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基于机器学习的鄱阳湖溶解氧波动特征及预测

湖泊科学 2025年

作者：李晓瑛王华吴小毛吴怡徐浩森河海大学环境学院河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室江西省鄱阳湖水利枢纽建设办公室

溶解氧（DO）作为反映水体自净能力和水环境质量的关键指标，是评估鄱阳湖水体健康状况的重要参数。随机森林（RF）和改进支持向量回归（PSO-SVR）2种机器学习的高效算法被引入到鄱阳湖DO的预测工作中，时间上选择1988—2023年水质数据... 详细信息

溶解氧（DO）作为反映水体自净能力和水环境质量的关键指标，是评估鄱阳湖水体健康状况的重要参数。随机森林（RF）和改进支持向量回归（PSO-SVR）2种机器学习的高效算法被引入到鄱阳湖DO的预测工作中，时间上选择1988—2023年水质数据进行预测，空间上挑选了位于鄱阳湖和入湖五条河流的共8个关键监测站点：棠荫，信江东支，鄱阳，赣江主支，抚河口，修河口，康山和湖口。对8个监测站点的DO进行曼肯达尔趋势检验，整体上DO上升的站点为抚河口、修河口、康山和湖口4个站点，其中康山和湖口的DO在后期表现出显著上升趋势。基于随机森林重要性指数探究了DO与其他水质因子间的响应关系，在8个监测站点中T对DO的重要性指数均较高，其次是高锰酸盐指数，各个因子的平均IMI排名为T>高锰酸盐指数>TN>NH4+-N>TP>pH，其重要性指数值分别为2.54,0.81,0.65,0.63,0.43和0.37。使用RF和PSO-SVR对1988—2023年月均水质数据进行模型预测对比分析。整体上，RF模型在8个监测站点的总体平均误差为0.32,PSO-SVR模型为0.54。基于混淆矩阵的模型性能评价中，平均准确率η分别为，RF为0.67,PSO-SVR为0.52。模型在训练集上整体预测性能为：RF （R2=0.953;RMSE=0.397 mg/L）>PSO-SVR （R2=0.822;RMSE=0.764 mg/L）。模型在预测集上整体预测性能为：RF（R2=0.836;RMSE=0.660mg/L）>PSO-SVR（R2=0.815;RMSE=0.686mg/L）。两种模型均表现出优秀的预测性能，其中RF的预测能力更好。引入机器学习的高效算法实现对鄱阳湖DO的精准预测，以期揭示鄱阳湖水质规律以及水质因子之间的内在联系，为环境监测与管理提供科学的决策支持。

关键词：鄱阳湖溶解氧预测随机森林支持向量回归混淆矩阵

垃圾渗滤液的过硫酸盐高级氧化深度处理技术研究进展

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环境工程 2025年

作者：王大伟李滢滢蒋一兰陈琳高珂依熊怡然河海大学环境学院河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室

垃圾渗滤液是一种具有高有机负荷、高浓度氨氮、有害重金属离子、新持久性有机污染物的复杂废水，其产生量呈逐年攀升趋势，对生态系统和人类健康构成持续性威胁，传统生物法、物理法的发展受限于复杂的水质组分和日益提升的处理需求，... 详细信息

垃圾渗滤液是一种具有高有机负荷、高浓度氨氮、有害重金属离子、新持久性有机污染物的复杂废水，其产生量呈逐年攀升趋势，对生态系统和人类健康构成持续性威胁，传统生物法、物理法的发展受限于复杂的水质组分和日益提升的处理需求，因此寻求高效的垃圾渗滤液处理方式迫在眉睫。近年来，过硫酸盐高级氧化工艺因其对有机污染物氧化速率快、矿化程度高等优势，以及其耦合工艺在抗干扰性提升的基础上可实现对氨氮同步去除等特点，在垃圾渗滤液处理领域展现出巨大潜力。本研究阐明了过硫酸盐高级氧化过程的激活方式和对垃圾渗滤液的处理性能与作用机制，具体分析了硫酸根自由基、羟基自由基主导的自由基氧化路径，以及单线态氧作用的非自由基氧化途径的贡献，系统总结了基于过硫酸盐高级氧化体系及其耦合系统用于垃圾渗滤液处理的研究现状，最后讨论了基于过硫酸盐高级氧化工艺的垃圾渗滤液处理方式所面临的挑战和未来的研究方向，旨在为垃圾渗滤液的过硫酸盐高级氧化深度处理技术的发展提供支持。

