太湖流域高度城镇化地区畅流活水多目标调度决策研究

随着城市化进程的加快,高污染负荷、弱水动力条件、强人工干预导致的平原河网地区河道水质恶化、生态衰退已成为制约城市高质量发展的瓶颈之一。结合太湖流域高度城镇化地区水文水动力特性,构建了水动力-水质耦合模型,模拟了不同情景下河网水动力与水质情况。统筹考虑水质改善、水动力提升、经济成本等多目标,建立了活水调度多目标决策体系,基于模糊层次分析法确定评价体系水质改善、水动力提升与经济成本指标层权重分别为0.390、0.345、0.265,为各指标层设计对应的要素层,并利用模糊综合评价法进行评价。结果表明,针对不同调度情景下水质改善、水动力提升及经济成本等多目标的决策,利用多目标调度决策方法可有效确定效果最佳的工程调度情形。太湖流域高度城镇化地区区域性控制工程对畅流活水效果的影响要远大于锡山区控制工程,运东大包围城市防洪工程调度模式对研究区活水效果的影响最大。比选出的最优活水方案实现的研究区活水效果为水质达标率82%,水质平均提升率31%,Ⅲ类水断面占比61%,平均流速0.10 m/s,较优流速占比39%,滞水率32%。相较于传统的单指标或多指标简单比较的决策方法,多目标调度决策方法更具有综合性、...     

阳澄湖入湖河道分类、污染特征分析及治理策略

为进一步揭示阳澄湖入湖河道的污染物来源,提出相应的治理对策,以2017—2021年阳澄湖入湖河道水质监测数据为基础进行分析讨论。依据入湖水量选取10条主要入湖河道进行分析,其中位于阳澄湖东岸的白曲港在七浦塘拓浚工程建成之前主导流向为出湖,工程建成后,通过Pearson相关分析证实了其流向与七浦塘引水时的水力关系,因此白曲港被选为主要入湖河道。采用距平系数法、系统聚类法和物元分析法将阳澄湖主要入湖河道分为3个类别:第1类别包括白荡、蠡塘河、北河泾、永昌泾4条河道,第2类别包括渭泾塘、界泾和施家斗港3条河道,第3类别包括南消泾、七浦塘和白曲港3条河道。使用因子分析法进行因子分析,第1类别河道的因子为高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、溶解氧(DO)和总磷(TP),第2类别河道的污染因子为NH3-N、总氮(TN)、pH、TP和DO,第3类别河道的污染因子为pH、TP、TN和DO。通过对上游河道水质情况分析、文件研究以及实地调查等方式得出第1类别河道区域的污染源主要为工业污染源和生活污染源,第2类别河道区域污染源主要为工业污染源与种植业污染源,第3类别河道污染源主要为陆地水产养殖污...     

多目标优化下平原河网引调水改善水环境效果评估

引调水是改善平原河网地区水环境的重要方法之一,通过构建太湖流域走马塘东南片平原河网区一维水动力水质数学模型,研究不同引调水方案对区域水环境改善效果,确定引调水过程中的异质性因子.从决策目标、水质指标、空间指标3个层面综合考虑,构建环境效益与经济效益结合的多目标函数及评价体系,对引调水方案进行评估优选.结果表明:引调水流量较大时,能够在一定程度上改善区域水环境状况,规划方案下引调水5 d后,高锰酸盐指数、氨氮、总磷的平均改善率分别为30.7%、22.2%、26.4%;引调水时,区域河网中不同空间点位、不同水质指标之间的水质改善过程与效果都存在一定异质性;引调水水量、调度模式及污染源分布都会对调水后的河网区水质产生差异性影响;本研究建立的多目标评价体系较现有方法能够有效涵盖引调水中存在的异质性因子,从多个目标层面优选引调水方案,实现水量水质综合优化调控,为平原河网地区水环境长效管理与科学决策提供理论参考.     

