千岛湖流域水质变化与经济发展耦合协调性分析

利用主成分分析和相关分析相结合的方法,建立水环境质量和经济发展的协调度模型,对千岛湖流域水环境与经济发展趋势及协调度变化趋势进行分析.结果表明,2000年以来千岛湖流域水环境质量与经济发展协调状况经历了从濒临失调向轻度失调再到趋近协调的转变过程:以5年为滑动周期考察协调度的演变趋势发现,2000-2012年千岛湖流域协调度大致呈"V"型趋势,2000-2004年水环境质量略有下降,经济发展缓慢,2004-2008年由于经济迅猛发展、水环境质量迅速下降,水质与经济发展处于失调状态,经过2008年转折点后,水环境质量开始改善,2008-2012年协调度达最高点,处于趋近协调,开始向初级协调状态转变.     

滇池流域点源污染控制与存在问题解析

滇池是我国著名的高原淡水湖泊,是国家"三河三湖"治理重点之一.对2007年滇池流域点源污染现状和近20年变化趋势进行了分析,并在此基础上解析了滇池流域点源污染存在问题.结果表明,2007年滇池流域点污染源COD.TN和TP产生量分别为55913t、11222t和1008t,生活污水为主要的点污染源,COD、TN、TP所占比例分别达89%、96%、98%;1988-2007年,流域点源污染负荷产生量持续增长,但由于1991年以来污水处理能力的大幅度提升,其后点源污染负荷总体上呈现下降的趋势,尤以COD和TP下降趋势最为明显,TN保持波动状态.滇池点源污染存在四方面问题,一是未来城市的扩张和人口的持续增长,势必给滇池水环境带来巨大压力;二是老城区合流制排水系统无法改变、新城区雨污管网混接、部分污水处理厂河道取水,导致雨季合流污水溢流污染问题长期存在;三是局部区域污水产生量与污水处理厂处理能力不匹配,且污水处理厂雨季处理能力不足;四是点源污染末端处理已不能满足滇池保护的要求,亟待加大污染全过程控制.     

基于SWAT模型的南四湖流域非点源氮磷污染模拟

本文利用SWAT模型结合实测数据,对南四湖流域2001-2010年年均非点源氮磷污染进行模拟,分析了南四湖流域非点源氮磷负荷空间分布特征,计算各河流流域对南四湖湖区污染的贡献率,并对非点源氮磷污染严重的关键区进行识别.研究表明:(1)先模拟湖东和湖西的两个典型小流域的非点源氮磷污染,并将模型推及整个南四湖流域,该方法不仅提高了计算效率,且得到了较好的模拟结果.通过对比发现,湖东的模拟效果要好于湖西,一定程度上说明SWAT模型在起伏较大的地区能取得更高的精度.(2)南四湖流域非点源氮磷污染严重,几乎所有区域的氮负荷超标,40%以上的区域磷负荷超标严重.湖东非点源氮磷污染较湖西严重,其中洸府河流域是南四湖湖区非点源氮磷污染的主要贡献者.(3)通过对径流量、泥沙负荷、氮负荷、磷负荷的相关分析可以得出,南四湖流域非点源氮负荷以溶解态为主,随径流进入水体;非点源磷负荷以吸附态为主,随泥沙进入水体.     

污染 稀土行业的关键问题

从上世纪90年代开始,中国就成为世界上最大的稀土开采国,稀土行业取得了快速发展,占据了国际市场的垄断地位。然而,稀土开发也带来了严重的生态环境破坏。近年来,随着中国稀土产业的转型和国家环保战略地位的确立,如何在稀土行业的发展中保护环境,已成为摆在我们面前的重要课题。     

