基于数据处理与若干群体算法优化的GRU/LSTM水质时间序列预测

为提高水质时间序列预测精度,提出一种基于小波包变换（WPT）和变色龙优化算法（CSA）、猎豹优化（CO）算法和山瞪羚优化（MGO）算法的优化门限循环控制单元（GRU）、长短期记忆神经网络（LSTM）的预测模型。首先利用WPT对pH值、DO、COD_Mn、NH₃—N时间序列进行平稳化处理,得到若干个规律性较强的子序列分量;其次简要介绍了CSA、CO、MGO算法原理,利用CSA、CO、MGO分别寻优GRU、LSTM超参数,建立WPT-CSA-GRU、WPT-CO-GRU、WPT-MGO-GRU、WPT-CSA-LSTM、WPT-CO-LSTM、WPT-MGO-LSTM模型;最后利用所建立的模型对pH值及DO、COD_Mn、NH₃—N浓度各分量进行预测和重构,并建立WPT-GRU、WPT-LSTM和WPT-CSA-SVM、WPT-CO-SVM、WPT-MGO-SVM模型作对比分析模型,以云南省昆明市观音山断面为例,通过pH值及DO、COD_Mn、NH₃—N浓度预测对模型进行了验证。结果表明：WPT-CSA-GRU、WPT-CO-GRU、WPT-MGO-GRU、WPT-CSA-LSTM、WPT-CO-LSTM、WPT-MGO-LSTM模型对实例pH值及DO、COD_Mn、NH₃—N浓度的预测精度优于其他对比模型,具有较好的预测效果,其中尤以WPT-CSA-GRU、WPT-CO-GRU、WPT-MGO-GRU模型的预测精度最高;CSA、CO、MGO能有效调优GRU、LSTM超参数,显著提高GRU、LSTM预测性能;所构建的6种模型预测精度高且计算规模小,是有效的水质时间序列预测模型,可为相关水质预测研究提供参考。     

基于跨界断面水质达标的嘉善污染总量控制

为保证地处苏浙沪交界中心的嘉善县水环境质量健康,在考虑嘉善县地理位置特殊性的基础上,提出了以重要跨界断面作为水质达标控制因子的总量控制方法。基于嘉善断面勘测与水质、水文同步监测数据等基础资料构建了嘉善小流域一维水环境数学模型,确定了嘉善区域的水动力和水质模型参数,并选取嘉善地区4个重要跨界断面作为控制断面,利用已率定验证合理的一维水环境数学模型分别对不同削减方案下的水环境进行了水质模拟。模拟结果表明,为满足以跨界断面水质达标为控制因子的总量控制要求,嘉善区域CODMn需削减14.2%,NH3-N需削减37.7%。     

基于RF-LSTM的地表水体水质预测

水质预测是水污染防治的重要一环,为提高水质预测的精度,研究随机森林算法（RF）与长短时记忆神经网络（LSTM）相结合的预测方法。以桃林口水库水质监测数据为例,采用RF算法分别筛选出影响高锰酸盐指数（COD_Mn）、氨氮（NH₃—N）、总氮（TN）和总磷（TP）浓度变化的关键特征,在此基础上构建基于RF-LSTM的水质预测模型,并与单一LSTM、RF-BPNN和RF-RNN模型的预测效果进行对比。结果表明：RF-LSTM模型的预测效果均优于其他模型,预测COD_Mn、NH₃—N、TN和TP未来4 h浓度时的决定系数（R²）分别达到0.986、0.990、0.989和0.988,具有极高的预测精度和较强的泛化能力。研究结果为实现高精度水质预测提供了新思路。     

