流域空间统计模型SPARROW及其研究进展

SPARROW(SPAtially Referenced Regressions On Watershed attributes流域属性基于空间的回归模型)是美国地质调查局(USGS)开发的经验统计和地表过程相结合的流域空间统计模型。模型通过对河流水质数据和流域属性建立空间回归实现污染负荷产生和迁移的定量化。模型的最大特色是其空间特性非常显著,可以将上游的营养盐污染源数据和下游的营养盐负荷数据联系起来,同时可以将河流中的水质监测数据或污染物通量数据和流域的空间属性特征(比如土地利用类型、河网、大气沉降等)联系起来。模型除了一般水质模型所具有的水质模拟和流域污染源的分析功能外,还可在模拟过程中对流域中每个污染源、流域属性和污染物迁移过程对水质监测结果的影响进行显著性检验。文章简要介绍了SPARROW模型的结构和原理、功能和应用发展前景。     

镇江水厂前置调蓄池污染物扩散数值模拟

以镇江水厂水源安全保障工程前置调蓄池为对象,采用水环境模拟软件EFDC建立调蓄池三维数值模型,开展水动力学和污染物迁移数值模拟,预测不同流量工况下污染物进入调蓄池后到达取水口时间,分析了污染物的输移规律。研究结果表明:若发生污染事件,污染物基本沿着调蓄池水流方向扩散,污染云团面积逐渐增大,浓度逐渐减小;随着扩散距离逐渐增大,污染物扩散速度逐渐减小; 3种不同流量工况下,污染物扩散至调蓄池出水口时间都在10 h以上,满足设计要求。建设前置调蓄池能够在突发事故时延缓污染水体进厂,给应急处置提供时间,对保障供水安全具有重大意义。     

人为排放及气象因素对空气质量影响的定量分析——以疫情期间邢台市为例

选择河北省邢台市作为研究对象,将2020疫情作为一个极限管控措施下的极限减排实验情景,把2021疫情作为未来常态化疫情防控实验分析情景.与疫情前期对比,两次疫情期间臭氧浓度均有提升且2021疫情时期颗粒物浓度同样有提高,2020疫情时期其他污染物浓度均有不同程度的改善,而与2019历史同期相比,两次疫情期间臭氧浓度同样有升高现象,除此以外,2021疫情时期污染物改善较好.利用长短期记忆网络（LSTM）算法和空气质量预报模式系统（WRF-CMAQ）量化了两次疫情时期气象因素对于污染物浓度变化的影响,根据空气质量模拟法反推了不同污染物受人为影响的浓度变化.实验结果表明,LSTM算法在两次疫情期间的模拟均显示人为影响对污染物产生了负影响（降低了污染物浓度）且在总变化影响中占比较高,而CMAQ模式模拟结果中的气象因素影响占比远高于LSTM算法.CMAQ模式在两次疫情模拟中表现出了不同的结果,在2020疫情中人为影响占据了主导,而在2021疫情中,相比较2020疫情时期,除NO₂外,人类活动对其他污染物的影响均为正值（促进了污染物浓度升高）.     

基于MIKE11模型提高污染河流水质改善效果的方法

为寻求提高污染河流水质改善效果的方法,本研究选择中国多坝闸重污染河流颍河为研究对象,针对引江济淮工程颍河段的水质改善要求,以颍河主要的污染物高锰酸盐指数、氨氮为指标,提出了应用MIKE11建立试验河流一维河网水动力和水质模型,采用数值模拟的方法,试验研究河流水质改善的最优技术方法,模拟试验主要进行了补水流量、补水水质、补水位置和补水方式等措施对改善颍河水质效果的影响.模拟结果表明:用MIKE11模型中水动力模块(HD)和对流扩散模块(AD)并结合降雨径流模块(NAM)来进行污染河流水质改善是可行的,即补水流量为河流本底流量的10%,分别对补水点1采用Ⅲ类水,补水点2和补水点3采用Ⅳ类水进行补给,补给效果最佳,高锰酸盐指数和氨氮的去除率分别为72.3%和55.7%,使研究区颍河85%以上的河段达到Ⅳ类水水质标准,为河流污染控制提供了一种新方法.     

