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滆湖重建沉水植物生境对抑制沉积物再悬浮的模拟研究

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湖泊科学 2024年第5期36卷 1403-1411,I0010-I0013页

作者：龚然胡梅续衍雪徐力刚蒋名亮南京工程学院环境工程学院南京211167 江西省生态环境监测中心南昌330037 生态环境部环境规划院长江经济带生态环境联合研究中心北京100041 清华大学水利系水电工程系北京100084 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域水安全重点实验室南京210008 中国科学院南京地理与湖泊研究所鄱阳湖湖泊湿地综合研究站九江332899 江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心南昌330029

滆湖自1990s以来水生态环境变化迅速,水生植物几乎消亡,生态系统由“草型清水”湖演变为“藻型浊水”湖,其浅水特性在风力作用下常造成底床沉积物的再悬浮现象。泥沙和营养物质频繁重回上覆水体导致水质长期难以改善,故重建沉水植物生... 详细信息

滆湖自1990s以来水生态环境变化迅速,水生植物几乎消亡,生态系统由“草型清水”湖演变为“藻型浊水”湖,其浅水特性在风力作用下常造成底床沉积物的再悬浮现象。泥沙和营养物质频繁重回上覆水体导致水质长期难以改善,故重建沉水植物生境被认为是恢复滆湖生态环境的措施之一。本文构建滆湖水环境模型,模拟和分析水动力及沉积物的再悬浮过程。研究表明,在常规风力条件下(约2.2~2.8 m/s),全湖底床切应力均值(■)约为0.023 N/m^(2),全湖几乎不存在沉积物再悬浮现象,而在强风条件下(如大于10 m/s),■可达0.45 N/m^(2),全湖绝大部分区域的沉积物均可以发生再悬浮,南部浅水区域及其东西沿岸为再悬浮发生的高频地区。模型设定了一种沉水植物生境的情景条件进行模拟与预测。研究结果表明,在易发生再悬浮且适合沉水植物生长的南部区域,重建覆盖度约为12%的沉水植物,可削减实际条件下■的24.4%,从而分别降低年均和强风时刻全湖固体悬浮物(TSS)浓度的29.3%和25.1%。对一次强风过程的模拟结果表明,情景条件下■由实际条件下的0.45 N/m^(2)下降为0.34 N/m^(2),全湖TSS均值和最大值比实际条件分别下降了20.9和470 mg/L,沉水植物生境的存在对全湖TSS浓度改善效果显著。

关键词：滆湖沉水植物沉积物再悬浮数学模型情景预测

基于鲸鱼优化算法的长短期记忆模型水库洪水预报

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湖泊科学 2024年第1期36卷 320-332页

作者：丁艺鼎蒋名亮徐力刚范宏翔吕海深河海大学水文与水资源学院南京210098 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210018 中国科学院大学南京学院南京211135 江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心南昌330029

洪涝灾害是世界主要自然灾害之一,优化洪水预报方案对防洪决策至关重要,然而传统水文模型存在参数多、调参受人为因素影响,泛化能力弱等问题。针对上述问题,本文提出基于改进的鲸鱼优化算法和长短期记忆网络构建自动优化参数的WOA-LSTM... 详细信息

洪涝灾害是世界主要自然灾害之一,优化洪水预报方案对防洪决策至关重要,然而传统水文模型存在参数多、调参受人为因素影响,泛化能力弱等问题。针对上述问题,本文提出基于改进的鲸鱼优化算法和长短期记忆网络构建自动优化参数的WOA-LSTM模型,通过优化神经网络结构进一步增强该模型的稳定性和精确度,并且建立不同预见期下的洪水预报模型来分析讨论神经网络结构与预报期之间的关系。以横锦水库流域1986-1997年洪水资料为例,其中以流域7个雨量站点的降雨以及横锦站水文资料为输入,不同预见期下洪水过程作为输出,以1986-1993年作为模型的率定期,1994-1997年作为模型的检验期,研究结果表明:(1)以峰现时差、确定性系数、径流深误差和洪峰流量误差作为评价指标,相比较于LSTM模型和新安江模型对检验期的模拟结果表明WOA-LSTM模型拥有更高的精度、预报结果更稳定;(2)结合置换特征值和SHAP法分析模型特征值重要性,增强了神经网络模型的可解释性;(3)通过改变神经网络结构在一定程度避免由于预见期增加和数据关联性下降而导致的模型预报精度下降的问题,最终实验表明该模型在预见期1~6 h下都可以满足横锦水库的洪水预报要求,可以为当地的防洪决策提供依据。

