为评价向家坝水库水体营养状态及水质时空变化特征,基于2021年3月—2024年2月该水库11个干流监测断面和13个支流监测断面的逐月监测数据,采用综合营养状态指数(TLI(∑))法、系统聚类分析、Mann-Kendall时间序列变化趋势分析及Spearman相关性分析方法,探究其营养状态、水质时空变化规律及主要影响因素。结果表明:①研究期间,向家坝水库干流和支流水体的TLI(∑)总体处于贫营养至中营养水平,干流水体的TLI(∑)及各项水质参数整体优于支流。干流水体的TN和TP浓度受上游来水、支流汇入、城镇点源及沉积物内源释放多重因素协同调控,对降水响应不显著;支流水体中的N、P输入以面源污染为主导,其TN和TP浓度与降水量总体呈正相关关系。②干流上游(XJB07—XJB11)水质显著优于下游(XJB01—XJB06),主要是由于下游接纳更多支流汇入及城镇点源排放,且水流流速降低削弱了稀释自净能力;支流中,位于小汶溪河口的库湾河段的监测断面的TLI(∑)最高,各项水质参数最差。③研究期间向家坝水库干流和支流水体的TLI(∑)和TP、COD_Mn浓度总体呈下降趋势,SD呈上升趋势,水质总体改善;但Chl-a浓度呈上升趋势,干流下游及部分支流断面TN浓度轻微恶化,主要与光照条件改善及沉积物内源释放促进浮游植物生长有关。④5—9月份,向家坝水库干流水体的TLI(∑)和TN、TP、COD_Mn浓度升高,SD下降;10月份—次年4月份,蓄水使TN浓度于11月份达峰值,秋冬季沉积物内源释放使表层营养盐回升,Chl-a浓度急剧上升。支流多数监测断面与干流变化趋势一致。综上,鉴于库区下游及库湾沉积物中仍蓄积较多N、P营养盐,内源释放构成潜在威胁,建议后续管理坚持外源削减与内源清理并重,强化流域面源及点源污染管控,科学实施沉积物疏浚,以保障水库水生态安全。

河流是“三水”(水资源-水环境-水生态)的重要载体,对维持区域生态功能、保障饮用水安全等方面至关重要。人类活动可能会严重损害流域,特别是农业密集区的生态完整性,现有水生态健康评价研究常常忽视了“三水”融合中的关键因素和协同机制。以淮北平原农业密集区的车辙沟为例,利用主成分分析和熵权法筛选出7个关键指标,基于水资源-水环境-水生态构建了一个农业密集区的水生态健康评价体系。结果表明,车辙沟流域水系呈现明显湖泊型河道特征,长期氮磷输入导致水体处于轻度富营养化状态,水体交换周期长(110~179 d)、水资源利用效率高(43%)以及浮游植物丰度不高,车辙沟水体水生态健康被划分为中等状态(III级),且夏季的水生态健康程度显著低于其他时段。这可能归因于气象因素和人类活动导致的富营养化和生物多样性减少,最终导致水生态健康程度不高。研究揭示了农业密集区湖泊型河道“水资源高利用率-水环境富营养化-水生态生物群落退化”的链式关联机制,为农业密集区的水生态健康评价和可持续发展提供技术支持。

针对目前丹江口消落区普遍存在农业种植对库湾水质安全造成潜在风险的问题,通过对比种植和降雨前后土壤、库湾水体中典型污染物的浓度变化,开展土壤浸泡模拟试验,计算典型污染物释放速率,评估降雨冲刷和浸泡条件下典型污染物释放对库湾水质的影响。结果显示:多数土壤在种植后总氮(TN)和总磷(TP)含量上升,降雨后土壤TN和TP含量均呈下降趋势,表明农业种植增加了土壤在降雨冲刷下的污染物释放风险。降雨后消落区对应库湾水体TN和TP浓度呈上升趋势,库湾水质明显下降。室内模拟浸泡试验表明农业种植增加了TN、TP释放风险,试验点位的年TN释放速率上升了65%~386%,年TP释放速率上升了6%~232%,增加了消落区淹没情况下库湾水质风险。研究结果表明应在典型种植季节加强库湾水质的加密监测,可为精准实施消落区在典型种植季节的巡查和化肥施用管控提供参考。

