调水工程对过水性湖泊中污染物迁移转化的影响

调水工程是缓解水资源时空分布不均以及用水供需矛盾的主要工程措施,也是生态环境的重要修复手段。但调水工程的介入会对沿线过水性湖泊产生复杂的物理、化学、水文、微生物等影响,进而对湖泊污染物迁移转化机制造成影响。综述了不同引调水方案对过水性湖泊水体水动力、理化性质(悬浮颗粒(SPM)、透明度(WT)和溶解氧(DO))以及污染物(营养盐、重金属和有机污染物)迁移转化规律影响的研究进展。结果表明:调水工程的介入通常会增强过水性湖泊的水动力条件,且调度流量越大、湖泊水体越浅,则流速梯度和水流切应力越大。同时,增大的流速和切应力会影响上覆水体中SPM的形态特征,并增大SPM浓度、DO及小型湖泊中的WT。此外,引调水虽然能减小湖泊平均水龄,促进湖泊水体循环,但也会刺激湖泊营养盐、重金属和有机污染物的内源释放。因此,引调水工程可作为紧急情况下的应急措施,但并不能成为解决湖泊富营养化问题的根本措施。研究结果可为全面评估调水工程对湖泊水生态的影响以及制定更合理的引调水方案提供参考。

一种考虑容量沿程变化的水环境容量计算方法

基于水环境容量的定义和本质内涵,厘清目前常用的计算中小型河流的零维和一维环境容量计算方法中存在的不足。针对现有计算方法的不足与弊端,考虑了河流环境容量是沿程变化的这一事实,提出一种中小型河流环境容量的计算新方法,该方法消除了现行方法中夸大的部分环境容量,更契合天然实用情形;在此基础上,推求出河道存在环境容量的临界判据,即最大允许排污浓度或河道最大允许超标长度比例,并进行了算例的应用与比较。

生物炭与有机肥对水稻土中呋虫胺吸附及消散特征的影响

呋虫胺(dinotefuran,DIN)是防治稻田病虫害的主要杀虫剂,其施用后会对生态环境造成潜在风险。生物炭与有机肥的配施是一种兼顾肥力的土壤修复技术,但DIN在该类修复土壤中的环境归趋仍不清晰。该研究制备了400℃和900℃热解温度下的花生壳生物炭(PS400和PS900)作为典型生物炭材料,采用鸡粪堆肥(composted chicken manure,CM)作为典型外源有机肥,揭示了生物炭与有机肥对水稻土中DIN吸附、消散及形态转换机制的影响。结果表明,生物炭和有机肥均能提高水稻土对DIN的吸附能力,且效果排序从大到小为:PS400、PS900、CM;其Freundlich吸附系数(K_(f))从未修复水稻土的0.31增至2.80(PS400-CM配施的水稻土)。同时,生物炭与有机肥均能加快水稻土中DIN的消散速率,PS400-CM配施可将水稻土中DIN的半衰期(T_(1/2))从100.3 d缩短至38.1 d。在DIN赋存的3种土壤吸附形态(即:弱吸附态、稳定吸附态和强吸附态)中,添加生物炭会使DIN的主要赋存形态从弱吸附态向稳定吸附态转化;未修复水稻土中稳定吸附态占比为13%±3%,而添加生物炭后稳定吸附态占比增至46%±7%。研究结果表明生物炭和有机肥配施是一种既可降低DIN流动性又可促进其降解的农田土壤修复方法。

新烟碱类农药在土壤中环境行为的研究进展

目前新烟碱类农药已占据了世界最大的杀虫剂市场份额,同时土壤是该类农药进入环境系统的源头,厘清其在土壤中的环境行为对探索新烟碱类农药的环境归趋和生态评价均具有重要的意义.本文总结并梳理了新烟碱类农药在土壤中主要环境行为的研究现状,包括吸附、解吸及降解行为;分析了农药本身性质、土壤成分及类型、pH值、温度、含水量等因子对该类农药吸附和解吸的影响机制;同时探讨了降解土壤新烟碱类农药的微生物菌群、光解和水解机理,并对新烟碱类农药未来的研究重点和方向提出了展望.

生态沟渠对农田面源污染的消减机理及其影响因子分析

农业生产过程中肥料和农药的大量施用,造成农田面源污染问题日益突出,开发农田面源污染的减控技术对生态修复具有重要的意义。生态沟渠不仅兼具农田排水沟的过水功能,同时是有效消减面源污染且适合中国农情的重要生态措施之一。该研究阐述了生态沟渠对农田面源污染的消减机理(底泥吸附及植物阻抗作用、植物/微生物吸收作用、降解去除作用);通过整理分析559组生态沟渠野外观测试验数据,剖析了污染物初始浓度、水力停留时间、植物种类、生物量这4个主要影响因子对农田排水中N、P及农药去除率的影响;进而采用多元线性回归模型将多因子影响与N、P及农药去除率之间建立定量关系。结果表明总氮和总磷的去除率随单一因子污染物初始浓度、水力停留时间或生物量增大而增大,但与植物种类没有显著关系(P>0.05);且多元线性回归模型结果表明污染物初始浓度的对总氮/总磷去除率的贡献大于生物量。农药的去除率随水力停留时间、生物量增大而增大,随污染物初始浓度增大而减小,与植物种类没有显著关系(P>0.05)。研究可为生态沟渠的合理构建和设计提供理论和技术支撑。

