典型风力条件及水力调度下太湖藻华高频时空动态监测

湖泊藻华问题已成为全球水生态环境领域面临的长期挑战,风力条件变化和引调水工程的水力调度能改变湖体水动力结构,对藻类的生长和聚集过程产生影响,进行该过程的精细化监测和机制分析对于湖泊藻华预报预警和应急处置具有重要意义。本研究基于Hiamwari-8/AHI卫星遥感高频监测数据,对比分析了归一化差异植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)和浮游藻类指数(FAI)3种不同指数对太湖藻华的反演效果,开展了典型风力条件下和水力调度下太湖藻华生消过程的持续监测分析。结果表明,FAI对藻华区域和非藻华区域的区分更加明显,其阈值提取的藻华面积与基于MODIS图像解译的藻华面积的相对误差最低,为-2.27%。当营养盐充足且水温持续保持在蓝藻大量生长增殖的阈值以上时,风力条件是导致太湖藻类迁移聚集的关键因子,风向主要影响藻类的水平迁移,使其进行方向性迁移并逐渐形成大面积藻华区域。风速主要影响藻类的垂向迁移并存在临界阈值,当风速低于约2.5 m/s的临界风速时,藻华面积随风速增加而增加;当风速高于临界风速时,藻华面积随风速增加而降低。水力调度对距离较近的贡湖湾区域具有显著影响,主要通过水动力扰动来影响藻类的垂向迁移,使藻类沿水深方向强烈掺混,导致区域藻华面积下降。此外,持续且更大流量的调水将不断增强水动力扰动,减小区域藻华面积。本研究揭示了典型风力条件及水力调度下太湖藻华分布特征和迁移机理,可为湖泊藻华的精确动态监测预警和科学管控提供重要技术支撑。

拟建鄱阳湖水利枢纽对湖区水环境容量的影响

采用水动力水质模型模拟了鄱阳湖在极端退水年(2016年)和一般退水年(2017年)两种退水工况下拟建鄱阳湖水利枢纽建设前后的水动力水质过程,并构建湖区水环境容量模型评估了鄱阳湖拟建水利枢纽对湖区水质和水环境容量的影响。模拟结果表明:枢纽建设运行能显著增加鄱阳湖的水体体积,每月最大可增加77%;在退水初期主要降低湖泊中部的TP质量浓度,在极端退水年的退水后期会导致闸上TP质量浓度升高,在一般退水年则会导致闸上TP质量浓度降低,但对COD_(Mn)和NH_(3)-N质量浓度空间分布无明显影响;在极端退水年,枢纽建设运行会导致COD_(Mn)、NH_(3)-N和TP质量浓度增大,而在一般退水年则会导致TP的质量浓度降低;枢纽建设运行能显著提升COD_(Mn)和NH_(3)-N的水环境容量,在一般退水年会增大TP的水环境容量,但在极端退水年TP的水环境容量可能降低。

深圳市地表沉积物粒径分布及污染特性研究

该研究以深圳市龙岗区为对象,采集了商业区、居住小区、城中村、科教文卫区、交通用地、公园绿地等6种用地类型的地表沉积物,检测了地表沉积物粒径分布及总氮(TN)、氨氮(NH_(3)-N)、总磷(TP)的含量,分析了不同功能区地表沉积物中粒径分布的差异。在此基础上,分析了各功能区不同粒径沉积物中TN、NH_(3)-N与TP的分布特征。结果表明,各功能区地表沉积物累积强度差异较大,科教文卫区污染物累积量高于其他功能区,为203.47 g/m^(2),公园绿地累积量最小,为34.95 g/m^(2)。不同功能区地表沉积物TN、NH_(3)-N与TP负荷差异显著,城中村与住宅区的TN、NH_(3)-N负荷较大,而城中村、工业区和公园绿地TP负荷较大。不同功能区粒径>200μm的比例均值为40.5%,沉积物中大颗粒物质占主要部分。沉积物中TN与TP均表现出一定的富集特性,粒径<200μm的沉积物所携带TN、TP污染负荷比例最高分别可达90.1%、78.6%。因此,提高小颗粒物质的去除率是降低沉积物中氮、磷负荷的有效途径。

