《环境工程》2022年第六期导读|环境工程基础数据与模型

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近年来，大数据和人工智能等新兴信息科技与环境学科的交叉融合引起了国际上相关领域学者的极大兴趣和持续关注。数据、模型和算法与环境工程学科理论和技术的结合已初见端倪，为解决重大环境问题、推进环境科技从进阶式创新向颠覆式变革提供了难得的机遇。聚焦国家重大需求和学科国际前沿，《环境工程》杂志推出“环境工程基础数据与模型”主题专刊，汇总近期相关领域方向的研究成果，从技术科学、工程科学和管理科学等不同维度探讨环境领域基础数据和模型算法发展的相关工作。其中既包括环境污染监测与预警、污染物迁移转化模拟与分析、城市水系统优化与控制等传统方向的典型案例和重要总结，也涉及环境生态系统大数据库构建、碳排放监测评估与减排、生态环境风险识别与管控等学科新兴方向的应用研究和方法讨论，还包括机器学习、深度学习等人工智能技术在环境功能材料等基础前沿领域的探索和展望。期待业内专家和学者聚焦环境工程管理和研究的制约性资源与工具开发难题，集智攻关，服务于我国环境工程领域理论创新与技术突破力量的提升。

栏目总览

• 环境生态系统数据库的构建与应用

• 多介质环境过程监测、模拟与控制

• 水环境污染源识别、风险评价与预警

• 城乡水系统碳排放监测、评估及减排

• 数据和机理融合的水安全保障技术研发

• 基于机器学习的环境功能新材料设计

• 城市水系统优化算法与调控模型

• 流域生态系统模拟与统筹治理

环境生态系统数据库的构建与应用

01

高空间分辨率环境数据库及其应用

常玮岑¹ 李雨萌^2∗ 钟秋萌¹ 梁赛^1∗

1.广东工业大学 生态环境与资源学院 大湾区城市环境安全与绿色发展教育部重点实验室

2.北京师范大学 环境学院

摘要：高空间分辨率环境数据库的构建和应用对于解决日益突出的环境问题至关重要。高空间分辨率数据能够在精细尺度上体现研究对象的具体分布和特点，识别环境污染重点地区，有助于制定因地制宜的环境管控政策。国内外学者已构建大量的高分辨率环境数据库并将其应用于解决多种环境问题。然而，目前尚未有学者对高空间分辨率环境数据库的类型和应用进行系统性阐述。因此，从尺度和物质类型2个方面总结了常见的高空间分辨率环境数据库，并对这些数据集在排放源分析、环境影响评估和经济影响因素分析3个方面的应用进行疏理，并对未来研究提出了进一步提高分辨率、提高数据质量、拓宽应用研究范围的建议。

关键词：高空间分辨率；数据集；排放清单；环境影响评估

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多介质环境过程监测、模拟与控制

02

海岸带陆海气氮磷污染协同治理：监测、模拟与决策

李少斌¹ 余丹^1,2 孔俊³ 陈纪新^1,2 吴水平¹ 王曜¹ 陈能汪^1,2∗

1.厦门大学 环境与生态学院 福建省海陆界面生态环境重点实验室

2.厦门大学 近海海洋环境科学国家重点实验室

3.河海大学 港口海岸与近海工程学院

摘要：陆海统筹已成为美丽海湾建设和海岸带可持续发展的关键战略。其中，陆海气氮磷污染协同治理是持续改善近岸海域生态环境质量的关键，但其缺乏理论指导与技术支撑。梳理了陆海气环境介质与界面过程的监测、模型( 流域-河流模型、河口-近海模型、大气沉降模型等) 的研究现状、技术难点和发展趋势。为加快推进流域-海域综合治理,亟须建立陆海气氮磷污染监测-模型-评估-决策体系，建议加快陆海气界面氮磷通量监测技术开发与应用,构建陆海气集成或耦合模型，在不同时空尺度上探究氮磷污染来源、主要输移通道、跨界面过程和机制。提出了未来研究重点：1) 基于监测与模型提升海岸带生态系统的科学认知；2) 构建陆海统筹视角的富营养化评估与生态系统健康评估方法；3) 创新分区分类环境容量核算与分配方法；4) 研究海岸带环境污染多目标治理优化方案；5) 开展海岸带社会-经济-环境系统互馈模拟与多主体协同决策,助力生态环境治理能力现代化。