基于改进布谷鸟算法的城镇环状给水管网优化

城镇环状给水管网的优化设计对于降低整体工程造价起到重要作用。以管网投资总费用最小为目标,以各管段管径为决策变量,构建了环状管网的离散非线性优化模型。针对环状管网优化模型中等式约束多、决策变量离散化、极易陷入局部最优等问题,提出了一种耦合水力模拟引擎的布谷鸟算法(CS-EPANET)。此外,通过螺旋更新机制,进一步平衡了该算法的全局和局部寻优能力;并通过对该算法参数的动态改进,提升了算法迭代后期的搜索速率和精度。通过Two-loop、Hanoi算例和多环供水管网实例计算,验证了该算法的可行性和有效性。

耦合中心游移和双权重因子的鲸鱼算法及应用

针对鲸鱼优化算法(WOA)收敛精度低、收敛速度慢、易陷入局部优化等问题,提出耦合中心游移和双权重因子的鲸鱼算法(C-A-WWOA)。该算法采用中心游移和边界邻域更新策略,提高了种群质量、收敛精度和收敛速度;通过算法参数的非线性改进,平衡了算法的局部开发与全局搜索能力;还采用双权重因子对后期种群进行随机扰动,以避免算法后期陷入局部最优。通过18个测试函数的计算表明,相较于WOA和其他改进方案,C-A-WWOA在没有增加算法复杂度的基础上,提高了收敛精度和适用性。同时,不同改进策略下对算法性能的影响排序为:C-A-WWOA>W-WOA>C-WOA≈A-WOA>WOA;此外,改进算法在两个工程结构设计实例的应用中,也验证了其有效性和优越性。

生物炭对土壤新烟碱类农药环境行为的影响

当前大量施用的新烟碱类农药已对土壤环境造成了潜在危害,添加生物炭是一种阻控该类农药在土壤中流动,并降低其生态风险的有效方法,因此厘清生物炭对土壤中新烟碱类农药环境行为的影响具有重要的现实意义。该文梳理并总结了新烟碱类农药在生物炭土壤中的主要环境行为,重点阐释了不同制备材料和热解温度、不同添加量的生物炭及其他主控因子对土壤新烟碱类农药吸附、解吸及降解行为影响;进而分析现阶段研究中的不足,对未来的研究方向进行展望,可为土壤中生物炭调控技术的发展提供参考。

巢湖水域四溴双酚A的多介质迁移与归趋模拟

运用Ⅲ级逸度模型,模拟并研究了不同水动力条件下四溴双酚A(TBBPA)在巢湖水-沉积物系统中各环境相的浓度、储量以及相间的迁移通量.结果表明:TBBPA在水相、再悬浮颗粒相和沉积物相中的模拟计算浓度与实测平均浓度吻合度较高,验证了模型的有效性,并通过灵敏度分析探讨了模拟关键参数.当系统达到平衡时,沉积物是TBBPA最大的储库(占系统总储量86%以上).同时,由于较强的水动力条件会改变系统再悬浮特征以及降解半衰期等关键参数,进而降低了各环境相中TBBPA的浓度值,增加了水相和再悬浮颗粒相中的储量比例,并增加了水体-再悬浮颗粒、沉积物-再悬浮颗粒的相间交换通量.此外,TBBPA在巢湖水-沉积物系统中损失的主要途径为沉积物相的降解(占入湖总量87%以上).

氮磷比对湖泊富营养化模型参数敏感性的影响

运用Morris方法研究了蓝藻暴发期不同氮磷比条件下,巢湖富营养化模型中蓝藻、溶解有机碳、营养物和溶解氧的参数敏感性.结果表明:蓝藻的敏感参数随氮磷比不同有显著差异;氮缺乏情况下,蓝藻对氮转化过程相关参数较敏感;磷缺乏情况下则反之.在任何氮磷比条件下,溶解有机碳、营养物和溶解氧等非生物变量都是对直接参与其自身转化过程的参数最为敏感,它们在不同氮磷比情况下的敏感参数差异较小.相比较蓝藻生长过程的参数,基础代谢过程的参数对所有变量的影响都更强.此外,各个参数的敏感性与它们的相互作用强度呈显著正相关,且这种相关性在极端氮或磷缺乏情况下尤为显著.本研究的结果有助于深入理解湖泊富营养化现象、改善富营养化模型模拟效果和精度.