关键词：垃圾渗滤液高级氧化技术过硫酸盐自由基路径非自由基路径

双酚AF对大型溞生殖、生长等生态行为的影响

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中国环境科学 2019年第10期39卷 4394-4400页

作者：郭婧颖刘建超李帅衡杭之昊陆光华河海大学环境学院浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室

为了明确双酚AF(BPAF)对水生生物行为的影响,考察了BPAF对大型溞的急性毒性和慢性毒性(生殖、生长、发育、生理等)影响.结果显示,BPAF对大型溞的24h和48h半致死浓度(LC50)分别为9.70mg/L和5.02mg/L.根据化学品分类和标签规范,BPAF属于... 详细信息

为了明确双酚AF(BPAF)对水生生物行为的影响,考察了BPAF对大型溞的急性毒性和慢性毒性(生殖、生长、发育、生理等)影响.结果显示,BPAF对大型溞的24h和48h半致死浓度(LC50)分别为9.70mg/L和5.02mg/L.根据化学品分类和标签规范,BPAF属于毒性Ⅱ级.BPAF对大型溞生殖、生长、发育和生理的毒性影响结果表明,高浓度BPAF(100μg/L)导致大型溞性成熟时间明显延迟,并显著降低了大型溞产卵频次、产卵总数等生殖行为,且对大型溞的生长、发育产生显著抑制现象,同时造成种群繁衍能力显著受损.本文旨在为BPAF对水生生物的生态行为影响提供理论依据.

关键词：双酚AF 大型溞生殖生长生态毒理

黄花水龙对富营养化水体中氮磷去除效果的研究

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环境科学 2007年第5期28卷 975-981页

作者：王超张文明王沛芳侯俊河海大学环境学院教育部浅水湖泊综合治理与资源开发重点实验室南京210098

在太湖地区沟渠、池塘及河网中广泛分布着1种形态类似水花生的土著浮水植物——黄花水龙,其生长习性表明黄花水龙是太湖地区水生态系统修复的潜在物种.采用室内试验和现场观测相结合的方式,进一步探讨了黄花水龙对富营养化水体中氮磷的... 详细信息

在太湖地区沟渠、池塘及河网中广泛分布着1种形态类似水花生的土著浮水植物——黄花水龙,其生长习性表明黄花水龙是太湖地区水生态系统修复的潜在物种.采用室内试验和现场观测相结合的方式,进一步探讨了黄花水龙对富营养化水体中氮磷的去除效果.室内试验结果显示,夏季黄花水龙对总氮去除率约为60%,分别是水葫芦、水花生和对照的2.6、2.9和3.8倍,对总磷去除率约为25%,分别是水葫芦、水花生和对照的0.7、1.9和5倍;冬季黄花水龙对总氮和总磷去除率分别约为23%和20%,是对照的3.3和2倍;夏季和冬季黄花水龙对氨氮和硝氮亦有良好的净化效果.宜兴林庄港现场观测显示,7-10月引种黄花水龙的河段水体中总氮和总磷的去除率为10.2%-19.6%和23.4%-41.6%,而同期对照河段仅为0.1%-1.6%和3.7%-5.6%.室内试验和现场试验结果均表明黄花水龙对受损水体中氮磷具有良好的净化效果,可作为太湖河网富营养化水体修复的植物之一.

关键词：黄花水龙富营养化水体氮磷植物修复室内试验现场观测

尾水受纳河流中PhACs在传统水相中的分布及环境风险

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环境科学 2019年第4期40卷 1797-1802页

作者：王硕刘建超郑超亚张吉琛许嘉诚徐莹莹陆光华河海大学环境学院浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室南京210098

胶体介质不仅是水环境中污染物一个重要的"汇",还是污染物生物地球化学循环中至关重要的调控单元.本研究利用错流超滤、固相萃取、液相色谱质谱联用仪等前处理和分析检测方法调查了10种典型的药物活性化合物(PhACs)在污水厂尾水受纳河... 详细信息

