高效、快速、精确的水质参数监测是水质状况评估、污染防控、生态保护及人类健康保障的基础。基于自研水体高光谱感知装备,分析了化学需氧量(COD)、总悬浮物(TSS)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH₃-N)等关键水质参数的光谱特征,遴选了特征波段;并基于单波段、波段比值、归一化指数等经验方法及BP神经网络、随机森林、XGBoost等机器学习方法,构建了面向多水质参数的自适应高光谱感知优选框架,突破了传统单一算法在复杂水环境下的适应性局限。在最优算法的训练/验证数据集中,各最优算法的决定系数在0.88~0.99之间,分别有100%(COD)、91%(TSS)、90%(TP)、90%(TN)、95%(NH₃-N)的样点MAPE<30%,达到水质监测实用要求。研究成果可为7×24 h的水质连续监测提供技术支撑,对推动高光谱感知技术在水环境监测、水土保持监测等领域的产业化应用具有重要意义。

三峡水库源汇变化一直是水库温室气体变化监测分析的热点。利用Picarro G2301温室气体在线分析仪多频次监测湖北段消落带和水库水体的二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)碳通量,分析不同月份CO₂、CH₄碳通量的变化特征和交互关系。结果表明:①三峡库区湖北段消落带CO₂和CH₄碳通量均值分别为409.63、-0.01 mg/(m²·h),在监测月份内CO₂呈排放状态,CH₄呈吸收状态;②消落带CO₂和CH₄碳通量呈负相关,且消落带CH₄碳通量与水库水体温室气体碳通量相关性高于CO₂;③温度与消落带、水库水体的CO₂和CH₄碳通量的相关性相反,其与CO₂碳通量相关性高于CH₄碳通量。研究成果为三峡库区湖北段消落带碳通量监测分析提供了宝贵数据,可提升三峡库区温室气体碳通量演变的科学认知和净通量的估算精度。

针对多因素交互作用对水体自净能力影响不明晰的问题,通过构建多因子正交试验,结合响应面法(RSM)和结构方程模型(SEM),揭示涵盖气象条件、污染物浓度值和生物作用3种类型在内的典型影响因素间的非线性交互机制。响应面法分析发现,当各因素在最优参数组合(温度24.8 ℃、溶氧量5.9 mg/L、流速0.27 m/s、COD负荷量<100 mg/L、微生物丰度4.7×10⁷ CFU/mL)时,自净效率η可显著提高,达83.24%,此时,氧传质效率达到峰值。另外,在二元因子交互作用中,最显著交互项T×DO的协同贡献率达45.52%。结构方程模型路径分析显示,流速和温度通过直接效应和间接效应(路径v➝DO➝η,v➝DO➝Mi➝η,T➝DO➝η,T➝Mi➝η,T➝DO➝Mi➝η)双重机制影响水体自净过程,总效应相比单因素直接效应均提高0.25。研究证实环境因子间存在协同放大机制与显著阈值效应,该发现为复杂水环境下的水体自净能力及其影响因素评估提供了新的量化依据。

水库水质预测是城市供水引水工程的关键。为提高水库水体溶解氧含量预测精度,提出一种基于奇异谱分析(SSA)、改进的蜣螂算法(IDBO)、优化门控循环单元(GRU)以及残差序列预测差值校正方法(DCM)的混合预测模型SSA-IDBO-GRU-DCM。该混合预测模型首先将溶解氧含量时间序列进行SSA后重构,将重构后的趋势、周期和残差的分量输入到 GRU进行预测,对于复杂的残差分量提出VMD-GRU预测差值校正模型以提高预测精度,采用IDBO优化网络模型中的超参数,最后将3个分量进行叠加得到预测结果。利用该混合预测模型对河北唐山大黑汀水库溶解氧含量进行预测。结果表明,提出的混合预测模型均方根误差为0.580 2 mg/L、平均绝对误差为0.329 2 mg/L、决定系数R²为0.918 8。相较其他模型,混合预测模型的预测精度更高。

