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基于注意力机制优化的BiLSTM珠江口水质预测模型

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环境科学 2024年第6期45卷 3205-3213页

作者：陈湛峰李晓芳广东省生态环境监测中心广州510308

为提高珠江口水质预测精度和稳定性,提出了基于时间和特征双注意力机制优化的Bi LSTM水质预测模型,引入特征注意力机制强化模型捕获参数重要特征能力,加入时间注意力机制提高对时间序列相关性信息及水质波动细节信息的挖掘能力.将新模... 详细信息

为提高珠江口水质预测精度和稳定性,提出了基于时间和特征双注意力机制优化的Bi LSTM水质预测模型,引入特征注意力机制强化模型捕获参数重要特征能力,加入时间注意力机制提高对时间序列相关性信息及水质波动细节信息的挖掘能力.将新模型应用于珠江8个入海口水质预测,开展预测性能试验、泛化能力试验和特征参数扩展性试验.结果表明:①新模型在珠海大桥水质预测取得了较高的预测精度,预测值与实测值的均方根误差RMSE为0.0041 mg·L^(-1),决定系数R^(2)为98.3%.与Multi-Bi LSTM、Multi-LSTM、Bi LSTM和LSTM对比,表明新模型预测精度最高,验证了模型的精准性.②训练样本数量和预测步数均对模型预测精度产生影响,模型预测精度随着训练样本的增加而提升,海珠大桥断面总磷预测时,240组以上训练样本可获得较高预测精度;增加预测步数,会使模型预测精度迅速下降,预测步数大于5步时无法保障模型预测的可靠性.③将新模型应用于珠江8个入海口不同水质指标预测,预测结果均取得较高精度,模型具有较强的泛化能力;输入对象断面预测指标相关联的上游来水、降雨量等特征参数,能够提高模型预测精度.通过多方面多次试验,结果表明新模型能够较好地满足珠江口水质预测精度、适用性和扩展性要求,为复杂水动力环境水体水质高精度预测进行了新的探索.

关键词：特征注意力机制时间注意力机制 BiLSTM模型 LSTM模型珠江口水质预测

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乌江磷浓度与通量变化及来源解析

湖泊科学 2024年第1期36卷 64-76页

作者：娄保锋黄波黄小龙邓世江卓海华生态环境部长江流域生态环境监督管理局监测与科研中心武汉430010 四川省广元生态环境监测中心站广元628000

磷(P)是长江流域备受关注的污染物。乌江是长江八大支流之一,位于三峡水库近库尾江段。武隆断面是乌江入长江控制断面。对1998-2019时期武隆断面径流量、悬浮泥沙浓度(SS)与输沙量、磷浓度与通量(包括总磷(TP)、溶解态磷(DP)和颗粒态磷(... 详细信息

磷(P)是长江流域备受关注的污染物。乌江是长江八大支流之一,位于三峡水库近库尾江段。武隆断面是乌江入长江控制断面。对1998-2019时期武隆断面径流量、悬浮泥沙浓度(SS)与输沙量、磷浓度与通量(包括总磷(TP)、溶解态磷(DP)和颗粒态磷(PP))年际变化及季节特征进行研究,并基于河流基流分割原理对磷的来源进行了解析。结果表明,(1)1998-2019年,乌江武隆断面径流量在一定幅度内上下波动,而悬浮泥沙浓度和输沙量下降剧烈。(2)22年来,乌江TP和DP浓度与通量总体上呈先升高后下降的趋势,2009-2013年为磷污染峰值期,TP和DP浓度与通量远高于其它时期。(3)2007年是一个重要的时间节点,该节点前,TP的赋存形态以颗粒态为主,颗粒态磷在总磷中的占比均值为65%;该节点后,TP的赋存形态转变为以溶解态为主,颗粒态磷占比均值下降为16%,相应地,溶解态磷占比由35%上升为84%。水沙条件改变是磷形态发生显著变化的主要驱动力,磷污染程度亦是磷形态变化的重要影响因素。(4)磷通量在年内的季节分布发生了显著变化,丰水期磷通量减少,枯水期磷通量增加。(5)1998-2012、2009-2013和2014-2019年3个时期点源负荷占比分别为23.5%、36.8%和62.1%,呈增加趋势。(6)建议制定适宜的总磷控制目标,结合目前所存在的磷污染风险点,进一步强化监管,侧重源头治理。

