Water quality of reclaimed water from treated urban wastewater in Chaobai River Basin,North China

The utilization of reclaimed water could be an efficient tool to alleviate water scarcity,especially for dry river augmentation.However,it is crucial to monitor water quality to ensure safety to human health and to avoid negative effects on the environment.Reclaimed water samples were collected bimonthly from May to November in 2010 in Chaobai River,and the physiochemical parameters were determined.The main results are as follows:The parameters exceeding the threshold value of the water guidelines are mainly nutrition related to nitrogen and phosphorus,which are known to increase the risk of eutrophication in surface waters.Additionally,nitrite and nitrate can be detrimental to human health.The majority of the parameters have a peaking concentration in May,whereas others either show significant temporal variation over the entire period or remain relatively constant in all four months.Correlation analysis shows that some parameters(pH,T and B) have no significant correlation with others,whereas significant positive correlation was found for Sr with EC and TDS,for CI with TDS,for Si02 with TP and for NO3-N with TN and a significant negative correlation between SO4 and Ba.According to principal component analysis,60.108%of the total data is represented by dominant solutes,and the second principal component with a percentage of 31.876 comprises parameters related to nitrogen.Subsequent cluster analysis of parameters identified four groups,which represent different compositions,and samples in May differ from others.

Analyzing the spatiotemporal evolution and driving forces of gross ecosystem product in the upper reaches of the Chaobai River Basin

The Chaobai River Basin,which is a crucial ecological barrier and primary water source area within the Beijing-Tianjin-Hebei region,possesses substantial ecological significance.The gross ecosystem product(GEP)in the Chaobai River Basin is a reflection of ecosystem conditions and quantifies nature’s contributions to humanity,which provides a basis for basin ecosystem service management and decision-making.This study investigated the spatiotemporal evolution of GEP in the upper Chaobai River Basin and explored the driving factors influencing GEP spatial differentiation.Ecosystem patterns from 2005 to 2020 were analyzed,and GEP was calculated for 2005,2010,2015,and 2020.The driving factors influencing GEP spatial differentiation were identified using the optimal parameter-based geographical detector(OPGD)model.The key findings are as follows:(1)From 2005 to 2020,the main ecosystem types were forest,grassland,and agriculture.Urban areas experienced significant changes,and conversions mainly occurred among urban,water,grassland and agricultural ecosystems.(2)Temporally,the GEP in the basin increased from 2005 to 2020,with regulation services dominating.At the county(district)scale,GEP exhibited a north-west-high and south-east-low pattern,showing spatial differences between per-unit-area GEP and county(district)GEP,while the spatial variations in per capita GEP and county(district)GEP were similar.(3)Differences in the spatial distribution of GEP were influenced by regional natural geographical and socioeconomic factors.Among these factors,gross domestic product,population density,and land-use degree density contributed significantly.Interactions among different driving forces noticeably impacted GEP spatial differentiation.These findings underscore the necessity of incorporating factors such as population density and the intensity of land-use development into ecosystem management decision-making processes in the upper reaches of the Chaobai River Basin.Future policies should be devised to regulate human activities,thereby ensuring the stability and enhancement of GEP.

Carbon and nitrogen isotopes analysis and sources of organic matter in the upper reaches of the Chaobai River near Beijing,China

The carbon and nitrogen isotopes in the surface sediments,plants,and soil in the upper reaches of the Chaobai River have been researched.The results showed 27.75‰-21.58‰ and 1.32‰-6.74‰ for carbon and nitrogen isotopic ratios in the surface sediments,respectively.The sources of sedimentary organic matter in this area are soil organic matter,aquatic vascular plants,and riverine plankton,respectively,and a significant contributor to sediment in the Chaohe River,the Baihe River,and the Miyun Reservoir areas is soil organic matter.Furthermore,part of sedimentary organic matter in the Miyun Reservoir is attributed to the input from the Chaohe River and the Baihe River,the other is from C4 vegetation growing around individual point stations at the Miyun Reservoir.Compared with the situation in Hebei Province,the contribution of soil organic matter decreased significantly and river plankton and aquatic vascular plants increased significantly in Beijing municipal areas.This study reveals that the source of organic matter has a close relationship with the soil erosion.

