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基于深度强化学习的水质模型参数率定

环境科学学报 2024年第7期44卷 271-280页

作者：白冰董飞彭文启刘晓波中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038

为提高水质模型参数率定的精度,避免局部最优及异参同效等现象,提出一种基于深度强化学习的水质模型参数率定方法.通过深度确定性策略梯度算法(DDPG)求解水质模型参数率定这一优化问题,并设置单参数、多参数率定等不同情景对比分析DDPG... 详细信息

为提高水质模型参数率定的精度,避免局部最优及异参同效等现象,提出一种基于深度强化学习的水质模型参数率定方法.通过深度确定性策略梯度算法(DDPG)求解水质模型参数率定这一优化问题,并设置单参数、多参数率定等不同情景对比分析DDPG的参数率定效果及其影响因素.结果表明:(1)DDPG参数率定的相对误差小于1.5%,率定效果良好;(2)根据DDPG参数率定结果能够完成参数的敏感性分析;(3)DDPG参数率定主要影响因素有奖励函数设置、动作选择时噪声的设置、神经网络训练情况等.该方法能够准确地完成水质模型的参数率定,并适用于各类水质模型,为水质模型的参数率定提供了一种可靠的方法.

关键词：机器学习深度强化学习水质模型参数率定

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海河流域地表水资源衰减归因与规律

中国科学：地球科学 2024年第5期54卷 1573-1587页

作者：王庆明赵勇王浩翟家齐张越何凡刘蓉马梦阳流域水循环模拟与调控国家重点实验室中国水利水电科学研究院北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038 水利部水利水电规划设计总院北京100120

1956~2016年海河流域是全国十大一级流域中地表水资源衰减最剧烈的流域.本研究基于地表水循环过程,结合海河流域降水及下垫面历史演变特征,将地表水资源衰减原因解耦为6项主要影响因素,逐项解析各因素的定量贡献,并揭示了海河流域地表... 详细信息

1956~2016年海河流域是全国十大一级流域中地表水资源衰减最剧烈的流域.本研究基于地表水循环过程,结合海河流域降水及下垫面历史演变特征,将地表水资源衰减原因解耦为6项主要影响因素,逐项解析各因素的定量贡献,并揭示了海河流域地表水资源衰减的四大规律.一是主导因素规律,1980~2000年较1956~1979年流域地表水资源衰减117亿m^(3),降水变化是主导因素,贡献为70亿m^(3),占比为59%;2001~2016年较1980~2000年流域地表水资源衰减49亿m^(3),山区植被增加是主导因素,贡献为27.8亿m^(3),占比为56%.二是空间分布规律,2001~2016年较1956~1979年,山区受植被增加影响更大,如滦河山区,植被增加贡献为42%,平原区受农田拦蓄影响更大,如北四河下游平原,农田拦蓄贡献为51%.三是衰减趋势规律,2001~2016年较1980~2000年,受大规模植被恢复耗水增加影响,山区地表水资源仍在持续衰减,而平原区下垫面变化对地表水资源的影响已趋于稳定.四是可逆性变化规律,地表水资源衰减影响因素中,植被增加、农田拦蓄、城市化等人类活动对地表水资源衰减的贡献占36%,是降水-径流关系变异的主要原因.本研究改进了传统气候变化和人类活动两大归因分类模式,基于水循环过程解析了海河流域水资源衰减的原因及贡献,可为流域制定水资源衰减应对措施提供科学支撑.

关键词：海河流域地表水资源解耦归因定量贡献衰减规律

纳米纤维素-聚乙烯亚胺-聚吡咯复合气凝胶对Cr(VI)的光催化还原及循环吸附

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复合材料学报 2024年第6期41卷 3032-3041页

作者：杨明琰蔡晓丹陈欣玥安琳玉邢建宇长安大学水利与环境学院西安710054 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室西安710054 水利部旱区生态水文与水安全重点实验室西安710054

吸附与光催化还原相结合可以在光照条件下将Cr(VI)还原成低毒性的Cr(III)并固定在吸附材料中,是一种很有前景的铬污染治理方法。本文以纳米纤维素-聚乙烯亚胺气凝胶(CPA)为骨架,通过吡咯原位氧化聚合制得纳米纤维素-聚乙烯亚胺-聚吡咯(C... 详细信息