基于修正SWAT模型的岩溶地区非点源污染模拟初探——以横港河流域为例

岩溶流域含水系统的主要特征之一是连通地表的落水洞等垂直管道将近水平的地下暗河联系起来,降水及其形成的地表径流可以通过这些管道迅速地灌入地下河系,从而改变了水及其所携带的非点源污染物质在垂直与水平方向的传输速度与数量,使岩溶流域内地表-地下之间的物质交换与传输过程变得比较复杂;应用广泛的SWAT模型在模拟岩溶地区的水文、水质时会存在一些不足与局限.为此,本文针对岩溶水系统特征,引入落水洞、伏流、暗河的水文过程以及主要营养盐的输移过程,修正SWAT模型原有的水文循环过程及相关算法,改变其只适用于松散均匀介质流域非点源污染模拟的单一特征,并研究建立适合于岩溶流域的非点源污染模型和相应的模拟方法.选取横港河流域岩溶地区作为非点源污染的对象,应用修正后的模型通过控制性的模拟方法和敏感性性分析,定量评估落水洞、伏流、暗河等岩溶特征对氮、磷等主要非点源污染物质输移的影响及其带来的时空效应,并进一步探讨落水洞、伏流、暗河等对地表-地下水文与营养盐的交互作用及转换机理.结果表明,岩溶特征对流域的氮、磷负荷有增加作用,其中总磷的增加明显大于总氮的增加,总磷和总氮的增量分别为0.86%和2.12%;植被岩溶指数的增加会导致流域可溶性磷、有机磷的产出量增加,有机氮、地表产流中硝酸氮和沉积磷的产出量则居其次,落水洞改变了降雨的产流方式,增加了落水洞所在流域的有机磷和有机氮的产出,其增量变化在0~0.7和0~0.3 kg/hm²之间.     

土地利用结构与景观格局对鄱阳湖流域赣江水质的影响

于2015年1月和7月采集赣江干流及支流34个采样点水样,测定电导率、水化学离子、无机氮等水质指标.利用赣江流域2014年30 m分辨率的土地利用数据,以流域景观类型占比表征土地利用结构,景观指数表征景观格局;采用Pearson相关分析、Bioenv分析、Mantle检验与方差分解等方法分析流域土地利用结构与景观格局对赣江水质的影响.结果表明:上游Cl^-、Na⁺浓度最高,中游电导率、Cl^-、Na⁺、K⁺、Ca²⁺等水质指标最低,下游电导率、HCO₃^-、SO₄^2-、Mg²⁺、Ca²⁺、NO₃^--N等水质指标最高.居民建设用地是对水质影响最显著的单一土地利用类型.林地、水田与居民建设用地是对水质影响最显著的土地利用类型组合.平均最近邻体指数是对水质影响最显著的单一景观指数,斑块个数、斑块...     

基于系统动力学的巢湖流域水资源承载力动态预测与调控

湖泊流域水资源承载能力动态预测与调控是维护湖泊生态安全、保障社会经济健康持续发展的重要基础和手段.本文以巢湖流域为研究对象,提出基于系统动力学的湖泊流域水资源承载力动态预测技术和试验优化调控方法.首先以县(市)为基本单元构建水资源承载力系统动力学模拟与动态预测模型;再从空间上将各县(市)耦合为流域系统整体模型,并通过敏感性分析筛选量质要素调控指标;最后采用正交试验设计确定流域水资源承载力优化调控方案.结果表明:由于流域内产业规模的扩大以及城镇化率的提升,20172050年巢湖流域水资源承载状态值整体呈恶化趋势,并于2030年以后将长期处于超载状态,通过对影响要素针对性优化调控后,20172050年流域水资源承载状态均达到临界或可载.研究表明本文提出的方法对于促进区域社会经济环境协调发展和改善流域水资源承载力具有较好的实际应用价值.     

湖泊富营养化响应与流域优化调控决策的模型研究进展

湖泊富营养化是全球水环境领域面临的长期挑战,富营养化响应与流域优化决策模型是制定经济和高效调控方案的关键.然而已有的模型研究综述主要集中于模型开发、案例应用、敏感性分析、不确定性分析等单一方面,而缺少针对非线性响应、生态系统长期演变等最新湖泊治理挑战的研究总结.本文对数据驱动的统计模型、因果驱动的机理模型和决策导向的优化模型进行了综述.其中,统计模型包含经典统计、贝叶斯统计和机器学习模型,常用于建立响应关系、时间序列特征分析以及预报预警;机理模型包含流域的水文与污染物输移模拟以及湖泊的水文、水动力、水质、水生态等过程的模拟,用于不同时空尺度的变化过程模拟,其中复杂机理模型的敏感性分析、参数校验、模型不确定性等需要较高的计算成本;优化模型结合机理模型形成“模拟优化”体系,在不确定性条件下衍生出随机、区间优化等多种方法,通过并行计算、简化与替代模型可一定程度上解决计算时间成本的瓶颈.本文识别了湖泊治理面临的挑战,包括:①如何定量表征外源输入的非线性叠加和湖泊氮、磷、藻变化的非均匀性?②如何提高优化调控决策和水质目标的关联与精准性?③如何揭示湖泊生态系统的长期变化轨迹与驱动因素?最后,本文针对这些挑战提出研究展望,主要包括:①基于多源数据融合与机器学习算法以提升湖泊的短期水质预测精度;②以生物量为基础的机理模型与行为驱动的个体模型的升尺度或降尺度耦合以表达多种尺度的物质交互过程;③机器学习算法与机理模型的直接耦合或数据同化以降低模拟误差;④时空尺度各异的多介质模拟模型融合以实现精准和动态的优化调控.     