基于元胞自动机的应急疏散最短路径优化算法

为科学、高效地规划应急疏散最短路径,建立人员对障碍物的绕行距离场,提出一种基于元胞自动机的全局最短路径(GSPCA)优化算法;设置GSPCA2D和GSPCA3D等2种求解模式,并将该算法与基于欧氏距离的启发式搜索算法(A*算法)进行最短路径规划对比试验,分析GSPCA算法的特点和适用性。结果表明:与A*算法相比,GSPCA优化算法搜索结果全局性更好,可避免出现贴壁绕行现象,其最短路径平均缩短12. 39%(GSPCA2D)、16. 82%(GSPCA3D);GSPCA算法能考虑地形因素,可根据地形特征和实际应用需求合理选择求解模式。

基于元胞自动机的城市地表径流流向优化算法

在考虑城市地表复杂水力梯度特征的前提下,提出了一种基于元胞自动机的城市径流流向优化(UCA)算法,通过坡面流模拟试验选出不同流态的最优水量分配权重,并将UCA算法与D8、4+4N以及FMFD算法进行不同数学曲面上的单位汇流面积对比试验,选择相对误差、均方根误差和平均绝对误差对算法性能进行评价。结果表明:UCA算法中适用于城市陡坡汇聚流态和缓坡漫散流态模拟的最优水量分配权重取值分别为2.0和1.1,在凸坡、凹坡、山脊和直坡面上,UCA算法的单位汇流面积模拟结果与理论值的相对误差和均方根误差均最小;UCA算法既适合模拟城市平坦地形上的缓坡漫散流,又适合模拟城市水力梯度较大地形上的陡坡汇聚流,可为城市地表径流模拟提供更优的求解思路。

京杭运河苏北段秋冬季浮游植物群落结构特征及其与环境因子的关系

分析浮游植物群落结构和环境因子的关系,评估河流的水生态状况,为京杭运河苏北段的水生态环境保护提供参考。2020年10月(秋季)和2021年1月(冬季),对京杭运河苏北段布设的16个采样点开展了系统的水环境和浮游植物调查,根据Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和浮游植物细胞丰度进行了水质及水体营养状态的评价,利用Pearson相关性分析浮游植物与环境因子的关系。结果显示:京杭运河苏北段秋冬季共采集到浮游植物8门101种,其中秋季7门52种、冬季5门63种,秋冬季均是以绿藻门和硅藻门为主,2个门类的种类数在秋冬季浮游植物种类总数的占比分别达到了73%和82%;秋季浮游植物细胞丰度均值为49.1×10^(4)个/L,生物量均值为0.344 mg/L,冬季浮游植物细胞丰度均值为15.0×10^(4)个/L,生物量均值为0.193 mg/L;秋冬季浮游植物优势种主要以硅藻门(Bacillariophyta)和绿藻门(Chlorophyta)为主;秋季浮游植物的多样性评价结果优于冬季,秋冬季水体营养状态均为中营养型,相关性分析表明氮对京杭运河苏北段浮游植物群落结构的影响大于磷;行船引起的水体扰动也是造成浮游植物群落差异的重要因素。

基于压力-状态-响应和物元可拓模型的城市河流健康评价

城市河流作为人类活动和自然过程相互作用强烈的区域,承受着人类资源开发利用和污染物排放的压力,但近些年来随着对河流健康的重视,针对城市河流实施了大量的生态治理措施。综合考虑人类正负面影响对河流健康状态的影响,进行河流健康状态的评价,对于城市河流的修复效果检验和管理保护具有重要意义。以南京市鼓楼区典型城市河流西北护城河为研究区,根据河流周边土地利用类型、物理形态差异及城市管网分布将其划分为6个河段,考虑人类修复措施对河流健康水平的影响,构建了基于压力-状态-响应(Pressure-State-Response,PSR)模型的城市河流健康评价指标体系,采用物元可拓模型确定了河段健康等级,并根据各等级综合关联度之间的距离判断河流健康水平的发展趋势。结果表明:压力、状态以及响应准则层的权重分别为0.458、0.311、0.231,压力指标为影响城市河流健康水平的主要因素;西北护城河6个河段的健康水平表现出较强的空间异质性,河段A—F的健康等级分别为中等、健康、亚健康、中等、亚病态和病态,流经公园绿地的河段健康水平明显高于流经居民住宅区的河段,河段B、C、D的健康水平有进一步提升的趋势,而河段A、E、F的健康状态则有进一步恶化的趋势,需要进行重点关注。