关键词：多介质与多界面；系统模型；数据驱动模型；协同防治；陆海统筹

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03

数值模拟在可渗透反应墙设计中的应用研究进展

郑凯旋¹ 黄俊龙¹ 罗兴申¹ 王洪涛^1∗ 陈坦^2∗

1. 清华大学 环境学院

2. 中央民族大学 生命与环境科学学院

摘要：可渗透反应墙(PRB) 是一种高效的地下水污染原位修复技术。数值模拟方法有助于评估在不同参数(如尺寸、安装位置和朝向、渗透系数等) 下的PRB性能,常作为PRB工程设计和长期运行的基础。归纳总结了典型地下水模型和软件在PRB设计中的应用特点,梳理了国内外数值模拟方法在PRB工程设计、寿命评估和参数优化等方面的应用现状,探讨了数值模拟在PRB技术中的应用前景和重点研究方向,以期为我国PRB技术的推广应用提供参考。

关键词：可渗透反应墙；数值模拟；工程设计；寿命评估；参数优化

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04

基于自组织神经网络和K-means的场地地下水污染特征分析与分区管控研究

黄燕鹏^1,2 汪远昊³ 王超^2,3 刘伟江⁴ 王宏^2,3 吕广丰³ 林斯杰³ 胡清^2,3∗

1.哈尔滨工业大学 环境学院

2.南方科技大学 环境科学与工程学院

3.南科大工程技术创新中心(北京)

4.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心

摘要：该研究基于自组织神经网络(SOM) 和K-means 方法，以华中地区某铬渣污染场地为研究对象，探讨了SOM+K-means方法应用于场地地下水污染分区管控的可能性。通过监测数据的描述性统计分析场地地下水污染特征，发现Cr(Ⅵ)、COD_Mn、SO₄^2-、TDS、NO₃^-、NH₃-N、Mn为研究区的主要污染物。基于SOM+K-means 分析挖掘,并基于空间插值方法，将研究区地下水分为4 类区域，并识别出每类区域需重点关注的污染指标。结果显示:类别Ⅰ需关注NO₃^- ；类别Ⅱ需关注Cr(Ⅵ)、COD_Mn、NO₃^-、TDS、NH₃-N；类别Ⅲ需关注SO₄^2-;类别Ⅳ需关注Mn。该方法可较好地应用于地下水污染分区管控，对场地地下水污染防治具有指导意义。

关键词：机器学习；自组织神经网络；K-means；地下水污染；分区管控

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05

基于Logistic方法的河口逐时低盐取水可行性预测

唐琦¹ 孔俊^1∗ 周晨琦² 陈伟伦¹

1. 河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室

2. 珠江水利委员会珠江水利科学研究院

摘要：针对河口地区咸潮上溯过程复杂，导致滨海水厂每日逐时取淡水时机难以把控的难题，采用Logistic 方法,考虑历史盐度记忆效应，建立基于河口地区动力指标的逐时取水评估统计模型，实现了河口地区盐度<0.5‰(含氯度<250 mg/ L) 的逐时取水可行性预报。以珠江磨刀门河口为实例,模型预测结果准确率在90%以上，实现了次日逐时取水的可靠预报，为水厂及时准备取水和停止取水提供了有效的参考依据，该模型对于其他河口地区低盐度逐时取水的风险评估具有一定参考意义。

关键词：磨刀门河口；咸潮上溯；Logistic 模型；取水可行性；历史效应

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06

基于Informer的PM_2.5 浓度预测

董浩¹ 孙琳² 欧阳峰^1∗

1. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院

2. 西南交通大学 信息科学与技术学院

摘要：针对现有PM_2.5浓度时序预测模型预测精度不高的问题，基于Informer建立了1 个Seq2Seq 的单站点PM_2.5浓度多步时序预测模型，以历史污染物数据和气象数据为输入，实现对未来一段时间PM_2.5浓度的预测。所构建模型基于ProbSparse(概率稀疏) 自注意力机制提取所输入的序列信息，能够广泛地捕获输入序列的长期依赖信息，并对影响因子之间复杂的非线性关系进行建模，从而提高预测准确度。采用北京市2015—2019 年逐小时空气污染物数据与气象数据进行模型训练、验证和测试，建立与循环神经网络(RNN) 、长短期记忆网络(LSTM) 的对比实验并与其他现有研究方法进行比较，结果表明：对未来1~6 h 的PM_2.5浓度时序预测，Informer 的平均绝对误差(MAE) 、均方根误差(RMSE) 和可决系数(R²) 指标均为最好，实现了较为准确的预测。

