构建耦合自组织映射神经网络(SOFM)和随机森林(RF)的方法, 对中国63个湖泊11年的9种水质指标(5110条数据)进行模式识别。首先采用SOFM对湖泊进行聚类, 以识别污染状况, 然后采用RF分析水质指标对湖泊类别的决定效果, 以确定代表性指标。SOFM的结果显示, 湖泊可以按污染程度分为3类。RF的结果发现, 在分类准确率为80%时, 根据高锰酸盐指数和叶绿素a浓度即可判定湖泊污染程度。该方法可从庞杂的数据中识别出反映水体污染特征的水质指标, 为快速认知水体污染状况及选取监测指标提供参考。

以末次冰盛期(约2.6~1.9万年前)的气候为背景, 利用大气模式CAM4耦合陆面模式CLM4, 对青藏高原冰川规模扩大对气候产生的影响进行研究。结果表明, 末次冰盛期青藏高原冰川对北半球夏季的气候影响较显著, 除在冰川分布区引起显著的降温外, 通过遥相关作用, 还使得白令海峡附近显著升温。另外, 冰川产生的扰动会显著地增强南亚夏季风, 增加南亚地区降水。对比末次冰盛期与工业革命前时期不同气候态下青藏高原冰川规模扩大对气候的影响, 发现工业革命前时期的影响显著小于末次冰盛期, 说明青藏高原冰川对气候的影响与背景气候态有关。

为了揭示富营养湖泊恢复时间和负荷削减强度之间的非线性关系及其影响因素, 以典型湖泊为理论分析对象, 基于经典磷循环模型, 通过数值模拟, 计算得到不同负荷削减强度下的湖泊恢复时间, 即不同负荷下, 湖泊从初始富营养状态, P浓度逐渐降低回到清水稳态所需要的时间。通过计算不同参数取值下湖泊恢复时间的变化, 探究湖泊不同方面的特征对湖泊恢复时间的影响及可能的管理契机, 得到如下结果。1) 湖泊由浊水稳态向清水稳态的恢复时间和负荷削减强度之间存在非线性关系。若将外源负荷强度控制在略低于“浊水–清水”转换阈值, 则恢复时间在40年以上, 若加大削减强度, 则可缩短恢复时间; 但随着削减强度的持续增加, 其边际效应将逐渐减弱。2) 湖泊形态和状态会对恢复时间产生明显的影响。在同样的负荷削减强度下, 寒冷地区较深的湖泊恢复时间更短; 沉积物释放较快的湖泊恢复时间更长; 水力停留时间短的湖泊恢复时间也更短。因此, 从理论上讲, 通过生态修复工程措施来降低沉积物P的释放或改善水动力条件, 能够缩短富营养湖泊的恢复时间; 湖泊状态的改善还可降低“浊水–清水”稳态转换阈值, 进而降低治理难度。

提出基于不同水质水资源量供需的分质水资源承载力概念, 构建基于缺水发生时间的水资源承载力预警警情确定方法, 采用系统动力学模型构建分质水资源承载力预警模型。以牛栏江流域上游为例, 开展流域分质水资源承载力评估与预警的实证研究。研究结果表明, 在现状发展趋势下, 流域优质水资源达到轻度预警, 一般水资源达到中度预警。为保证调水工程的顺利运行, 牛栏江上游地区仅可承载低水平经济社会发展, 并且需要中等以上的环境保护力度。

提出面向湖泊水质的工程设计规划方法(即精准治污)。流域精准治污决策建立在以三维水动力–水质模型为核心的时空数值源解析技术基础上, 定量地表达工程措施与水质响应之间的因果关系。以处于重度富营养化的云南异龙湖为例, 针对其短期治理决策问题进行精准治污决策分析。结果显示, 就异龙湖中任一点的水质而言, 在不同的补水情景下, 城河及城北河子流域都是重要的负荷输出源。如果要使湖中和湖东站点水质达标, 需要更全面地考虑各个子流域的污染源控制。当无补水时, 即使大幅度削减污染负荷, 也很难保证水质达标。在补水2000万m³及3500万m³情景下, 补水对湖内3个监测站点的水质改善都比较明显。最后, 在宏观层面上确定不同子流域重点污染控制工程类型, 并在微观层面上, 结合特定污染治理工程, 探讨在流 域精准治污体系下如何开展局地的工程评估。