Characteristics of change in water quality along reclaimed water intake area of the Chaobai River in Beijing, China

To reveal the basic characteristics and controlling factors of water quality change in the project Wenyu to Chaobai reclaimed water diversion, the water quality in the study area was monitored for one year at seven monitoring sites. Inverse geochemical models of the statistical groups were developed using PHREEQC to elucidate the hydrochemistry characteristics of reclaimed water and the factors. The monitoring results indicated that nitrogen and phosphorus contents were significantly reduced along the river mainly caused by seasonal and location variation. The pH ranged from 7.44 to 9.81. Photosynthesis of algae and denitrification in anaerobic microenvironment ultimately led to a sudden pH increase after the Jian River and the Chaobai River confluence. Mg2＋ and SO^- levels dropped obviously in the summer and increased in winter seasons after intersection. Na＋ and C1- are relatively stable, and marked drop in the concentration only after the two rivers meet. And there is a decrease of Ca2＋ and HCO~ and increase in CO^- during monitoring period. As a whole, the primary ions and nutrient components, including nitrogen and phosphorus, had high levels in winter. Algae＇s photosynthesis and respiration were observed to have an impact on the river water quality; there was precipitation-dissolution of minerals and denitrification from upstream to downstream. Inverse geochemical PHREEQC modeling confirmed that there was precipitation of aragonite or calcite, and gypsum or anhydrite in summer, and dissolution in winter; as well as precipitation of dolomite in winter, and cationic exchange and denitrification along the river.

环境因子对河流底泥-水界面氮释放规律影响

潮白河作为北京重要城市河流水源之一,其顺义减河河段属于典型的再生水回补河道。研究不同点位代表的自然河段与再生水河段中底泥-水界面的养分释放规律及其影响因素,对河道水质改善具有重要意义。该研究通过室内土柱模拟实验,分析不同p H、溶解氧(DO)和温度条件下河道不同断面底泥氨氮释放规律,估算了底泥-水界面氨氮释放通量。结果表明:(1)下游汇流(S1)、潮减交汇处(S2)和自然河道(S3)上覆水和间隙水中NH4+-N呈明显的释放趋势,再生水河道中段(S4)和再生水排水口(S5)释放不明显或发生NH4+-N吸附作用。(2)不同断面土柱模拟中,间隙水中NH4+-N通量为上覆水的2.5~66.7倍,验证了底泥氮先释放到间隙水再扩散到上覆水的过程。(3)不同环境因子(p H、DO和温度)对底泥NH4+-N释放的影响呈现出不同规律:随p H升高,底泥NH4+-N释放通量先降低后增加,在p H=7时达到最低值;随DO浓度增加,底泥NH4+-N释放通量减小,DO浓度为3 mg/L时NH4+-N释放通量最大;温度越高,NH4+-N释放通量越大。潮白河水体在酸性或碱性条件下,DO浓度越低,温度越高,NH4+-N释放通量越大,该研究结果可为潮白河水质改善提供参考。

潮白河北京段着生藻类群落结构及其优势种生态位特征

为明确北京市潮白河流域浮游植物群落变化特征,于2021年5月和9月对潮白河17个样点的着生藻类进行调查。应用着生藻类种类数和细胞密度对群落结构进行分析,计算优势种的优势度指数(Y)、优势种更替率(R),运用生态位宽度(Bi)、生态位重叠指数(O_(ik))、总体相关性分析优势种的生态位特征。结果表明:2次调查共鉴定着生藻类109种,隶属4门41属,着生藻类优势种(Y>0.2)共8种,优势种的生态位宽度为0.1406~0.4209,优势种的生态位重叠指数为0.0551~0.8971,总体关联性测度结果均为显著正关联,优势种受季节更替的影响较大,优势种间对资源的利用共性较小,着生藻类群落结构趋于稳定,整体朝正向演替发展。研究表明,着生藻类作为一项生物指标对环境条件的变动能够进行较为敏感的响应,基于着生藻类优势种生态位特征,能够对着生藻类群落结构及其演替特征进行描述。

