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基于可解释性深度学习的星云湖表层水温预测研究
王茹冰;姜翠玲;孙磊;戴昊璋;许睿亭;刘相改;刘洲志;施椿燕;【目的】全球变暖背景下，湖泊表层水温(Lake Surface Water Temperature， LSWT)的持续上升已成为加剧湖泊富营养化进程的关键因素，因此准确预测其未来变化趋势对湖泊富营养化预警及水环境管理具有重要意义。【方法】基于MODIS遥感影像获取2002—2024年星云湖逐日表层水温数据，采用随机森林(Random Forest， RF)算法插补其缺失值，进而构建并行的LSTM-Transformer深度学习模型预测未来不同气候情景(SSPs)下LSWT的变化趋势，并引入夏普利加性解释(SHapley Additive exPlanations， SHAP)法揭示LSWT的关键驱动因子及其影响方向。【结果】结果表明：(1)2002—2024年间星云湖表层水温的升温速率为0.27℃/10a，秋季升温趋势尤为突出。(2)LSTM-Transformer融合模型具有较高的预测精度，决定系数(R2)为0.95，均方根误差(RMSE)为0.89℃；在未来气候情景(SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5)下，星云湖表层水温预计将以0.11℃/10a～0.42℃/10a的速率持续上升。(3)近地表气温和地表下行长波辐射是影响星云湖表层水温变化的关键驱动因子。【结论】本研究构建的深度学习模型在高原湖泊表层水温预测中具有良好的适用性，该框架可为高原湖泊在未来气候情景下的水环境适应性管理与生态风险预警提供依据。
基于水质目标响应的感潮河网底泥环保清淤阈值确定方法研究
洪昌红;张之琳;刘达;刘帅;【目的】针对城市感潮河网内源污染治理中环保清淤决策缺乏定量依据、易导致过度清淤的难题，本研究提出了一种以水质目标为约束的环保清淤阈值(EDT)反向推导方法。【方法】基于底泥-水界面释放-吸附平衡理论，选取珠海前山河感潮河网为对象，通过18组典型泥样的扰动平衡试验，构建了底泥污染物含量(D)与释放-吸附平衡点浓度(S)的定量响应模型(S=F(D))(在有效释放区间内拟合度良好)。该方法模拟了潮汐扰动下的释放风险，并以流域水质目标(Starget)进行反向判别。【结果】建立了总氮(TN)和总磷(TP)的释放风险方程(TN：SN=0.0011×DN-0.26；TP：SP=0.0006×DP-0.47)，推导出前山河流域实现IV类水质目标的EDT为DTN≥1600mg/kg和DTP≥1270mg/kg；辅助试验显示，该计算值与观测到的净释放拐点(1550mg/kg及1245mg/kg)吻合。【结论】研究表明，该方法实现了清淤决策从“清除存量”向“控制风险”的范式转变。在感潮河网治理中，应结合水资源-水环境-水生态(3WRR)框架下的外源减排，以EDT作为内源治理的科学红线，可有效提升内源治理的精准度并降低工程成本。
基于机器学习与贝叶斯三角帽法的多源台风降水融合与监测能力评估
张晗;吴伟浩;黎国杭;师春香;丁娟;吕海深;朱永华;刘文;詹同涛;【目的】降水作为水文循环的关键环节，受复杂地形条件及大气—海洋环流共同作用，对其进行准确表征具有较大挑战。为提高福建地区台风降水估计的精度与空间适应性，本文以福建省为研究区域，【方法】提出了Stacking-BTCH的融合框架，综合利用CMFD、ERA5-Land、GLDAS、IMERG四种降水产品及地面站点观测，在偏差校正基础上实现多源降水信息的加权融合，生成了一套高精度的融合降水数据集。【结果】基于16个独立站点的检验结果表明：在原始降水产品中CMFD综合表现最佳，相关系数为0.54，均方根误差为33.42mm/day；GLDAS对强降水刻画能力相对较弱，ERA5-Land与IMERG整体表现居中但存在区域性偏差。在综合各数据源优势后，融合产品的精度显著优于各原始及偏差校正后的单一降水产品，相关系数提升至0.72，均方根误差降至23.51mm/day。从各季节表现来看，融合降水产品在春、夏、秋的探测率均达1，误报率则呈现季节性变化，其中夏季表现最佳，春季相对偏高，约为0.2。【结论】结果表明，基于Stacking-BTCH框架构建的融合降水产品在不同气候背景下具有较为稳定和可靠的降水事件识别能力，整体性能优于单一降水产品。该融合方法在一定程度上缓解了站网稀疏及多源降水数据不确定性带来的影响，可为台风降水过程监测、致灾风险评估及业务预报提供数据支撑，有助于提升区域气候监测与灾害评估的精细化水平。