新污染物“微塑料”在我国水库环境中广泛存在,严重威胁着水库的水质安全和生态功能稳定。我国水库微塑料污染现状的研究主要集中在长江及其支流地区,不同区域和时期下微塑料污染水平差异较大,其中水体微塑料丰度范围在120~156 667个/m³,沉积物微塑料丰度在75.6~63 081个/kg。水库的调度运行通过大坝拦截和水库水文水动力条件改变等作用会显著影响微塑料在水库中的环境行为和输移过程,间接影响微塑料的生态环境效应。结合近年来国内外相关研究进展,系统梳理了我国水库微塑料的污染现状,分析了水库调度运行对微塑料输移过程的影响,并探讨了微塑料对水库生态环境的潜在风险。此外,还从微塑料的过程阻断和末端处理环节具体地提出了水库微塑料的防治对策建议,以期为保障我国水库水质安全与生态环境保护提供科学依据和决策参考。

为探讨不同植物与复合基质对污水厂尾水中氮磷的去除效果,选用水菖蒲、黄花鸢尾和水葱3种挺水植物,结合天然锰砂、沸石和陶粒组成的复合基质,构建人工湿地系统,模拟污水厂尾水处理过程。试验结果表明,水葱和水菖蒲组合(Gp3组)在总磷、总氮、氨氮和硝态氮的去除效果上表现最佳,总磷去除率达93.2%,总氮去除率为77.7%,氨氮去除率为91.7%,硝态氮去除率为70.6%。污染物浓度在前30天快速下降,之后趋于平缓。微生物群落分析显示,Gp3组的微生物多样性最高,优势菌门为变形菌门和拟杆菌门,其中γ-变形菌纲在反硝化过程中起关键作用。结果表明,植物组合及其根系微生物群落的协同作用对氮磷去除效果显著,锰砂作为基质材料具有潜在的应用价值。

丹江口水库是南水北调中线工程水源地,亟需研究库区水温时空分布规律。开展了为期1 a的丹江口水库水温原型观测,研究分析了库区水温时空变化特征及其影响因素。结果表明:丹江口水库为典型的水温分层型水库,其垂向水温分布具有明显季节变化特征,汛期和平水期稳定分层,且平水期出现双温跃层,枯水期则分层不明显;水库表层水温与气温相关性较高,相关性系数为0.976;丹库和汉库呈现不同的水体交换特征,其中汉库水体滞留时间长达257 d、径流-库容比数为1.417,主要呈现河道型水库特征,丹库为湖泊型水库,丹库水体滞留时间长达336 d、径流-库容比数为1.084,水温垂向分层时间较汉库更持久。研究成果可为丹江口水库氮磷等迁移转化以及水质季节变化等相关研究提供重要参考。

生态流量是河湖水生态环境健康的重要保障。分析2023年1月—2024年7月长江流域114个重要控制断面生态流量达标情况。分析结果表明:断面总体达标率62%(71个),其余38%断面生态流量不达标天数为1~170 d,平均为25.8 d;年内达标率呈季节性单峰模式,即夏秋高、冬春低;二级流域之间达标率差异显著,跨省断面达标率低于非跨省断面,长江干流右岸断面达标率低于左岸。降水径流季节分配不均、水利工程建设改变河道流量分布、生产生活取水和跨省水量分配不平衡是部分断面不达标的主要原因。大部分断面的生态流量达标情况较好地反映了水生态环境状况,但二者匹配度在一些断面仍较低。设置生态流量目标一方面要考虑流量年内变化,使丰、枯水期有所差异;另一方面要保证生态敏感区的生态流量。此外,还应考虑采用更灵活的监测频率,引入生态环境与生态流量的综合考核体系,同时关注各级流域的生态流量整体达标情况。