典型网状河网区域土地利用和景观格局对地表季节水质的影响——以江苏省溧阳市为例

地表水质受区域景观组成及其空间配置的影响较大,了解景观特征与水质之间的关系可以极大地提高潜在污染的可预测性和污染物输出的评估能力. 以典型网状河网区域(江苏省溧阳市)为例,研究了土地利用和景观格局特征对地表季节水质的影响. 本研究基于2017年每单月从12个监测断面收集的21个水质指标,首先分析了多尺度缓冲区(500、1000、1500、2000、2500和3000 m)内土地利用和景观格局特征,然后通过主成分分析选取12个指标作为主要水质因子,采用冗余分析确定景观因子对水质指标的最佳影响尺度,最后采用偏最小二乘回归(PLSR)探究了最佳影响尺度下景观因子对季节水质的影响. 结果表明,2500 m缓冲区是该区域景观因子对水质指标的最佳影响尺度,旱季大多数水质指标PLSR模型的显著性和预测能力比雨季强. 雨季大多数水质指标都受园地、林草地、散布与并列指数(IJI)和香农均匀度指数(SHEI)的重要影响,并且这些景观因子与除pH和溶解氧浓度之外的其他水质指标均呈负相关. 在旱季,溶解氧、石油类、化学需氧量、总氮和总磷浓度受土地利用的影响最大; 另外,IJI是电导率、硫酸盐和亚硝酸盐氮浓度的最重要影响因子,而SHEI对硫化物和总悬浮物浓度的影响最大. 此外,景观指数对雨季水质的影响更大. 本研究结果揭示了网状河网区域土地利用/景观格局与季节性水质的关系,为区域水环境管理和景观格局优化提供了科学依据.     

调水引流工程对平原河网水动力调控的效果

平原河网多存在河道流动性不强,河道生态流速难以保障的问题,以典型平原河网地区——宁波市海曙区为例,开展野外原型同步监测,以河道分流比、换水率及槽蓄量为研究对象,系统分析引调水工程对河网水动力的调控效果.结果表明:平原河网水动力改善效果与引排水口分布、引水流量密切相关,为保证河网区水体交换良好,引排水口的连线应尽可能贯通...     

持续性高藻输入河道温室气体时空排放特征及其影响因素

淡水水生生态系统是大气中温室气体气体重要的"源",对于城市的动脉——城市河流(尤其是持续性高藻输入河道)温室气体的研究比较匮乏.太湖梅梁湖的高藻水排入地梁溪河是典型的高藻输入河道,月均藻密度为3.6×107 cells/L,夏季日均藻密度为1.2x108 cells/L.本文以梁溪河为研究对象,采用静态箱法测定了梁溪河...     

梯级筑坝对黑河水质时空分布特征的影响

为探究梯级大坝建设对河流水质变化规律的影响,将黑河上中游划分为坝上河段、坝下河段及自然河段,于2017年12月-2018年8月选取了24个主要控制断面进行水质调查,并采用多元统计的方法对比分析了不同时空尺度上的水质分布特征.结果表明:黑河上中游水质时空变化的主要影响因子为水温(WT)、pH值、溶解氧(DO)、电导率(EC)、总氮(TN)、总磷(TP)和五日生化需氧量(BOD_5).空间尺度上,WT、EC、BOD_5、高锰酸盐指数(CODMn)、TN等指标具有显著性差异,其中坝上河段受BOD_5、CODMn影响较大,自然河段WT、EC和TN为关键指标,而各个因子对坝下河段水质影响较小.时间尺度上,WT、EC、BOD_5、氨氮与季节变化存在明显相关性,是不同河段水质时间变化的控制因子,且大多数水质因子在非汛期变化最明显.降水、温度、水文条件等季节性影响因素和梯级水库联合运用模式是该区域水质时间差异的主要原因;空间差异主要受祁连、张掖地区外源性污染物排放以及筑坝环境下水动力条件改变而产生的沉积滞留效应和沿程累积效应影响.研究表明,外源性污染源依然是导致水质变差的主要因素,梯级筑坝则是导致水质变差的间接因素.因此控制该区域人类活动所造成的外源性污染源,并针对不同种类污染物的季节变化特征实施合理的水库运行方式是改善水电梯级开发河段水质状况的关键.     