关键词：乌江磷通量形态来源解析

郑州市冬春季PM_(2.5)中金属元素污染特征、来源及健康风险评估

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环境科学 2024年第5期45卷 2548-2557页

作者：陶杰闫慧姣徐艺斐荆海涛河南省郑州生态环境监测中心郑州450007

于2021年1月和4月利用在线金属分析仪对郑州市大气PM_(2.5)中的18种金属元素进行连续测定,分析了元素浓度变化特征;采用富集因子、正定矩阵因子分解法(PMF)和特征雷达图对金属元素进行溯源;采用美国EPA健康风险评价模型评估其健康风险,... 详细信息

于2021年1月和4月利用在线金属分析仪对郑州市大气PM_(2.5)中的18种金属元素进行连续测定,分析了元素浓度变化特征;采用富集因子、正定矩阵因子分解法(PMF)和特征雷达图对金属元素进行溯源;采用美国EPA健康风险评价模型评估其健康风险,并通过后向轨迹法和浓度权重轨迹法(CWT)分析了健康风险的潜在源区.结果表明,春季元素浓度较高,Fe、Ca、Si和Al浓度之和分别占冬季和春季总元素浓度的89.8%和87.5%.Cd属于重度富集,受人为污染影响严重.冬季Pb、Se、Zn、Ni、Sb和K以及春季Cr、Ni、Fe、Mn、V、Ba、Ca、K、Si和Al浓度随污染等级的提高而增加.PMF源解析和特征雷达图结果表明,冬春两季金属元素主要来源为工业源、地壳源、机动车源和混合燃烧源,冬季多发生工业源和混合燃烧源污染,春季多发生地壳源污染.冬春两季均存在明显的非致癌风险,冬季健康风险更严重,Mn造成明显的非致癌风险.冬季健康风险主要受郑州及周边城市传输影响和西北方向远距离输送影响,春季健康风险主要受郑州及周边城市影响.

关键词：郑州市正定矩阵因子分解法(PMF) 特征雷达图健康风险潜在源区

在线固相萃取-液相色谱-串联质谱法直接测定水中15种全氟烷基化合物

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中国环境监测 2024年第2期40卷 185-197页

作者：赵陈晨陈勇侯晓玲李思思吴佳伦陈娟王萍四川省成都生态环境监测中心站四川成都610000

通过优化样品保存、前处理、分析条件,建立了水中15种典型全氟烷基化合物(PFASs)在线固相萃取-液相色谱-串联质谱分析方法,并对饮用水水源地和末梢水中PFASs进行定量检测。水样过膜后,准确移取700μL水样、300μL甲醇至1.5 mL聚丙烯进样... 详细信息

通过优化样品保存、前处理、分析条件,建立了水中15种典型全氟烷基化合物(PFASs)在线固相萃取-液相色谱-串联质谱分析方法,并对饮用水水源地和末梢水中PFASs进行定量检测。水样过膜后,准确移取700μL水样、300μL甲醇至1.5 mL聚丙烯进样瓶,并加入同位素内标后直接进样800μL至在线固相萃取流路,进行萃取富集,再通过十通阀切换将洗脱的PFASs转移至分析流路进行分离,质谱检测,内标法定量。方法分析总时长22 min,15种全氟烷基化合物的方法检出限为0.31~1.20 ng/L,纯水高、中、低浓度加标样品回收率为70%~115%,相对标准偏差为0.2%~14.0%(n=6)。经实际样品验证,该方法与传统手动固相萃取方法分析结果基本一致。结果表明,该方法操作简单、自动化程度高、有机试剂用量少、灵敏度高、方法稳定,可满足地表水和末梢水中PFASs的快速测定。

关键词：全氟烷基化合物地表水末梢水在线固相萃取液相色谱-串联质谱

湘南地区土壤重金属污染分布特征及特定源-生态风险评估

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环境科学 2024年

作者：甘杰邹霖陈贝贝冉洪珍刘建利陕西省环境监测中心站湖南省生态环境监测中心

为探究湘南地区土壤重金属污染分布规律与生态风险综合情况，于湘南地区采集了362个表层土壤样品，通过多元统计分析、地理信息系统（GIS）和正定矩阵因子分解（PMF）模型耦合综合生态风险指数法研究了土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Zn、Ni... 详细信息