吸附与光催化还原相结合可以在光照条件下将Cr(VI)还原成低毒性的Cr(III)并固定在吸附材料中,是一种很有前景的铬污染治理方法。本文以纳米纤维素-聚乙烯亚胺气凝胶(CPA)为骨架,通过吡咯原位氧化聚合制得纳米纤维素-聚乙烯亚胺-聚吡咯(CPP-F)光敏感复合气凝胶。采用SEM、FTIR、UV-vis、XPS对气凝胶进行表征。通过黑暗及光照条件的对比,研究了CPP-F复合气凝胶对Cr(VI)的吸附、光催化原位还原及循环吸附性能,并对其循环吸附机制进行了分析。结果表明:CPP-F为黑色、结构均匀稳定的多孔气凝胶,在紫外、可见光和近红外区域均有较强的光吸收。负载Cr(VI)的CPP-F经光照处理后,Cr(III)含量由黑暗条件下29.76wt%上升至72.33wt%,其还原率是黑暗条件下的2.43倍,表明聚吡咯(PPy)具有优异的光催化性能,光照处理可促进Cr(VI)的原位还原。经过6次循环吸附,光照处理下CPP-F对Cr(VI)的循环吸附量比黑暗处理高64.97%,其原因可能是光催化还原产生的Cr(III)为Cr(VI)提供了新的吸附位点,促进了Cr(VI)的循环吸附。吸附-光催化还原-循环吸附相结合的方法比单一吸附法更具优势,在Cr(VI)污染治理方面有很大的应用潜力。

关键词：光催化纳米纤维素气凝胶聚吡咯 Cr(VI) 光还原循环吸附

上海城区动态洪水风险图应用系统及典型暴雨内涝分析

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水利水电技术（中英文） 2024年第3期55卷 61-76页

作者：王静李娜中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心(水旱灾害防御中心) 北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038

【目的】为了提高沿海超大城市对洪涝灾害的先知先觉能力,快速预测分析洪涝潮组合影响下的淹没风险时空分布,【方法】以水文-水动力暴雨洪水分析模型为核心模块,通过与外部的气象精细化降雨预报数据库、自动雨量站实时监测数据库及实时... 详细信息

【目的】为了提高沿海超大城市对洪涝灾害的先知先觉能力,快速预测分析洪涝潮组合影响下的淹没风险时空分布,【方法】以水文-水动力暴雨洪水分析模型为核心模块,通过与外部的气象精细化降雨预报数据库、自动雨量站实时监测数据库及实时水情、闸泵运行数据库相关联,研发了上海城区动态洪水风险图应用系统。采用由雨量站点到气象格网和水力网格的降雨二级空间融合技术,实现了模型与气象预报降雨数据的有效耦合。利用数据挖掘提取和GIS空间分析技术构建了包含10项洪水风险要素要点的城市内涝预报专报自动生成方法,实现了对内涝风险的快速一站式概览。利用系统可以对城市暴雨、河道洪水和风暴潮等单一发生或遭遇组合引起的淹没分布进行快速实时预报计算,模拟和预测城市洪涝潮灾害的有关淹没特征数据和淹没动态过程。【结果】利用系统分析了2023年6月23—24日暴雨的内涝风险分布,将模型模拟的积水区域与积水监测站、灾情直报和热线灾报的积水点进行对比,结果显示在150处对比积水点中,有129处误差不超过20 cm,占86%。模型模拟的积水空间分布与实际情况基本接近。【结论】结果表明:系统满足汛期常态化、业务化运行需求,能够为城市洪涝风险的实时动态分析和防汛指挥决策提供重要工具。

关键词：动态洪水风险图暴雨洪水分析模型内涝预报洪水预报积水 GIS 数据挖掘专报

河南省黄河流域水资源-经济社会-生态环境协调发展评价及驱动因素分析

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中国农村水利水电 2024年

作者：吕铖吕素冰焦天一赵衡王富强邵薇薇华北水利水电大学河南省黄河流域水资源节约集约重点实验室中国水利水电科学研究院水利部京津冀水安全保障重点实验室

持续的强人类活动改变了水资源、经济社会和生态环境之间的互馈关系，影响了区域可持续发展。为探究河南省黄河流域水资源-经济社会-生态环境协调发展状况，识别协调发展的驱动因素，本研究基于协同学和随机森林模型改进了传统耦合协调... 详细信息

持续的强人类活动改变了水资源、经济社会和生态环境之间的互馈关系，影响了区域可持续发展。为探究河南省黄河流域水资源-经济社会-生态环境协调发展状况，识别协调发展的驱动因素，本研究基于协同学和随机森林模型改进了传统耦合协调度模型，计算了河南省黄河流域2011-2022年水资源-经济社会-生态环境的综合发展指数和耦合协调度，采用核密度估计揭示其时空演变特征，利用地理探测器模型分析协调发展的驱动因素。结果表明：研究期内各系统综合发展指数均呈不同程度的增长趋势，但存在一定的异质性，水资源、经济社会和生态环境系统分别呈现出“西高东低，南高北低”、“中心带动周边，边缘发展缓慢”、“上游优于下游，西南优于东北”的空间非均衡格局；水资源-经济社会-生态环境协调发展水平向好趋势显著，各城市间空间异质性明显，呈现出“区域齐升，南高北低，西高东低”的演化特征；自然禀赋、经济基础以及人居环境是协调发展的主要驱动因素，各因子之间关系日益紧密，交互类型呈现向“非线性增强”转化趋势。本研究创新性地提出了协调发展评价的新方法，并对其科学性进行了验证，为深入剖析河南省黄河流域水资源、经济社会与生态环境的协调发展状况提供了有力工具，对于促进区域可持续发展具有一定的实践指导意义。

