太子河干流总氮与氨氮水质参数反演及时空变化研究

太子河是辽宁省的重要水系之一。随着对水体环境的日益重视,太子河流域水环境质量逐年好转,其研究方向逐渐由“治理为主”转向“监控为主、治理为辅”,提升太子河水质参数监测的时效性成为更为紧迫的任务。为了对太子河总氮(TN)和氨氮(NH_(4)^(+)-N)水质指标进行实时监测,基于太子河流域2014—2019年10个监测断面的数据,通过剖析Landsat 8遥感影像不同波段反射率的组合与监测断面实测水质数据的线性关系,结合反向传播(BP)神经网络模型的优化,建立了TN和NH_(4)^(+)-N浓度的水质参数反演模型,并反演了2014—2019年太子河干流TN和NH_(4)^(+)-N浓度的时空分布规律。结果表明,构建的BP神经网络优化模型预测效果较好,TN和NH_(4)^(+)-N的决定系数(R^(2))分别为0.777和0.550,均方根误差(RMSE)为1.464和0.667 mg·L^(-1),适用于对流域TN和NH_(4)^(+)-N的反演。2014—2019年TN和NH_(4)^(+)-N水质参数整体趋势向好,NH_(4)^(+)-N浓度处于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水标准,TN浓度常年处于Ⅴ类水质标准。太子河流域TN和NH_(4)^(+)-N浓度空间差异性较大,上游区域水质较好,中游区域水质明显下降,下游小林子至唐马寨区域水质较差。综上所述,基于BP神经网络算法优化的太子河流域水质反演是可行的,对时空两个尺度的反演结果可信且时效性较强。

辽宁太子河流域生态系统服务权衡/协同关系时空变化与情景预测

研究生态系统服务权衡与协同关系为制定合理的区域社会-生态系统管理方案提供依据,促进区域可持续发展。太子河是维护辽宁中部城市群生态安全和用水安全的重要保障,以重工业为主的产业布局使得该区生态安全受到威胁,严重影响社会经济的可持续发展。综合气象、土地利用等多源数据,借助InVEST模型,探究太子河流域固碳、土壤保持、生境质量的时空特征;采用Pearson相关分析法,探讨不同样点尺度、不同地类上权衡与协同关系的时空变化,并对2030年不同土地利用情景进行预测。结果表明:①三种生态系统服务在各尺度上(除100m尺度)均为协同关系,且样点尺度越大,相关系数越高。②在不同地类中,耕地、林地、草地三种地类生态系统服务功能类似,以土壤保持功能为主,碳储功能其次;生态系统服务的热点区分布在流域的东部,冷点区集中在流域西部。③不同预测情景下三种生态系统服务间仍为协同关系,在保护情景下生境质量最好、水域面积最多,生态系统服务能力最高;开发情景下建设用地面积增加最多,但生境质量最差。

河流突发水污染事件峰值模拟及预警研究

为了最大程度地降低突发水污染事件带来的损失,采用MIKE11水动力—水质耦合模型,对太子河流域本溪段突发水污染事件进行模拟。模型验证的结果表明,构建的水动力—水质耦合模型满足精度要求。模拟4种情景的含挥发酚废水超标排放,结果表明:在相同条件下,污染物峰值浓度与排放强度、瞬时排放量呈正相关;排放地点距离监测断面越近,污染物峰值浓度越高;排放强度不会影响污染物到达监测断面及峰值浓度的时间。不同挥发酚超标排放的模拟结果可以为相关河流突发水污染事件提供预测预警,还可以为应急处置提供参考。