2009年环太湖入出湖河流水量及污染负荷通量

通过对2009年环太湖水文巡测及同步水质监测数据整理,得到2009年环太湖河流入出湖水量以及污染负荷,并将之与前期文献资料数据进行对比.结果表明,2009年环太湖河道入出湖水量分别为88.40×108 m3、93.27×108m3.入湖水量超过5×108m3的依次为陈东港、大浦港、梁溪河、太滆运河、望虞河.出湖水量最大...     

河网水质管理决策支持系统在引江济太中的应用

利用太湖流域河网水质管理决策支持系统（TAIHU DSS）,对2000年夏季望虞河应急调水进行了技术方案比较,论证,重点对望虞河引江应急调水过程中,常熟枢纽泵站运用,望虞河东岸分流与否及望虞河立交开闸前对底水的处理等不同条件下的望虞河入湖水量,水质等进行多方案比较,为望虞河启用泵站调水、东岸适当分流,先打开蠡河船闸处理望虞河底水的方案提供了决策的技术依据,并引发了对太湖流域引江济太工作的进一步深入研究和实践,是决策支持系统在实际工作中的成功应用之一。     

基于非线性时序分析的三峡支流浮游植物因果响应

水华的频发已成为当前三峡水库最为突出的生态环境问题之一。尽管水动力调控叠加上温度变暖和营养负荷增加会诱导水华暴发强度和频率增加,但仍缺乏有效的方法框架去利用野外观测数据评估环境因子与浮游植物间的因果关联。本研究以三峡水库澎溪河监测数据为例,采用非线性时序分析的建模框架来量化浮游植物的因果响应规律。数据来自于2007年6月至2018年9月澎溪河流域的高阳平湖和汉丰湖两个观测点,其中包含了水文、气象和水质及叶绿素a等11种变量。首先,利用奇异谱分析(SSA)分离了叶绿素a和环境因子的低维确定性动力学信号;其次,采用收敛交叉映射(CCM)方法检验了叶绿素a与环境因子间的因果关联。结果显示:(1)气象因子、支流流量、水温、三峡大坝水位和上游调节坝水位是影响高阳平湖叶绿素a时序变化的重要因素;(2)总氮、总磷为代表的营养盐只在汉丰湖观测点中表现出与叶绿素a的因果关系,且总氮较之于总磷对叶绿素a变化影响更为显著;(3)CCM结果与传统的皮尔森相关性分析及格兰杰因果检验比较,证实非线性时序分析方法在分析浮游植物的因果响应上更具优势。本研究为水生态系统的因果建模提供了研究范例,也为推动利用长期观测数据...     

Seasonal variation in benthic macroinvertebrate assemblages and water quality in an Afrotropical river catchment,northeastern Tanzania

Population growth and economic development have resulted in increased water demands, threatening freshwater resources. In riverine ecosystems, continuous monitoring of the river quality is needed to follow up on their ecological condition in the light of water pollution and habitat degradation. However, in many parts of the world, such monitoring is lacking, and ecological indicators have not been defined. In this study, we assessed seasonal variation in benthic macroinvertebrate assemblages in a tropical river catchment in northeastern Tanzania, which currently experiencing an increase in agricultural activities. We examined the potential of in-stream environmental variables and land-use patterns to predict the river macroinvertebrate assemblages, and also identified indicator taxa linked to specific water quality conditions. Macroinvertebrate abundance, taxon richness and TARISS (Tanzania River Scoring System) score were higher in the dry season most likely due to higher surface runoff from agricultural land and poorer water quality in the wet season. In the wet season macro invertebrates seem to be limited by chlorophyll-a, oxygen and phosphorous while in the dry season, when water flow is lower, nitrogen and turbidity become important. Substrate composition was important in both seasons. Given the fact that different selective filters limit macroinvertebrate assemblages in both seasons, a complete picture of water quality can only be established by monitoring in both seasons. Riparian buffer zones may help to alleviate some of the observed negative effects of agricultural activities on the river system in the wet season while limiting irrigation return flows may increase water quality in the dry season.     