淮河流域水质时空分布及土地利用区域影响

采用淮河流域22个水质断面2008—2018年周监测数据,将趋势检测、空间自相关性识别、聚类、回归分析等统计分析技术相结合,检测了pH值和DO、CODMn、NH₃-N质量浓度等4个水质指标的时空变化特征,辨识了典型水质类型及其与不同时空尺度土地利用类型的关系。结果表明:淮河流域水环境整体状况有所改善,各断面水质指标周尺度显著性变化趋势主要集中在非汛期(10月至次年5月),分别有23%、9%、41%和55%的断面pH值显著减小、DO质量浓度显著增加、CODMn和NH₃-N质量浓度显著减小,淮河水系水质指标变化坡度大于沂沭泗水系;3个低pH值聚集中心主要分布在淮河干流上游和洪汝河下游,3个低DO质量浓度聚集中心和2个高CODMn和NH₃-N质量浓度聚集中心主要分布在沙颍河和涡河。22个断面可划分为3种典型水质类型:类型1为弱碱性、低CODMn和NH₃-N质量浓度断面,分布在淮河上游和淮河干流;类型2为偏碱性、低DO质量浓度、高CODMn和NH₃-N质量浓度断面,分布在沙颍河;类型3为偏碱性、高DO质量浓度、低CODMn和NH₃-N质量浓度断面,分布在淮河中游和沂沭泗水系。类型1水质指标主要与2013—2018年水田和旱地等显著相关,其中水田对pH值影响较大,旱地对其余指标影响较大;类型3的DO和NH₃-N质量浓度与各时期不同缓冲区内城镇用地均显著相关,CODMn质量浓度与2013—2018年其他林地显著相关。     

极限学习机在湖库总磷、总氮浓度预测中的应用

基于传统BP人工神经网络模型训练速度慢、参数选择困难、易陷入局部极值等问题,提出极限学习机(ELM)的水质预测模型。以云南某水库为例,选取NH₃-N、NO₂^--N、NO₃^--N、COD_Mn和水体透明度作为网络输入,TP、TN作为输出, 构建基于ELM的湖库TP、TN预测模型,并将ELM预测结果与传统BP、GA-BP、RBF人工神经网络模型模拟结果进行比较。结果表明,ELM模型预测精度高于传统BP和RBF模型模拟结果,甚至略高于GA-BP模型的预测精度,并且ELM模型具有参数选择简便、训练速度快、不会陷入局部最优值等特点,有着较大的计算优势。     

松花江流域水环境质量特征分析

以2006年为基准年,从松花江流域水质状况、不同水体分布区域和松花江流域水体主要超标项目等方面,多尺度、多角度分析2006—2009年松花江流域地表水环境质量特征。结果表明:松花江流域水质在全年期、汛期和非汛期均出现整体好转的趋势,表现为Ⅰ～Ⅲ类水体比例增加,Ⅳ～Ⅴ类水体比例减少;松花江流域汛期水质略差于全年期,非汛期水质略好于全年期;松花江流域污染严重区域(Ⅴ类及劣Ⅴ类水体)由嫩江水系逐渐转移至松花江干流水系,由全流域分散的几个城市逐渐转移至流域干流周边的几个城市;从水污染指标看,除COD、COD_Mn 、BOD₅外,NH₃-N成为新的水污染超标项目。     

深圳石岩水库周边环境点源污染特征分析

石岩水库由于周边环境污染造成库体水质变差的问题日益突出，影响库体水质的点污染源主要有10处。对污染源进行动态监测的结果表明：入库污水主要超标项目为Mn、TP、Fe、NH₃-N、TN、BOD₅、COD_Cr，且其污染负荷比依次升高，其中COD_Cr污染负荷比为0.594，远高于其他污染物；上述污染物浓度与取样时间之间没有明显的规律性变化，说明污染物排放存在随机性；由于人工湿地系统对于污染物净化具有选择性从而使得通过人工湿地系统的污水排入水库后对库体水质仍有一定影响；人工湿地入水口处未进入人工湿地而直接排入水库的污水是库体水质污染的主要来源。分析结果表明，石岩水库周边的生活排污是水库点源污染的主要来源，应成为污染治理的重点。      

饮用水处理中超滤与砂滤技术特性的比较试验

对超滤工艺的运行特性及其对浊度、COD_Mn、UV₂₅₄等水质指标的去除效果进行了试验。结果表明:超滤对浊度的去除率可达97%～99%,对COD_Mn的平均去除率约为10.36%,对UV₂₅₄的平均去除率约为9.06%。与砂滤工艺的运行数据相比,超滤工艺对污染指标的去除率更高,且通量、跨膜压差等技术性能较好,出水水质更加稳定、安全。     

柳州市区柳江河段水环境容量研究

在充分获取调研资料和实测数据的基础上，对柳州市区柳江河段进 行水质现状评价，并通过段首控制法，计算得出各功能区的水环境容量，指出市区河段各功能区COD _Cr 有较大的环境容量，NH₃-N排放量已超出环境容量，应通过总量控制 进行削减。     