关键词：水资源-经济社会-生态环境协调发展随机森林地理探测器河南省黄河流域

改性羟基磷灰石/混酸氧化多壁碳纳米管的制备及应用

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复合材料学报 2024年第2期41卷 735-747页

作者：何迎迎王瑞雪周渊樊林奎窦妍长安大学水利与环境学院西安710054 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室西安710054 长安大学水利部旱区生态水文与水安全重点实验室西安710054

开发高分散性及吸附性能良好的纳米复合材料对水体中重金属离子的去除具有重要的意义。以混酸氧化多壁碳纳米管(AO-MWCNTs)为基体,引入羟基磷灰石(HAP),通过微波/光波组合加热辅助化学沉淀法分步制备氟碳掺杂的羟基磷灰石(FCHAP),并将... 详细信息

开发高分散性及吸附性能良好的纳米复合材料对水体中重金属离子的去除具有重要的意义。以混酸氧化多壁碳纳米管(AO-MWCNTs)为基体,引入羟基磷灰石(HAP),通过微波/光波组合加热辅助化学沉淀法分步制备氟碳掺杂的羟基磷灰石(FCHAP),并将其负载到AO-MWCNTs上,合成FCH/AO-MWCNTs复合材料。将制备材料在含Mn(Ⅱ)废水中进行去除效果实验,结果表明,FCH/AO-MWCNTs对Mn(Ⅱ)的理论最大吸附量为317.5 mg/g,高于AO-MWCNTs及各制备中间体。结合材料的SEM-EDS、FTIR、XPS、Zeta、BET等表征结果推测,新材料FCH/AO-MWCNTs形成更丰富的孔隙结构及吸附位点,且其分散性及稳定性能表现优异,同时新材料在去除其他重金属及再生利用方面也具有一定的应用前景。

关键词：多壁碳纳米管羟基磷灰石复合纳米材料含Mn(Ⅱ)废水吸附性能

聚吡咯/壳聚糖-海藻酸钠复合微球的制备及其药物缓释性能

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复合材料学报 2024年第7期41卷 3756-3763页

作者：李莎张新浩贾睿罗钰邢建宇长安大学水利与环境学院西安710054 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室西安710054 长安大学水利部旱区生态水文与水安全重点实验室西安710054

开发新型药物控释复合材料在医药、农业等领域具有重要意义。以壳聚糖和海藻酸钠(CS-Alg)凝胶网络为载体,使用原位氧化法将聚吡咯(PPy)引入其中,制备出PPy/CS-Alg复合缓释材料。通过SEM、FTIR、XPS、UV-vis-NIR对其微观结构、结构组成... 详细信息

开发新型药物控释复合材料在医药、农业等领域具有重要意义。以壳聚糖和海藻酸钠(CS-Alg)凝胶网络为载体,使用原位氧化法将聚吡咯(PPy)引入其中,制备出PPy/CS-Alg复合缓释材料。通过SEM、FTIR、XPS、UV-vis-NIR对其微观结构、结构组成、光热转换性能进行了研究,并以吲哚丁酸(IBA)为模型药物分子,研究了其缓释性能。结果表明:PPy/CS-Alg微球的多孔微观形貌有利于IBA的装载和释放,原位氧化形成的氧化态PPy在CS-Alg凝胶网络可缓慢还原,并从带正电状态变为不带电状态,该种带电状态的改变,可促使IBA从PPy/CS-Alg微球的凝胶网络中缓慢释放,长效释放率可达到56.12%。另外基于PPy的光热效应,模拟太阳光照射下PPy/CS-Alg微球的温度可从26℃最高上升到39℃,这有利于在微球内部到外部形成温度梯度,进一步增强IBA的缓释能力。以PPy的缓慢还原和光热效应开发的植物生长素IBA控释材料在农业领域具有广阔的应用前景。

关键词：复合凝胶微球聚吡咯吲哚丁酸光热效应药物释放

豆渣基掺氮碳量子点的制备及对水中对硝基苯酚的光学检测

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农业环境科学学报 2024年第4期43卷 955-962页