终端净水器不同类型滤芯对出水微生物群落多样性的影响
杨溢轩;张铮傲;吕玉姣;吴琼;王双玲;杜浩然;张灿;谭朝洪;白淼;张明露;【目的】为探究四级滤芯终端净水器长期运行过程中滤芯对出水微生物群落的影响，解析系统微生物污染特征及二次污染来源，保障终端饮水微生物安全，【方法】以市政管网水为原水，采用 “5 μm PP棉—前置活性炭—1 μm PP棉—纳滤膜” 四级滤芯净水器并配套压力储水设备连续运行 150 d，利用 16S rRNA 扩增子高通量测序技术，系统分析进水、净水器出水、压力桶出水及各级滤芯、压力桶生物膜的微生物群落结构与潜在病原菌分布。【结果】变形菌门为所有样品的绝对优势菌门，其在水相样品中相对丰度为 82.55%～92.29%，显著高于固相生物膜样品的 34.65%～76.80%。纳滤膜可有效截留前三级滤芯中的优势菌属，但出水中检出滤芯未存在的潜在病原菌，证实系统存在二次污染。功能相近的滤芯生物膜群落结构相似度较高，压力桶生物膜与滤芯群落差异显著。研究共检出 16 种潜在病原菌，压力桶出水、纳滤生物膜及压力桶生物膜各检出 12 种。【结论】各级滤芯对微生物具有明显的筛选与截留作用，纳滤膜可有效阻断前端微生物迁移；压力桶静置储水环境易造成微生物富集与病原菌滋生，是二次污染的核心节点。研究结果可为净水器运维及饮水微生物风险防控提供理论依据。
山区河网系统多目标优化配置研究：以松阳山区为例
肖庆华;孙娇娇;潘红宇;孙小坡;张鹏;满维鹤;【目的】针对山区河网系统源短流急、天然调蓄能力弱等特征引发的水资源空间错配与供水-生态目标冲突难题，【方法】构建了一种面向山区河网结构的多目标优化配置方法。以供水净经济收益最大化和总缺水量最小化为目标，在严格生态基流约束条件下，结合工程水网空间连通特征，建立山区河网多单元协调配置模型；通过引入改进的非支配排序遗传算法（NSGA-II）求解，并结合熵权法进行方案优选，实现山区河网系统的优化调度。【结果】优化配置后全县供水保证率由87.62%提升至94.15%，系统总缺水量降幅高达52.84%。模型提出的空间调剂策略使江北片区农业供水量增幅达31.5%，能够有效解决核心经济区的用水矛盾。【结论】结果表明，优化配置能够有效提升系统整体供水保障水平并降低缺水风险，改善不同空间单元之间的水量配置结构，在保障生态需水底线的同时实现经济效益与供水安全的协同提升。模型与求解策略对南方同类山区河网系统的水资源配置与调度决策提供具有普适意义的技术路径。
极端高温与旱涝急转的关联特征分析:以海河流域为例
焦方凯;王佳;刘家宏;梅超;张克寒;郭一君;【目的】在全球气候变暖背景下，海河流域旱涝急转事件频发，其突发性强、致灾风险高，给流域防洪带来了严峻挑战。旨在揭示极端高温与旱涝急转事件的关联特征，提升旱涝急转事件的可预报性，为流域复合极端事件的机理认知与防灾减灾提供科学支撑。【方法】基于海河流域18个气象站点1990—2023年逐日观测数据，采用日尺度旱涝急转指数（DWAAI）与多维度高温特征参数，结合海河“23·7”典型旱涝急转事件开展实证分析，系统解析二者的关联特征。【结果】结果表明：（1）1990—2023年海河流域旱期高温呈持续增强趋势，且高温强度与旱涝急转分布特征呈正相关，二者空间梯度变化趋于一致；（2）旱期高温持续性的演变进程与旱涝急转事件的时空分布趋于一致，其抬升阶段与旱涝急转事件频次、强度的增长阶段具有同步性；（3）前期高温累积与旱涝急转事件的时空分布趋于一致，高温累积水平偏高的区域对应旱涝急转发生频次更高。【结论】研究表明，在长期气候变暖背景下，海河流域高温与旱涝急转呈同步增强趋势，2023年高温与旱涝急转均达到高位，极端高温通过加剧干旱累积进而引发后期强降水事件，二者呈现高度关联性，研究可为流域复合极端事件的形成机制认知与风险应对提供科学参考。
海域生态系统结构与功能对海上风电施工扰动的响应机制
颜福裕;沈静;周华腾;邓正良;何武城;姚智伟;屈艳芬;叶锦韶;【目的】探究海上风电施工（叠加季节波动）对海洋生态系统的结构及功能的影响。【方法】鉴于观测数据存在季节性与施工干扰的复合效应，本研究以南海某风电场为例，基于Ecopath模型对比分析了施工初期和施工后期的生态系统特征，剖析系统功能的显著变化及其与施工活动的联系。【结果】结果显示，在受施工直接扰动的核心海域：（1）生态系统能量基础崩溃。浮游植物生物量锐减，总净初级生产量下降86.6%，导致生态系统从自养模式转变为依赖有机碎屑的异养模式。（2）营养级能量流发生重组与阻断，施工释放的有机碎屑短期内促进了底栖生物（增加63.6%）和浮游动物（增加179.2%）等次级生产者的生物量增长。然而，能量从碎屑食物链向高营养级（鱼类）的传递受阻，鱼类生物量普遍下降。（3）系统整体功能退化，总生物量、食物网连接指数和生物多样性指数均显著降低。【结论】施工期局部生态系统表现出初级生产力崩溃、异养化模式转变及能量传递解耦等复合特征。这些发现为评估建设期核心区生态演变、识别关键预警信号及制定环境管理方案提供了重要依据。
