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 ℃。

金沙江下游流域梯级水库是我国西南地区重要的水能基地,在区域水资源合理开发利用方面发挥了重要作用。选取梯级水库之一的向家坝水库3条主要支流(中都河、西宁河和大汶溪)为研究对象,系统采集了69个河水样品,分析了河水化学组成,探讨了河水主要离子空间分布特征及其补给来源,并计算了河水潜在补给来源对离子浓度的贡献度。结果表明:向家坝水库3条支流河水均呈弱碱性,水化学类型均为Ca-Na-HCO₃-SO₄,与金沙江流域极为类似;河水主要离子浓度受大气输入、岩石风化和人为活动共同影响,不同离子补给来源空间差异性较小;根据质量平衡方程,岩石风化对3条支流河水主要离子浓度的贡献度平均为45.5%,其中,对中都河贡献达47.2%;人为活动对河水离子组份的影响几乎一致,贡献度均达40%以上;河水可溶性离子来源于大气输入的比例相对较低,平均值为12.6%。研究成果对分析金沙江下游梯级水库水化学组成特征及岩石风化过程具有指导意义。

滇池作为中国重要的淡水湖泊,其水质时空变化特征及富营养化状况备受关注。基于综合水质指数(WQI)及对数型幂函数普适指数公式,对滇池2021—2023年国控断面监测点水质及富营养状况进行评价与分析。结果表明:滇池水质评价等级分为一般、中等、良好3类,时间上夏季良好占比最少且WQI平均值最低,为水质最差季节,空间上草海水质优于外海。富营养等级分为中营养、轻度富营养、中度富营养3类,时间上春季滇池的富营养化问题最为严重,空间上草海的富营养化程度显著高于外海。造成这种时空差异性的原因是,水质方面主要受降雨、温度等因素的调控,富营养化程度则与光照强度、区域植物数量差异等因素相关。研究成果可为滇池水环境保护和可持续发展提供科学依据。

准确预测出水水质对于污水处理厂的节能降耗具有重要意义。近年来,以废水处理仿真基准模型1号(BSM1)为代表的机理模型和各种深度学习算法被广泛运用于污水处理厂出水水质预测。然而,出水水质具有复杂的非线性关系,现有的预测模型通用性较差。基于此,提出一种基于变分模态分解(VMD)和4种深度学习算法的预测框架。通过变分模态分解方法将水质序列分解后,引入综合评价指标(CEI)为分解后的子序列寻求预测性能最好的算法,最后叠加各子模型的预测值得到最终的预测结果。以湖北省武汉市的一座污水处理厂出水化学需氧量(COD)浓度为例进行实例验证,结果表明,所提出的模型较单一模型在预测性能上达到了最佳效果,均方根误差(RMSE)达到了0.485。

以汉江汉中段2022年1—12月期间20个采样断面的7种重金属及4种常规检测指标的实测数据为基础,通过数据挖掘和分析,揭示汉江汉中段水体重金属时空分布特征,运用内梅罗综合污染指数法评价水体重金属的污染现状,最后结合相关性分析和主成分分析,揭示该流域段水体重金属的主要来源。研究结果表明:该流域段水体7种重金属年均值浓度依次为Zn>Cr>Cu>Pb>As>Cd>Hg,均在《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅱ类标准限值内;高浓度断面主要分布在采矿和金属冶炼企业周边。从时间维度上看,该流域段丰水期的重金属污染指数略高于枯水期;以地表水Ⅰ类水质标准为参照,整体上该流域段处于尚清洁水平,主要污染因子为Cu和Cr。汉江汉中段水体重金属的第一主成分主要包含Pb、Zn、As、Cd和Hg,与水污染物氨氮(NH₃-N)同源,主要受工业源、交通运输、生活排污等人类活动的影响。第二主成分主要包括Cr、Hg和Cu,主要受周边工、农业生产活动的影响。研究成果可为汉江汉中段水污染治理和水质保护提供科学的依据。