作者：杨钰钰卫潇李雅倩刘欣妮王凤杰何红珠高月长安大学水利与环境学院西安710054 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室西安710054 水利部旱区生态水文与水安全重点实验室西安710054

为利用废弃豆渣,开发废弃生物质能源的有效利用方式,实现“以废治废”,本研究以水为溶剂、以富氮废弃豆渣为碳源和氮源,采用一步水热法合成豆渣基氮掺杂的碳量子点(N-CQDs),进而基于N-CQDs构建了一种用于水环境中痕量对硝基苯酚(PNP)的... 详细信息

为利用废弃豆渣,开发废弃生物质能源的有效利用方式,实现“以废治废”,本研究以水为溶剂、以富氮废弃豆渣为碳源和氮源,采用一步水热法合成豆渣基氮掺杂的碳量子点(N-CQDs),进而基于N-CQDs构建了一种用于水环境中痕量对硝基苯酚(PNP)的快速高效检测新方法。N-CQDs制备过程绿色、简单,同时采用自身供氮、供碳的豆渣制备碳量子点实现了对废弃生物质能源的开发和再利用。通过透射电镜、红外光谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等表征了N-CQDs的形貌和光学特征;并探究了N-CQDs荧光传感器对PNP的最佳检测条件和检测性能。在最佳检测条件下,N-CQDs的荧光猝灭程度与PNP的浓度呈良好线性关系。此外,通过图谱重叠分析、荧光寿命衰减曲线测定与解析以及双指数模型拟合,揭示了其检测机理为内滤效应。该传感器已成功应用于自来水样品中的PNP定量检测,且具有良好抗干扰能力,为废弃豆渣再利用提供了一种思路。

关键词：碳量子点对硝基苯酚豆渣荧光检测

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陕北黄土高原气象要素对植被覆盖的空间分异影响及风险探测

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生态学报 2024年第6期44卷 2379-2395页

作者：冶兆霞张洪波杨志芳张雨柔李同方赵孝威薛超伟长安大学水利与环境学院西安710054 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室西安710054 水利部旱区生态水文与水安全重点实验室西安710054

陕北黄土高原地处我国西北生态环境脆弱区,近年来受退耕还林(草)影响,区域植被覆盖变化显著,与气象要素的响应关系也呈现出了复杂的空间分异性和不确定性,亟待厘清。以不同地貌分区为响应单元,探究了陕北黄土高原变绿前后(1982—1992年... 详细信息

陕北黄土高原地处我国西北生态环境脆弱区,近年来受退耕还林(草)影响,区域植被覆盖变化显著,与气象要素的响应关系也呈现出了复杂的空间分异性和不确定性,亟待厘清。以不同地貌分区为响应单元,探究了陕北黄土高原变绿前后(1982—1992年与2005—2015年)NDVI指数的时空演化特征,分析了植被覆盖变化与气象要素之间的分异性响应关系,并透过最优参数的地理探测器模型(OPGD)探测了气象要素变化对植被覆盖演变的交互影响及风险。研究结果表明:(1)陕北黄土高原及各地貌分区在研究期内NDVI指数均呈显著上升趋势,且阶段化分异明显;各地貌区气温和实际蒸散发量在高原变绿前后趋势变化差异明显,1982—1992年主要呈不显著增加趋势,而2005—2015年则表现为不显著减少趋势;两个时期降水量的空间异质性较为显著,其中北部地区为持续增加趋势,而南部地区则由减少逆转为增加趋势。(2)不同地貌区NDVI指数与气温和蒸散发均呈正相关,且蒸散发与NDVI的相关性强于气温;相对高原变绿前,2005—2015年NDVI指数对各气象要素的响应强度均有所增大。(3)OPGD因子检测结果显示5km空间网格是评价气候变化对陕北黄土高原植被覆盖变化影响的最佳空间尺度,各地貌分区对NDVI指数变化影响最大的气象因子依次为:气温(黄土塬)、降水(盖沙黄土丘陵)、蒸散发(黄土峁状丘陵)、降水(黄土梁状丘陵)、降水(黄土宽谷丘陵)、蒸散发(风沙丘陵)、降水(土石丘陵);交互探测表明气象因子间的交互作用对NDVI指数的空间分异具有协同增强性,但不同时期各地貌区的主导交互因子略有差异。(4)风险探测发现不同实际蒸散发量对NDVI指数的影响有显著空间差异。(5)陕北黄土高原的植被覆盖变化并不能简单归因于退耕还林(草)等生态修复措施,而应是多要素耦合驱动的结果,气象要素在其中扮演了不可忽视的作用。

关键词： NDVI 时空演化气候影响最优参数地理探测器陕北黄土高原