基于差分方程的河流污染物含量动态预测算法研究

为了解决河流的污染问题,需要预测河流中存在的污染物含量。将差分方程应用到河流污染物含量预测中,提出基于差分方程的河流污染物含量动态预测算法,构建水质模型反映污染物在河流中的迁移转化特征和规律,结合GM模型和灰色相关分析方法根据时间排序主要污染物、生活污水量和工业废水量,根据排序结果估算主要污染物、生活污水量和工业废水量的负荷总量,在估算结果的基础上结合水质模型构建污染物浓度方程,引入差分方程完成河流污染物含量的预测。实验结果表明,所提算法的预测效率高、预测结果准确率高。     

Fe0-PRB修复地下水硝酸盐污染数值模拟

基于地下水对流-弥散作用,采用数值分析方法,构建了GMS地下水渗流和硝酸盐污染物迁移三维耦合模型.在污染物迁移过程中,不考虑吸附降解和考虑吸附降解两种工况下,分析了污染物在地下水中的迁移特征.结果表明:地下水和土壤存在天然净化污染物的能力,但不显著,必须采取有效措施控制污染.以零价铁作为PRB墙体介质,并用GMS软件模拟Fe0-PRB修复地下水中硝酸盐的效果.PRB存在时能显著控制污染物的污染范围并降低污染物浓度.PRB厚度为4m时,污染物经过550d开始透过PRB墙,PRB运行10a后,1、2、3号观测井的浓度分别1.712,0.011,0.018mg/L,PRB下游污染羽拖尾明显;PRB厚度为6m时,污染物经过850d开始透过PRB墙,PRB运行10a后,1、2、3号观测井的浓度分别0.52,0.004,0.005mg/L,与4mPRB相比浓度分别降低69.6%、63.6%和72.2%,PRB下游污染羽拖尾仍存在但不明显.污染物迁移数值模拟是评价PRB修复污染地下水效果及确定PRB参数的重要手段.     

2020年新冠疫情期间广州市大气污染物垂直分布特征

为研究新冠疫情发生后广州市实行疫情防控政策对大气污染物浓度的影响,利用广州市2019年12月1日—2020年2月29日的空气质量指数数据及广州塔垂直梯度观测站实时监测的PM_2.5、PM_1.0、NO_x、O₃、SO₂和CO等污染物浓度数据,采用统计分析、污染物特征雷达图及相关性分析等方法,探讨了疫情前后大气污染物的垂直分布、污染特征及其影响因素.结果表明,实施疫情防控政策后,除O₃外,其他组分浓度均有不同程度的下降,其中,NO_x下降幅度最大为68.5%,且浓度随着高度上升而降低;其次PM_2.5下降39.5%,但PM_2.5浓度随高度下降幅度不明显;相反地,O₃浓度升高了18.0%,且浓度随着高度上升而增加.研究发现,疫情防控期间NO_x浓度的减少导致了O₃浓度的积累,从而增强了大气氧化性,促进了高空中二次气溶胶的生成.综上,疫情管控期...     

某气田石油类污染物运移数值模拟研究

为研究气田建设项目对地下水产生的石油类污染,以西北某气田开发区地下水为研究对象,在水文地质条件调查和地下水污染源与污染途径分析的基础上,采用GMS软件建立研究区地下水流模型和溶质运移模型,模拟预测了凝析油储罐破裂泄漏情景下石油类污染物在地下水中的迁移规律及自然净化过程。结果表明:模拟期内地下水中的石油类浓度小于标准值,地下水未超标但受到轻微污染;污染晕中心浓度随时间减小,污染场地及下游位置污染物浓度先增大后减小,距离污染源越远的位置峰值浓度越小。     

超声波与氯胺联用工艺去除水中三氯生的研究

采用超声与氯胺联用工艺对水中三氯生(TCS)的去除进行了研究,考察了超声功率、氯胺投加量、TCS初始浓度、pH值和自由基捕获剂等因素对TCS去除的影响,鉴定识别了降解产物并探讨联用工艺降解TCS的机理.结果表明,超声和氯胺联用去除TCS具有协同效应,可以有效地去除TCS.超声波功率为600W,TCS浓度为200μg/L,氯胺浓度为5mg/L时,120min后TCS去除率可达90.8%.联用工艺中增加超声功率可以提高TCS的去除,TCS的去除率随氯胺浓度升高呈现出先升高后降低的趋势,随着初始浓度的升高而下降,碱性环境有利于TCS的去除,pH值为10.7时,TCS的去除可达100%,自由基捕获剂叔丁醇TBA对TCS的去除有抑制作用. GC/MS扫描分析表明2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)为TCS的降解产物.     

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...     

平水期和丰水期殷村港污染物浓度时空变异比较研究

殷村港是太湖的重要入湖河流之一.本研究在2010年4月(平水期)和6月(丰水期)对其从上游滆湖到下游太湖入口进行了2次全程高密度水质监测,并以化学需氧量(COD)和总氮(TN)为例,采用基于河流水系距离的地统计方法分析殷村港沿程污染物浓度的时空变化特征.结果表明:①COD和TN在平水期和丰水期呈现显著的时空差异.6月COD浓度显著低于4月,TN浓度变化截然相反.②2次监测期间,COD入河负荷较为稳定.4月和6月的COD浓度半变异函数皆呈指数型空间相关结构.该时期COD浓度变化主要受水文环境影响.③2次监测期间,源于农业的氮素负荷显著增加.大量无序的个体农户施肥行为使得6月TN浓度无显著空间相关性.6月TN浓度变化受农业施肥和水文环境的双重影响.鉴于太湖流域水情复杂,污染严重,地统计方法是研究该区域河流污染物浓度分布特征和预测污染物浓度的有力工具.     