水库泥沙淤积是制约水库综合效益发挥的关键因素,采用传统工程清淤方式会引起底泥的再悬浮,导致底泥向水体释放营养盐,进而影响库区水环境。研究提出合理、切实可行的生态清淤方案,合理规避泥沙清淤所产生的水环境污染,是水库泥沙综合利用的前提。围绕新水沙情势下三峡水库淤积泥沙生态清淤需求,对比评估了现有水库清淤技术的特点、适用性及环保性,并结合三峡水库分段淤积特征,提出了适合三峡水库的环境友好型生态清淤技术。在此基础上,选取涪陵、忠县典型淤积河段作为典型区域,建立了二维水动力-悬浮泥沙数学模型,模拟该河段在不同清淤设备下的清淤效果,提出了典型河段生态清淤技术方案。研究成果为三峡水库库容保障及其长期有效使用和综合效益的可持续发挥提供科学依据。

长江安徽段作为长江下游的初始河段,其水质变化状况一直备受关注。基于2021—2023年长江安徽29个国考断面逐日水质监测数据,采用综合水质指数法结合主成分分析、相关性分析等多种方法探究水质时空变化特征及其影响因素。结果表明:①长江安徽段水质指数整体平均值为71.65,水质状况较好。其中,COD_Mn、NH₃-N和TN为影响地区河流水环境质量的主要指标。②从空间上看,上游流域断面(除XK断面外)水质较下游流域更优,造成这一现象可能是由于上下游湖泊水系连通程度、矿产资源利用开发程度以及农业种植规模等有所差异。③从时间上看,受温度以及降水等气象因素影响,水质指数在4个季度上呈现先下降后上升的变化趋势,冬春季节水质优于夏秋季节。

水质预测是水污染防治的重要组成部分,但水质序列呈现出较强的随机性、不平稳性等特点,为进一步提高地表水质预测的精度,提出一种新型水质预测混合模型。首先采用自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)将原始水质序列分解,然后利用模糊散布熵(FuzzDE)将分量划分为高、中、低3种复杂度成分,其次分别利用改进螳螂算法(IMSA)优化后的双向长短时记忆网络(BiLSTM)、最小二乘支持向量机回归(LSSVR)、极限学习机(ELM)对高、中、低3种复杂度成分进行预测,并对预测结果进行组合重构,最后建立BiLSTM误差校正模型对误差进行修正,得到最终预测结果。利用沅江支流酉水两个断面的溶解氧浓度及湘江流域一个断面的pH值进行仿真验证,R²可达90%以上,结果表明混合模型预测的准确性优于其他对比预测模型。

多分散颗粒在自然环境中广泛存在,精确预测不利条件下(颗粒-介质表面存在排斥力)多分散颗粒在饱和介质中的运移和沉积至关重要。开展了不同离子强度条件下(1、6、20、200 mM)多分散颗粒(0.375~18.863 μm)人工回灌一维砂柱定流量试验,探索不同离子强度(不利条件和有利条件)下多分散颗粒的沉积特征,耦合不利条件下胶体吸附效率模型与多分散颗粒沉积模型,建立不利条件下多分散颗粒沉积模型,并进行相应的数值模拟。物理试验和数值模拟结果表明:相比有利条件,不利条件下微观尺度多分散颗粒的捕获概率因存在能量势垒而减小了8.5%~67.6%,颗粒粒径越小,颗粒捕获概率的降幅越大;有利条件下颗粒的最终沉积剖面曲线呈“上陡下缓”的超指数分布,沉积总量随离子强度的增加而增加,在砂柱上部的沉积总量为16.7%~24.6%,离子强度的降低加剧了沉积剖面“上陡下缓”的非均等分布。

淡水壳菜(Limnoperna fortunei)作为一种入侵型污损生物,对水利工程的危害日益严重,寻找有效的防治技术非常重要。通过探究不同光照强度和不同波长光照的环境条件对淡水壳菜行为特性的影响,用淡水壳菜的开壳、黏附、迁移和避光4种行为特性指标表征淡水壳菜对光照胁迫的响应,旨在为淡水壳菜的防控提供新的思路和方向。结果表明:①强光会一定程度抑制淡水壳菜分泌足丝黏附的行为,不同颜色的光对淡水壳菜足丝黏附的影响不同,其中白光,紫光和红光对淡水壳菜足丝的影响程度最明显,红光在光照强度40 000 lux下对足丝的黏附影响最为明显;②光照会引起淡水壳菜的迁移反应,且随着光强的增加,淡水壳菜移动距离呈现先增加后减小的趋势,在光照强度10 000~20 000 lux下淡水壳菜的迁移距离和避光率最大,但当光照强度达到40 000 lux时,光照胁迫会抑制淡水壳菜的迁移,并抑制其开壳生长;③体长在5~10 mm的淡水壳菜受光照胁迫更明显,受光照驱动更强,体长在10~30 mm的淡水壳菜对光照更耐受。本研究为认识光照对淡水壳菜行为特性的影响和淡水壳菜污损的防治方向提供了科学依据。