基于生态系统服务价值的浑河-太子河流域生态承载力分析

探究流域生态承载力变化是协调人类活动与资源压力、经济增长与生态保护、人地和谐与可持续发展的关键,可为城市群流域生态系统服务与生物资源生态承载力评估提供参考。基于遥感和统计数据,分析了辽宁中部城市群所在的浑河-太子河流域1990-2018年长时间序列的土地利用变化,并以居民消费指数(CPI)和粮食产量修正的生态系统服务价值当量为基础,以生态足迹模型为框架,研究浑太流域生态服务价值与具有生态服务功能的森林、草地、农田、水生态系统的生物资源生态承载力变化。结果显示,林地和耕地为浑河-太子河流域主要用地类型,二者主要呈东西分布,1990-2018年建设用地增加最多,面积达11.97×10^(4)hm^(2),主要由耕地和林地转入。浑太流域1990年、2000年、2010年、2018年的生态系统服务价值(ESV)分别为1117.04×10^(8)、653.35×10^(8)、1182.83×10^(8)、1215.34×10^(8)元,1990-2000年ESV总值下降最明显,达到了41.51%,2000-2010年涨幅最高,为81.05%,1990-2018年涨幅为8.80%,调节服务为流域主导功能。浑太流域生物资源生态承载力空间上大体呈东高西低分布,低值区域主要出现在城市群主城区;时间上总体稳定,1990年生物资源生态承载力最强,为281.20×10^(4) ghm^(2),生态赤字仅出现在2000年。研究表明,浑河-太子河流域生态系统服务功能对区域生态稳定有重要作用。

太子河流域平原区浅层地下水化学特征及水质分析

为掌握太子河流域平原区浅层地下水化学特征及水质状况,本文应用水化学成分分析法、相关性分析法、舒卡列夫分类法、Piper三线图解法、模糊综合评价法等方法,对该区域19眼浅层地下水监测井2018年水质监测数据进行分析。结果表明,研究区域浅层地下水化学类型以HCO3-Ca型、HCO3·Cl-Ca型、HCO3-Ca·Mg型为主,水质优于或达到Ⅲ类的监测井占比仅为31.6%,铁、锰指标超标现象较为普遍,部分监测井耗氧量、硝酸盐、氨氮等指标超标。

太子河流域景观格局时空演变及其对水源涵养的影响

基于InVEST模型,研究了太子河流域2000—2020年水源涵养时空分布特征,定量评估了研究期土地利用变化及景观格局演变,并采用皮尔逊相关分析法和地理加权回归模型研究了景观格局和水源涵养量之间的关系。结果表明:景观水平上,最大斑块指数、蔓延度指数和聚集度指数越高,则水源涵养量越高;类型水平上,耕地数量越多、斑块密度越大、景观分离度越大,林地优势度越高,建设用地景观越分裂、斑块数量越少、斑块密度越小,则水源涵养力越高;空间上,流域大部分区域景观蔓延度指数对水源涵养起正向作用,耕地斑块数量、斑块密度分别在流域中南部和西北部对水源涵养起正向作用,林地斑块面积比在全域对水源涵养起正向作用,建设用地斑块数量、斑块密度、斑块面积比对水源涵养均以负向作用为主。

太子河辽阳城区段浮游生物群落结构调查

于2021年1—12月对太子河辽阳城区段浮游生物群落结构进行了调查,评价了其水质状况。结果表明,调查共采集到浮游植物7门53属110种,其中硅藻门59种,绿藻门32种,蓝藻门8种,甲藻门4种,隐藻门和裸藻门各3种,金藻门1种;浮游动物4个门类25属36种,其中轮虫类23种,原生动物7种,枝角类和桡足类各3种。浮游植物密度为4.70×10^(4)~2.68×10^(6)ind./L,均值为5.35×10^(5)ind./L。浮游动物密度为1.0~280.0 ind./L,均值为33.5 ind./L。指出,太子河辽阳城区段水体处于中污染状态。

太子河小林子站旱警水位(流量)确定研究

旱警水位(流量)作为反映江河湖库干旱程度的警示性指标,亦是启动抗旱应急响应的重要依据。本文以辽宁太子河重要控制站——小林子水文站为例,选择综合法计算河道旱警水位(流量),并将计算结果与相关资料进行对比分析,得出计算结果基本合理,研究成果可为辽宁省抗旱业务提供技术支撑。