关键词：洪水预报长短期记忆模型(LSTM) 鲸鱼优化算法深度学习

2021-2022年鄱阳湖丰水期水体富营养化指标空间分布数据集

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中国科学数据（中英文网络版） 2024年第1期9卷 144-151页

作者：蒋名亮杨海刘贺徐力刚中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008 中国科学院南京地理与湖泊研究所鄱阳湖湖泊湿地综合研究站江西庐山332800 中国地质调查局南京地质调查中心南京210016

鄱阳湖是长江流域最大的通江湖泊,对维持长江流域生态功能具有举足轻重的作用。然而随着气候变化和人类活动的共同影响,其富营养化程度逐年增加,生态功能逐渐恶化。为研究鄱阳湖富营养化的时空变化特征,保护鄱阳湖水资源、水环境安全,于... 详细信息

鄱阳湖是长江流域最大的通江湖泊,对维持长江流域生态功能具有举足轻重的作用。然而随着气候变化和人类活动的共同影响,其富营养化程度逐年增加,生态功能逐渐恶化。为研究鄱阳湖富营养化的时空变化特征,保护鄱阳湖水资源、水环境安全,于2021年和2022年夏季藻类生长高峰期基于野外采样规范均匀采集了鄱阳湖湖体72个点位的水样,在实验室严格按照国标和行业标准规定的方法完成了采样点水体富营养化指标总氮、总磷、高锰酸盐指数和叶绿素的测定,形成了鄱阳湖2021-2022年丰水期水体富营养化指标空间分布数据集。本数据集产品可准确表征鄱阳湖丰水期水体污染状况、富营养化状态及其在空间上的分布特征,对鄱阳湖流域污染管控,长江流域水环境保护具有重要的数据支撑意义。

关键词：鄱阳湖水体富营养化时空数据

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赣江流域非一致性条件下设计洪水估计

水利水电技术 2019年第6期50卷 62-69页

作者：赵永茂徐力刚蒋名亮姜加虎中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院流域地理学重点实验室江苏南京210008 中国科学院大学北京100049

赣江流域年最大日径流量在过去60a呈现出显著的变异特征,以此为样本序列,选用广义极值(GEV)分布来对其进行拟合,并基于五种气候模式输出结果对未来设计洪水的变化情况进行分析。所选协变量包括时间t、洪水前N日降水量和下垫面信息。相... 详细信息

赣江流域年最大日径流量在过去60a呈现出显著的变异特征,以此为样本序列,选用广义极值(GEV)分布来对其进行拟合,并基于五种气候模式输出结果对未来设计洪水的变化情况进行分析。所选协变量包括时间t、洪水前N日降水量和下垫面信息。相关关系分析表明,N=10时降水与洪水关系最为密切,但流域内土地利用类型仅呈现出微弱的变化趋势。模拟结果表明,洪水序列服从Weibull分布,其中形状参数ξ=-0.169、尺度参数σ=2 078.9、位置参数μ=65.1c+437.1。非一致性条件下的设计洪水值与传统方法计算的设计值存在很大区别,设计洪水值在1994年要偏大4 000 m^3/s以上,其面临的洪水风险要远超普通年份。未来的设计洪水在低、中、高三种排放情景下均呈现出上升趋势,峰值出现于2040年前后,较1994年估计值偏大1 000~2 500 m^3/s。

关键词：赣江流域非一致性 GEV分布设计洪水气候模式

改进型综合水质标识指数法及其在邛海水质评价中的应用

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中国环境科学 2024年

作者：方佳卉徐力刚蒋名亮杨军李超凡肖克彦李国祥南京信息工程大学地理科学学院中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域水安全重点实验室中国科学院南京地理与湖泊研究所鄱阳湖湖泊湿地综合研究站江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心中国科学院大学邛海国家湿地公园保护中心西昌市环境监测站

水质评价是保护水资源、保障水环境安全、维护生态系统平衡和促进经济社会可持续发展的重要手段.但是，目前常用的水质综合评价方法缺乏对指标权重客观性、主观性以及时间动态性的系统考虑，可能影响评价结果的合理性和准确性.在此基础... 详细信息

