基于马尔可夫状态切换理论的水环境系统随机模拟与风险评估

针对水质时间序列一般具有结构复杂性和演变过程非平稳性的特征,提出将马尔可夫状态切换-自回归模型 （Markov Switching-Auto Regressive Model） 用于水质时序的随机模拟和水环境系统的风险分析,并探讨了运用MS-AR模型进行水质时序随机模拟与分析的关键步骤。最后运用该模型和蒙特卡罗 （Monte Carlo） 方法,对天津果河某断面的总磷浓度时序 （1999—2007年） 进行了随机模拟和污染风险评价。结果表明,MS-AR模型有效识别出了该水质时序在演变过程中的不同结构模式,模拟出的总磷浓度序列能从总体上反映实测总磷时序的演变特征和动态变化趋势,克服了利用单纯统计理论进行水环境风险分析无外延性的不足。     

基于模糊事件概率理论的水质风险率计算方法

针对水环境系统的随机不确定性和模糊不确定性，分析了影响水环境中水质风险的不完善性和模糊性因素，将水环境中水质风险作为一个模糊事件，利用模糊事件概率理论，提出了水环境水质超标的模糊随机风险率计算模型。通过引入模糊事件信息熵来评价隶属函数特征值取值的可靠程度，定量描述了隶属函数特征值与风险率的关系，进而计算出风险率。实例计算结果证明了方法的有效性。     

三峡库区重庆段水质安全综合评价研究

在WQI模型、水体富营养化评价模型和水环境健康风险模型的基础上,利用层次分析法(AHP)构建了水质安全等级评价模型,并利用该模型对2011年三峡库区重庆段干流和4条主要支流水质安全状况进行了评价。结果表明,库区及主要支流水质安全状况总体处于中等水平,但通过饮水途径对人体健康造成危害的风险较高,且入库断面水质安全状况较差;影响水质安全指数的主要因素来自于总氮和总磷等营养化指标,六价铬含量则直接决定了对人体健康风险的大小。上述结论表明,在三峡库区水环境监测中除应关注总氮和总磷等营养物质含量外,还要注意部分重金属的危害。     

水环境风险评价的随机模拟与三角模糊数耦合模型

探讨了将三角模糊数理论用于描述和处理水环境风险评价系统中的随机性、模糊性,以及资料信息的不完整、不精确性等不确定性特征的具体实现途径。采用Monte Carlo方法模拟三角模糊数,把三角模糊数及其函数之间的运算转化为普通的实数之间的运算,建立了水环境风险评价的随机模拟与三角模糊数耦合模型(SS-TFN)。应用结果表明:SS-TFN通过Monte Carlo方法可得到水环境系统的质量状态变量的大量模拟序列,其计算结果比三角模糊数的截集技术的计算结果更简便、全面和合理;用SS-TFN通过调整水环境系统的质量状态变量的控制参数,可方便地获得水环境风险管理的对策方案。     

武汉市后官湖水环境演变特征及其影响因素分析

水环境精细化管理背景下湖泊水质演变特征分析对湖泊水环境整治规划有着重要意义。根据后官湖2010～2018年水质监测数据,采用单因子评价法和综合营养状态评价法从年份、月份、季度、水期等4个时间角度分析了后官湖水质浓度、水质类别和富营养化演变特征。结果显示:2010～2018年后官湖总磷、总氮浓度呈上升趋势,高锰酸盐指数、氨氮呈下降趋势;2015年以来,后官湖水质为Ⅳ类,超标因子为总氮、总磷,受农业种植、城镇生活污水影响最大;湖泊呈中营养化状态,且综合营养状态指数有增加趋势;四季中,除春季水质达标外,其余季节均超标;多年月平均水质除4～6月达标外,其余月份均超标。后官湖湖边与湖心的水质差别较小,说明后官湖属于均匀混合型湖泊。月均降雨量、气温和水位等水文气象指标与水质浓度指标的相关分析表明:降雨量、气温与总氮、溶解氧浓度呈显著负相关关系,其余指标浓度与水文气象无相关关系。     

基于Sentinel2-L1C的江汉平原水产养殖区水质参数反演

遥感技术已成为监测内陆水域水质的一种有效手段，为研究江汉平原水产养殖区域内水体总磷、总氮和化学需氧量浓度的变化规律，基于Sentinel2-L1C遥感数据建立水体透明度、悬浮物浓度、叶绿素a浓度3种光学活性物质浓度的反演模型，结合推算出的水体透明度、悬浮物浓度和叶绿素a浓度与拟合点水体实测总磷、总氮和化学需氧量浓度分别建立关联，构建江汉平原拟合点水体总磷、总氮和化学需氧量浓度3种非光学活性物质浓度的间接反演模型并进行模型的率定验证。结果表明：水体透明度与水体总磷浓度具有较好相关性，水体透明度越高，水质越好，水体总磷浓度越低；水体悬浮物浓度与水体总氮浓度具有较高相关性，水体悬浮物浓度越高，水质越差，对应水体总氮浓度越高；水体叶绿素a浓度越高，对应水体化学需氧量浓度越高。构建水体总磷浓度、总氮浓度和化学需氧量浓度的间接反演模型，确定性系数均>0.6,并对江汉平原监测点水体的总磷、总氮和化学需氧量浓度进行了模拟和分析，结论与水产养殖区内饲料投喂主要时期的影响规律基本保持一致。研究结果对于探测江汉平原水产养殖区大尺度范围水质参数的时空演变具有一定的实用价值。     