基于QSAR模型预测有机污染物在XAD与空气中的分配系数

基于定量构效关系(QSAR),运用线性(逐步多元回归MLR)和非线性(支持向量机SVM)两种计算方法开发了两种可靠且高效预测聚苯乙烯二乙烯基苯树脂(XAD)和空气之间分配系数(K_(XAD-A))的模型.构建模型的数据包含醇类(Alcohols),苯类(Benzenes),多氯联苯(PCBs)和多环芳香烃(PAHs)等,共计70种有机污染物.两个模型的决定系数R^(2)_(adj)和外部验证系数Q^(2)_(ext)均在0.930以上,同时所有物质均在定义的应用域内,结果表明两种QSAR模型有较高的拟合度、稳健性和较为优秀的预测能力,且非线性(SVM)模型比线性(MLR)模型的拟合效果更好.

基于QSAR关系预测PCBs和部分PAHs在LDPE中的扩散系数

分子扩散系数(D)是获得污染物与环境介质之间的平衡分配系数(K)的重要前提,然而通过实验测定获取污染物的扩散系数的过程过于繁琐,因此需开发一种更为简单、高效、准确的预测模型来定量预测扩散系数.为此,本文搜集了一些多环芳香烃(PAHs)和多氯联苯(PCBs)在低密度聚乙烯膜(LDPE)上扩散系数(log D)的实测值,基于定量结构-活性关系(QSAR),利用逐步多元线性回归(MLR)构建了预测D值的模型.模型的决定系数R_(adj)~2为0.941,交叉验证系数Q_(LOO)~2为0.934,外部系数Q_(ext)~2为0.895.结果表明,该QSAR模型具有良好的拟合优度、稳健性和预测能力,其可用来预测应用域内有机污染物在LDPE膜上的扩散系数.

新烟碱类农药在环境系统中污染现状的研究进展

新烟碱类农药自20世纪80年代上市以来便一直备受关注。近年来,在农田、河流、湿地、湖泊以及大气等多种环境介质中均检测到新烟碱类农药的存在,并且经过食物链循环,对人类和动物的生命健康造成危害。本文综述了新烟碱类农药在农田、河流、湿地、湖泊以及大气中的污染现状,为评估其暴露水平、制定生态标准等提供了理论基础。

基于TLSER关系预测POPs在PUF与空气中的分配系数

为开发一种简洁高效预测KPA值的方法,本文收集了包含多氯联苯(PCBs)、苯类(Benzenes)、多环芳香烃(PAHs)和杀虫剂(Pesticides)等,共95种污染物在聚氨酯泡沫塑料(PUF)与空气中分配系数(KPA)的实验值,基于理论线性溶解能关系(TLSER),运用逐步多元线性回归(MLR)构建了预测KPA值的模型.结果表明,模型的决定系数R2 adj为0.901,外部验证系数Q2 ext为0.748.TLSER模型有较好的拟合度、稳健性和预测能力,可以预测应用域内POPs在PUF和空气之间的分配系数.

气候变化影响下农田温室气体释放的研究进展

农业活动所产生的温室气体在全球温室气体排放中所占比重较大,对气候变化的影响不可忽视。探索减少农田系统中温室气体(GHGs)释放的方法,是实现“双碳”战略目标的必要手段。本文综述了当前主流的气候变化模型、农田GHGs释放机理,进而剖析了气候变化对农田GHGs释放的影响以及相关模型研究。研究表明,大气温度(T)和CO_(2)浓度升高都会影响微生物的呼吸作用及活性导致农田GHGs释放量增加。为减少气候变化对农田GHGs释放的影响,可通过改变农艺措施(如覆膜、干湿交替灌溉频率、耕作方式等)以减少农田GHGs释放。本研究可为减少农田GHGs释放提供指导性建议。

基于可解释性机器学习的纳滤膜去除有机微污染物研究

纳滤膜对微污染物去除效率受膜特性、微污染物性质和实验条件等因素影响,优化这些影响因素对纳滤工艺的成功应用至关重要,然而实验优化过程不能同时兼顾多因素对去除效能的交互影响.为此,基于线性、非线性和集成学习算法,开发了4种纳滤膜对有机微污染物去除效率的预测模型,并验证了模型的预测性能和可行性.在拟合程度、稳健性和外部预测能力等方面对开发的模型进行了对比分析研究,结果表明,用集成学习算法开发的XGBoost模型能够准确识别影响膜分离过程中的关键因素,在预测纳滤膜对微污染物的去除效率方面表现出强大的潜力(R_(adj)^(2)=0.977,Q_(ext)^(2)=0.877,Q_(LOO)^(2)=0.875).此外,利用SHAP解释方法定量解析了各驱动因素对纳滤膜去除微污染物效率的贡献,证明纳滤膜的截留分子量、膜表面接触角和污染物的尺寸是微污染物去除过程中重要的影响因素.首次将模型解释方法应用于特征变量的选择过程,使集成算法(XGBoost)模型的性能得到进一步优化.所开发的机器学习模型,有利于优化实验设计,为复杂的膜分离系统的建模与应用提供科学依据和技术支持.