水质评价是保护水资源、保障水环境安全、维护生态系统平衡和促进经济社会可持续发展的重要手段.但是，目前常用的水质综合评价方法缺乏对指标权重客观性、主观性以及时间动态性的系统考虑，可能影响评价结果的合理性和准确性.在此基础上，本文对传统的综合水质标识指数（CWQI）模型进行优化，建立了同时考虑主观权重和客观权重的基于博弈论的改进的综合水质标识指数(ICWQIG)模型和考虑权重时间动态的分阶段组合权重的综合水质标识指数(ICWQIP)模型，并以邛海作为案例依托，使用ICWQIG和ICWQIP模型科学评估了邛海水质状况，验证了改进型综合水质标识指数法的科学性。研究结果表明，与传统的CWQI模型相比，改进后的ICWQIG和ICWQIP模型都考虑了TP超标的因素，评价结果更符合研究区域的实际水质情况，并且可以敏锐的识别出更多的污染风险区域与污染程度较严重的水体。ICWQIP采用阶段性权重代替统一权重，能够补偿降水等因素影响的水质指标权重，可以更好地辨识出不同时期影响水质的关键环境变量，得到更准确合理的结果。同时，基于改进的综合水质标识指数法发现， 2023年邛海水质劣于2020～2022年，并且邛海水质指标空间差异性显著，西北部湖区的污染程度高于东部和南部湖区。本文改进的ICWQIG和ICWQIP模型在邛海水质评价中表现了更好的合理性，可为邛海水生态环境精细化管理提供理论支撑，对其他类似水体的水质评价工作具有重要的参考价值。

关键词：改进的综合水质标识指数水质评价阶段性权重邛海

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滇池近20年水环境变化趋势与影响因素分析

环境监测管理与技术 2024年第2期36卷 12-18页

作者：冯昶瑞蒋名亮牛海林徐力刚青海大学生态环境工程学院青海西宁810016 中国科学院南京地理与湖泊研究所江苏南京210008

利用2001—2020年滇池水质监测数据,研究其水环境时空变化特征。结果表明:滇池水质呈现波动变化趋势,TN波动区间较大,呈现雨季<旱季的变化趋势。TP年内变化3—6月呈现增长趋势,空间上滇池北部TP值整体较高。Chl-a年内变化7—10月出现明... 详细信息

利用2001—2020年滇池水质监测数据,研究其水环境时空变化特征。结果表明:滇池水质呈现波动变化趋势,TN波动区间较大,呈现雨季<旱季的变化趋势。TP年内变化3—6月呈现增长趋势,空间上滇池北部TP值整体较高。Chl-a年内变化7—10月出现明显提升。I_(Mn)波动区间较大,空间上滇池南部呈现I_(Mn)值较高且稳定。NH3 N年内2—11月整体呈现连续下降趋势。2001—2020年滇池TLI整体呈现波动降低;空间上呈现由北向南递减,草海区域富营养化较为严重。滇池Chl-a与TN、TP、水温、pH值及降雨量呈现正相关性,与水位和透明度呈现负相关性。

关键词：水质变化趋势影响因素富营养化滇池

基于博弈理论组合赋权的沱沱河流域模糊综合水质评价

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环境监测管理与技术 2024年第6期36卷 29-35页

作者：宋玉庭蒋名亮徐力刚牛海林青海大学生态环境工程学院青海西宁810016 中国科学院南京地理与湖泊研究所江苏南京210008 中国科学院南京地理与湖泊研究所鄱阳湖湖泊湿地综合研究站江西庐山332899 中国科学院大学南京学院江苏南京211135

2021年6—9月对沱沱河流域的6条主要河流布设6个监测点,监测23项水质指标并作评价,结果显示,10项指标检出,13项指标未检出,水质基本优于地表水Ⅱ类。根据水质监测数据,采用主成分分析和相关分析法建立评价因子集,基于博弈论对熵权法和... 详细信息

2021年6—9月对沱沱河流域的6条主要河流布设6个监测点,监测23项水质指标并作评价,结果显示,10项指标检出,13项指标未检出,水质基本优于地表水Ⅱ类。根据水质监测数据,采用主成分分析和相关分析法建立评价因子集,基于博弈论对熵权法和改进的层次分析法确定的指标权重进行优化组合,构建博弈理论组合赋权的水质模糊评价模型进行水质评价,运用综合评判指数量化水质等级。结果表明,流域内高锰酸盐指数(I_(Mn))、五日生化需氧量(BOD_(5))、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)等指标是水质主要影响因子,2021年6—9月沱沱河流域水质良好,6条河流水质的模糊综合评价结果均在Ⅰ~Ⅱ类之间。

关键词：水质博弈理论模糊综合评价沱沱河流域

可解释性长短期记忆模型用于预测湖泊总磷浓度变化

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湖泊科学 2024年第4期36卷 1046-1059,I0007页

作者：丁艺鼎范宏翔徐力刚蒋名亮吕海深朱永华程俊翔河海大学水文与水资源学院南京210098 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210018 中国科学院大学南京学院南京211135 江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心南昌330029