水体透明度提升是改善水质观感的重要技术路径。根据2023年4—12月对长三角一体化先行启动区内典型水体(湖荡、圩内河道、圩外河道)的实地监测结果,探讨区域内典型水体的透明度(SD)时空分布特征、影响因素及提升目标。研究结果表明:监测期间,湖荡、圩内河道、圩外河道SD均值分别在61.17、68.75、45.08 cm左右;空间上,西塘镇及黎里镇东南区域SD整体较好(>70 cm),而元荡、金泽镇东北区域以及太浦河相对较差(<50 cm);降雨对SD影响较大,尤其是圩内河道;相关性分析显示,悬浮物浓度为SD的首要相关指标(R=-0.65~-0.79),总磷与SD的负相关性在湖荡水体中尤为显著(R=-0.71),而叶绿素a仅在圩内河道中与SD无显著相关性。此外,研究进一步构建了SD与浊度、悬浮物、总磷的拟合曲线模型,其中SD与浊度的整体拟合效果最佳(R²=0.66~0.74),并以近岸主要的沉水植物能够存活为要求,确立了先行启动区SD的初期目标值应控制在59.14~83.06 cm以上。

为了解典型降雨事件下流域磷流失特征及其影响因素,于2022年和2023年汛期,在流域出口监测了5场不同强度的降雨事件,共采集样品265个并测定总磷(TP)、总溶解态磷(DP)、颗粒态磷(PP)浓度,分析不同降雨事件中磷浓度输出过程和影响因素,结合滞后分析揭示磷流失水文过程。结果表明:①不同类型降雨事件中TP、PP浓度与流量变化趋势一致。②降雨总量、降雨历时,洪峰流量、最大30 min降雨强度与磷浓度之间呈正相关,前期降雨指数与磷浓度呈负相关。③降雨过程中流失的磷以颗粒态为主,占比67%~93%。④TP、PP和DP浓度与流量之间没有统一的滞后效应;TP和PP的滞后效应一致,流域磷来自地表径流。

生物活性炭(BAC)滤池长期服役存在有机物去除效能下降甚至失效的风险。为了探究长期服役BAC滤池的有机物去除效能并提出针对性的运行优化方案,选取了Z市LC水厂服役12 a的BAC滤池作为研究对象,采用总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)去除效果对其运行性能进行分析,并从臭氧(Ozone,O₃)投加量和反冲洗方式等角度探究优化方案。结果表明:LC水厂对于有机物的去除效果存在较大波动,失效的风险较高。生物降解是长期服役BAC滤池去除有机物的主要机制,其贡献率为67%,而吸附作用的贡献率仅为33%;当O₃投加量为0.36~0.52 mg O₃/mg TOC时,LC水厂BAC滤池的运行性能较优,过低、过高的O₃投加量均不利于长期服役BAC滤池运行性能的提高;LC水厂表层和中上层BAC在反冲洗前均存在出水TOC升高的现象,使用含0.5 mg/L有效氯的水进行反冲洗有助于改善长期服役BAC滤池的运行性能。

水体浊度是水环境的重要指标,能够直观地反映水体质量优劣。以梁子湖为研究对象,基于GEE遥感云计算平台,利用2003—2021年的Aqua MODIS遥感数据,反演了该湖的水体浊度情况,并分析了其时空变化的特征。结果表明:①梁子湖冬春季节的水体浊度高于夏秋季节,其中冬春季节的浊度高于30 NTU,而夏秋季节的浊度低于20 NTU;②梁子湖的水体浊度在近年逐渐降低,2011年前,水体浊度平均值约为30 NTU,且空间差异显著,临近陆地的区域浊度约为50 NTU,相较于平均值更高,2011年之后,水体浊度均值逐渐降低,约为25 NTU,其中临近陆地的区域浊度约为30 NTU,降幅明显;③梁子湖的水体浊度与梁子湖保护区范围内的土地覆盖类型具有相关性,其中绿地面积对其影响最大,相关系数为-0.63,绿地面积越大,浊度越低。由此可见,近10 a来,梁子湖的水体整体浊度从30 NTU下降至25 NTU,降低了16.67%,梁子湖的湖泊治理取得了较大成效。