扬州境内湖泊浮游植物群落结构与环境因子的关系

2013年5月—2014年5月对扬州境内3个湖泊(高邮湖、邵伯湖和宝应湖)的浮游植物群落组成与水环境因子进行监测,运用相关系数法和典范对应分析(CCA)法分析了浮游植物群落结构与环境因子之间的关系。结果表明:3个湖泊的群落组成均主要以硅藻、绿藻为主要优势种群,群落结构的季节变化趋势较为相似;水温、N、P是影响3个湖泊浮游植物数量的主要环境因子;CCA分析结果表明,水温和TN是影响高邮湖浮游植物群落分布的主要环境因子,NH⁺₄-N、TP和pH是影响邵伯湖浮游植物群落分布的主要环境因子,COD_Mn、NH⁺₄-N和TP是影响宝应湖浮游植物群落分布的主要环境因子。     

潘家口水库秋季水质状况及富营养化评价

基于多断面水质实测数据,采用模糊综合评价法和综合营养指数法,选用DO、TP、TN、NH₃-N和COD_Mn这5项影响较大的评价因子对潘家口水库水质状况进行综合评价。结果表明：①除郭家庄南断面不存在水温垂向分层外,其他几个断面都存在水温分层现象;水库水温整体上随时间的推移而逐渐降低;②从DO等5个指标的模糊综合评价结果来看,水库总体水质为Ⅴ类,水体处于中营养状态;TN是制约水质级别和富营养化的关键因素;③水库水质在水深方向和水流流动方向都存在明显的差异,上游水质要明显优于下游水质,表层水质要优于底层水质;④对比春季和夏季水质状况,潘家口水库的秋季水质明显要差许多,夏季水质状况最好;⑤燕子峪至坝前段DO过低,大量鱼类死亡,可能是水体富营养化和网箱养殖过于集中造成大量碳化合物分解耗氧以及产氧量下降等一系列因素所致。     

基于龙王庙断面水质达标的城南河流域水环境容量

为保证南京市浦口区城南河龙王庙断面水质稳定达标,综合考虑水文、水质和污染源现状,对研究区域入城南河的污染源进行排污口概化,构建水环境数学模型,计算得到基于龙王庙断面水质达标的城南河水环境容量,以此与现状入河的污染物量比较,确定污染物的削减比例。结果表明:在保证龙王庙断面水质达标的情况下,城南河COD、NH+4-N和TP的水环境容量分别为2 183 t/a、201 t/a和154 t/a,污染物削减率与水质超标率的差距在20%以内。     

闽江口水质对边界条件的响应关系模拟研究

为探究闽江河口水质变化趋势及超标原因,根据入海排污口详查成果,构建闽江下游至河口二维非稳态水动力水质模型,以主要污染物COD_Mn、无机氮和活性磷酸盐为指标,预测不同水文与外源污染负荷对闽江口水质的影响,阐明水质对水文和外源污染物的时空响应关系。结果表明：闽江口水质对不同水文的响应存在显著的时空差异性。闽江口COD_Mn和无机氮水质受上游影响较大,而活性磷酸盐所受影响相对较小;受潮汐潮流的影响,闽江口涨潮期水质大潮好于小潮,涨潮好于落潮;设置水口水库下泄水体水质为年内最好和下游污染物削减30%两种条件下,均不能有效保障河口无机氮和活性磷酸盐水质稳定达标,建议对水口水库下泄水总氮和总磷提出更严格的控制要求。     

库尔勒市氧化塘工艺处理效果及相应改进措施

以新疆库尔勒城区某氧化塘为研究对象,分析氧化塘对COD、BOD₅、NH₃-N、TN和TP的处理效果。结果表明: 2009年,该氧化塘对COD、BOD₅、NH₃-N、TN和TP最高去除率分别为72.2%、67.1%、12.1%、14.5%和39.3%。针对2006—2010年该氧化塘系统进水中主要污染物质量浓度逐年上升,出水中主要污染物质量浓度也随之上升,且水质随季节变化波动较大,冬季出水部分水质指标不能确保达标,氧化塘内积累了大量污泥,经常发生底质恶化的现象,建议增加污水预处理设施,改进现行氧化塘处理工艺,冬季增加保温措施等,以提高氧化塘污水处理效果,改善氧化塘出水水质。     

EM投加量与曝气量对净化养殖废水的影响

采用控制变量法,通过实验室模拟试验,测定不同EM投加量与曝气量组合条件下废水中COD_Mn、TN、 NH₃-N、TP的质量浓度随处理时间的变化特征,探索EM投加量与曝气量对养殖废水净化效果的影响。结果表明:EM的最佳投加量为0.5×10^-5(V_原液／V_废水), 去除TN效果最佳的曝气量为0.5L／min;EM对养殖废水的净化处理效果尽管受到诸多因素的影响,但最直接的影响因素是投加量与曝气量。     