对湖泊总磷的变化预测和来源识别对水资源调度和流域生态治理有着重要的意义,然而复杂的生化反应和水动力条件导致的非平稳性给湖泊总磷浓度的准确预测带来极大的困难。为克服这一挑战,本文引入了基于加权回归的季节趋势分解(seasonal a... 详细信息

对湖泊总磷的变化预测和来源识别对水资源调度和流域生态治理有着重要的意义,然而复杂的生化反应和水动力条件导致的非平稳性给湖泊总磷浓度的准确预测带来极大的困难。为克服这一挑战,本文引入了基于加权回归的季节趋势分解(seasonal and trend decomposition using Loess,STL)技术和夏普利加法(SHapley additive exPlanations,SHAP)结合长短期记忆网络(long short-term memory neural network,LSTM)和门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)构建了一个可解释的预测框架,以增强对湖泊总磷浓度演变的预测并提高其可解释性。研究表明:(1)在骆马湖总磷浓度的预测中,该框架拥有较好的预报精度(R^(2)=0.878),优于LSTM和卷积长短期记忆模型(convolutional neural networks and long short term memory network,CNN-LSTM)。当预测时间步长增加到8 h时,该框架有效提高了总磷浓度的预测精度,平均相对误差和均方根误差分别降低了47.1%和33.3%。从预测趋势来看,骆马湖在汛期的总磷平均浓度为0.158 mg/L,相较于非汛期的平均浓度,增加了202.1%。(2)运河来水是骆马湖总磷浓度最重要的影响因素,贡献权重为60.0%,并且不同断面(三湾、三场)的污染源受水动力、气象等因素的影响存在显著的时空差异。本文凸显了神经网络模型在预警水体污染方面的可实施性,并且为提高传统神经网络的学习能力和可解释性的开发与验证提供了重要方向。

关键词：深度学习 LSTM SHAP 总磷可解释性研究骆马湖

鄱阳湖浮游植物时空变化特征及其对极端洪枯事件的响应

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湖泊科学 2024年第4期36卷 1001-1013页

作者：李文轩蒋名亮徐力刚胡颂平游海林周权平陈孜张琳江西农业大学植物功能基因与组培技术研究中心南昌330045 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008 中国科学院南京地理与湖泊研究所鄱阳湖湖泊湿地综合研究站庐山332899 中国科学院大学南京学院南京211135 江西省科学院流域生态研究所南昌330096 中国地质调查局南京地质调查中心南京210016 自然资源部流域生态地质过程重点实验室南京210016

鄱阳湖作为中国最大的淡水湖泊,其水生态健康状态始终是人们关注的热点。近些年,鄱阳湖极端洪旱灾害频发,浮游植物生长受极端洪旱的影响发生了明显变化。为分析浮游植物时空变化特征、探究环境因子对鄱阳湖浮游植物影响机制以及极端洪... 详细信息

鄱阳湖作为中国最大的淡水湖泊,其水生态健康状态始终是人们关注的热点。近些年,鄱阳湖极端洪旱灾害频发,浮游植物生长受极端洪旱的影响发生了明显变化。为分析浮游植物时空变化特征、探究环境因子对鄱阳湖浮游植物影响机制以及极端洪枯事件对浮游植物的影响,利用结构方程模型(SEM)构建浮游植物与环境因子的影响路径模型,定量分析环境因子对浮游植物的影响程度。结果表明,鄱阳湖浮游植物以蓝藻、绿藻为主且有明显的季节特征,在7月丰水期浮游植物密度达到最高;由结构方程模型(SEM)可知,影响浮游植物密度最关键的因子为物理因子(水温>pH>透明度>溶解氧),其次为营养物质(总氮>硝态氮>总磷>磷酸盐),浮游植物对高温、高营养和高pH较偏好。2020年极端洪水和2022年极端高温干旱,浮游植物密度主要受水温、溶解氧、透明度等物理因子的影响;在影响较小的营养物质中,主要的限制性因素分别为磷和氮。与正常年份相比,极端洪水年鄱阳湖受入湖来水及降雨的增多,湖区水量急剧增加,“稀释”作用超过水温和透明度对浮游植物生长的促进作用造成浮游植物密度和生物量有所下降;在营养物质中,磷成为主要限制性因素。而极端高温干旱年受入湖来水的减少及湖水的快速蒸发,“浓缩”作用超过水温和透明度对浮游植物生长的抑制作用造成浮游植物密度和生物量显著增加,同时,营养物质对浮游植物的作用更加凸显。研究结果表明极端洪枯事件导致鄱阳湖浮游植物变化明显,确定其对浮游植物的影响机制,可以为极端洪枯事件下浮游植物监测、管理提供一定的理论基础。

关键词：鄱阳湖浮游植物结构方程模型(SEM) 环境因子极端洪枯