基于模拟植物生长算法的桁架结构截面与形状优化分析

针对桁架结构优化问题,给出基于改进的生长空间限定与并行搜索的模拟植物生长算法（GSL&PS-PGSA）优化模型,对典型平面桁架、空间桁架结构分别进行截面优化及形状优化分析,结果表明：改进GSL&PS-PGSA算法的优化效果显著,其优化所得结构经济高效;对于平面桁架截面优化,相比二级优化法、相对差商法及连续变量法,改进GSL&PS-PGSA所得结构较其减少了8%～15%的用钢量;对于空间桁架优化,截面优化所得结构总质量较序列两级算法轻约8.1%,较蚁群算法轻约3.6%,而形状优化所得结构总质量则分别较序列两级算法、蚁群算法轻约31.2%、22.4%。因此,改进的GSL&PS-PGSA算法对桁架结构优化问题具有良好的适用性。     

基于连通性指数(IC)的近30年鄱阳湖流域水系结构与水文连通演变评估

由于气候变化和人类活动等多重影响,流域河湖水系格局与连通程度发生了显著变化,进而引发洪涝灾害等一系列水资源问题。本文以鄱阳湖流域为研究区,基于Google Earth Engine(GEE)提取1989—2020年5期水系数据,采用图论方法构建水系评价体系,定量分析该地区近30年来水系格局和结构连通性的时空演变特征,并结合该时期地形、土地利用和归一化植被指数(NDVI)等数据,利用连通性指数(index of connectivity,IC)评估功能连通性的动态变化,进而探讨水文连通与径流量和输沙量的联系。结果表明,近30年来鄱阳湖流域水系结构趋于复杂化,主要体现在流域北部。除干流外,其他等级河流的数量和长度均有所增加,其中Ⅲ级河流最为明显。河网密度、水面率、河网复杂度和发育系数均呈增加趋势,2000年后的变化率约为2000年前的两倍。水系连通环度、节点连接率和水系连通度总体增加,结构连通性呈好转趋势且变化幅度较小。功能连通分析表明,近30年来大部分流域IC减少,流域下游靠近主河道的平坦地区IC较高,上游远离河道的植被密集区域IC较低。此外,IC与年径流量和输沙量表现为显著的正相关性(...     

竞争捕食作用对千岛湖浮游动物群落结构的影响

竞争与捕食作用是调节湖泊和池塘等淡水生态系统结构的主要动力,并且影响着浮游动物的群落结构和种群动态变化.为了阐明生物因素对千岛湖浮游动物群落结构的影响,于2009-2010年对千岛湖浮游动物群落结构变化规律进行调查.利用Pearson相关性分析和多元逐步回归法分析生物因素对千岛湖中浮游动物群落结构的影响.对千岛湖1999、2004、2007-2010年的鲢鳙鱼生物量和浮游动物生物量的统计分析表明,1999年鲢鳙鱼的生物量约为2004、2007-2010年年平均生物量的1/5,而轮虫和桡足类生物量变化不大,枝角类中盔形溞密度下降.鲢鳙鱼放养后浮游植物密度下降,而大型浮游动物(如盔形溞)的密度变化趋势与浮游植物相一致,因此推断鲢鳙鱼的放养将对千岛湖浮游动物群落结构产生影响.     

千岛湖叶绿素a的时空分布及其与影响因子的相关分析

为了解千岛湖在大量放养鲢鳙鱼后叶绿素a的时空分布格局及其与主要环境因子的相关性,本文于2007年1月至2009年12月对千岛湖叶绿素a及其他10个水质理化指标进行了每月定期采样及监测.结果表明:上游河流区和过渡区叶绿素a含量存在明显的季节变化,其共同特点是每年会形成春季和夏末秋初的双高峰.叶绿素a含量在空间分布上具有一...     