针对湖泊氮磷循环的3个关键过程: 源过程、去除过程和内部转化过程, 识别不同过程(如底泥释放、反硝化等)对湖泊的影响机制及其对富营养化的贡献, 总结对比湖泊氮磷循环及其关键过程的实验与模型等不同研究方法的优劣。基于文献综述分析提出, 未来的研究需将机理模型、实验观测及室内模拟结合起来, 通过机理模型定量表征氮磷循环的物质平衡, 辅以实验观测识别关键过程, 通过室内模拟实验分析循环关键过程的影响因素与响应机制。这种多层次多手段的研究方法体系可以为湖泊氮磷循环的深入探究提供技术支持。

为探究湖泊群水质变量的响应模式, 构建适用于监测数据匮乏的湖泊群聚类和响应模式识别方法体系(PCA-BN), 包括4个步骤: 数据预处理、PCA降维与湖泊聚类、贝叶斯网络构建及参数学习、湖泊响应关系模拟。以云南高原湖泊群为例开展研究, 结果表明: 所研究的26个湖泊可分为两类; 由于第一类湖泊受到的人为干扰更严重, 因而叶绿素a对总氮和总磷的响应比第二类湖泊更敏感; 第一类湖泊表层水温高, 溶解氧趋近饱和, 随叶绿素a变化不显著, 第二类湖泊溶解氧随叶绿素a升高而显著升高; 两类湖泊的透明度与叶绿素a的关系一致。

作者综述并分析了持久性有机污染物(POPs)在水生生态系统的环境介质、生物个体中的环境行为及其主要影响因素, 主要结论如下。1) 风速、温度、生产力、溶氧、颗粒物的成分、粒径等气象和理化因素通过改变 POPs 在水-气界面及水柱-沉积物界面的传递以及 POPs 的降解、沉降、再悬浮、吸附、解吸等过程, 影响 POPs 在水生生态系统环境介质中的环境行为。2) POPs 的种类、分子结构、大小、亲脂性等理化性质会不同程度地影响其在生物体内的被动扩散和代谢分解, 影响生物富集性大小。在不同的条件下, 起主导作用的因素不同, 且各因素间互相影响, 起到协同或拮抗作用。3) 生物个体的生长率越大, 生物转化越强, 生物富集程度越小, 脂质含量越高, 生物富集能力越强。4) 雌性个体的生物富集能力弱于雄性, 不同条件下体型对生物富集的影响不同。当前有关 POPs 在环境介质、生物个体环境行为中的研究大多是独立开展的, 缺少对其互相联系与影响的综合分析, 也缺少在不同时空尺度上动态变化的研究。食物网是 POPs 传递的一个重要途径, 但是由于其结构的复杂多变, 是研究的重点和难点, 未来需要更深入的探索, 特别需要加强对底栖食物网、浮游-底栖耦合食物网及微食物网在POPs传递中的作用的研究。

以滇池流域为例, 基于1990和1999年TM遥感影像解译数据, 分析流域土地利用类型的动态变化程度, 并基于马尔可夫模型定量分析土地利用转化的方向。采用GIS中多标准评价(MCE)方法, 结合元胞自动机?马尔可夫(CA-Markov)模型, 对2008年土地利用变化进行模拟和预测, 预测结果与实际解译结果的Kappa系数达 0.7338, 表明预测结果可信。在此基础上, 运用CA-Markov 模型对2017和2026年的土地利用空间格局变化进行模拟, 结果表明, 该流域土地利用变化快, 生态恢复和重建的压力很大。2008?2026年, 耕地、林地、水域和未利用地面积将有所减少, 草地和建设用地面积将迅速增加; 与1990?2008年相比, 草地、水域和未利用地的变化趋势相反, 而耕地、林地和建设用地变化趋势相同。建设用地在原有基础上往外扩展, 水域变化则较小。林地资源虽然有所减少, 但仍然是流域主要的用地类型。建设用地扩张明显增加了滇池非点源污染的负荷。土地利用不合理是造成目前滇池水质退化的主要原因之一, 并将加剧未来流域的水环境和水生态压力。因此, 保有足够的人均耕地, 降低施肥强度, 提高土地利用水平, 保留足够量的生态用地, 节约集约利用建设用地, 是降低该区域非点源污染潜力的重要措施。研究结果可为流域土地利用合理规划管理、生态恢复和经济发展政策的制定提供科学支持。

应用基于主成分绝对得分的源解析模型(APCS-MLR)和结构方程模型(SEM)识别滇池富营养化的关键影响因子, 定量描述叶绿素a (Chl a)浓度与关键影响因子的关系, 并与神经网络模型(ANN)分析结果进行对比, 检验此结果的可靠性。模型结果表明, 影响滇池富营养化发生的最关键影响因子为物理因子(T > DO > SD > pH), 其次为营养物质(NH₃-N); 在当前观测的高氮高磷水环境下, 营养物质的浓度变化对Chl a浓度的影响并不显著, 但相对而言, 控氮比控磷可能更为有效。