基于多元统计分析和RBFNNs的水质评价方法

提出了一种基于多元统计分析和RBFNNs的水质评价方法,其可适用于大尺度、多断面、长时间的水质评价工作,旨在补充以往相关研究工作.其主要程序为:利用方差分析对各断面多年水质监测样本进行时间与空间尺度上的显著差异性分析,识别出具有显著差异的样本,然后通过层次聚类分析把上述样本进行聚类分组,最后应用径向基神经网络对各组样本进行水质评价,并把此评价结果再分解到各断面各时段,此方法的特点为在不损失信息的前提下能大大减轻水质评价工作量,且客观可信、分辨率高,并能综合反映总体与个别特征.以辽宁省太子河为例,通过方差分析将2001～2003年6个断面的144个样本归纳为存在显著差异的74个样本,再通过聚类分析得到9个相似组,相应的水质评价结果为2.7394、4.4306、4.0994、2.777、4.2192、4.1214、4.4129、4.4259、4.4359,与传统单项指数法的结果基本一致.具体落实到各断面,结果表明,2001～2003年间太子河大部分断面的水质处于IV类以上.

鱼类生物群落对太子河流域土地利用、河岸带栖息地质量的响应

河流生态系统的退化是多空间尺度环境因子作用的结果。探讨不同尺度环境因子及水生生物之间的作用关系,识别影响水生生物群落完整性的尺度问题,是有效开展水生生物保护的基础。基于2009年对太子河流域15个样点的鱼类、河岸带栖息地质量评价,结合遥感影像解译的太子河流域土地利用情况(包括流域尺度和河段尺度),研究鱼类完整性指数(F-IBI)与两种尺度土地利用、栖息地质量参数之间的关系。结果表明太子河上游地区河岸栖息地质量较好,下游地区由于农业用地、城镇用地比例的增加河岸栖息地质量明显下降。F-IBI与自然用地比例呈正相关,与农业、城镇用地比例呈负相关。农业用地对F-IBI的影响体现在流域尺度,而城镇用地在两种尺度上都存在显著影响。相比于农业用地,城镇用地相同比例的增加会导致F-IBI更快的下降。底质、水质状况、人类活动强度是显著影响F-IBI的栖息地质量评价参数。3项参数均随农业和城镇用地比例增加而降低,农业用地主要在流域尺度上对3项参数产生影响,城镇用地主要影响底质和水质状况2项参数,而在两种尺度上的影响相差不大。

太子河鱼类群落结构空间分布特征

以辽河流域太子河为例,开展鱼类生态调查,分析鱼类群落的空间分布特征,在此基础上进行鱼类地理分布区域划分.结果表明,太子河鱼类分属2纲9目12科36属44种,符合辽河亚区鱼类的分布特征,其种类繁多,且以纺锤形体型的鲤科鱼类居多.通过CCA(典范对应分析)发现,水深、水体电导率以及ρ(TDS)(TDS为总溶解固体)和ρ(TN)与鱼类的种类及数量的相关性最大.根据对各采样点鱼类的渔获量、Shannon-Wiener指数的聚类分析,并且结合各采样点的水温、水深、饵料生物组成、岸边植被、底质、流速、土壤等生态环境因素,以及鱼类分布和种群的结构特征,将太子河流域划分为2个生态区,其中A区包括太子河中、上游的流域,涵盖了51个采样点;B区包括19个采样点,主要是太子河下游的绝大部分流域.

太子河流域大型底栖动物群落结构空间分布特征

根据2009年5月太子河流域大型底栖动物野外调查结果,分别采用聚类分析(CA)、偏典范对应分析(pCCA)和指示种分析等方法,探讨了大型底栖动物在太子河流域的空间分布特征,确定了影响该流域大型底栖动物空间分布的主要环境要素,分析了不同生态区中大型底栖动物的群落差异.结果显示,太子河流域大型底栖动物群落的空间分布差异明显,可将其划为3个空间分布区,即上游山地生态区、中游丘陵生态区和下游平原生态区;土地利用、水污染、河道物理特征和基本水质指标是影响该流域大型底栖动物群落分布的主要环境要素,总体解释率约为36.6%.表明太子河流域大型底栖动物受到多种人为活动的干扰.

