1.4　主要研究成果与创新

1.4.1　主要研究成果

1.4.1.1　外源氮、磷营养盐控制技术

采用经验估算法、SWAT模型法和一次暴雨径流过程污染负荷分析法识别州河流域污染源类型，确定出州河流域主要污染源为面源，各类污染物贡献率为87.9％～97.7％。根据污染源识别和污染负荷分析结果，提出利用人工湿地技术、前置库技术、缓冲带和水陆交错带技术、水土保持技术、农业生态工程技术等生物生态技术方案控制于桥水库面源氮磷污染。借鉴法国在氮磷污染控制方面的经验，提出包括水环境质量问题分析、水体污染源识别、污染源污染贡献分析、最优控制方案的执行和氮磷污染控制效果分析五方面内容的适合于桥水库外源氮磷污染源控制的最优水生态管理系统，为有效控制提供正确思路、方法和途径。

1.4.1.2　水源地生态系统修复技术

针对农村生活污水和农业生产的面源污染、饮用水源地水质改善和提高的目标，进行了生态塘处理农村生活污水、河岸带减缓农业生产面源污染的河湖污染水体净化和生态修复的研究。

（1）水生植物净化生活污水盆栽实验的结果表明，实验用5种水生植物的成活率较高，除千屈菜外，其余4种水生植物在生活污水中生长状况较好，能够用于净化处理生活污水的人工湿地中。实验用基质对水生植物生长的有利影响的强弱排序为：3种含土基质、砂土、煤渣、石子。

（2）项目研究利用东庄村金良河河道，通过河道整治、稳定塘建设、水生植物栽植等工程构建了5个串联的河道型生态塘，使当地的卫生环境、水环境和景观质量都得到了大大提高。水生植物栽植后监测CODCr、总磷和氨氮平均含量分别为14.08mg/L、0.07mg/L和0.44mg/L，接近地表水Ⅱ类水质标准。

（3）湖滨带人工湿地对农村生活废水的处置过程中，对氨氮、硝氮、总氮、总磷、化学需氧量、六价铬均有较高的降解效率。

1.4.1.3　生物监测预警技术

通过连续监测，初步获得于桥水库浮游生物的时空分布规律；筛选出水源地指示种，浮游植物为微囊藻属，浮游动物为臂尾轮虫属、象鼻溞及中华哲水蚤以及摇蚊幼虫、水丝蚓等；将DNA条形码技术引入到水生生物监测中，利用该技术对研究区水源地水中的指示生物进行鉴定，对部分种进行生物条形码研究；研发一套系统的方法，可以准确快速完成微囊藻属的分类及毒性鉴定；研发一套系统的方法，可以准确快速完成浮游动物（轮虫、枝角类和桡足类）的分类鉴定。建立了于桥水库关于综合营养指数的多元非线性回归预测模型和预警方案，初步构建了于桥水库综合营养指数预警系统。

1.4.1.4　蓝藻暴发预测预警模型与基于全色多光谱的蓝藻水华监测

（1）通过基于气候变化的生态动力学模型和构建人工神经网络模型两种不同的富营养化模型，分别对于桥水库蓝藻暴发进行了预测模拟。

1）以于桥水库气温、云量、相对湿度、风速、辐射、降雨量等气象因素和蓝藻分布等数据，用GLM-FABM-AED生态动力学模型模拟于桥水库6d时间范围内的水温和蓝藻生物群落的分布与变化趋势。结果表明，模型能够以较高精度准确模拟于桥水库6d的水温和蓝藻生物量变化，可用于于桥水库蓝藻暴发的预测预警。

2）以于桥水库4个不同监测站点的半个月的观测数据为基础，建立水体温度、总磷和叶绿素a的人工神经网络预测和预报模型。结果表明，人工神经网络模型可以准确地预测、预报水体中不同时间和不同位置的水温、总磷浓度和叶绿素a浓度。敏感性分析结果表明，叶绿素a浓度对氨氮、溶解氧、总磷、化学需氧量和pH值比较敏感，控制于桥水库藻类的最优组合为保持总磷浓度不变，COD浓度减少10％，硝氮和溶解氧浓度增加10％。

3）与人工神经网络模型预测模型相比，基于气候变化的生态动力学模型在6d时间内即可精准地预测出水库的蓝藻生物量，可见模型具有预测精度高、速度快、准确性高、响应及时的特点。

（2）基于全色多光谱蓝藻水华监测技术，对海河流域的典型蓝藻暴发区域的海河、于桥水库的藻类光谱特性进行了分析，获取了藻类光谱基本信息，并分析了水华的敏感谱段；进行了多光谱相机谱段设置与蓝藻浓度变化的相关性验证，对于蓝藻水华有较好的提取能力；对水体不同污染情况的区分，与蓝藻水华覆盖的变化情况，有清晰的识别；对水体面源、点源和内源等各类污染源，具有较好的区分能力。