千岛湖(新安江水库)表层水中全氟化合物的残留水平及分布特征

为查明千岛湖水体中全氟化合物(PFCs)的污染特征,于2017年丰水期和枯水期分别采集13个监测断面的表层水样品,采用固相萃取净化、富集水样,超高效液相色谱串联质谱联用法测定水中16种PFCs,研究其残留水平和分布特征监测结果表明,千岛湖表层水共检出5种中短链PFCs,包括C₄全氟烷基磺酸以及C₄、C₅、C₆和C₈ 4种全氟烷基羧酸ΣPFCs浓度范围为1.70～6.21 ng/L,以全氟辛酸(PFOA)为主要污染物,其浓度范围为0.52～3.61 ng/L,全氟辛烷磺酸(PFOS)则未检出与国内外同类水体相比,PFOA和PFOS浓度水平均处于低污染水平枯水期千岛湖水中PFCs污染程度高于丰水期,整体上呈现点源污染特征各断面水体中ΣPFCs浓度枯水期差异较大,而丰水期基本处于同一浓度水平空间分布上主要入湖河流新安江上游断面街口和威坪的PFCs浓度明显高于其他主要入湖河流断面以及湖区断面.     

千岛湖轮虫群落结构及水质生态学评价

研究了一大型深水湖泊——千岛湖轮虫的群落结构,包括种类组成、种群动态、现存量,并用轮虫污染指示种类、E/O值和QB/T值评价千岛湖水质和营养状况. 在一周年的研究中,共发现轮虫70种,污染指示轮虫41种,其中寡污-β中污带、β中污带和β-α中污带污染指示种类分别占总指示轮虫的41. 5%、36. 5%和22. 0%. 根据年平均密度,优势种分别为螺形龟甲轮虫(Keratella cochlearis)、等刺异尾轮虫(Trichocerca similis)和针簇多肢轮虫(Polyarthra trigla). 轮虫生物量的时空变化由晶囊轮虫属(Asplanchna)的轮虫决定,以5月份的Ⅰ站和Ⅱ站生物量较高. 轮虫的E/O值变幅为0. 29-0. 62,平均0. 46;QB/T值变幅为0. 17-1. 50,平均0. 68. 相关分析表明:E/O值和QB/T值与水体透明度之间分别呈显著和极显著的负相关关系,相关系数分别达0. 7182和0. 7747. 与大型浅水湖泊相比,千岛湖轮虫群落结构具有种类数较多、密度和生物量小、QB/T值低的特征. 根据指示生物法和生物指数法评价千岛湖水质和营养类型,千岛湖为寡污-β中污(贫-中营养型)水体,其中,Ⅰ站、Ⅱ站和Ⅴ站为β中污(中营养型),其余各站均为寡污-β中污(贫营养型)水体.     

1960—2020年千岛湖流域蒸散发演变特征及驱动因素解析

为探究淡水湖库及其所属流域蒸散发演变特征,以及气象因子对蒸散发的影响规律。以长三角地区最大的淡水人工湖和重要的水源地——千岛湖为研究对象,采用Penman-Monteith等方法与WEP-L分布式水文模型,分别计算千岛湖流域1960—2020年潜在蒸散发(ET₀)与实际蒸散发(ET_a),分析二者年际变化趋势及突变年份;采用偏微分方法分析气象因子对ET₀的敏感性和贡献度;采用归因分析法分析突变前后气象因子对ET_a变化的贡献度,并利用蒸发表面水分指数(E_M1)解析流域蒸发互补关系。结果表明:ET₀与ET_a多年平均值分别为1021.7和857.5 mm,整体皆呈减少趋势,倾向率分别为-0.77和-1.03 mm/a,二者均在1980和2000年左右发生突变;ET₀对相对湿度变化最为敏感,ET₀增加的月份主要是由于相对湿度、平均气温的正贡献,风速呈负贡献但相对较小,ET₀减少的...     

淮河流域瓦埠湖流域水体污染研究与现状评价(2011-2015年)

瓦埠湖位于淮河中游南岸,属于淮河流域最大的湖泊.根据2011年8月-2015年12月对瓦埠湖湖区3个监测点位、入（出）湖河流4个监测断面的水质监测数据,选用内梅罗水污染指数法和单因子指数法,以总氮、总磷、铵态氮和高锰酸盐指数为评价指标对瓦埠湖湖区水体和主要入（出）湖河流水质现状进行评价,结果表明：瓦埠湖湖区总体水质状况为轻度污染、Ⅳ类水质,其主要污染源为农业面源污染和生活污染;部分入湖河流受农业氮、磷污染的影响水质较差,其中庄墓河污染情况最为严重.因此,必须加强流域的水环境综合整治工作,控制农业面源污染对流域水环境的影响.     

