课题组2018届环境科学与工程专业硕士毕业生姜龙硕士毕业论文标题为：《太湖水环境数学模型水质参数不确定性和敏感性分析》。

成果简介

本研究基于国内外通用的EFDC模型建立了典型大型浅水湖泊太湖的水环境数学模型，分析了水质参数的不确定性和敏感性。研究结果可以为大型浅水湖泊水环境数学模型水质参数的设置提供参考，加深对藻类在水质模拟中影响机制的认识，提高模型的模拟精度和模拟效率，增强模型模拟的科学合理性，用以支持湖泊水质预测和环境管理决策。主要创新成果有：

（1）选取了6种水质指标对水质参数在多水质输出目标下的不确定性和敏感性进行了综合性的分析。

（2）针对大型浅水湖泊“面大”的特征，根据地理位置、水动力和水质状况选择典型湖区重点研究，对参数不确定性和敏感性的湖区差异进行了详细的分析。

（3）系统的考虑了藻类在模拟过程中对水质的影响，考察敏感参数与其的关系并对藻类的影响机制进行了分析。 

研究背景

太湖作为目前我国第三大淡水湖泊，是流域内主要的供水水源之一，承担着周边城市的供水，供水服务范围已超2000万人，占了流域总人口的55%以上。近30年来由于工农业迅速发展却没有采取合理的污染防治措施，导致了太湖流域的水环境状况正在逐年恶化，部分湖区和环湖河道的水质已经难以满足相应的功能，湖泊的生态系统也面临着巨大威胁，造成的严重后果是大面积的蓝藻水华爆发。

水环境数学模型可以通过对真实水环境系统的概化，模拟水环境因子之间的定量关系和变化趋势。目前针对大型浅水湖泊水环境数学模型的不确定性研究不多，并且主要集中在易受复杂风浪条件和底泥营养盐释放影响的“水浅”特性上，而对参数影响下多水质输出目标的综合分析以及“面大”带来的参数敏感性的湖区差异研究很少，同时对于藻类在水质模拟过程中的影响也认识不足。本研究的研究结果可以为大型浅水湖泊水环境数学模型水质参数的设置提供参考，加深对藻类在水质模拟中影响机制的认识，提高模型的模拟精度和模拟效率，增强模型模拟的科学合理性，用以支持湖泊水质预测和环境管理决策。 

研究方法

本研究选取目前国内外通用的EFDC模型建立了典型大型浅水湖泊太湖的水环境数学模型，选取了6种水质输出目标综合分析了参数的不确定性和敏感性，针对“面大”的特点选择典型湖区研究其空间差异性并分析了藻类在其中的影响机制。

图1 研究技术路线图 

研究成果

（1）6种水质指标的模拟趋势和实测值基本一致，大部分实测值在不确定性区间内，模型基本可信，可以用于太湖水体水质的模拟。参数不确定性对于模拟结果变化范围的影响随着湖区水质指标浓度的增加而增加，并且浓度较高的湖区模拟结果的不确定区间随时间变化较大。

图2 氨氮模拟结果不确定区间图

图3 硝态氮模拟结果不确定区间图

图4 总氮模拟结果不确定区间图

图5 磷酸盐模拟结果不确定区间图

图6 总磷模拟结果不确定区间图

图7 叶绿素模拟结果不确定区间图

（2）参数不确定性对模拟结果的影响相对本底浓度的比例随浓度的增加逐渐变小，需要对低浓度的湖区加以关注。不确定性在不同湖区差异也受到水动力和外边界的影响，对于水动力条件较弱且受到边界入湖河流影响较大的湖区，参数的影响较小，应当优先关注外边界设置的精确程度。

表1 四个湖区参数不确定性统计表

（3）虽然不同水质指标有各自特定的敏感参数，但大部分的敏感性参数都与藻类的生长代谢密切相关，其中KTG1c、KeChl、PMc、BMRc、PRRc、WSc和TMc1几乎在所有的指标中都较为敏感，属于非常敏感参数。

图8 氨氮、硝态氮和总磷模拟过程中参数敏感性指数图

图9 磷酸盐、总磷和叶绿素模拟过程中参数敏感性指数图

（4）与藻类有关的参数对于太湖这种藻类容易爆发的富营养湖泊的水质影响较大，而湖区的差异性主要是由于藻类生长限制因子不同。对于梅梁湾的主要限制因子是温度，湖心和西南湖区是光照，而东太湖则是营养盐。其中叶绿素消光系数(KeChl)和温度对藻类生长的影响系数(KTG1c)分别是光照和温度限制因子中的最敏感参数，需要加以关注。

表2 四个湖区参数敏感性排序

表3 四个湖区藻类生长因子限制系数统计表

（5）通过参数后验分布得到了模拟结果较好的参数取值范围并对先验分布补充完善，提高模拟参数调整的效率。由于广泛存在的其他不确定性因素和“异参同效”的现象，这些参数取值范围仅供参考。

图10 敏感参数似然值后验分布图，x轴为参数取值，y轴为累计分布函数的概率密度

表4 参数取值范围估计表

学生介绍

姜龙，河海大学环境学院2015级环境科学与工程专业硕士毕业生，研究方向为河湖富营养化机理及水环境数学模型研究。发表论文3篇，其中SCI论文 1篇，EI论文 2篇；公开发明专利1项；软件著作权3项；参与项目2项；毕业去向香港大学。

主要科研成果

[1]Jiang Long, Li Yiping, Zhao Xu, et al. Parameter uncertainty and sensitivity analysis of water quality model in Lake Taihu, China[J]. Ecological Modelling, 2018, 375:1-12. 

[2]姜龙, 李一平, 章双双, 等. 大型浅水湖泊藻类模型参数敏感性分析[J]. 湖泊科学, 2018, 30(3): 693-700.

[3]姜龙, 李一平, 王文才, 等. 基于ADV的太湖波浪特征参数反演计算[J]. 水资源保护, 2018, 34(3): 9-15.

发明专利公开

[1]发明专利：基于野外观测的沉积物再悬浮模型建立方法

软件著作权公开

[1]基于ADV 数据的波浪特征反演计算软件

[2]基于启发式贪心算法和模拟退火算法的钢板优化排样软件

[3]EFDC水质模块不确定性和敏感性分析工具

参与项目

[1]“山西潞安高硫煤清洁利用油化热电一体化示范项目环境影响评价水专题”项目，负责实地调研，基础资料搜集，污染源入河量计算，水环境容量计算，污染源削减方案制定，并编制报告，参加专家评审

[2]“张家港市第四水厂扩建工程水资源论证及防洪风险评价”项目，负责实地调研，基础资料搜集，水资源量供需平衡分析，利用EFDC模型模拟取退水对环境及防洪的影响，并编制报告，参加专家评审