为探究湘南地区土壤重金属污染分布规律与生态风险综合情况，于湘南地区采集了362个表层土壤样品，通过多元统计分析、地理信息系统（GIS）和正定矩阵因子分解（PMF）模型耦合综合生态风险指数法研究了土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Zn、Ni、Mn、Tl和Sb含量的空间分布规律、污染来源及各污染源对生态风险的贡献率。结果表明，研究区土壤重金属污染较为突出，其含量平均值均超过湖南省土壤元素背景值；尤其是Cd、Hg、Pb和Sb污染严重，且呈高度变异，其含量分别达湖南省土壤元素背景值的8.30、9.00、5.09和2.79倍。土壤中重金属含量区域分布特征明显，主要聚集在郴州西部，且呈现从聚集区向周边区域扩散的趋势；重金属含量高值聚类区也主要分布在该区域，即黑色金属冶炼和延展加工类企业和有色金属采选业企业周边。主成分分析（PCA）结合PMF模型结果显示，研究区土壤重金属污染源贡献率依次为黑色金属矿冶活动工业源（29.06%）、大气沉降源（22.05%）、有色金属采选源（20.65%）、其他工业和交通混合源（14.73%）和自然来源（13.50%）。特定源-生态风险评价模型分析结果表明，黑色金属冶炼与延展加工等工业活动和大气迁移源为研究区土壤生态风险优先控制污染源，Cd和Hg为优先控制元素。上述研究结果为湘南地区土壤重金属环境污染风险防控提供了重要的理论依据。

关键词：土壤重金属空间分布源解析生态风险

成都市2015—2019年臭氧浓度夜间变化及成因分析

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中国环境监测 2024年第3期40卷 84-97页

作者：付虹冯程刘辉王文勇李迪刘岳军李琳伍少泽西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都610036 四川省成都生态环境监测中心站四川成都610066 四川省雅安生态环境监测中心站四川雅安625099

利用2015—2019年成都市每日逐时地面O_(3)监测资料和同期气象数据,通过模拟和计算区域水平、铅直流场和大气静力稳定度支配参数(Ri),对成都市夜间O_(3)浓度第二峰值的反常现象进行统计分析和原因追踪。研究结果表明:成都市2015—2019... 详细信息

利用2015—2019年成都市每日逐时地面O_(3)监测资料和同期气象数据,通过模拟和计算区域水平、铅直流场和大气静力稳定度支配参数(Ri),对成都市夜间O_(3)浓度第二峰值的反常现象进行统计分析和原因追踪。研究结果表明:成都市2015—2019年夜间O_(3)浓度第二峰值出现频率为17%,造成O_(3)浓度夜间反常现象的原因是雅安市山风将高空O_(3)输送至地面,而后平流至成都市,或本地高空湍流破坏夜间稳定层,将上层残留层储存的白天高浓度O_(3)送至近地面,加之夜晚绝大部分污染源停止排放,消耗O_(3)的物质大幅减少,造成地面O_(3)浓度的夜间反常变化。引起高空湍流的方式有2种:一是风向切变,且至少切变45°,风向切变角度越大,湍流强度越大,引起残留层向下增长的幅度越大;二是风速切变,且切变层风速要大于上、下层风速2 m/s,切变风速越大,湍流强度就越大,残留层向下增长的幅度就越大,低空急流是风速切变的极端表现。

关键词：臭氧高空湍流风向切变风速切变山风

结合长时序遥感监测和机器学习算法预测藻类增殖风险时空变化

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湖泊科学 2024年第3期36卷 670-684页

作者：时晨燚刘凤祝铠张媛刘海湖北大学资源环境学院武汉430062 湖北省生态环境监测中心站武汉430071

饮用水源地藻类增殖监测和预测对于改善水生态系统环境和保护人类健康具有重要意义。利用多源遥感数据能够获取高时空分辨率的藻类动态信息,结合长时序遥感监测与机器学习算法能够适应藻类生长复杂的影响机制和非线性特征,实现藻类增殖... 详细信息

饮用水源地藻类增殖监测和预测对于改善水生态系统环境和保护人类健康具有重要意义。利用多源遥感数据能够获取高时空分辨率的藻类动态信息,结合长时序遥感监测与机器学习算法能够适应藻类生长复杂的影响机制和非线性特征,实现藻类增殖风险时空变化的预测。本文利用Landsat与MODIS长时间序列卫星遥感数据,采用FAI与NDVI两种方法提取20002020年丹江口水库藻类浓度的时空变化信息,在此基础上分析藻类增殖对气象因子(气温、气压、相对湿度、风速和累计日照时间)的时间滞后效应。利用支持向量机、朴素贝叶斯与随机森林3种机器学习算法预测藻类增殖风险,并对3种算法的预测性能进行评价和对比。结果表明:丹江口水库藻类浓度年际变化呈现出先增后降的趋势,呈现出明显的季节性周期变化,春末夏初是藻类快速增殖时期。空间上入库支流和库湾等局部地区藻类浓度相对较高,为藻类增殖高风险区,丹江口水库藻类增殖风险预测模型能够较为准确地确定藻类增殖高风险区位置并反映短期内的空间变化情况,3种算法的预测结果呈现出整体上的一致性,其中支持向量机与朴素贝叶斯算法表现出更高的精度,提前4~5天是最佳预测时间。