基于BP神经网络的水环境质量评价模型的研建

选择丹江口水库13个水质监测断面，应用了人工神经网络BP算法，构建了丹江口库区水环境质量评价模型。通过5个水质监测项目，氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数、化学需氧量对丹江口水库库区水质进行了综合评价，并与单因子评价法的综合评价结果进行了比较,二者评价结果基本一致。应用结果表明，BP神经网络用于水环境质量评价具有客观性、通用性和实用性。     

辽河流域河流水质综合评价

本文以辽河流域为例,将水质风险次序权重与组合准则权重相耦合构建评价模型,运用该模型计算评价了多种次序权重和河流水质等级。结果表明:风险水平α=1的条件下,国标法划分的监测点水质类别与该方法保持较好的一致性,对于河流水质的评价该方法符合实用性和可行性要求;石油类、总磷、氨氮、总有机碳等因子对流域水质的影响显著;入海口水质受地理位置制约,总体处于较差水平;水环境污染来源以工业废水、城市和农业污水为主。该耦合评价方法可为流域水环境保护和水质治理提供数据支撑。     

基于随机水质模型的水功能区COD超标风险分析

由于水环境系统中存在诸多不确定因素,建立在物理简化基础上的确定性水质模型并不能反映水质变化过程的不确定性。为了弥补确定性水质模型的局限性,本文根据随机微分方程理论,假设水质模型中的耗氧系数、沉降系数、复氧系数服从双侧截尾正态分布,建立了考虑随机效应的水质模型。将模型应用于COD超标风险分析,分别计算了不同水文、水质条件下COD浓度的概率分布。结果表明:当三道营来水COD浓度为16、17、18 mg/L时,超标概率为分别在0.3、0.6、0.8左右。     

长江河口水环境现状及趋势分析

采用单项水质因子法，对长江河口实测水质资料进行分析，根据长江口水体质量特征，评价主要侧重于有机指标，选择了溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn)、5日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3－N）、亚硝酸盐氮（NO2－N）、硝酸盐氮（NO3－N）和总磷（TP），另外还选择了盐度指标氯化物（Cl^-)进行分析。结果表明河口江段呈现有机污染的特征，总磷、化学耗氧量和氨氮为要污染因子；河口江段断面水质目前状况尚可，但近岸水域水质明显劣中泓水质；汛期水质劣于非汛期水质；评价期内岸边水域落潮期水质劣于泓潮期水质，最后对长江河口未来水质变化的趋势进行了预测。     

饮用水水源地健康风险评价

综合目前国外健康风险评价的研究成果,建立了水环境健康风险评价模式。以某河流水质的实测资料为背景,研究了待建水库水环境健康风险问题,得出定量的健康风险指标,为饮用水水源风险管理和决策提供重要依据,为构建适合我国实际的饮用水源健康风险评价体系奠定基础。     

中国省际水风险评价及空间关联格局研究

参考世界自然基金会(WWF)与德国投资与开发有限公司(DEG)提出的水风险评估方法,从短缺风险、污染风险、灾害风险、生态风险以及监管与声誉风险5个方面构建水风险评价体系,以中国31个省(市)为研究对象,采用加权综合评价方法对2000—2013年各省(市)的水风险进行评估,并利用Fuzzy ISODATA聚类模型对水风险评价结果进行分类。在此基础上运用空间自相关分析方法,对中国水风险指数的总体空间区域差异及时间演变趋势进行研究。结果表明:1中国水风险总体处于中低水平,且风险等级呈现出由高向低发展的良好状态。2各省(市)风险大小差异明显,南方地区水风险普遍低于北方地区。3风险子系统中短缺风险与污染风险对各省(市)水风险影响较大,但影响程度随时间减弱;生态风险小幅上升;灾害风险受自然条件影响表现出随机性特征。4水风险空间上存在显著的集聚现象,但空间集聚特征减弱,省际水风险关联度减小。     

水质综合评价的LM-BP神经网络通用模型应用

分析BP神经网络应用于水质评价中存在的问题和目前水质评价中的不足,基于地表水环境质量分级标准和L-M算法原理,提出LM-BP神经网络水质综合评价通用模型。利用随机内插方法在地表水环境质量分级标准阈值间生成训练样本和检验样本,采用顺序和随机两种方法选取训练样本和检验样本进行随机模拟;利用平均相对误差、最大相对误差等统计指标评价LM-BP模型性能,并构建传统BP、RBF模型作为对比模型;以某水质评价实例进行模型验证,并与灰色关联分析法、模糊综合评判法和TOPSIS法评价结果进行比较。结果表明：LM-BP通用模型具有评价精度高、泛化能力强、收敛速度快、算法稳定和通用性能好等优点,可应用于任意水质评价。在实际应用中仅需对通用模型的评价因子、输入维数和隐含层神经元数进行删减即可满足评价要求。     

