的信息量大，情况复杂多变，如何有效的提取有用信息以及客观地对各水质指标进行权重设定，一直是水质评价方法的核心难题。粗糙集理论是一种有效的处理不确定性信息的方法，能够在复杂的水质数据中挖掘有效信息。针对粗糙集理论实践中所存在的信息丢失、以及在系统有序化方面的不足，应用信息熵真实反映属性重要程度的特点对其进行修正，得到了一个比较完善的粗糙 信息熵水质综合评价方法。该方法继承了粗糙集和信息熵直接从数据出发进行信息挖掘的特点，较好地克服了传统水质评价方法主观性强的缺陷，同时还能够对同级水质进行细化分级，这对于污染治理、投入评估具有重要的借鉴意义。将粗糙 信息熵法和综合指数法、模糊数学法、层次分析法所得结果进行比较，结果证实该方法不仅评价过程简单明确，评价结果客观丰富，而且评价结果的精度和可靠性都有较大提高。其研究结论对水质监测数据的评价有一定的借鉴作用，亦对河流水污染防治对策的制定具有一定的指导意义     

南四湖水质空间分布监测分析与水环境问题解析

南四湖作为南水北调东线工程重要的输水通道和调蓄湖泊,其水质状况一直受到人们的广泛关注。根据南四湖水质空间分布监测数据,按平均综合污染指数Pj>2的标准共筛选出29个重污染测点,其中有19个处于重污染河口外混合区,说明南四湖污染物主要来自于重污染河流;南四湖2006年秋和2007年春监测的总体平均综合污染指数分别为2.12和1.98,表明南四湖污染依然相当严重,而且秋季比春季水质更差,按湖区南阳湖、微山湖岛北、小北湖的水质最差,特别是南阳湖水质四项主要指标平均超标2倍以上。南四湖两次监测CODcr、TP、TN的单项污染分摊率平均值依次为30.6%、36.0%、33.4%,表明南四湖的主要污染物是TP、TN、CODcr。因此,在调整区域内重污染企业工业结构的同时,应实行管辖区内工业和城市生活等污水的深度处理和截蓄导用,严格执行水污染物排放标准和总量控制指标。     

鄱阳湖区氮磷污染物分布、转移和削减特征

根据入湖污染负荷监测、调查资料和不同水文条件下流场-水质同步监测资料,应用数理统计方法,研究了鄱阳湖氮磷营养物质分布、转移和削减特征。研究结果显示:(1)总磷、总氮是影响鄱阳湖水环境质量的主要污染物,入湖污染负荷与入湖径流水量紧密正相关。(2)鄱阳湖换水周期短,水流更换频繁,氮磷污染物在湖区不会充分混合;氮磷超标水域随着水体流动,逐步向下游转移、扩散;湖水位处于消落状态,通江水道部分水域氮磷浓度超标。(3)湖相状态水环境比河相好,湖相状态一般不会出现大面积的总氮和总磷同时超标。(4)鄱阳湖水环境勉强维持Ⅲ类标准,如果出现损害环境的人类活动,脆弱的水环境将会恶化。针对这些特征提出了保护鄱阳湖"一湖清水"的对策建议。     

农业非点源污染对太湖水质的影响:发展态势与研究重点

太湖水污染的主要症结是水体中氮、磷不断富集导致的富营养化，而随着区内化肥用量的不断增加和集约化畜禽殖业的发展，流域内农业非点源营养物质的排放将保持持续上升的势头。要实现使太湖水变清的目的，必须把农业非点源营养物的排放控制在最低的水平，为了达到这一目标，今后应加强：（1）农业养分流失的定量化研究；（2）非点源污染物的转移转化特征研究；（3）农业非点源污染高风险区的识别；（4）农业非点源污染的控制与管理对策研究。     

西太湖区域水环境容量分配及水质可控目标研究

西太湖流域产业、人口集聚,水环境污染一直以来是该区域经济可持续发展的制约因素之一,利用2010年的监测数据对西太湖主要入湖河流及湖体的水环境状况进行了分析,通过对研究区域工业点源、城镇和农村生活源、农田面源和畜禽水产污染源排污的分布情况调查,并计算了入河污染物量;利用构建的西太湖区域水量水质数学模型,估算了区域水环境容量,依据水环境功能区的水质目标与水域面积分配到了各市/区,在充分调查现有与规划的各类型污染源总量控制工程措施的基础上,量化出具有空间分布的流域污染削减率,并提出水质可控目标。结果表明:太湖湖体受总氮污染影响总体水质劣于Ⅴ类,研究区域主要入湖河流基本处于Ⅳ类,氨氮超标最严重;进入水体的COD为25 410.2 t/a,氨氮2 795.4 t/a,总氮4 646.4 t/a,总磷313.8 t/a,其中城镇生活源污染物入河量所占的比例最大,各类污染物均在35%~50%,尤以宜兴市和常州武进区负荷较大;各控制单元进入水体的污染物量基本都超过了水环境容量,近期各市/区COD、氨氮、总氮和总磷的削减率分别为8.0%~56.0%,8.0%~62.1%,6.0%~41.8%,8.0%~59.9%,远期污染物削减率更高;最终通过模型推算,定出西太湖湖体各污染因子的可控目标,2015年,COD、氨氮、总氮和总磷分别为4.50、0.80、3.50和0.08 mg/L,2020年进一步达到4.50、0.60、3.00和0.07 mg/L,为西太湖总量控制提供科学依据。     