为准确评估太湖西部湖区的重金属来源,对该湖区小流域尺度土壤和沉积物中重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb的含量进行测定,并采用富集因子(EF)、地累积指数(I_geo)和潜在生态风险指数法综合开展了重金属生态风险评价。结果表明,沉积物中重金属含量普遍高于土壤中相应重金属含量;北部湖区沉积物重金属含量高于中部和南部湖区,沉积物中约88.4%的重金属含量增量来自陆源河流和径流的入湖排放。富集因子(EF)和地累积指数(I_geo)评估结果表明湖泊沉积物存在不同程度的重金属累积和污染风险,沉积物中Cr、Ni、Cu和Zn等重金属元素的生态风险值显著高于土壤中相应元素的生态风险值,表明这些重金属元素具有较高的潜在生态风险。潜在生态风险指数评估表明,Cd具有高生态风险值,且沉积物具有中至高程度的综合生态风险。太湖沉积物中重金属由于陆源输入包括土壤地表侵蚀而存在潜在生态风险。研究结果可为太湖流域重金属管理提供重要的陆源管理信息和依据。

识别影响水质的关键景观格局因子,对流域水质综合治理具有重要意义。基于2014年1月—2024年8月逐月水质数据,采用冗余分析和相关分析相结合的方式,对比分析高关水库流域汛期和非汛期景观格局因子与水体氨氮含量之间的关系。结果表明:①高关水库流域内景观组成优势斑块类型明显,林地面积最大,占比超过84.9%,对水质具有明显的改善作用。②非汛期景观格局因子与水体氨氮含量的相关程度比汛期更强或者更明显,景观组成与水体氨氮含量的关系也是如此。③在汛期和非汛期,随着景观多样性、分裂度和破碎度的增加,地表径流携带污染物进入水体的风险增加,加重水体氨氮污染;最大斑块指数在汛期与氨氮含量呈负相关,在非汛期则呈极显著正相关,蔓延度指数与氨氮含量的关系则与之相反,说明汛期景观整体性越好,破碎度低,能够降低氨氮的输出,而非汛期越接近水体的“源”景观类型,由于存在距离优势对于水质的影响更为重要。综合来看,林地在高关水库流域中对水质提升作用较其他地类要明显;非汛期时段景观格局因子对水质的控制和影响能力相对于汛期更显著,但总体上仍然是汛期景观整体性主控水库水质,而非汛期则是距离水库水体较近的污染“源”地块主控水库水质。研究结果对高管水库后续流域综合治理及水质改善具有重要意义。

张掖市作为中国西北地区的重要生态屏障,其河流水生态健康对区域生态安全具有至关重要的作用。为全面掌握张掖市境内河流在不同水期的水生态健康状况,基于2023年张掖市境内7条河流全河段136个采样点的底栖动物调査数据,构建了张掖市境内河流底栖动物生物完整性评价指标体系。调查涵盖了丰水期和枯水期,共鉴定出底栖动物5门8纲17目51科159种。研究结果表明,节肢动物在两个水期中均为绝对优势类群,特别是四节蜉属(Baetis sp.)和直突摇蚊属(Orthocladius sp.)。底栖动物生物完整性指数(B-IBI)评价结果显示,各河流整体水生态健康状况较好,不同水期之间的健康状况差异不大,枯水期和丰水期的健康点位占比分别为42.39%和42.71%。研究结果可为张掖市生态保护与管理提供科学依据。

底栖动物处于河流生态系统食物链的中间环节,通过构建良好的栖息地来促进底栖动物群落恢复健康,是河流生态修复工作的关键基础。在凤凰溪生态修复工程中,设计出适宜多种底栖动物定殖的栖息地模块并开展应用试验,于工程施工前和工程实施1 a后,分别采集、鉴定底栖动物样品,并分析生态学指标。结果显示,工程实施后河道内底栖动物总分类单元数由9提升至10~11,敏感类群单元数由0提升至3~4,EPT分类单元数由0提升至1,Shannon-Wiener多样性指数由1.838提升至2.016~2.293,丰富度指数由2.824提升至3.004~3.509,均匀度指数由0.837提升至0.876~0.958,生物指数(BI)由7.171降至5.369~5.733,生物监测工作组记分(BMWP)由24提升至49。与敏感类群相关的指标在验证底栖动物群落恢复效果方面有较强的灵敏度和适用性,宜在类似研究或工程中应用。