楮河流域水体重金属时空分布特征及健康风险评价

为明确硫铁矿影响下楮河流域水体中重金属污染的危害程度,以汉江支流楮河为研究对象,选取自硫铁矿矿区至楮河入任河口段设置采样断面,研究河水中重金属Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Cr在不同水期的分布特征,采用健康风险评估模型评价河水中重金属的健康风险。结果表明：河水中重金属分布存在显著的时空差异性,时间上,枯水期存在Fe、Cr超标现象,丰水期河水中重金属被稀释,同时河流水环境变化导致重金属发生迁移转化,水质有所改善;空间上,受距离矿区远近和雨季等因素影响,中上游靠近矿区时重金属浓度明显增大,下游人类活动影响比较显著;健康风险评估结果显示,枯水期河流中游存在非致癌风险,致癌因子Cr对人体的致癌风险显著,Cd在枯水期对儿童存在致癌风险。该研究成果可为河流及矿山水环境治理提出了明确的分区治理措施和建议。     

基于三维水动力水质数值模型的象山港排污策略研究

本文以象山港（半封闭港湾）为研究对象,采用Delft 3D软件建立三维水动力数值模型,对其潮位、潮流、温度、盐度的时空变化进行验证分析,计算结果与实测结果基本吻合,表明该模型能够较好地模拟象山港海域的水动力特征。为进一步研究象山港内污染物的迁移转化过程,在上述水动力模型的基础上构建三维水质模型,水质模拟结果与实测数据吻合良好,可以反映水质的变化趋势。利用验证后的水质模型,针对排污口的落潮排放、排放量减少和排污口整合3种排污策略进行模拟计算,分析排污口对象山港水质变量的影响程度。模拟结果表明,象山港水质环境受排污口影响明显,3种排污策略均可以直接降低港内DIN浓度,但不同的工况表现出不同的影响特征。     

感潮河网水环境容量数值计算

对感潮河网水环境容量和污染物允许排放量的概念进行了分析，考虑了感潮河网水环境容量的时空动态变化及其影响因素，提出了基于感潮河网水质模型的水环境容量数值计算方法。该方法不公反映了感潮河网地区水流运动复杂、流态不稳定、流向多变的特点，而且反映了感８潮河网水环境容量受边界水质变化、河段水质目标不一致、水利工程运行等多种因素影响下的时空变化规律，该方法经过实例计算验证，效果良好。     

Relationship between catchment characteristics and forms of nitrogen in Cao-E River Basin, Eastern China

The distribution of different nitrogen forms and their spatial and temporal variations in different pollution types of tributaries or reaches were investigated. Based on the catchments characteristics the tributaries or reaches can be classified into 4 types including headwater in mountainous areas (type I), agricultural non-point source (NPS) pollution in rural areas (type II), municipal and industrial pollution in urban areas (type III), and combined pollution in the main stream (type IV). Water samples were collected monthly from July 2003 to June 2006 in the Cao-E River basin in Zhejiang, Eastern China. The concentrations of NO3-N, NH4+-N, and total nitrogen (TN) were measured. The mean concentrations of NO3-N were in the order type IV > type II> type III > type I, whereas, NH4+-N, total organic nitrogen (TON), and TN were in the order type III > type IV > type II> type I. In headwater and rural reaches, CNO3-N was much higher than CNH4+-N. In urban reaches, TON and NH4+-N were the main forms, accounting for 54.7% and 32.1% of TN, respectively. In the whole river system, CNH4+-N decrease with increasing distance from cities, and CNO3-N increased with the increasing area of farmland in the catchments. With increased river flow, the CNO3-N increased and the CNH4+-N decreased in all types of reaches, while the variations of CTON and CTN were different. For TN, the concentration may be decreased with the increase of river flow, but the export load always increased.     