鉴于对受损或处于人为干扰下的流域进行恢复与保护的必要性和迫切性, 对一般性的“驱动力?压力?状态?影响?响应”(DPSIR)概念模型进行适当改进, 并将改进模型应用到流域尺度的研究中。基于改进模型提出包含5类指标的流域生态安全指标体系, 涵盖了生态安全灾变的整体情况。揭示了流域潜在的社会经济“驱动力”对流域生态安全造成“压力”, 引起流域生态、资源环境的“状态”改变, 进而“影响”人类活动, 最终促使一系列“响应”措施产生的完整因果链, 从而为流域生态安全灾变的分析提供了完整的研究思路。以金沙江流域为例, 在生态安全诊断的基础上, 纳入流域社会经济活动因素, 建立起一套评价金沙江流域生态安全的指标体系, 涵盖了包括人均GDP及其年增长率、水土流失面积比例、森林覆盖率等在内的59个指标, 验证了改进后的DPSIR模型在流域尺度生态安全评价中的适用性与重要性。

利用数值试验的方法考察了风险显性区间数线性规划(REILP)模型最优解的稳健性问题, 即其最优解在决策者对不同约束条件存在偏好的情况下是否一致。数值案例一为基于污染物总量控制的土地利用规划问题, 目标是在污染物排放总量符合约束的前提下实现不同农业种植组合的收益最大化; 数值案例二为基于污染物总量控制的水资源优化分配问题, 目标是在污染物排放总量满足约束的前提下, 企业间水资源利用分配所获得的效益最大化。 数值试验结果表明, REILP的解在某些情况下呈现稳健性特征, 但在另一些情况下则呈现出最优解随着决策者对约束条件偏好的不同而产生变化的特征。REILP模型的这种特点表明, 在实际应用中, 建模人员需要特别分析最优解对决策者偏好的响应, 从而产生有效稳健的决策支持。此外, REILP解对决策者偏好的变异性也使其具备能够在不确定性条件下产生多种替代方案的能力。

在总结流域问题现状及流域管理决策需求的基础上, 基于仿生学原理, 类比人的思维特征和决策过程, 提出了包括流域信息获取、输入- 输出因果关联模拟以及优化决策等步骤在内的智能流域管理模式, 并对比分析了智能流域管理和传统流域管理的差异性。提出了智能流域管理的4个关键问题: 管理目标的确定、基于智能因子关联与流动的模型开发与信息获取、非线性响应特征与流域决策模型的计算需求、流域系统的不确定性与决策适应性演化, 构建了智能流域管理的模型框架, 并通过案例展示了模型框架中的重要进展与预期决策支撑作用。

鉴于累积环境影响评价在区域规划环评中的重要性和必要性, 提出包括规划描述、影响识别、尺度确定、因果分析、评价基准、情景构建、累积评价与预警、减缓措施以及适应调控等主要步骤在内的累积环境影响评价方法框架。同时, 考虑到累积环境影响的不确定性和动态性特征,采用情景分析和系统动力学模型相结合的方法, 模拟、分析和评价区域规划在时间和空间尺度上的累积环境影响。基于该方法框架,以郑州航空港地区总体规划为例,开展了评价区域环境空气和地表水环境质量的累积环境影响评价和预警实证研究。设计了基准情景、零方案情景、规划方案情景以及改善型情景 4 种情景模式, 分别对规划方案实施的区域水环境、大气环境的累积影响做出评价;并提出包括生态空间格局调控优化、产业结构调控与布局优化以及污染防治等在内的减缓措施,以及跟踪监测评估与适应性反馈调控对策。

为了产生好的集合预报初始扰动, 并能够用有限的集合样本来模拟大气概率密度函数在相空间中的时间演变, 把奇异向量法引入非静力 GRAPES 中尺度模式中, 研究了 GRAPES 奇异向量的基础性问题和基于奇异 向量构造集合样本的方法。对2008 年7 月的一次西南涡移动带来的暴雨过程进行 GRAPES SVs 求解, 并进行集合预报试验。结果表明: 前 27 个 GRAPES SVs 反映了分析误差的主要信息; 要素的集合平均的均方根误差比控制预报具有更好的预报技巧, 且它们的集合离散度随时间逐渐增加, 反映了预报误差的主要信息; 从降水 Brier 评分和 ROC 技巧上可以看出该集合预报具有好的概率预报技巧, 能为暴雨预报提供一定的指导作用。