辽河太子河水系的浮游植物种类多样性研究

于2009年5月和8月对辽河太子河水系的浮游植物进行了野外调查研究。结果表明:辽河太子河水系的浮游植物主要由硅藻、绿藻和蓝藻组成,共鉴定出浮游植物195种,其中硅藻门种类最多,共鉴定出97种;绿藻门次之,共鉴定出55种;蓝藻门居第3位,共鉴定出25种;藻类的密度具有明显变化,从5月开始总藻类密度开始减少,而蓝藻门的藻类密度却明显上升,从占总藻类密度的7%上升到17%;从浮游植物多样性指数分布上看,太子河水系不同区域浮游植物多样性的差异性显著,太子河水系上游地区浮游植物多样性小于下游地区。

太子河流域参考作物腾发量演变特征及气候影响因素分析

采用太子河流域内8个气象站1960～2005年间气象资料,应用Penman-Montieth公式计算了46年间逐月参考作物腾发量（ET0）,对参考作物腾发量及气象要素的年际变化特征、月际变化特征及趋势进行了分析,应用统计检验方法分析了影响流域参考作物腾发量变化的主要气象因素.结果表明：近46年间太子河流域ET0值呈现缓慢下降趋势,年内ET0值分布以5、6月份最高,1月份最低.影响ET0的主要气候要素按影响程度强弱依次为日照、风速、温度、相对湿度.

应用地积累指数法评价太子河沉积物中重金属污染

根据沉积学原理和环境化学行为特点 ,应用地积累指数法对太子河 (本溪段 )沉积物中重金属污染进行了评价研究。结果表明 ,太子河市区段重金属污染是严重的 ,主要的重金属污染物为Cu ,Pb ,其次为Zn ,Cd ,Hg。

基于PSFR评估框架的太子河流域水生态安全评估

以减少人类压力、保持生态健康、维持服务功能和规避潜在生态风险为出发点,建立了基于PSFR(压力、状态、功能、风险)的太子河流域水生态安全评估指标体系.通过遥感影像解译、年鉴资料查询收集和实地调查数据相结合的数据整合方式,利用综合指数法计算了太子河流域生态安全指数,并分析了造成流域生态安全退化的原因.结果表明,太子河流域划分的105个小流域中不存在"极不安全"等级,仅有下游5个小流域处于"不安全"等级,占总数的4.8%;多数小流域均处于"较安全"和"一般"等级,呈集中分布的特点,其中处于"较安全"等级的小流域有59个,占56.2%;处于"一般"等级的小流域有38个,占36.2%;处于"安全"等级的小流域只有3个,占2.8%,说明整个太子河流域的水生态安全状况整体处于"较安全"等级.研究显示,流域内农业和城镇用地的扩张是显著影响生态安全状态及生态服务功能的主要因素.

太子河流域大型底栖动物功能摄食类群与环境要素的关系

根据2009年8月太子河流域野外调查数据,分析了大型底栖动物的5个主要功能摄食类群的组成,包括直接收集者(gc)、捕食者(pr)、过滤收集者(fc)、撕食者(sh)和刮食者(sc),研究结果表明,太子河大型底栖动物以gc为主,占底栖动物总个体数的85.5%,其次为fc、sh、sc和pr,分别占总个体数的6.0%、3.0%、5.5%和0.0%,并且gc对人为干扰的耐受性较强,pr、sh、sc对环境条件变化较为敏感.通过5种功能摄食类群的相对丰度与水质因子相关分析,分析结果表明,海拔、水温、电导率、总氮、硝态氮、亚硝态氮与gc相关性较大;而海拔、水温、电导率、p H值、总氮、亚硝态氮与pr、sc和sh相关性较大.将土地利用格局与5种功能摄食类群进行逐步回归分析,结果表明,农田和河滩对gc影响显著;而农田对pr、sc和sh影响显著.