三峡工程运行后洞庭湖水环境变化及影响分析

以入湖水系、湖体、出湖口为研究区域,基于20多年的监测数据,运用水质单因子评价、综合营养状态指数(∑TLI)等评价方法,系统地分析了洞庭湖水文、水质、营养化状态的时空变化规律,探讨三峡工程运行后洞庭湖水环境变化及原因。结果表明:(1)洞庭湖入湖水量及沙量均明显降低、水位变幅减小。(2)透明度(SD)、总氮(TN)、总磷(TP)、浮游植物等指标的时空分异特征较为明显,4个指标年均值均总体呈上升趋势,其中,SD、浮游植物种类数量及密度自三峡工程运行后变化尤为明显。西洞庭湖的SD高于南洞庭湖,东洞庭湖的SD最低。ρ(TP)在湖体最高,ρ(TN)则在湖体最低。(3)入湖水系水质最好,出湖口水质最差。入湖水系水质一直维持在Ⅱ～Ⅲ类之间,水质良好;出湖口、湖体水质自三峡工程运行后以Ⅳ～Ⅴ类为主,变劣趋势明显。湖体富营养化日趋严重,东洞庭湖的富营养程度稍高于西洞庭湖和南洞庭湖。(4)初步认为:洞庭湖水文水动力环境条件的变化,整体上对水质产生一定的不利影响,对湖体富营养化有一定的促进作用。     

仙女湖富营养化特征与水环境容量核算

以典型的亚热带大型水库——江西省仙女湖为例,于2011~2013年季节性监测了仙女湖水体理化指标。采用综合营养状态指数法对其富营养化状态进行了评价,并采用沃伦威德尔模型(Vollenweider)和狄龙模型(Dillon)计算了COD、NH₃-N、TN和TP的水环境容量。结果表明:仙女湖水质总体处于地表水Ⅱ类~Ⅲ类标准,TN 0.32~0.91 mg/L、平均0.59 mg/L,NH₃-N 0.012~0.59 mg/L、平均0.31 mg/L,TP 0.017~0.080 mg/L、平均0.028 mg/L,COD_Mn 1.61~5.59 mg/L、平均2.85 mg/L,Chl-a 0.37~0.95 μg/L、平均0.56 μg/L。从湖区上游到下游,各指标尤其是总氮、总磷、透明度和氨氮呈现明显的趋优变化特征,除TP出现Ⅲ类水质外,其余指标多年持续处于Ⅱ类水质状态;从单因子状态指数来看,采用透明度评价的营养状态最高,大部分湖区持续处于轻度富营养状态;TN和TP评价的营养状态次之,处于中营养水平。仙女湖COD、NH₃-N、TN和TP水环境容量分别为21 208.0、3 528.8、4 991.2和248.1 t/a,分别剩余容量比率56.88%、68.25%、62.89%和13.67%,影响仙女湖水环境容量最突出的环境因子为TP。同时,基于对水环境容量影响因素的分析,最后提出了提高仙女湖区水环境容量的建设性方案。     

太湖五里湖底泥污染特性研究

五里湖是太湖污染最严重的水域。为对其治理提供依据,在该湖区设置了4个采样点,对底泥的表层样、柱状样、间隙水样和上覆水体作了重金属和营养盐分布测试,并作了数据统计分析。结果表明：以地积累指数评价,五里湖底泥的重金属污染程度为轻度,总体可达到《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）三级标准,根据超出背景值的倍数分析,五里湖重金属含量顺序为Cu>Cd>Pb>Hg>As>Cr。重金属含量表层（0～5 cm）相对较低,第二层（5～10 cm）和第三层（10～20 cm）是主要的污染沉积层,这与底泥沉积特征是相对应的。表层底泥总氮、总磷和有机质含量较高并具有明显的相关性,相关系数介于0.757 6～0.862 2之间,显示了污染物质的同源性。表层底泥和间隙水中营养盐含量明显高于湖水,相对于湖水呈可释放状态,是湖体内源污染之一。     

鄱阳湖流域农村生活区面源污染特征及其影响

农村生活区水环境是流域水环境的重要组成部分。鄱阳湖流域是我国的重要农业生产区，农村人口众多，未经过处理的生活污水、生活垃圾和固体废弃物、分散畜禽养殖污染由于无序排放导致了鄱阳湖流域河湖水质下降，湖泊富营养化指数升高。通过采用污染物当量算法对鄱阳湖流域农村生活区面源污染估算，分析了1991~2011年农村生活污染现状及其趋势，并分析了鄱阳湖河湖水质变化趋势及其在农村生活区面源污染中的影响因子。研究结果表明：（1）1991～2011年，鄱阳湖流域农村人口、生活污染、生活垃圾和固体废弃物污染、分散畜禽养殖污染不断增加，其中农村生活污水污染物排放量、TN、TP和COD排放量增长了1268%，年平均增长量分别为036、002、1681和021万t；固体废弃物排放量、TN和TP排放量增加了1268%，年增长量分别为362、076和080万t；分散畜禽养殖污染TN、TP和COD的含量分别增长了9913%、6384%和7227%，年均增长量分别为022、003和009万t；（2）2000年以来，鄱阳湖流域河湖水质呈下降趋势，其中鄱阳湖湖泊的水质和富营养化指数下降趋势分别在001和005水平上具有显著性；（3）鄱阳湖流域农村生活区面源污染对流域水环境具有一定的影响，其中分散畜禽养殖污染的影响相对较大