1.4.1.5　蓝藻暴发处置技术

针对水源地蓝藻暴发频繁问题，开展了曝气除藻、生物控藻等技术研究。曝气除藻：喷泉曝气和推流曝气可以有效增加水体底层溶解氧，而水体表层溶解氧变化不大；气幕式曝气可以将水体中的部分蓝藻拦截在上游一侧，不能从本质上削减水体中的蓝藻密度。生物控藻：沉水植物在生态位上与蓝藻并不重合，难以通过沉水植物直接控制水库的蓝藻生物量；浮叶植物群落能和蓝藻开展生态竞争，可以作为水生植物控制蓝藻的一个有效措施；鲢鳙投放在特定的条件下能起到控制藻类的作用。其他除藻技术：超声波除藻可明显降低水体中藻密度和叶绿素a浓度，生物菌除藻在净化水质、减少水华方面具有较好的应用价值。

1.4.1.6　饮用水源保护评价体系和管理对策

根据水功能区划管理制度，分析了不同类型水功能区的主体功能，分析了水源地健康评估与水功能区划的关系，探讨了基于水功能区划的河流、湖库水源地健康内涵，由此提出基于水功能区划的河流、湖库水源地健康评估理论。在此理论基础上，构建了基于水功能区划的水源地新型健康评价指标体系。以于桥水库为例，根据于桥水库及周边实际和研究现状，在常规管理对策基础上，针对点源、面源和内源分别提出了专项控制措施。

1.4.2　项目创新点

（1）蓝藻暴发预测预警模型。根据一维水量平衡和垂向水温分布模型以及水生生物地球化学模型，创建于桥水库蓝藻暴发生态动力学模型。模型可以根据气象因素、初始温度及蓝藻分布等数据，在6d的较短时间范围内准确预测于桥水库的水温和蓝藻生物量的分布与变化趋势，具有预测精度高、速度快、准确性高、响应及时的特点。

（2）基于全色多光谱蓝藻水华监测技术。利用全色多光谱技术可以获取蓝藻水华范围、程度等信息，有效地监测湖泊中大范围蓝藻水华的动态变化，并对地表的时空分布及变化进行监测，具有监测范围广、速度快、时效性好的特点。利用红外、中红外等谱段，可以实现日夜持续监测甚至大雾气象条件下的监测，具有一定程度上的全天候监测优势。航空遥感技术具有时效性高、分辨率高、机动灵活的特点，结合使用航天航空遥感技术进行大面积水华探测成为一种全新的尝试。

（3）摇蚊科3个新记录种。本项目在对于桥水库的水生态监测过程中，对采集到的水生生物样品，特别是昆虫纲双翅目摇蚊科样品进行鉴定，共发现齿突水摇蚊、木兽水摇蚊、近藤水摇蚊3个海河流域摇蚊科新记录种，均属于水摇蚊属（Hy drobaenus）。水摇蚊属为中度污染水域的常见类群，根据水摇蚊属的生活习性及分布情况，可以判断于桥水库的生态环境受到一定程度的污染。

（4）快速精准水生生物鉴定技术。将DNA条形码技术引入到水生生物监测中，利用该技术对研究区水源地水中的指示生物进行鉴定。通过提取大量单个个体的DNA样本进行PCR扩增获取目的基因片段，对该片段进行测序，进而与GeneBank数据库内的资料进行比对分析。目前，采用此技术能够非常成功地扩增出16srDNA片段，成功率达到90％以上，可以准确快速地完成微囊藻属的分类及毒性鉴定和浮游动物（轮虫、枝角类和桡足类）的分类鉴定。

（5）筛选出于桥水库水源地指示生物，初步构建了于桥水库综合营养指数预警系统。通过对于桥水库水生生物的定性定量分析，筛选出于桥水库水源地指示生物，包括浮游植物、浮游动物和底栖动物。根据筛选结果，得出于桥水库目前处于α-中污染和β-中污染水平。建立了于桥水库关于综合营养指数的多元非线性回归预测模型和预警方案，初步构建了于桥水库综合营养指数预警系统。

（6）构建了新型有效的饮用水源保护评价体系。饮用水源地经过污染源治理、水生态修复、富营养化预警及处置等水生态保护后，为有效评价其保护效果及水生态状况，根据全国重要江河湖泊水功能区管理制度，结合河流型和湖泊型水源地的特征，创建了适合海河流域的新型有效饮用水源保护评价体系，用于全面评价饮用水源地水生态状况。