海河干流汛期动态水环境容量计算研究

海河干流是一个典型的平原缓滞流型河道,水体自净能力低,且汛期大量污染物随降雨径流汇入,水污染问题严重。水环境容量的计算是实施污染控制的基础,对水环境质量管理方案的制订具有重要意义。在汛期,海河干流受降雨径流和闸门控制等因素的多重影响,其水位、流量、水质等要素随时间变化十分复杂。为此,提出基于水动力水质模型的河流动态水环境容量计算方法,计算了海河干流4个控制单元汛期COD、TN、TP的水环境容量。结果表明:海河干流水体污染严重,各控制单元现状条件下TN及TP几乎没有可利用的水环境容量。在此基础上,对天津市中心城区及环城四区选取透水铺装、下凹绿地、绿色屋顶和生物滞留设施等4种措施进行低影响开发改造,并在SWMM模型中模拟改造效果。改造后,研究区域内COD、TN、TP入河量的削减率分别达到39.5%,35.7%,35.9%,且各个控制单元汛期水环境容量均有明显提高。研究结果可为海河干流水环境质量管理提供依据,为缓解降雨径流污染、改善水环境质量提供技术支撑。     

流域水环境与生态学研究回顾与展望

简要分析了流域水环境与生态学的发展历程,系统介绍了2010年以来中国水利水电科学研究院水环境研究所取得的主要科研成果:(1)水环境监测技术与标准。形成了水环境监测分析技术与标准体系,研发了系列水环境监测标准物质,研究了水源地健康风险评价技术与水污染事件应急预警预报关键技术,研发了水环境监测新技术与设备;(2)流域水环境与水生态过程演变机理与模型。在大型水库重金属污染物水环境演变机理及效应、生源物质流域迁移转化特征及驱动机制、生态水文过程变异与河湖生态响应机制与流域水环境与生态模型等方面取得系列创新成果;(3)流域水质目标管理与流域水环境综合治理技术。形成了水功能区达标评价技术体系、流域容量总量控制技术体系,提出了流域水环境综合治理规划技术与湖库沉积物污染评价与生态疏浚方案制定技术,研发了生物慢滤水处理水质净化技术及设备;(4)河湖健康评估与水生态保护修复技术。提出了河湖健康评估标准,研究形成了河湖水系生态连通技术、生态流量确定技术、水质水量联合调度技术与水生态修复技术。最后分析了新时期水环境与生态学的科技需求,提出了水环境研究的展望。     

Gray Water Footprint: Taking Quality,Quantity, and Time Effect into Consideration

Water footprint is a research hotspot in the field of water resource. Gray water footprint is important in the assessment of environmental effects on water resource. In this short communication, a new gray water footprint assessment method was proposed as: WFgray(α, β, ?). Here α is an index for water quality effect assessment; β is an index for water quantity effect assessment; ? is an index for time effect assessment. This model takes water quality, quantity, and time effect into consideration. We firmly believe that this method will contribute to the development of water footprint assessment.     

Random number generator or sewer water quality model?

Integrated urban drainage modelling and environmental impact assessment require sewer emission models to be linked with submodels for treatment infrastructure and receiving rivers. The uncertainty in current water quality modelling is, however, huge, and environmental impact assessment looses more and more credibility. Based on an integrated modelling case for a combined sewer-WWTP-river system, it is shown in the paper that the integrated model does not produce more accurate results in comparison with the random simulation of emission concentrations from a frequency distribution. This should, however, not pose a serious problem as in most applications of impact assessment, model results are not needed in real time but in statistical terms. Further investigation makes clear that detail/sophistication in water quality modelling is not so important, but that more focus has to be given to long-term simulations, the use of parsimonious models and model validation based on concentration frequencies.     

QUAL2Kw模型在新安江干流黄山段水质模拟中的应用

针对新安江干流当前水质状况与水生态功能分区要求不协调的问题,首先通过对流域内的12个监测站点多年水质监测数据进行模糊综合评价分析,确定水质现状并识别出各水质指标的污染贡献度矩阵。然后使用一维、稳态水质模型QUAL2Kw对河道水质进行模拟,在遗传算法校准得到参数集的基础上,对模型进行验证,最后根据水功能区划计算目标河道的环境容量。结果表明:QUAL2Kw模型可以很好地模拟现实水质状况,但模拟结果显示,新安江干流各河段的TN环境容量大部分为负值,污染现状不容乐观;水体对于TP则仍有少量的环境容量,但由于TP为限制因子,因此基于环境容量的营养盐污染控制亟需加强。