鉴于南水北调中线工程总干渠受跨渠桥梁运输及汛期外洪入渠等影响,存在突发水污染风险,构建包括节制闸、分水口、倒虹吸、退水闸的渠道一维水动力模型,求解圣维南方程组模拟渠道水流运动特性;引入控制体,推导出一维对流-扩散方程的离散格式进行求解,模拟渠道污染输移过程。模型计算程序基于FORTRAN90语言开发,实现突发水污染扩散及多闸联控处置在线预演。模拟结果表明:关闭分水口、增加退水闸排水量可显著提高污染物排放效率,节制闸关闭速度决定污染控制效果。研究成果为南水北调中线工程突发水污染事件的防控提供了技术支持。

为评估四湖流域生态修复后水质的时空变化特征及污染源,基于2022—2023年水环境调查数据,结合水质环境质量指数(WQI)、相关性分析及主成分分析,对丰水期、平水期及枯水期水质指标进行了监测和分析。结果表明: ①四湖流域水质表现出明显的时空变化规律,丰水期水温(WT)、氨氮( {\mathrm{NH}}_4^{+}-N)浓度、总磷(TP)浓度及高锰酸盐指数(COD_Mn)较平、枯水期明显升高,而溶解氧(DO)及总氮(TN)浓度的变化趋势则相反;平水期浊度(TUR)大于其他时期,化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD₅)的变化差异不显著。空间分布上,下游水体的TUR、COD_Mn、COD和BOD₅浓度明显高于中上游,中游水体的 {\mathrm{NH}}_4^{+}-N浓度高于上、下游,上游水体的TP和TN浓度较低,且干流水质普遍较支流差。②WQI范围为15.61~32.88,整体水质为“差”“非常差”水平,且WQI呈现平水期 > 枯水期 > 丰水期的趋势,空间上为上游 > 中游 > 下游、支流 > 干流的变化特征。③主成分分析表明,污染源主要来自生活污水、工业废水、养殖及农业灌溉排水等外源污染,以及水体沉积物和动植物残体腐烂等内源污染。综上所述,尽管四湖流域已实施生态修复工程,但水质改善仍面临挑战,研究结果为区域污染防治与生态环境保护提供了科学依据。

为研究青草沙水库南侧排水工程建成投运对长兴岛河网水质的影响,构建了长兴岛一维河网水动力水质模型,量化分析了不同工况下工程运行对长兴岛河道水质的影响,并进一步提出了长兴岛水资源优化调度方案。结果表明:当长兴岛泵闸按日常调度时,工程的运行可将长兴岛高锰酸盐指数Ⅲ类及以上的河长占比由25%提升至35%~40%,总磷Ⅱ类及以上的河长占比由72%提升至77%~82%;西引东排方案对长兴岛河网的总磷改善效果明显优于日常调度方案,工程最大流量工况下可将长兴岛总磷Ⅱ类及以上河长占比提升至95%。

水环境氮污染治理管控已成为环境科学领域的研究热点。然而污染治理措施制定与措施生效之间常存在时间滞后的问题,当前学界普遍认为其原因在于历史输入的氮素仍以生物地球化学遗留氮或水文遗留氮的形式滞留在流域内,将持续影响当前地表水质。因此,掌握氮素输出对输入的滞后响应规律便成为精准治氮的关键一环。然而,现行的水文模型常忽略或简化这一过程。介绍了氮素污染治理滞后现象的影响因素及滞后时间与遗留负荷的定量评估方法的近期进展,提出现有模型在量化遗留氮空间分布特征上还存在不足,建议在氮素溯源基础上增加对于氮素输出途径的了解,建立源-径耦合的氮素输出模型,以求在短时间内以最小资金投入实现水质的迅速提升。