关键词：PM_2.5浓度预测；机器学习；Informer；自注意力机制；时间序列

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水环境污染源识别、风险评价与预警

07

基于LAM模型的多干扰特征河流磷污染源解析

高伟¹ 陈岩² 严长安³ 刘永^4∗

1.广东工业大学 生态环境与资源学院 广东省流域水环境治理与水生态修复重点实验室

2.生态环境部环境规划院 国家环境保护环境规划与政策模拟重点实验室

3.昆明市生态环境科学研究院

4.北京大学 环境科学与工程学院

摘要：针对高强度复杂人类干扰河流磷来源难以定量解析的问题，构建基于流量与污染物浓度关系模式的污染源解析模型，定量分析多干扰类型河流磷的点源和非点源负荷与时间贡献。以滇池流域的源头河流、水库干扰河流、水库-调水复合干扰河流等为例，采用LAM源解析模型建立了河流磷浓度与流量的响应关系，分析了主要河流磷的源贡献结构与时空分布特征。结果表明：2018 年非点源是滇池主要入湖河流磷的主要贡献源，非点源负荷占比为53%~100%，汛期与全年差异较小；从污染源主导时间看，点源是宝象河和盘龙江大花桥-德胜桥段时间占比最高的污染源，表明低流量期间点源控制对改善水质仍然具有十分重要的意义。研究结果可为我国多种人为干扰类型河流的磷污染源解析提供方法借鉴与指导。

关键词：源解析；受体模型；负荷分摊模型；营养盐；人为干扰

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08

基于扩散波模型和遗传算法的河道排污口溯源方法研究

郑琼琪¹ 林夷媛¹ 尹海龙^1∗ 徐祖信¹ 苏蕾² 吴闪闪²

1. 同济大学 环境科学与工程学院

2. 广州资源环保科技股份有限公司

摘要：针对河道排污口人工排查成本高且难以做到实时性的问题，建立了基于水流扩散波模型和遗传算法的河道排口反问题溯源方法，并通过突发污染排放的设计算例和河流污染排放实际调查案例进行验证。结果表明：1) 反问题模型能有效反演潜在的突发性大流量污染排放，包括排放位置、水量、排放起始时间和终止时间；经过多次运算反演结果的中位值与真实解几乎完全一致。2) 对于日常排污口排查而言，该方法可通过合理的水文监测断面布设，准确识别出河流中潜在的多个排污口空间位置和排放水量。3) 对于突发排放和日常排污口排查，溯源精度均可达到200 m 以内；对应监测站点的布设距离为2 km。因此，该反问题模型可为未来基于在线数据的河道水下排污口动态监管提供技术参考。

关键词：污染溯源；水动力模型；遗传算法；反问题；河道

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09

基于IPSO-DE-MH算法的突发水污染事件预测模型参数识别

李锦锦 杨海东^∗

福州大学 经济与管理学院

摘要：预测模型是有效应对突发水污染事件的前提与基础。为了提高预测模型的准确性，提出了一种新的参数识别方法。首先从反问题与贝叶斯估计的视角构建突发水污染事件预测模型；然后在Metropolis-Hastings 抽样方法的基础上，引入混沌理论、粒子群算法、微分进化算法等的思想，设计了一种新的参数识别方法，即IPSO-DE-MH 算法；最后通过数值分析验证所设计方法的有效性和准确性。结果表明：新方法能较好地识别模型参数，为突发事件应急预测模型的快速构建提供了新思路。

关键词：参数识别;粒子群算法;微分进化算法;Metropolis-Hastings 抽样方法;混沌理论

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城市水系统碳减排监测、评估及减排

10

城市污水收集与处理系统碳排放监测评估技术研究进展

王钊越¹ 赵夏滢¹ 唐琳慧¹ 刘昱¹ 成慧宇² 潘艺蓉^1,3 闫　旭⁴  王旭^1∗

1.哈尔滨工业大学(深圳) 城市水资源与水环境国家重点实验室

2.哈尔滨理工大学 机械动力工程学院

3.中国科学院生态环境研究中心

4.河南师范大学 环境学院

摘要：城市污水收集处理在保障公共卫生与健康等方面发挥着重要作用。近期有研究指出，城市排水系统和污水处理厂在运行过程中会直接或间接地产生温室气体排放。如何精准地监测评估城市排水系统与污水处理厂的碳排放水平，从而科学地提出污水治理碳减排路径与碳中和模式，是城市水污染控制协同实现“ 碳达峰、碳中和” 目标的关键突破口，也是当前环境领域的科技前沿和重点。结合文献调研和前期研究基础，以城市排水系统和污水处理厂为主要对象，总结当前温室气体排放监测与量化评估的研究现状，并探讨影响碳排放监测评估技术发展的关键瓶颈问题，提出碳减排路径构建的科学思路，为研发新一代城市污水收集与处理系统碳排放监测评估技术提供建议路线。