湖泊藻类动态模型数据同化模式的改进

以太湖为研究区域,采用2014—2016年的水环境生态监测数据,率定了三维水生态动力学模型(3DHED),模拟了太湖蓝藻生物量的时空变化;通过融入遥感数据建立了基于集合卡尔曼滤波(EnKF)的蓝藻生物量预测数据同化(DA)模式,同时提出了一种改进数据同化(mDA)的策略,降低了遥感数据不确定性的影响,显著提升了模型模拟精度。结果表明:相比3DHED蓝藻生物量的模拟结果,DA模拟结果的均方根误差均值降低了10.4%,IOA均值增加了48.8%;mDA在DA基础上对蓝藻生物量的模拟精度进一步提升,其均方根误差均值为1.16 mg/L,在DA基础上降低了8.6%,IOA均值为0.71,在DA基础上增加了10.9%,并有效提升了对蓝藻生物量峰值的捕捉能力,表明提出的mDA方法能有效减小原DA模式中遥感观测数据误差的影响,提升水华模拟精度。

深圳市土地利用景观格局演变分析与情景模拟

选择城镇化过程特征突出的深圳市为研究对象,获取1980～2015年六期Landsat遥感数据进行土地利用景观格局变化分析,结合CA-Markov模型和Logistic回归进行土地利用变化模拟,并预测了深圳市2020年3种不同情景下的土地利用空间格局。结果表明:(1) 1980～2015年期间,建设用地面积不断增加并成为优势地类,农田和水体面积不断减少;在景观水平上,城市化前期土地利用破碎化程度加剧,后期则出现土地利用向集约化的转变。(2)使用5 a、10 a、20 a和30 a不同步长的转移矩阵模拟的2015年土地利用Kappa系数分别为0. 868、0. 844、0. 835和0. 846。不同步长转移矩阵对于模拟精度有一定影响。(3) 3种情景的深圳市2020年土地利用变化预测结果显示,驱动力情景下城市发展最快,城市自组织情景和生态控制情景增长趋势相似,生态控制情景下土地利用集约度更高。

三维水生态动力学模型的设计

湖泊的生态系统的恢复是一个长久的过程,而治理湖泊富营养化的根本办法就是对污染源的控制和生态的修复。在此基础上建立三维水生态动力学模型,以太湖为对象,将耦合湖泊生态模型SALMO和水动力模型SELFE,最终对主要的营养盐和产生"水华"的主要蓝藻,绿藻,硅藻这三种藻类进行模拟,准确而又能及时的获取整个湖泊的蓝藻的时空分布和繁殖变化。从而为水华爆发的范围和强度进行预测,在水华管理上发挥作用。

平原河网区湖泊湖荡群沉积相重金属污染特征及来源解析

里下河腹部地区是典型的平原河网区与水产养殖基地,湖泊湖荡多用于围圩开发,受水系交错、水流缓慢的影响,重金属污染一旦进入水体极易发生滞留,引发一系列水环境问题,进而危害食品安全。通过地累积指数法及Hakanson潜在生态危害指数法,对里下河地区28个典型湖泊湖荡沉积相重金属污染风险进行评价;基于重金属污染与当地工厂空间分布特征,结合主成分分析法,半定性、半定量地分析重金属污染来源,并通过相关性分析讨论工业排放与水产养殖对重金属含量的影响。结果表明:该区域沉积相Hg、Zn和Cd元素构成污染,含量分别是背景值的5.6、1.9和1.4倍,重金属综合潜在生态风险指数为152.4~599.4。沉积相Hg与其余重金属元素来源均不相同,历史上火电生产可能对Hg含量产生影响,湖泊湖荡与化工厂距离越近,沉积相Hg含量越高(r=0.42);水体中有机质易与沉积相Hg结合,故有机碳含量越高,沉积相Hg含量越高(r=0.54)。湖泊湖荡越靠近合金、电镀等金属材料加工行业,沉积相Zn(r=0.68)和Cd(r=0.59)的含量越高;且由于围圩养殖引起的湖泊湖荡水流不畅通,易导致Zn和Cd在沉积物中累积。以上研究结论可为平原河网地区重金属污染治理与食品安全保障提供科学依据。