胶体介质不仅是水环境中污染物一个重要的"汇",还是污染物生物地球化学循环中至关重要的调控单元.本研究利用错流超滤、固相萃取、液相色谱质谱联用仪等前处理和分析检测方法调查了10种典型的药物活性化合物(PhACs)在污水厂尾水受纳河流传统水相中的分布和环境风险水平.结果表明,10种PhACs在水体溶解相和胶体中的含量分别达到27. 2～168. 1 ng·L^(-1)和164. 5～751. 1 ng·g^(-1).布洛芬(IPF)、罗红霉素(ROX)和红霉素(ETM)是两种介质中最为主要的污染物,三者污染浓度占到总浓度的80%以上.胶体对ROX、酮康唑、ETM和舍曲林都表现出较强的吸附性能,胶体/水分配系数(lg Kcol)在3. 2～4. 0之间,吸附率达到21. 1%～34. 5%. 10种PhACs对绿藻、溞和鱼的急、慢性毒性风险评估结果中,仅IPF对鱼类产生高等慢性风险,其余为中等风险及以下.值得注意的是,相对于急性风险来说,更多的PhACs对高等水生生物产生慢性不利影响.

关键词：药物活性化合物(Ph ACs) 溶解相胶体吸附环境风险

LaCoO_3晶格结构内外Mg的同步改性及其光催化性能

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无机化学学报 2016年第10期32卷 1704-1712页

作者：孙慧华杨汉培崔素珍聂坤吴俊明河海大学环境学院浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室南京210098

运用溶胶-凝胶法同步获得了LaCoO_3钙钛矿晶格结构内Mg^(2+)的掺杂改性及晶格结构外MgO的异质结复合改性。观察到了同步改性后LaCoO_3催化剂上水体罗丹明B(RhB)光催化降解活性的显著提升,相同实验条件下最适Mg含量改性LaCoO_3上RhB的降... 详细信息

运用溶胶-凝胶法同步获得了LaCoO_3钙钛矿晶格结构内Mg^(2+)的掺杂改性及晶格结构外MgO的异质结复合改性。观察到了同步改性后LaCoO_3催化剂上水体罗丹明B(RhB)光催化降解活性的显著提升,相同实验条件下最适Mg含量改性LaCoO_3上RhB的降解率从原始LaCoO_3的58%显著提升至98%,表观一级动力学常数为改性前催化剂的4.5倍。运用X射线衍射(XRD)、氮气低温吸附-脱附(BET法)、扫描及透射电子显微镜(SEM,TEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射(DRS)及光致发光光谱(PL)等分析和表征系统探讨了改性前后催化剂的理化特征。结果表明,约10%Co^(3+)晶格结点可为Mg^(2+)掺杂取代而LaCoO_3钙钛矿结构基本保持不变,适量Mg^(2+)对Co^(3+)的掺杂取代可形成晶格畸变和杂质能级、衍生Co^(4+)及促进溶氧吸附从而有利于RhB的光催化降解,过量掺杂的Mg则可能成为光生载流子复合中心从而不利于RhB的去除。适量MgO异质结复合改性LaCoO_3一方面赋予复合催化剂较大表面积,利于RhB富集,也赋予丰富的表面羟基利于光生电子的捕获并衍生活性羟基自由基;另一方面还可能通过LaCoO_3与MgO异质结间电子的跃迁和流动以及晶格氧空位抑制光生载流子的复合,提高复合催化剂的光量子效率。

关键词： LaCoO3 掺杂异质结光催化罗丹明B

一种规整单壁碳纳米笼的合成与改性及其对水体结晶紫分子的吸附性能

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无机化学学报 2018年第3期34卷 445-453页

作者：朱鸿宇杨汉培孙慧华高照毛静涛吴俊明河海大学环境学院河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室南京210098

运用催化气相沉积法及继之的纯化处理,获得了具有规整外型、中空及密集阵列的单壁三维结构碳纳米笼(carbon nanocages,CNCs)。尝试将其用于水体阳离子染料结晶紫(crystal violet,CV)的吸附去除,实验条件下其上CV的饱和吸附容量可达542.6... 详细信息

运用催化气相沉积法及继之的纯化处理,获得了具有规整外型、中空及密集阵列的单壁三维结构碳纳米笼(carbon nanocages,CNCs)。尝试将其用于水体阳离子染料结晶紫(crystal violet,CV)的吸附去除,实验条件下其上CV的饱和吸附容量可达542.6 mg·g^(-1)。进一步以十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS)对制得的CNCs表面进行亲水性改性,观察到了改性CNCs对CV吸附性能的明显提升,相同条件下其上CV的饱和吸附容量显著提升至748.5 mg·g^(-1)。运用多种表征及测定,探明改性前后CNCs的组成和结构,并尝试与其吸附性能关联,在此基础上探明改性及促进机制,为进一步研发具有实用意义的污水处理技术提供有益参考。