潮白河怀柔段鱼类多样性特征及水生态系统健康评价

潮白河怀柔段是首都重要的水源地和水资源保护区,了解其鱼类多样性现状及河流健康状况对于水生态保护至关重要。于2022年9月和2023年4月开展了潮白河怀柔段鱼类多样性调查,构建了基于鱼类完整性指数(F-IBI)的水生态健康评价指标体系,评估潮白河怀柔段水生态健康状况。结果表明:①潮白河怀柔段土著鱼类54种,隶属于7目25科43属,鲤形目鱼类最多,占总种数的66.67%。②多样性分析显示,雁栖河的Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数及Pielou均匀度指数均最高,沙河各项指数均最低。③基于26个候选指标筛选得到F-IBI核心指标体系,包括Shannon-Wiener多样性指数、鲈形目鱼类物种数占比、鳅科鱼类数量占比、鲤科鱼类数量占比、中下层鱼类数量占比、产黏性卵鱼类数量占比和鱼类个体数。④F-IBI评价结果显示,潮白河怀柔段河流总体上处于“一般”及以上健康水平,无采样点处于“很差”状况,1、3、5赋值法和比值法的评价结果可互作参考。研究显示,潮白河怀柔段的优势种为麦穗鱼(Pseudorasbora parva)和拉氏大吻鱥(Rhynchocypris lagowskii),构建的F-IBI指标体系较全面地反映了潮白河怀柔段的群落结构,可有效评估潮白河怀柔段的水生态健康状况。

潮白河综合治理与生态修复的思考和建议

经多年治理,潮白河已经基本形成了健全的防洪体系和水生态环境体系,但有关河道治理方面还很不完善,存在很多继续解决的问题。在分析潮白河防洪安全、水生态、水环境、水务信息化、管理体制等方面存在问题的基础上,结合新一轮的综合治理与生态修复,提出建议和对策。

密云水库上游潮白河流域丰平枯特征及其与入库水量的定量关系

[目的]揭示密云水库上游潮白河流域水量变化的年际时序规律及丰平枯季节性差异,为京津冀地区水资源高效利用及生态用水保障提供决策参考。[方法]在收集流域水量数据,进行潮白河流域逐月丰平枯水期分析的基础上,采用距平百分率解析潮白河流域水量变化特征,并推导流域丰平枯时段与径流水量的定量化关系。[结果]2010—2021年,潮白河流域的枯水期历时远大于丰水期和平水期时间,但丰水水量及其距平百分比每隔1~2 a均会呈现指数级增长趋势,表明潮白河流域近年来更多的表现出了极端的气候特征。潮白河流域的丰水时段均主要出现在7—12月,流域平水时段基本伴生于丰水时段,但是2010—2021年,潮河与白河流域仅出现了6~7个月的平水期;枯水时段占据了12 a来的大部分时期,阶段性密集分布在除丰水期和平水期以外的所有时段。在所有时段,白河流域的水量均高于潮河流域,这可能归因于春季融雪对径流的补给。[结论]2010—2021年,潮白河流域极端降水时间增多,但枯水时段的比例远高于平水期和丰水期。3者的比例关系是影响流域水量最重要的因素。

潮白河向阳闸自动化监控系统的改造与应用

为提高向阳闸的运行效率,对潮白河向阳闸自动化监控系统进行了升级改造。该系统可实时监测水位、水流和闸门状态等关键参数,并通过无线通信技术将数据传输至远程控制中心,实现了闸门自动调节水位和流量的功能。监控系统用于实现对向阳闸的远程监测、自动控制和数据记录,提高了闸门的流量控制精度。自动化监控系统关键技术的应用提高了潮白河水利工程的运行效率,为水利工程的智能化和自动化发展提供了有益探索和借鉴。

南水北调地下水回补对潮白河冲洪积扇中上部地表形变响应及控制因素

2014年南水进京后,持续开展地下水回补对于遏制和减缓地面沉降发展起到重要作用,但地下水回升由此带来的不同区域、不同层位的地面沉降与回弹机制及其控制因素尚不明确。深入探讨和研究回补时间、回补量、回补地点与水位及地表形变之间的关系,了解地表形变发生机理和识别主控因素,为后续如何科学回补,发挥最大化水资源回补效益、对地面沉降防治和超采区治理具有极其重要意义。笔者以潮白河冲洪积扇中上部区域为例,采用永久散射体差分干涉测量(PS-InSAR)技术获取研究区地面沉降形变信息,并结合区域分层地下水位动态变化、分层沉降变化等多手段进行耦合,查明研究区地表形变与多因素之间的响应与控制因素。结果表明:南水持续回补导致区域地面沉降减缓,并在牛栏山地区出现地表抬升,抬升范围也随着水位上升逐渐向中下游扩展,2022年最大回弹速率达46.9 mm/a;地表形变具有明显的受断裂所控制的第四系沉积差异特性,以黄庄—高丽营断裂、顺义断裂和南口—孙河断裂所分割的后沙峪凹陷范围内变化明显大于其他地区;地下水位变幅与富水性差异决定水位上升范围与响应变化,而沉积构造作用所造成第四系沉积差异在地下水流向上具有一定控制作用。结果为地面沉降防控和机理研究提供理论和科学依据,同时也为后续开展地下水科学回补和方案优化提供指导和借鉴。