鄱阳湖流域赣江水系溶解态金属元素空间分布特征及污染来源

于2015年1月和7月在赣江干流和主要支流37个采样点共采集74个水样,分析赣江水系15种溶解态金属元素(Be、Al、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、As、Mo、Cd、Sb、Tl、Pb、U)的空间分布特征和污染来源的贡献率.结果表明:多数水样的溶解态金属元素浓度符合水质标准,主要的超标元素是Fe,样品超标率为21.60%,其次为As(8.10%)、Mn(4.05%)、Tl(4.05%)和Al(1.35%).Be、Al、V、Fe、Co、Ni、Cu、U浓度在枯水期显著高于丰水期,其他元素差异不显著.依据溶解态金属元素的空间分布特征,赣江流域可分为3个区域:湘水、章水和赣江赣州市段(C1),桃江、袁水和锦江(C2),其他区域(C3);溶解态金属元素水平大小排序为C1C2C3,其中Be、Al、Cu、Mo、Sb、As浓度在C1最高,V、Mn、Fe、Ni、Cd浓度在C2最高.采矿废水、矿渣和农田土壤降雨淋滤、钢铁冶炼废水是赣江溶解金属元素的主要来源;Be、Al、Cu、Pb、U的污染源超过40%来自采矿废水,Cu、As、Mo、Cd的污染源超过35%来自矿渣和农田土壤降雨淋滤,V、Mn、Co、Ni的污染源超过41%来自钢铁冶炼废水.     

应用实测光谱估算千岛湖夏季叶绿素a浓度

依据2010年8月的实测数据构建了千岛湖水体夏季叶绿素a浓度的实测光谱数据估算模型,并进行了验证.利用ASD FieldSpec3野外光谱仪获取高光谱数据,计算水体离水辐亮度和遥感反射率.通过寻找反演水体叶绿素a浓度的高光谱敏感波段,采用单波段相关分析、波段比值、微分光谱、三波段模型、BP人工神经网络等多种算法进行比较分析,结果表明:叶绿素a浓度与单波段光谱反射率的相关性不大;596 nm和489 nm波长处反射率比值、545 nm处光谱一阶微分与叶绿素a浓度均呈较显著相关,估测模型决定系数R2分别为0.782、0.590,RMSE分别为0.89、1.98μg/L;三波段模型的反演结果优于传统的波段比值和一阶微分法,R2为0.838,RMSE为0.71μg/L;神经网络模型大大提高了叶绿素a浓度的反演精度,R2高达0.942,RMSE为0.63μg/L.本研究为今后在千岛湖水域的夏季相邻月份进行叶绿素a浓度大范围遥感反演研究奠定了基础.     

应用MODIS数据监测千岛湖流域植被覆盖动态(2001-2013年)

流域植被覆盖状况对于水源地生态环境保护具有重要的指示作用.当前的水质目标管理不仅要着眼于湖库水质参数控制,更应该从整个流域的角度维系生态平衡.在此背景下,依托长时间序列MODIS遥感数据对千岛湖流域2001-2013年植被覆盖状况进行监测,采用最小二乘法趋势分析和Mann-Kendall显著性检验方法分析了千岛湖流域植被的空间分布特征、时间变化特征与长期变化趋势.研究表明该方法能够有效地监测流域植被覆盖的时空动态变化:1)从空间分布上来看,千岛湖流域植被覆盖状况整体较好,但同时也发现受人为干扰较大的地域如河、湖附近的城镇建设用地、农业用地以及园地,其NDVI值明显低于自然林地;2)从时间变化特征上看,2001-2013年千岛湖流域植被年际NDVI在0.69~0.73之间波动,且近年来有增长趋势,年内季节性NDVI动态分析表明高时间分辨率的MODIS数据能够用来区分常绿植被与落叶植被的物候特征,以分析不同植被类型对流域氮、磷流失的风险差异;3)从变化趋势上看,2001-2013年植被覆盖状况改善的区域远大于退化的区域,其中改善区域约占流域面积的55.90%,呈现出一定退化状态的区域约占29.60%(严重退化区域仅占3.97%),而相对稳定不变区域约占14.51%.经与气温与降水等气候因子进行相关性分析表明,植被NDVI与气温呈显著正相关,而降水则不敏感,说明气温是研究区植被生长的主导气候因子.同时发现,人类活动对局部植被变化影响较大.研究结果可为流域水资源与生态环境保护提供空间数据支撑.