关键词：碳纳米笼表面改性十二烷基苯磺酸钠结晶紫吸附

Fe对NaNbO_3的晶格掺杂和同步异质结改性及其光催化性能

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化学学报 2016年第12期74卷 995-1002页

作者：崔素珍杨汉培孙慧华聂坤吴俊明河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室河海大学环境学院南京210098

运用溶剂热法及继之的高温晶化法制备钙钛矿结构NaNbO_3,并在此基础上同步获得了NaNbO_3晶格内Fe^(3+)的掺杂和NaNbO_3晶格外α-Fe_2O_3的异质结复合.观察到了同步改性NaNbO_3对水体罗丹明B(RhB)光催化降解效率的显著提升,最适Fe含量的... 详细信息

运用溶剂热法及继之的高温晶化法制备钙钛矿结构NaNbO_3,并在此基础上同步获得了NaNbO_3晶格内Fe^(3+)的掺杂和NaNbO_3晶格外α-Fe_2O_3的异质结复合.观察到了同步改性NaNbO_3对水体罗丹明B(RhB)光催化降解效率的显著提升,最适Fe含量的改性NaNbO_3对罗丹明B 1 h内的降解率可达95%,表观一级动力学速率常数为改性前NaNbO_3的近7倍.运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微(SEM)、X光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)光谱、低温N2吸附-脱附(BET法),电子自旋共振光谱(ESR),紫外-可见漫反射光谱(DRS)及光致电流检测等表征和测量探明改性体系的组成及结构,并表明Fe^(3+)对Nb5+的掺杂取代可通过杂质能级形成、电子和空穴捕获以及溶氧吸附的促进从而有利于对罗丹明B的光催化降解;适量α-Fe_2O_3晶格外复合改性NaNbO_3可通过NaNbO_3与α-Fe_2O_3异质结间电子的跃迁和流动提高复合催化剂的光量子效率.Fe对NaNbO_3晶格内外改性促活的实质可能在于光生载流子迁移的促进和对其复合的抑制.

关键词：铌酸钠铁改性光催化罗丹明B 促活机制

尾水排放对受纳水体底栖生物膜细菌群落和水溶性有机质的影响机制

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环境科学 2021年第12期42卷 5826-5835页

作者：王钰涛范晨阳朱金鑫李轶王龙飞河海大学环境学院浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室南京210098

底栖生物膜是河流生态系统重要的初级生产者,能够对外界环境变化做出迅速响应,在河流碳循环过程中扮演重要角色.然而,人们对于污水处理厂尾水受纳河流底栖生物膜细菌群落与水溶性有机质(water-soluble organic matter,WSOM)的特征及内... 详细信息

底栖生物膜是河流生态系统重要的初级生产者,能够对外界环境变化做出迅速响应,在河流碳循环过程中扮演重要角色.然而,人们对于污水处理厂尾水受纳河流底栖生物膜细菌群落与水溶性有机质(water-soluble organic matter,WSOM)的特征及内在联系的认识还十分有限.本研究使用16S rRNA高通量测序、紫外可见光谱和三维荧光-平行因子分析解析代表性污水处理厂尾水受纳区底栖生物膜细菌群落和WSOM的特征.结果表明,底栖生物膜WSOM中识别出两种类腐殖质组分和一种色氨酸类蛋白组分,其中大分子类腐殖质在底栖生物膜WSOM中占据优势地位.尾水区底栖生物膜细菌群落的均匀度及多样性沿程提高,相较于未受污染的上游区,污染源头区和污染下游区生物膜细菌群落结构更加稳定.发色水溶性有机质(colored water-soluble organic matter,CWSOM)、有机质芳香性和分子量是影响尾水区底栖生物膜细菌群落变化的主要因素,其中芳香性色氨酸类蛋白对生物膜细菌群落变化的解释度最高(34%).共现网络揭示了细菌群落与WSOM组分之间复杂的相互关系,Proteobacteria和Halobacterota通过碳循环过程参与生物膜WSOM的新陈代谢,生物膜细菌群落与WSOM的组成将以一种动态变化的模式对尾水排放做出响应.本研究为探寻尾水受纳区水生态变化的指示标志提供了新的思路.

关键词：尾水排放底栖生物膜细菌群落水溶性有机质共现网络