新疆艾比湖流域枯、丰水期三维荧光光谱特性及其与水质的关系

以艾比湖流域主要入湖河流为研究对象,在5月（丰水期）和8月（枯水期）分别沿博尔塔拉河（博河）和精河进行采样,采用平行因子模型（PARAFAC）和三维荧光区域积分法对水体三维荧光特性进行研究并对其与水质的关系在枯、丰水期下的变化进行探讨.结果表明①河流DOM在枯水期与丰水期都含有C1（240、425 nm） UVC类腐殖质,C2（225、290 nm）紫外区内络氨酸类有机物,C3（230/280、330 nm）蛋白类有机物,C4（265、260 nm）腐殖质类共4种组分.通过对水体三维荧光进行区域积分可以看出DOM荧光成分的占比在不同时期的变化.博河在枯水期时EEM光谱中的区域Ⅲ富里酸含量低于丰水期,枯水期时区域Ⅱ芳香类蛋白质、区域Ⅳ可溶性微生物代谢物以及区域Ⅴ类腐殖质酸高于丰水期;对于精河来说,区域Ⅱ芳香类蛋白质和区域Ⅳ可溶性微生物代谢物在枯水期的含量高于丰水期,区域Ⅲ富里酸和区域Ⅴ类腐殖质酸的含量枯水期低于丰水期,这表明水体腐质化程度较高.②本研究选取了一些常规的荧光指数来描述枯、丰水期水体的荧光指数特性.经研究发现,精河的荧光指数、自生源指数和腐殖化指数在不同时期的变化幅度较小,而博河的变化幅度较大.③将荧光指数与水质参数进行相关性分析并建模,结果表明枯水期自生源指数（BIX）与化学需氧量呈显著正相关,相关系数R=0.688;丰水期时BIX与铵态氮浓度呈显著负相关,相关系数R=-0.493.通过对比分析艾比湖主要入湖河流的三维荧光光谱特性与水质在枯、丰水期时的关系进一步表明水体中DOM的特性以及在枯、丰水期下的差异,为艾比湖流域的治理改善提供一定的理论支持和参考依据.     

滇池新运粮河水质季节变化及河岸带生态修复的影响

新运粮河作为一条重要的滇池入湖河流,其水质直接影响滇池的生态健康与环境安全.运用单因子水质标识指数法探讨新运粮河下游水质季节变化规律及影响因子,并分析河岸带修复方式(护岸改造)对河流水质的影响.结果表明:铵氮,总氮,总磷,化学需氧量随时间变化明显.在5-10月的雨季,各指标浓度呈下降趋势,11月至次年4月的旱季,降水量少,各指标浓度呈上升趋势,且显著高于雨季时浓度,监测河段全年水质为劣Ⅴ类.木桩护岸河段营养盐去除率明显高于直立混凝土堤岸河段的去除率,同一护岸类型河段夏季去除率显著高于冬季.     

新疆艾比湖流域地表水丰水期和枯水期水质分异特征及污染源解析

采用2015年艾比湖流域54个采样点的10个地表水水质指标数据,首先利用水质指数模型(WQI)和地统计学方法对流域水质污染情况进行全局评价,然后利用层次聚类法、判别分析法和因子分析法分析艾比湖流域地表水丰水期和枯水期水质分异特征.在水质时空分异特征研究的基础上,利用主成分回归分析法对艾比湖流域水质进行污染源解析.结果表明:艾比湖流域丰水期WQI值介于38~70之间,枯水期WQI值介于31~71之间,艾比湖流域丰水期的地表水水质污染情况比枯水期严重,而艾比湖、博尔塔拉河和精河靠近艾比湖湖区的河道污染程度均比其他河道严重.由聚类分析和判别分析得出艾比湖流域丰水期和枯水期的水质采样点在空间上均被分成A、B两组,A组包括艾比湖湖区西部、奎屯河、古尔图河和四棵树河,B组包括艾比湖湖区东部、精河和博尔塔拉河.艾比湖流域丰水期和枯水期的水体主要受到化学需氧量、溶解氧、氨氮和悬浮物浓度等指标的影响,B组水质污染指标的值相比于A组的值偏高,B组区域内存在高污染企业,艾比湖流域水环境治理工作需主要集中在B组所包括的艾比湖湖区、博尔塔拉河和精河.(4)艾比湖湖区、精河和博尔塔拉河地表水体的污染主要来自于有机物污染和营养物质污染,其次为工矿业污染;而奎屯河、古尔图河、四棵树河地表水体的污染主要来自于有机物污染,其次为营养物质污染,生物污染的影响较为微弱.该研究结果可为艾比湖流域地表水水环境改善和治理提供一定参考.     