氮素是天然水体的关键限制性营养盐,其时空分布特征深刻影响着丹江口水库水环境质量及其富营养化演变进程,对南水北调中线工程核心水源区的水质安全具有重要战略意义。于2024年3月份(非汛期)和9月份(汛期)系统采集丹江口水库入库支流表层水样及库区表、中、底三层剖面水样,通过测定总氮、硝氮、氨氮以及溶解性有机氮浓度,解析不同形态氮素时空分异规律,并探讨其成因。结果表明:硝态氮是水库非汛期水体氮的主要赋存形态,而进入汛期后,溶解性有机氮含量显著上升,并与硝态氮共同主导水体氮素赋存。在纵向空间上,汉库来水入库后,硝态氮浓度总体沿水流运动方向呈递减趋势,反映水动力过程对氮素输移的调控作用;而在垂向空间上,硝态氮浓度均值在非汛期与汛期均表现为底层>中层>表层的典型特征,且汛期垂向差异更为显著,推测与表层水体中光化学反硝化作用消减硝态氮,叠加汛期水体热分层抑制垂向混合密切相关。此外,非汛期汉库溶解性有机氮浓度显著高于丹库,并在垂向上呈现向底层减少的趋势,而丹库呈现向底层增加的趋势,推测与丹库缓流条件下细颗粒悬浮物对溶解性有机氮的吸附-沉降效应有关。

官山河流域作为丹江口水库的典型直接入库流域,其面源污染对库区水质影响显著。为明确官山河流域面源污染总氮(TN)和总磷(TP)负荷量的时空分布特征及其污染贡献来源,耦合降雨因子与地形因子,对传统输出系数模型进行改进,并估算了官山河流域2021—2024年面源污染TN、TP负荷量并评估其时空变化特征。结果表明:改进输出系数模型估算TN、TP负荷量的相对误差均<10%,模拟精度显著提升;2021—2024年期间,官山河流域TN、TP负荷量分别减少了67.84%和80.06%,主要归因于林地面积增加、耕地面积减少、畜禽养殖规模调整以及人口数量下降;TN、TP负荷强度高值区分别集中在白鹤镇和官山镇。研究成果旨在为官山河流域面源污染有效防控提供定量依据,进而为保障南水北调工程水质安全提供科学参考。

为解决高原湖泊滇池在农业面源、城市面源与雨污合流复合污染条件下水质恶化问题，构建了一套集污染识别、空间溯源与推理于一体的贝叶斯网络风险评估框架，支撑滇池“分区治理-靶向修复”。基于2021—2024年滇池10个国控断面水质监测数据，采用最大支撑树-广度优先搜索-K2混合算法构建贝叶斯网络模型，开展水质等级推理、敏感性分析与致因链识别，实现滇池水质风险的空间化评估与关键节点溯源。研究结果表明：滇池的典型污染物为总磷，2025年全湖水质达Ⅳ类，2035年断桥、罗家营、观音山东、草海中心超标风险分别为66%、59%、42%、41%，海口西、白鱼口、观音山中、观音山西水质超标风险等级低；滇池内污染迁移路径为“灰湾中→白鱼口→观音山中→观音山东→罗家营”，灰湾中、白鱼口及观音山中站点的水质微小变化会导致海口西水质剧变；白鱼口、观音山中、观音山东、罗家营、灰湾中监测站是海口河的主要污染源。建立的集污染识别、风险推理与空间溯源于一体的贝叶斯网络评估框架可为滇池水质分区治理与高原湖泊水生态管理提供科学依据。

针对三峡库区中小河流河口泥沙沉积易造成内源污染的问题，以常年回水区典型中小河流泥溪河与朱衣河为研究对象，通过泥沙淤积调查、泥沙理化特性分析以及环境风险评估开展研究。研究表明：泥溪河与朱衣河河口均有显著泥沙沉积，泥沙中粉粒占76%以上；泥溪河泥沙氮磷含量从研究河段上游至河口呈增高趋势，朱衣河泥沙总有机碳含量从上游至河口呈下降趋势；两研究河段泥沙综合污染指数最高分别为0.7和0.8，风险较低，但有机氮质量分数最高分别为0.110 7%和0.103 1%，存在轻度过量；泥沙多金属的潜在生态风险指数最高分别为68.07和123.94，污染程度为低。目前两研究河段整体水环境风险较低，研究结果为大型水库区域的中小河流管理与生态保护提供了科学依据。