高铁酸钾预氧化-絮凝-吸附工艺处理巢湖源水

针对巢湖水质富营养化污染现状，采用高铁酸钾预氧化-聚合 铝铁絮凝-沸石吸附组合工艺处理巢湖水中藻类、氨氮、磷和COD_Mn。试验结果表明：投加ρ=1.6ｍｇ／L高铁酸钾，氧化5ｍｉｎ后，再加入ρ=40ｍｇ／L聚合铝铁、ρ= 1.2ｇ／L沸石，搅拌2ｈ，出水藻类浓度从7.8×10⁷个／L降至2.1×10⁶个／L，氨氮质量浓度从1.82ｍｇ／L降至0.459ｍｇ／L，磷质量浓度从0.221ｍｇ／L降至0.0558ｍｇ／L，COD_Mn质量浓度从7.59ｍｇ／L降至3.77ｍｇ／L。 藻类浓度显著降低，氨氮、磷和COD_Mn质量浓度达到生活饮用水卫生标准。     

网箱养鱼对东武仕水库不同区域水质的影响

根据东武仕水库水质监测评价结果和不同区域水质变化情势分析,得出水库高密度网箱养鱼区底层水DO仅为表层的30%,总硬度是表层的2.5倍,NH₃-N是表层的2～7倍,底层水质明显受到污染。结合网箱养殖对水体的影响和主要污染物在不同区域变化情势及底层水质较差原因,提出改善库区水质的措施与建议。     

潭江水质时空变化特征及其驱动因子

为掌握潭江水质的变化特征,采用Mann-Kendall趋势检验以及水质综合污染指数等方法分析了潭江干流2001—2019年的水质年际变化特征,利用主成分分析方法识别了影响潭江水质变化的主导水质参数,通过相关性模型分析了影响水质变化的主要驱动因子。结果表明:潭江上游的水质最好但有一定的恶化趋势,下游的水质次之且无明显的恶化趋势,中游的水质最差恶化趋势也最为显著;主导潭江上游水质变化的水质参数是COD和BOD₅,中游为TN和NH₃-N,下游则是TN、NH₃-N 和TP;人口和森林覆盖率是影响潭江上游水质变化的主要驱动因子,而影响潭江中、下游水质变化的驱动因子除人口和森林覆盖率外,还包括GDP和水温;受人类因素的影响,潭江中、下游水质变化与自然驱动因子之间的关系有所改变。     

上海市陆源入海排污口排污状况及其对邻近海域的影响

统计分析2005—2010年上海市陆续开展监测的29个陆源入海排污口排污状况,并对该时期石洞口污水处理厂排污口邻近海域的环境状况进行评价。结果表明,6年间,市政排污口占总监测排污口数量的45％,其污水排放量占总量的80％,是上海市最大的入海污染源; COD、悬浮物、NH₃-N位居入海污染物(指标)排放量的前3位,共占98.80％;COD、NH₃-N、总有机碳、磷酸盐和悬浮物是主要超标污染物质;在石洞口污水处理厂排污口邻近海域19.33km²的监测范围内,营养盐含量超第四类海水水质标准,但沉积物质量符合排污口邻近海域环境质量要求,大型底栖生物状况基本稳定,说明陆源排污对其邻近海域水质存在一定程度的影响。     

南京市外秦淮河水质模拟及引调水效果

为研究南京市外秦淮河不同引调水方式对秦淮河水质变化的影响并评估调水效果,建立了外秦淮河一维河网水动力和水质模型,模拟不同时期不同水源补给,包括从秦淮新河闸抽引长江水和石臼湖引水,以及在不同闸控系统运行调控方式下,外秦淮河水质的相应变化。结果表明,不同引调水方案条件下,只要满足引水水量,可以显著提高外秦淮河的水质,部分河段水质甚至可以提高1~2个等级。枯季从秦淮新河闸引水工况为50m³/s时,外秦淮河水质COD可达Ⅳ类水,NH₃-N达到Ⅴ类水;汛期从石臼湖引水工况为60m³/s时,外秦淮河水质COD可达Ⅲ类,NH₃-N达到Ⅴ类水标准。研究结论可为南京市外秦淮河环境整治调水调度运行提供参考依据。