潮白河流域河道底泥污染和释放特征及发展趋势研究

河道是水的主要承载体,河道底泥作为河道的重要组成部分,对整个河道的污染状态起决定性作用。因此,文章以潮白河流域为例,研究了河道底泥污染和释放特征,并对发展趋势进行了分析。通过分析底泥的组成、来源、污染特征以及释放机制,为河道污染的评估和监测提供科学依据。在外源污染得到有效控制的基础上,研究提出了采用生态清淤疏浚方式来快速减小内源污染的方法。最终,根据评价及实验结果,揭示了底泥对上覆水体的影响,并提出了科学的生态清淤方案。通过深入研究河道底泥污染和释放特征,文章为环境保护、生态恢复和人类健康提供了科学支持,为保护水环境、维护生态平衡和保障人类健康提供了有效的管理和决策依据。

潮白河(北京段)洪水资源化调度思考

本研究旨在探讨如何实现潮白河(北京段)洪水资源化调度。介绍了潮白河流域的现状,包括潮白河流域基本情况、潮白河流域洪水资源化调度的可行性以及当前潮白河流域主要水利工程概况,指出当前潮白河流域在洪水预报、水利基础建设、河道行洪、蓄滞洪区功能等方面存在的问题,讨论潮白河流域洪水灾害转化为洪水资源的对策和措施,包括增强水库调蓄洪水能力的科学性、前瞻性,建设流域洪水转资源的工程体系,完善流域水网工程体系,健全洪水资源化调度的法规体系。

多时空尺度协同的场次降雨水资源量评价方法

针对场次降雨水资源量评价与年尺度水资源量评价成果的不协同问题,通过分割前期降雨径流退水和年尺度基流等径流成分,提出场次降雨过程水资源量评价新方法,实现场次降雨水资源量的精细化评价。将该评价方法应用于潮白河典型区间流域,结果表明该方法具有较好的适应性,能够显著提高场次降雨水资源量评价成果的针对性和准确度,满足多时空尺度协同的水资源量评价需求。

潮白河北京段生态补水调度方案研究

【目的】生态补水是复苏河湖、维持河道内生态功能、提升生态价值、促进生态文明建设的重要措施。我国华北地区河道天然生态基流不足,可用于河道生态补水的水量十分有限,如何利用有效的生态补水量,达到河道生态补水的最佳效果,需要科学地研究生态补水调度方案。为确定季节性河流常态化生态补水流量范围及流量过程,【方法】在研究河道生态补水演进和水量损失变化规律的基础上,以2021年潮白河北京段秋季生态补水为例,采用MIKE 11构建河道一维水动力模型,模拟研究了河道不同生态补水规模、流量下泄过程、沿程断面水量变化和水流演进过程等,确定了补水水量、流量及补水时长等关键参数和范围。【结果】结果显示:补水流量越大,生态补水首次全线贯通天数越短。河道演进时间和水量削减率指标与补水时长呈正相关关系,与补水水量成反比。【结论】结果表明:补水流量在55~65 m^(3)/s时,可以减少全线首次贯通天数和贯通水量;补水时长为90 d,密云水库出库流量为25 m^(3)/s时,可以实现干流北京段全线通水,基本无水量达到白庙断面,是实现潮白河北京段河道贯通补水流量的最低阈值(1.9×10^(8) m^(3));生态补水水量充足情况下,综合考虑生态补水地表-地下协同修复及河道演进过程,建议生态补水总量控制在2.7×10^(8)~3.3×10^(8) m^(3)、补水时长控制在90~120 d为宜,且较优的生态补水期为3—6月。

基于机器学习模型的数值降雨预报校正

以潮白河流域12个站点为研究对象,选取12个站点的未来12 h不同预见期的预报降水数据,构建基于支持向量机(support vector machine,SVM)模型、随机森林(random forest,RF)模型和多层感知机(multilayer perceptron,MLP)模型的不同预见期预报降雨校正模型,模型输入为站点对应网格及其周边8个网格的降雨预报数据,模型参数采用贝叶斯优化技术进行估计。利用均方根误差和确定性系数评估各模型对不同预见期预报降水的校正效果。结果表明:未经校正的原始预报在不同预见期的预报精度均较差;各个误差校正模型在率定期与验证期对不同预见期降雨均具有较好的校正效果;经SVM、RF和MLP模型校正后,均方根误差的平均值在率定期分别降低了:54.2%、50.0%和20.8%,在验证期分别降低42.9%、33.3%和14.3%;确定性系数的平均值在率定期与验证期也均有显著提高;3个误差校正模型中,SVM模型表现最优,RF模型次之。研究成果可为其他流域数值降雨预报数据校正提供参考。