太子河河岸带土地利用类型与硅藻群落结构的关系

为了评价河岸带土地利用对河流硅藻群落的影响,于2012年5月对太子河河岸带4种主要土地利用类型(森林用地、森林耕作用地、耕地、城镇建设用地)下38个采样点的硅藻群落和水环境特征进行采样分析.结果表明:森林用地的指示种为膨大桥弯藻(Cymbella turgida)、优美桥弯藻(C.delicatula)、弧形峨眉藻(Ceratoneis arcus)、Gomphonema trancatum等寡污指示种;耕地的指示种为颗粒直链藻(M.granulate)、库津小环藻(Cyclotella kuetzingiana)、线形菱形藻(N.linearis)、尖布纹藻(Gyrosigma acuminatum)等污染指示种.聚类分析结果显示,相同土地利用类型区域内,硅藻群落结构特征较为相似.典范对应分析显示,ρ(CODMn)、ρ(SS)(SS为悬浮物)和ρ(TDS)(TDS为总溶解固体)是影响硅藻群落结构特征的主要水环境因子.不同土地利用类型区域内硅藻群落结构特征差异显著,其中,森林用地内硅藻生物指数(17.98)和硅藻属数量(17.33个)最高,Shannon-Wiener多样性指数(2.22)和Pielou均匀度指数(0.54)最低;耕地内Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数平均值最高,分别为3.37和0.82;城镇建设用地内物种丰富度(11.00)、硅藻生物指数(9.20)和硅藻平均密度(0.71×104L-1)最低.研究显示,不同土地利用类型通过对水环境因子的影响进而影响硅藻群落的变化,其中城镇建设用地面积所占比例较高的河流水环境质量和硅藻群落状况最差;太子河河岸带土地利用类型对河流硅藻群落结构影响显著,并表现出明显的空间异质性.

太子河流域水生态功能Ⅱ级区的划分

流域水生态功能Ⅱ级区是实施流域层面水生生物多样性保护的重要依据.以太子河流域为研究对象,开展分区指标筛选技术方法研究,通过指标的空间变异性、主导性及其与水生态因子相关性分析,从年均气温、年降水量、年蒸发量、高程、坡度、坡向和NDVI(归一化植被指数)等备选分区指标中筛选出适宜分区指标,在此基础上采用ISODATA(迭代自组织数据分析方法)非监督分类方法划分了太子河水生态功能Ⅱ级区.结果表明,高程和NDVI具有良好的空间敏感性、主导性以及与水生态因子的相关性,可以反映地貌和植被对太子河水生态系统的影响,是太子河流域水生态功能Ⅱ级区划分的适宜指标.采用上述指标可将太子河流域划分为3个水生态功能Ⅱ级区:①上游山地森林河流水生态亚区,平均海拔511 m,区内以浅水性鱼类和激流性大型底栖动物为主;②中游丘陵森林河流水生态亚区,平均海拔282 m,区内以溪流性鱼类和缓流性大型底栖动物为主;③下游平原农业河流水生态亚区,平均海拔65 m,区内多受人类活动干扰,以耐污性大型底栖动物为主,少见鱼类.

太子河流域不同水生态区鱼类群落分布与环境因子的关联性

为了研究影响鱼类群落分布的环境因子在不同水生态区间的差异性,基于太子河流域3个水生态区,于2010年8月调查了全流域53个采样点的鱼类群落分布及水体理化环境因子,利用F-IBI(鱼类完整性指数)对河流健康进行评价,并对影响太子河流域不同水生态区鱼类群落分布和河流健康的环境因子进行筛选分析.结果表明:水生态Ⅰ区(上游山地区)整体表现为健康,Ⅱ区(中游丘陵区)以处于健康状况的采样点居多(45%),Ⅲ区(下游平原区)健康状况不佳,处于一般、差、极差等级的采样点占到90%.通过比较不同水生态区良好(F-IBI≥50.03)和不健康(F-IBI≤37.06)状况对应采样点的环境因子发现,水生态Ⅰ区内ρ(TN)差异显著(P<0.05),Ⅱ区内表现为林地面积所占比例差异显著(P<0.05),Ⅲ区内海拔、ρ(TDS)(TDS为总溶解固体)的差异显著(P<0.05).典范对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)结果显示,影响鱼类群落分布的环境因子在水生态Ⅰ区为平均流速(F=2.75,P=0.005),在Ⅱ区为林地面积所占比例(F=2.65,P=0.003),在Ⅲ区则为ρ(COD_(Cr))(F=3.83,P=0.001)、平均流速(F=3.42,P<0.001)、ρ(TP)(F=3.46,P=0.001)和pH(F=2.90,P=0.002).研究显示,在制订流域鱼类保护方案时,应当充分考虑不同水生态区特定环境因素的影响.