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 ℃。

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。