针对小微表面流人工湿地营养盐去除效率时空异质性内在机制及水生植物根际效应调控作用尚不明晰等科学问题，依托某湿地为研究对象，通过水质检测与微生物高通量测序，系统解析氮磷去除时空分布特征及微生物驱动机制，阐明基质类型与植物根际对微生物群落组成及其代谢潜力调控机制。结果表明，总氮去除率呈显著季节差异（夏75.6%>秋64.9%>春54.3%>冬21.9%），该过程与功能菌群演替及代谢潜力变化紧密相关，春夏季显著富集科萨克氏菌、芽孢杆菌、 新草螺菌、Ellin6067、厌氧黏细菌等氮循环功能菌，氮代谢潜力显著高于秋冬季。总磷去除率受微生物作用与吸附沉降作用协同调控，呈现季节性变化（夏74.9%>春65.6%>秋59.8%>冬46.7%），微生物作用影响季节波动，表现为春夏季显著富集马赛菌、芽孢杆菌、糖单孢菌、芽单胞菌等磷循环功能菌，磷代谢潜力显著高于秋冬季。空间维度呈现氮磷代谢潜力稳定性，基质类型（砾石/非根际土壤/根际土壤）显著改变菌群组成，但氮磷代谢潜力基质间无显著差异，为小微湿地特定尺度下弱化根际边界效应和功能冗余维持代谢稳态机制提供了实证依据。据此提出前置除磷单元、降低水生植物配置精细度、定向接种氮磷功能菌群、强化水温和pH值调控等优化建议。

适宜的水动力条件是四大家鱼亲鱼集群产卵的关键生态基础。为明确宜昌江段四大家鱼亲鱼集群的适宜生态流量,提出了亲鱼集群的水动力适宜性曲线,并构建了产卵场三维水动力模型和物理栖息地模型(PHABSIM)。通过模拟三峡水库不同出库流量下四大家鱼集群栖息地加权可利用体积(WUV),定量评估了四大家鱼集群生境的空间响应特征。结果表明:宜昌江段四大家鱼亲鱼集群的WUV随着流量增加呈先增大再缓慢减小的趋势,当出库流量为14 000 m³/s时WUV达到最大,占研究河段总体积(PUV)的71.7%;促进宜昌江段四大家鱼集群的三峡水库生态调度出库流量应维持为10 000~20 000 m³/s,最优出库流量为12 000~16 000 m³/s。研究成果可为三峡水库精准实施针对四大家鱼集群等关键生活史的生态水利过程调控、提升水库生态效益提供科学依据。

研究不同尺度景观背景对地表水水质的影响对流域生态系统的管理及水质提升具有重要意义。以丹江口库区石板河小流域为研究区,研究了子流域、100 m圆形缓冲区、200 m圆形缓冲区、100 m河流缓冲区和200 m河流缓冲区尺度下景观背景对河流水质的影响,探讨了景观背景对地表水水质的作用机制。结果表明,石板河小流域地表水的总氮(TN)和硝态氮( ${NO}_{3}^{-}-N$)浓度较高。耕地和林地占比对河流水质具有重要的影响,在子流域、100 m和200 m河流缓冲区尺度上,其相关性更为显著。在子流域尺度上,斑块密度与TN、 ${NO}_{3}^{-}-N$浓度呈极显著相关关系;蔓延度指数、斑块结合度、香浓多样性指数和香浓均匀度指数是影响水质的重要指标,且在子流域和100 m河流缓冲区尺度作用力更大。景观背景对河流水质的影响具有明显的尺度效应,子流域和采样点100 m河流缓冲区是影响河流水质的关键尺度。研究结果是对丹江口库区景观格局指数在不同尺度上对水质的差异化影响的有效补充,可为制定科学合理的水质保护与提升措施提供重要参考依据。

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。