关键词：遥感监测空间分布预测藻类增殖风险丹江口水库

一次典型沙尘过程对我国热带地区空气质量影响分析

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环境科学学报 2024年第2期44卷 310-319页

作者：盛慧颜为军孟鑫鑫许杏红麦修齐徐文帅海南省生态环境监测中心海口571126

2023年3月中上旬,受北方地区沙尘天气的影响,位处我国热带地区的海南省大部分市县均出现颗粒物浓度骤然升高的现象.为进一步探究我国环境空气质量变化受沙尘天气的影响以及进行颗粒物远距离传输来源解析,本文利用常规大气污染物及气象数... 详细信息

2023年3月中上旬,受北方地区沙尘天气的影响,位处我国热带地区的海南省大部分市县均出现颗粒物浓度骤然升高的现象.为进一步探究我国环境空气质量变化受沙尘天气的影响以及进行颗粒物远距离传输来源解析,本文利用常规大气污染物及气象数据,结合海南边界点位颗粒物组分数据,运用后向轨迹分析、相关性分析等方法研究了此次沙尘过程对海南省环境空气质量的影响及来源分析.结果表明:(1)海南省全省范围内均受到此次沙尘天气不同程度的影响,浮尘由北向南扩散,PM_(10)浓度显著升高.(2)以海口市为例,受沙尘过程影响后,PM_(10)浓度出现明显上升,PM_(2.5)/PM_(10)比值迅速下降,O_(3)、CO、NO_(2)及SO_(2)浓度出现同步上升趋势.(3)沙尘过程造成PM_(10)中化学组分浓度整体升高,其中,硅、铝、硫、钙等地壳元素上升显著,硫元素受本地源及沙尘天气共同影响虽浓度增加但占比降低,氯元素等海盐粒子则与此次过程关系较小;相关性分析得出,铝、硅、钾、钙、锰、铁、铅、钛、锌、磷、硫元素与PM_(10)具有显著相关性,氯元素与大部分元素不具有相关性.本研究表明仍需关注沙尘过程远距离传输对我国热带地区空气质量造成的影响,也为海南省环境空气污染防治精细化治理及预警预报提供了理论依据.

关键词：沙尘海南省环境空气质量后向轨迹无机元素

模拟氮沉降对川中丘陵区柏木人工林养分限制特征的影响

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应用与环境生物学报 2024年

作者：景卫彭修涛周雪芹刘榕肖肖肖娟西华师范大学环境科学与工程学院四川省南充生态环境监测中心站

氮(N)和磷(P)是限制森林生态系统植被生长和生产力增长的两种主要营养物质。全球变化背景下，土壤N、P供应平衡对于森林生态系统结构和功能稳定性的维持至关重要。因此，氮(N)沉降背景下森林生态系统结构和功能稳定性的维持与养分调控... 详细信息

氮(N)和磷(P)是限制森林生态系统植被生长和生产力增长的两种主要营养物质。全球变化背景下，土壤N、P供应平衡对于森林生态系统结构和功能稳定性的维持至关重要。因此，氮(N)沉降背景下森林生态系统结构和功能稳定性的维持与养分调控机制一直是森林生态学的研究前沿和热点。以亚热带川中丘陵区柏木人工林为研究对象，通过野外N添加模拟大气N沉降，从柏木叶片养分及生理特征和土壤生态酶化学计量地上-地下相结合的角度研究N添加下该区域柏木人工林生长以及微生物代谢的养分限制状况。结果表明：(1)N添加显著降低了叶片P含量，降低幅度为13.84%，叶片氮磷比(N:P)从对照的15.03上升到了16.30；(2)N添加显著升高了叶片磷养分回收效率(PRE)，升高幅度为19.90%，显著降低了叶片氮磷养分回收效率比(NRE/PRE)显著降低，降幅为17.28%，NRE/PRE ＜ 1；(3)N添加显著降低了叶片代谢磷(P)占比，降幅为17.96%，以上结果均表明N添加增强了柏木生长的P养分限制；(4)N添加显著降低了根际土壤胞外酶N:P(EEAN:P)，降幅为8.99%，降低了土壤胞外酶C:P(EEAC:P)，显著升高了胞外酶矢量角度(> 45°)，增幅为5.73%。因此，川中丘陵区柏木人工林树木生长以及根际土壤微生物代谢在N添加后受到P养分限制；该结果对于揭示N添加下川中丘陵区柏木人工林生态系统土壤微生物代谢和养分循环特征具有重要意义，也可为全球变化背景下川中丘陵区柏木人工林的科学管理提供理论依据。(图5 表1 参61)

关键词： N添加养分限制氮磷化学计量胞外酶化学计量川中丘陵区柏木人工林