上海市淀北片降雨径流过程污染时空特性分析

面源是城市水体的主要污染来源之一,其负荷强度及时空分布特征对于城市水环境污染防治具有重要意义.以上海市淀北片为研究区域,选择漕河泾为代表性汇水单元,按照屋面、路面、绿地3种下垫面,于2015年期间进行大、中、小3种雨型的径流-水质同步监测,分析降雨径流特性和面源污染负荷强度,并结合GIS估算区域面源污染负荷的空间分布.结果表明:淀北片CODMn、TP、TN、NH3-N年径流污染负荷强度均值分别为385.40、4.07、57.22、11.22 kg·hm-2·a-1,总体强度较大;屋面和路面径流污染负荷均具有一定程度的初期冲刷效应,对初期55%径流采取截流措施可有效控制60%~70%的面源污染负荷;根据受纳水体河道的空间拓扑,对研究区域进行汇水单元划分,并考虑雨型对污染物EMC(事件平均浓度)的影响,可更精确地估算城市面源污染负荷及其对城市河道的影响,为城市河道水环境治理提供污染负荷来源信息,从而对河道及城市面源污染进行高效而有针对性的治理.

流域水环境污染模拟及关键源区鉴别——以义乌江流域为例

以义乌江流域为研究区,应用SWAT模型模拟流域的径流、泥沙与水质过程,在分析流域内水文过程与污染负荷(总氮、总磷)时空分布特征的基础上,采用单位面积负荷指数法确定各子流域的氮磷流失强度,并划分5个等级,进而识别水环境污染的关键源区。结果表明:1)生活污染源是义乌江流域水环境污染的主要来源,氮磷的输入占比分别为52.7%和61.9%;2)氮、磷污染负荷排放主要集中在3—7月,分别占全年的66%和63%,高负荷强度区主要集中在义乌市城西街道、佛堂镇、东阳江镇和双溪乡;3)义乌江流域的关键源区为18个子流域中的4个子流域。基于流域水环境污染定量模拟识别,建立了关键污染源区的识别方法,可为高污染负荷流域的水环境污染防控提供参考。

基于PSR的围圩养殖区湖泊湖荡群水生态系统健康评价

以典型围圩养殖区江苏省里下河腹部地区的41个湖泊湖荡为研究对象,分析筛选了围圩养殖对生态系统影响的主要指标,基于PSR方法评价了湖泊湖荡群的水生态系统健康状况.结果表明,选取的养殖面积占比、斑块密度及退圩还湖政策规划等指标能够有效反映区域的围圩养殖特色,全面表征围圩养殖对生态系统压力、状态、响应的影响.评价结果显示,里下河腹部地区41个湖泊湖荡中综合指数等级健康的占比4.9%,亚健康的占比87.8%,不健康的占比7.3%.研究结果可为围圩养殖区湖泊水生态系统健康评价、退圩还湖及水生态修复规划提供重要的技术方法.

城市闸控河流浮游植物群落结构特征及影响因素

以典型城市闸控河流—南京市西北护城河为研究对象,通过开展2019-2020年4个不同季度的水环境及浮游植物采样调查,综合分析了城市闸控河流浮游植物群落结构的时空变化特征,探讨了环境因子、水位调控和护岸类型等对浮游植物群落结构的影响.结果显示,南京市西北护城河四季共采集到浮游植物7门90种,主要隶属于硅藻门(Bacillariophyta)和绿藻门(Chlorophyta),夏季和春季物种数多,冬季和秋季物种数少.浮游植物密度为2.1×10^(3)~5.47×10^(6) cells·L^(-1),生物量为2×10^(-3)~6.28 mg·L^(-1);浮游植物Shannon-Wiener多样性指数为0.60~2.35,Pielou均匀度指数为0.17~0.59,处于中度污染状态.西北护城河浮游植物群落结构不仅受水温及营养盐等环境因子影响,还与水位调控及河流护岸类型密切相关.高频率水位调控能有效减少有害藻类的聚集爆发,生态护岸保留了自然河流中的生态循环系统,可为浮游植物提供更有利的生境条件.