考虑溶洞群结构影响的隧洞围岩稳定性及支护结构响应研究
刘洪治;高振宇;【目的】岩溶区隧洞穿越溶洞群易引发围岩失稳与支护失效，溶洞群空间结构对隧洞围岩稳定性及支护结构响应的影响规律有待深入研究。【方法】基于现场溶洞勘测结果，结合三维离散元软件构建了隧洞穿越溶洞群的精细化数值模型，模拟开挖与支护作用下围岩的力学响应，综合考虑了溶洞的几何特征、位置及体积对围岩变形和应力分布特征的影响规律。引入位移减幅比量化超前锚杆、挂网喷砼、注浆加固与钢拱架复合支护体系的效果，并通过敏感性分析优化支护结构参数。【结果】结果表明：溶洞揭露后围岩剪应力呈现“上低下高”的垂直梯度分布，应力易在边墙产生集中，最大为2MPa，拱顶沉降最大为60.4 mm。【结论】溶洞群存在空间结构效应，新溶洞的揭露会引起已揭露溶洞的应力调整，表现为拱顶位移回弹，回弹幅度与新溶洞体积呈负相关关系。采用复合支护体系有效控制了隧洞拱顶沉降和边墙收敛变形，最大位移减幅比可达99%，确定的最优支护参数为：喷砼厚度20 cm、锚杆排距1.5 m、钢拱架间距0.8 m。本研究所提支护结构参数优化方法及结论可为同类工程提供借鉴和指导。
基于残差双向LSTM与自注意力机制的隧道积水多步预测研究
李云龙;顾吟;孙元;娄艺涵;王锣洋;陈朝晖;胡潭高;【目的】针对城市下穿隧道在极端降雨下易积水、传统物理水动力模型计算复杂且实时性不足的问题，以及纯数据驱动模型难以刻画复杂时空演化的问题，提出一种融残差双向长短时记忆网络（Residual Bidirectional Long Short-Term Memory， Residual BiLSTM）与自注意力机制的隧道积水多步预测方法，以实现高精度与实时性预测。【方法】基于杭州市典型下穿隧道，构建融合分钟级降雨时序、积水深度监测序列及工程静态属性的多源数据集，通过缺失值填补、异常值修正、滑动窗口序列及分层数据增强策略提升数据质量。模型采用双向长短时记忆网络（BiLSTM）对降雨—积水过程进行双向时序建模，引入残差连接缓解梯度消失与信息衰减，利用自注意力机制对历史信息动态加权以增强对关键降雨突变与积水响应阶段的敏感性；同时设计静态特征融合模块，将管径、排水能力、高程差等工程属性嵌入模型，实现动态时序信息与静态物理约束的协同建模。【结果】试验表明，所提模型在多步预测任务中表现最优，相较于LSTM、XGBoost及线性回归模型优势显著；多预测步长下误差增长平缓，误差分布集中（标准差0.0385），稳定性与鲁棒性更强。消融试验验证各模块有效性，其中BiLSTM结构贡献最大，残差连接与注意力机制提升模型表达能力，静态特征融合增强物理约束能力。【结论】该方法能有效逼近水动力数值模型输出行为，在保证计算效率的同时显著提升预测精度，可为城市下穿隧道内涝实时预警与防灾调度提供可靠技术支持。
气动减淤技术的环境影响监测与分析研究
王洋;陈松贵;陈汉宝;黄洁;段自豪;【目的】为探究气动减淤技术作为传统挖泥船清淤替代方案在长江入海口的应用效果及对水环境的潜在影响，本研究在该区域开展基于气动减淤再悬浮泥沙的常态化现场试验，突破封闭或半封闭试验模型比尺限制。【方法】通过监测再悬浮泥沙随潮流的扩散输移距离及水体理化指标的协同变化，获得气动扰动引发的泥沙运动扩散规律。【结果】结果表明：当泥沙淤积量为500 m3后采用气动减淤方式悬浮泥沙可使水体上层含沙量从0.13 kg/m3提高到1.42 kg/m3，随潮流输移范围大约为250 m后逐渐与周边背景水体含沙量接近。相比较于初始值，气泡扰动核心区总氮(TN)、悬浮物(TSS)、活性磷酸盐(SRP)浓度分别提高了21.8%、65.3%及22.2%，远离试验区16 km逐渐恢复至参考基准值。试验区NH4+-N、COD浓度因再悬浮泥沙吸附作用分别降低了2.5%、8.0%，而含沙量增加对总磷(TP)的影响不显著。【结论】综上，气动减淤技术在长江入海口潮汐环境下可有效实现泥沙再悬浮并随潮流输移，对水环境的影响存在明确空间范围，在以潮流为主导水动力、细颗粒泥沙为主且需控制清淤生态影响的潮汐河口区具有推广价值。