River discharge,land use change,and surface water quality in the Xiangjiang River,China

To compare the impacts of river discharge on the surface water quality of the Xiangjiang River in China, 12 surface water quality parameters recorded at 31 sampling sites from January 1998 to December 2008 along the river and its main tributaries were analyzed. Significantly higher concentrations of total nitrogen, ammoniacal nitrogen, and total phosphorus, and biochemical oxygen demand were observed during low‐flow periods than during high‐flow periods, implying a higher risk to local residents drinking untreated water during low‐flow periods. Pollution indexes, including the inorganic pollution index and integrated pollution index (IPI), were negatively related to impervious surface area (ISA) and cropland area (CLA) when ISA (CLA) was less than 160 (3000) km². However, the relationship was positive when ISA (CLA) was larger than 160 (3000) km², which provided a reasonable explanation for the observed spatial patterns of water quality. Distinct increasing temporal trends for two kinds of pollution indexes were also found. The annual ISA was significantly related to the rapid degradation of water quality from 1998 to 2008, with correlation coefficient (r) values of 0.816 (p = 0.002) and 0.711 (p = 0.014) for the organic pollution index (OPI) and IPI, respectively. However, annual rainfall was negatively correlated with the two indexes with r values of 0.785 (p = 0.002) and 0.448 (p = 0.093) for OPI and IPI, respectively. Our study highlights that decision makers should be more aware of recent increases in the pollution of the Xiangjiang River, especially at downriver sites and during low‐flow periods. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Artificial neural network modelling of concentrations of nitrogen,phosphorus and dissolved oxygen in a non‐point source polluted river in Zhejiang Province,southeast China

A back‐propagation algorithm neural network (BPNN) was developed to synchronously simulate concentrations of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and dissolved oxygen (DO) in response to agricultural non‐point source pollution (AGNPS) for any month and location in the Changle River, southeast China. Monthly river flow, water temperature, flow travel time, rainfall and upstream TN, TP and DO concentrations were selected as initial inputs of the BPNN through coupling correlation analysis and quadratic polynomial stepwise regression analysis for the outputs, i.e. downstream TN, TP and DO concentrations. The input variables and number of hidden nodes of the BPNN were then optimized using a combination of growing and pruning methods. The final structure of the BPNN was determined from simulated data based on experimental data for both the training and validation phases. The predicted values obtained using a BPNN consisting of the seven initial input variables (described above), one hidden layer with four nodes and three output variables matched well with observed values. The model indicated that decreasing upstream input concentrations during the dry season and control of NPS along the reach during average and flood seasons may be an effective way to improve Changle River water quality. If the necessary water quality and hydrology data are available, the methodology developed here can easily be applied to other case studies. The BPNN model is an easy‐to‐use modelling tool for managers to obtain rapid preliminary identification of spatiotemporal water quality variations in response to natural and artificial modifications of an agricultural drainage river. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于四维变分同化法的巢湖流域南淝河水质模拟

针对河流模拟中未知不确定性源对模拟精度的影响,以巢湖流域南淝河为研究对象,建立了基于四维变分同化方法的南淝河干流水质模型,研究了含未知污染源的南淝河水质过程模拟.模型以未知污染负荷的动态变化过程为控制变量,通过同化沿河不同断面的逐日水质监测数据,识别不同河段的逐日入河污染负荷过程来实现水质过程的模拟,改变了常规模型模拟需提前预知并输入污染负荷的应用前提.模拟结果表明,采用四维变分同化方法的水质模拟结果有明显改进,重点河段水质模拟的纳什效率系数从小于0提高到0.5以上.识别的入河污染过程与降雨过程波动总体一致,证实南淝河的入河污染与降雨过程密切;同时,模型也可识别异常的入河负荷,提高模型对水环境问题的诊断分析能力.该方法可推广应用于复杂河流系统,为巢湖等流域污染来源定量解析、水质预测预警及污染管控提供支持.