对湖泊水质进行准确、高效的预测,对于保护水资源、维护生态平衡以及促进经济发展等方面都具有重要意义。为此提出了一种基于模态分解、多维特征选择、时间卷积网络(TCN)、自注意力机制、双向长短期神经网络(BiLSTM)和双向门控循环单元(BiGRU)的湖泊总氮(TN)组合预测模型。首先,采用变分模态分解将TN原始序列分解成不同频率的本征模态函数(IMF),以降低原始序列的复杂度和非平稳性;随后,通过随机森林算法为每个IMF选择相关性强的特征,将筛选出的特征矩阵输入到添加自注意力机制的TCN-BiLSTM混合网络中进行建模,充分提取数据中隐藏的关键时序信息;最后,为进一步提升模型预测精度,采用BiGRU网络学习残差序列的细节特征,将残差与模型预测结果融合得到最终的预测值。以鄱阳湖都昌监测站的水质数据为例进行试验分析,结果表明本文模型相比于其他模型对TN浓度预测效果提升明显,其平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和决定系数(R²)分别为0.03 mg/L、0.049 mg/L、0.992。

长江上游地区的水库建设、河道改道、堤防修建和水文调节等人类活动对鱼类栖息地造成了严重影响,导致栖息环境恶化和大量栖息地的丧失。为了深入了解这种情况,选取长江上游保护区中段典型代表性朱沱站中4个典型河流断面近3 a的生境数据,分析典型断面的水文特征、水文情势、水环境质量、流速、水深以及珍稀特有鱼类空间分布特征,获取全面的鱼类生境特征数据。基于分析结果,提出建设完善的珍稀特有鱼类增殖放流措施。研究发现,99%的珍稀特有鱼类信号采集于低流速区(0.0~1.4 m/s),其中80%左右的鱼类聚集在流速低于0.8 m/s的缓流区;在冬季越冬期间,鱼群位置点的水深平均值为44.28 m,最小值为15 m,最大值为57.47 m。长江上游的绝对水深在23~56 m之间时,不足以提供鱼类栖息。但在蓄水期,水位抬高进而在同时满足流速、水深和干扰少等条件下,能够改善珍稀特有鱼类的生存环境。通过研究长江上游珍稀特有鱼类资源的生境特征,可以更好地了解鱼类的分布和迁徙规律,辅助合理规划和管理渔业资源。同时,研究增殖措施可以指导人工放流等管理行为,有助于恢复和增强鱼类种群,维持渔业可持续发展。

对采自松滋市陶家湖不同部位的3根沉积物柱状样品进行了重金属(Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、As)含量和粒度测定,利用潜在生态风险指数法和地累积指数法评价重金属潜在风险,并利用相关性分析和正交矩阵分解(PMF)模型进行来源解析。结果表明:陶家湖沉积物重金属污染整体上表现为湖心>湖岸>消落带,湖岸污染程度随深度增加而降低,湖心和消落带沉积物污染程度随深度增加而上升;其中,潜在生态风险评价结果显示6种重金属均为轻微生态危害水平,地累积指数评价结果表明Cr为偏中度风险,As、Cu、Pb、Zn和Ni主要表现为轻度风险。相关分析和PMF模型结果表明,沉积物中重金属来源包括矿业源、自然来源,以及农业和工业的复合源,贡献分别为18.8%、52.4%和28.8%,其中Cu主要受到矿业的影响,Pb主要受到自然来源的影响,As主要受到工业和农业活动的影响,Zn、Ni和Cr受到3种来源的影响;水动力条件和人类活动造成陶家湖重金属分布呈现空间差异,消落带水动力较强导致沉积物中重金属含量低于湖岸和湖心,水动力条件改变导致Pb、Ni垂向分布发生改变,矿业发展是造成Cu、Zn分布变化的主要原因,农业活动导致As逐年增加。