为了探索三峡工程运行前后长江干流污染物通量变化规律,基于2000—2023年长江干流重要控制断面污染物及径流量监测数据,分析各断面水质、径流量以及污染物通量逐年变化情况,并开展通量相关性分析。采用Spearman相关性分析法评估分析了三峡工程运行前后污染物通量时空变化特征,结果表明:2000—2023年长江干流沿程各断面主要污染物高锰酸盐指数(COD_Mn)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)浓度年际变化均呈现总体下降趋势,2013年是长江干流水质变化的重要转折点;三峡水库坝上断面年径流量和污染物年通量特征值变化趋势一致性更高,三峡工程对长江干流污染物存在明显的拦截效应;长江干流主要污染物指标中COD_Mn与径流量呈极显著性相关,三峡大坝的拦截作用放大了泥沙对坝上断面水体TP的影响,从而削减了径流量的影响,导致坝上断面TP与径流量相关性不显著,三峡水库对上游来水的缓冲作用,使得坝下断面水体中NH₃-N浓度年际变化较小,进一步证实了三峡工程运行对长江干流主要污染物通量变化存在显著影响。研究成果可为长江流域水环境管理和保护提供科学依据。

东昆仑山北缘的那棱格勒河流域不仅是青藏高原地热、河流、盐湖并存且联系补给的典型区域,更是研究高山-深盆转换带硼元素富集成矿的热点流域。针对流域尺度硼元素迁移过程中的同位素分馏影响,系统阐述硼元素特性及其同位素示踪的优势和局限性,解析那棱格勒河流域地热水、河水、盐湖卤水的高硼元素富集特征与水化学一致性,辨析河流与盐湖的高硼物质来源。基于当前那棱格勒河流域地表水体硼元素富集与成矿研究现状,提出研究河流、源汇过程需探讨风化、示踪方法需量化指标等关键问题,以期深入理解青藏高原“地热-河流-盐湖”系统中硼元素地表循环过程。

天然水体磷污染治理一直是社会关注的难题,降雨冲刷造成的高负荷磷冲击是河湖(库)磷超标的主要来源,开发雨污水高效除磷技术十分迫切。研发了铜-铁/海藻硅酸钠凝胶类碳微球(Cu-Fe/SAC)粒子反应器,以Cu-Fe/SAC为粒子电极,利用Cu-Fe/SAC良好的吸附性能及导电性能,在交变电场作用下,依次通过电吸附富集磷➝颗粒态磷固化➝电解吸释放磷➝颗粒态磷沉淀,在微纳曝气辅助下,极大提升了雨污水中总磷(TP)去除效率。探索了不同影响因素下,粒子反应器除磷最佳参数,并开展了验证试验,探讨了除磷机理。试验结果表明,雨污水除磷最佳参数为:电流密度5 mA/cm²,Cu-Fe/SAC填充量12 g/L,曝气强度120 mL/min,经30 min反应时间,雨污水TP去除率达90.6%,处理后雨污水TP含量满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类水标准。

针对我国河流水温长期连续观测数据不足,难以精准量化水温长期变化趋势的问题,结合水文年鉴实测数据与ERA5-Land气候再分析数据,采用XGBoost机器学习算法,建立基于气象和水文要素的水温估算模型,重构长江干流7个水文站点1980—2022年的逐日水温数据。结果显示:①XGBoost算法表现出色,模型在朱沱、汉口、大通站的RMSE和R²值分别为0.831~1.021 ℃和0.951~0.987。②从朱沱至大通,水温增温速率为0.20~0.32 ℃/(10 a),其中通江湖泊站点增温幅度最大。③月尺度分析表明,水温升高与气温、地面下行长波辐射同步,水位变化存在滞后,其中宜昌站水温与水位相关性最强(R²=0.666),而其他站点则与气温相关性最强。④近10 a增温显著,与1980—1996年相比,1997—2012年水温升高0.38~0.75 ℃,而2013—2022年继续增加0.17~0.38 ℃。