南水北调背景下地下水位上升对地面沉降控制与影响——以北京潮白河地下水系统为例

【研究目的】从20世纪80年代开始,北京市地下水过量开采,引起了严重的地面沉降。2014年南水进京后,北京市开展了大规模的自备井置换、地下水禁限采、生态补水,区域地下水位显著回升,地面沉降发展缓减,甚至在部分地区“回弹”。地下水位回升条件下与地面沉降响应是一个复杂的过程。开展相关研究对北京市的地面沉降防控意义重大,也可为全国地面沉降防控提供借鉴。【研究方法】本文以潮白河流域平原区为例,综合利用合成孔径雷达干涉测量技术、分层标和地下水分层监测技术,对区域地面沉降与地下水进行立体监测,探明了“地面沉降”对地下水位上升过程的响应特征。【研究结果】(1)潮白河地下水回补后第一、第二承压含水层单井最大水位回升分别为25.49 m和25.67 m;(2)2015—2020年区域最大回弹速率、回弹范围与地下水上升区等水位线基本吻合;(3)潮白河冲积扇中上游地区不同岩性土层在地下水回升模式下,土体压缩持续减缓或回弹,下游地区未受到地下水补给,水位持续下降,土体形变持续压缩。【结论】潮白河生态补水使地下水位上升,有效控制了地面沉降快速发展趋势。

潮白河流域水库浮游动物群落季节变化特征及其驱动因素

为了解不同季节潮白河流域水库中浮游动物群落的结构特征及其影响因素,分别于2020年9月(秋)和12月(冬),2021年3月(春)和6月(夏)对12个水库监测断面的浮游动物群落开展调研。4个季度共采集并鉴定浮游动物67属90种,其中夏季种类最丰富,春季最少。水库浮游动物密度和生物量在夏季达到峰值,均值分别为231.5 ind./L和0.199 mg/L;春季浮游动物的平均密度(60.8 ind./L)和生物量(0.075 mg/L)均最低。不同季节浮游动物群落组成存在显著差异。夏秋两季浮游动物种类组成与密度组成均以轮虫为主,冬春两季则以原生动物为主。侠盗虫在水库四季均为优势类群。相关性分析结果表明,浮游动物Shannon-Wiener多样性指数与亚硝酸盐氮和总有机碳均显著正相关,浮游动物丰富度则与硝酸盐氮、总氮和总磷显著正相关。典范对应分析结果表明,溶解氧、水温、亚硝酸盐氮、总有机碳和电导率是影响浮游动物群落季节分布的主要环境因子。研究结果较全面地揭示了不同季节潮白河流域水库的浮游动物群落变化规律,可为流域内水生态健康评估提供基础资料。

潮白河顺义段地表水环境变化及影响因素分析

针对再生水回用河湖作为景观用水可能引发的环境问题,利用2007—2021年引温济潮调水工程的持续跟踪监测数据,对调水以来潮白河顺义段地表水环境质量变化及影响因素进行了分析,结果显示:潮白河顺义段地表水环境质量随时间在逐渐转好,近年来70%以上监测断面满足地表水功能定位要求;影响潮白河顺义段地表水环境质量变化的主要因素为调水水质、调水量、潮白河生态补水、截污治理工程和藻类光合作用。

引温济潮受水区地下水水文地球化学特征及水质变化趋势

为探讨河道生态补水对受水区地下水水质的影响,收集引温济潮受水区2007年、2013年和2018年不同含水层的地下水水质数据,采用描述性统计分析水质参数的变化特征,利用Piper三线图分析生态补水后受水区不同含水层地下水水化学相,同时利用吉布斯(Gibbs)图与离子比值图分析地下水水化学特征的控制因素,并通过改进的综合水质指数法(MIWQI)对受水区进行水质评价。结果表明:不同含水层中阴阳离子分别以HCO_(3)^(−)和Ca^(2+)为主导;水岩相互作用和人类活动是地下水中离子变化的主要驱动因素;引温济潮生态补水后受水区地下水水质有所改善。其中:2007年较差水质点位占4.4%,2013年河道生态补水5年后,没有较差水质点位;对评价方法所选水质指标进行敏感性分析,其敏感性指标较小,未超过2.0%,表明所选指标能较好表征水质评价结果。