皂河-渭河交汇区三氮的行为特征分析

关注特定地质地貌控制下河流交互带氮素空间分布特征及污染状况,有助于全面了解河流水环境特征及污染成因。以皂河与渭河交汇处为研究区,分别沿河流方向、垂向、横向设置采样点,研究了交互区地表水、地下水和沉积物中三氮分布变化特征及其与生物地球化学的关系。结果表明:1）沿河流流向,皂河NO₃--N的浓度低于渭河,两河交汇之后NO₃--N浓度逐渐增大与渭河浓度水平一致,而地下水中其浓度逐渐减小。地表水和地下水中NO₂--N和NH₄+-N均有沿河流流向浓度逐渐减小的趋势。横向剖面上,NO₃--N分布明显受河流地下水补给方式影响。2）从空间上看,NO₃--N随着深度增大,表现出先增大后减小的分布规律。而NH₄+-N随着深度增大先降低然后又有增加趋势。3）水体中pH与NO₃--N极显著正相关,DO与NH₄+-N显著负相关。沉积物中TOC与NO₂--N表现出显著负相关。三氮之间NO₂--N与NH₄+-N表现出极显著正相关。     

沉积盆地地下水无机氮来源示踪及其演化模式

以我国沉积型盆地三江平原的典型农业区抚远地区为例，采用水化学法和GIS技术分析区域水化学成因作用及无机氮素的污染特征，利用氮氧双稳定同位素分布特征及稳定同位素解析模型（SIAR）确定氮素来源及各污染源贡献比，基于对影响氮素浓度变化的多项因素的认识，建立区域氮素的水化学演化模式.结果表明：研究区地下水中氨氮超标率为56.52%，毫克当量百分数平均值占无机氮总量的55.50%，是地下水无机氮素中污染影响程度最大的指标；土壤有机氮、厩肥污水和氨态化肥是径流补给区氮素的主要污染来源，各污染端元贡献比由大到小依次为40.49%、30.24%和29.27%.地下水补给区是氨氮污染最重的区域，排泄区是硝酸盐氮污染相对严重的区域，氧化还原条件是影响氮素浓度的关键因素；在氮素的时空演化过程中，除二级阶地仍保持天然水化学状态外，一级阶地和漫滩区的氮素浓度均有不同程度的升高.     

京杭运河(杭州段)河网水质模拟

京杭运河杭州段河网属于典型的平原河网地区,根据平原河网的水流以及污染特点,利用一维对流扩散方程建立了该地区河网水质模型,采用全隐中心差分格式离散方程,并用追赶法求解。对京杭运河杭州段河网进行水质模拟,并利用2007年上半年常规水质监测断面水质监测数据对模型计算结果进行验证。验证结果表明水质模拟结果较为理想,模型能较为准确的反映河网水质变化趋势,可以用于该地区河网水质改善研究。     

土石山区小流域土壤磷素的空间分布特征与有效性

以汉江余姐河小流域为研究区域,运用经典统计学与地统计学方法,分析流域不同土地利用类型下表层(0~20 cm)土壤全磷和速效磷的空间分布特征及磷素有效性.结果表明:流域农地、林地和草地土壤全磷含量平均值分别为0.368 g·kg~(-1)、0.347 g·kg~(-1)和0.348 g·kg~(-1),土壤速效磷含量均值分别为17.52 mg·kg~(-1)、19.23 mg·kg~(-1)和17.90 mg·kg~(-1).土壤全磷和速效磷空间分布的最优模型均为高斯模型且均具有中等空间相关性.克里格插值表明研究区土壤全磷呈斑块状分布,速效磷含量的高值区沿河流呈网状分布,尤其是速效磷含量为10~20 mg·kg~(-1)和20~30 mg·kg~(-1)的区域从流域上游至下游以河流为主线依次连通.经ANOVA检验,土地利用类型对土壤全磷和速效磷的空间分布影响不显著(p0.05),不同土地利用下每平方米土壤全磷含量表现为草地农地林地,分别为0.092 kg·m~(-2)、0.089 kg·m~(-2)和0.087 kg·m~(-2),速效磷含量表现为草地林地农地,分别为4.67 g·m~(-2)、4.11 g·m~(-2)和3.89 g·m~(-2),流域土壤磷素的有效性呈现出林地草地农地的特征.     

高分辨率数据驱动的流域非点源污染输出风险评估方法

近年来,非点源污染已成为我国部分水库水质恶化的主要原因.以潘家口水库流域为例,引入动态降水因子和地形因子改进经典的输出风险模型,结合高分辨率的卫星反演降水产品(GPM)和高分六号卫星影像,建立高分辨率数据驱动的非点源污染输出风险评估模型,开展潘家口水库流域的非点源污染输出风险时空分布特征研究.结果表明,研究区2018年非点源污染输出风险较高,其中氮元素污染输出高风险和较高风险区约占流域总面积的70.6%,磷元素污染输出无高风险区,较高风险区约占流域总面积的21.9%.分析流域非点源污染输出风险时空分布特征,发现4～9月潘家口水库流域非点源污染输出风险呈现先增后减趋势,在7月和8月最高,与流域降水时空分布一致;结合土地利用分布特征分析,流域上游以耕地为主,城市集中在流域下游,受农业生产和人类活动的影响,这些区域的非点源污染输出风险较高.针对非点源污染输出风险时空分布特征,应制定合理的农业施肥方式,规划非点源污染“源-汇”景观布局以及建设植被缓冲带.