以深圳市为例, 利用等标污染负荷法和单位产值等标污染负荷法, 从污染物种类、时间变化、空间分布、行业排放 4 个方面, 分析了深圳市工业污染源重金属的排放特征, 重点比较了 1996?2007 年10 年以来重金属排放特征的变化。结果表明, 近 10 年深圳市工业污染源重金属等标污染负荷大小排序为六价铬 > 镉 > 铅 > 汞 > 砷;1986?2007 年, 重金属排放总量呈增长趋势, 单位产值重金属排放总量呈显著下降趋势;1996 年重金属等标污染负荷和单位产值等标污染负荷最大的行政区和流域分别为龙岗区和坪 山河流域, 2007 年则转移至福 田区和深圳河流域;1996 年和2007 年, 污染负荷最大的行业均为电子及通讯设备制造业和金属制品业。深圳市应将电子及通讯设备制造业和金属制品业行业的六价铬排放作为整治的重点。

人类活动的强烈干预使城市生态系统结构发生急剧变化, 导致土地利用方式改变, 城市生态需水量也随之显著改变。以深圳市宝安区为例, 定量分析城市生态需水量与土地利用结构的相互作用关系, 并利用偏最小二乘回归法对土地利用和城市生态需水量的变化进行了人文驱动机制分析。结果表明, 城市生态需水量与土地利用结构特征指标SI具有显著负相关关系。所选驱动因素总体对于土地利用变化的解释率为50 % ～90 % , 特别是对城镇建设用地和SI指标的解释率高达90 % 以上;对各类生态需水量变化的解释率为60 % ～80 % 。各驱动因子对土地利用和生态需水量变化的影响程度有所不同, 其中总人口的影响最大。由于城市生态需水量与土地利用变化具有类似的人文驱动机制, 利用简化的SI指标可以方便地解释和预测城市生态需水量的变化。

提出洪水灾害对可持续发展的长期影响指数(LFIS)。LFIS主要考虑洪水灾害对社会-经济-环境复合系统多方面多层次的影响, 是对现行的以洪灾经济损失评价及简单的经济损失弥补为目的的洪灾风险评价理念的拓展与补充。采用快速评估方法, 以县城区划为评估单元, 进行LFIS 的评价分级。根据LFIS的评价结果, 将评估单元划分为高、较高、中等、较低和低5类, 并从区域、省份和城市的角度分别对LFIS的分异规律进行讨论。研究结果可更好地服务于可持续背景下更为广泛的综合防洪减灾规划与决策。

人类活动的强烈干预使城市生态系统结构发生急剧变化, 导致土地利用方式改变, 城市生态需水量也随之显著改变。以深圳市宝安区为例, 定量分析城市生态需水量与土地利用结构的相互作用关系, 并利用偏最小二乘回归法对土地利用和城市生态需水量的变化进行了人文驱动机制分析。结果表明, 城市生态需水量与土地利用结构特征指标SI具有显著负相关关系。所选驱动因素总体对于土地利用变化的解释率为50 % ～90 % , 特别是对城镇建设用地和SI指标的解释率高达90 % 以上;对各类生态需水量变化的解释率为60 % ～80 % 。各驱动因子对土地利用和生态需水量变化的影响程度有所不同, 其中总人口的影响最大。由于城市生态需水量与土地利用变化具有类似的人文驱动机制, 利用简化的SI指标可以方便地解释和预测城市生态需水量的变化。

以县域为评价单元，采用快速评估方法进行中国洪水灾害危险度评价分级和可持续发展指数评价分级，并在此基础上对洪水灾害与可持续发展内在关系的区域差异进行探索。结果表明，中国洪水灾害与可持续发展的区域分异明显，根据两者内在关系特征可分为4类区域，各区域洪水灾害对可持续发展的影响类型与机理有所不同。各区域又可细化为若干子区，通过落于不同区域及其子区内的县市分析，可找到各区域内大多数县市的共同特征和代表性的县市，为防洪减灾战略决策提供参考。

基于压力-状态-效应(PSR)理论，着重分析我国传统农业地区在快速城市化过程中融入城市拓展区，并逐步城市化过程中的可持续发展问题，提出了一套以PSR为基础框架的城市拓展区可持续发展指标体系。基于灰色系统理论，将该特定区域的社会-经济-环境复杂巨系统作为灰箱系统模型，应用人工神经网络的人工智能方法，计算城市拓展区的可持续发展指数(ISD)。最后，将该方法应用于郑州惠济区的1987—2004年ISD时间序列评估，并作了不确定性分析。该方法可应用推广于类似的区域可持续发展的综合评价以及时间序列分析等问题。