关键词：城市污水收集与处理系统；碳排放；监测；评估；减排

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11

污水再生与增值利用的碳排放研究进展

罗雨莉^1,2,3 潘艺蓉^1,2,3 马嘉欣^1,2,3 王嘉媛^1,2,3 李春曜³ 陈振鹏³ 王旭^3∗

1.中国科学院生态环境研究中心

2.中国科学院大学

3.哈尔滨工业大学(深圳) 城市水资源与水环境国家重点实验室

摘要：资源紧缺与气候变化已成为制约人类繁荣发展的巨大挑战。如何对污水资源进行再生利用是循环经济发展的重要议题之一，也是污水治理低碳转型的潜在路径。以再生水、能源、微生物蛋白和鸟粪石等污水资源化产品为研究对象，分析总结了不同污水资源化技术与工艺的生命周期碳排放研究现状。分析指出，污水再生与增值利用具有可观的减碳效益，但应结合利用场景在系统水平开展量化评估。此外,数据来源、系统边界和功能单位等是碳排放评估的关键影响因素。未来，揭示污水再生与增值利用全生命周期过程的碳减排效益，提出污水资源化利用的零(负) 碳技术路径，发展污水治理协同资源化的低碳模式，也应是亟待解决的科技难题。

关键词：污水处理；资源回收；增值利用；碳排放；生命周期影响

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12

2000—2020 年污水系统N₂O相关研究文献计量学分析

陈学明^∗ 李福仪

福州大学 环境与安全工程学院

摘要：污水系统是温室气体氧化亚氮(N₂O)的重要排放源，近年来相关的研究工作层出不穷。利用文献计量学方法，系统地分析了2000—2020 年污水系统N₂O的研究进展。分析发现，污水系统N₂O相关论文发表数量逐年增多，且主要来源于中国。早期以N₂O的产生过程、污水处理系统与影响因素等研究为主。而近期研究更多关注了污水系统中污泥在堆肥过程中产生与排放的N₂O、生物炭在N₂O减排上的应用及相关微生物种群的分析。后续研究可进一步关注回收N₂O作为能量物质的相关工艺，并尝试将实际污水处理系统大数据与模型工具进行结合，从而对实际污水处理系统的运行及优化提供参考。

关键词：污水系统；氧化亚氮(N₂O)；生物脱氮；文献计量学分析

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13

废水生物脱氮过程中N₂O排放数学模型研究进展

陈诗^1,2 彭来^1,2∗ 徐一峰^1,2 梁川州^1,2 倪丙杰³

1.武汉理工大学 矿物资源加工与环境湖北省重点实验室

2.武汉理工大学 资源与环境工程学院

3.Centre for Technology in Water and Wastewater, School of Civil and Environmental Engineering, University of Technology Sydney

摘要：氧化亚氮(N₂O)的温室效应比CO₂强265倍，可从废水生物脱氮过程中产生并直接排放，如果不对其加以控制，会显著增加污水处理厂的碳足迹。N₂O排放的数学建模对于深入解析N₂O产生机制、量化N₂O排放、优化生物脱氮工艺和制定N₂O减排策略具有重要意义。结合当前国内外研究现状，阐述了废水生物脱氮过程中N₂O产生机制；归纳了基于不同机制建立的N₂O数学模型，包括氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB) 经过羟胺氧化途径和AOB反硝化途径产生N₂O模型、异养反硝化途径产生N₂O模型以及耦合AOB 和异养反硝化细菌产生N₂O模型；总结了新型生物脱氮系统N₂O模型，实际工程应用情况及校准N₂O数学模型中存在的问题；并对今后N₂O数学模型的研究方向做出展望。

关键词：数学模型；N₂O；羟胺氧化；AOB 反硝化；异养反硝化

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14

污水处理系统中N₂O的生产利用及数据驱动模拟研究进展

徐润泽 操家顺 方芳^∗

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

摘要：氧化亚氮(N₂O)是一种温室气体，同时也是具有能源回收潜力的强氧化性物质。综述了促进N₂O产生的新兴污水脱氮过程及提高N₂O产生的方法，比较了不同方法的运行条件及N₂O转化率，并指出了各种方法的不足之处。从识别N₂O产生的关键影响因素和预测N₂O产量2个方面综述了污水处理过程中N₂O数据驱动模型的研究进展。目前N₂O的增产方法主要包括耦合好氧-缺氧氮分解过程、单反应器生产过程及基因工程菌和半导体修饰菌增产过程。收集污水处理厂中的大数据可以建立N₂O数据驱动模型，但是现有的数据驱动模型仅仅关注N₂O减排。开发N₂O的新型增产过程，优化控制增产过程的功能菌种，建立N₂O数据驱动模型与N₂O增产方法之间的关联性是未来N₂O生产利用技术的发展方向。

关键词：氧化亚氮；污水处理；机器学习；能源回收；脱氮

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15

基于排放因子法的中国主要城市群城镇污水厂温室气体排放特征

邱德志^1,2 陈纯³ 郭丽³ 刘丹³ 马嘉晖² 雷淼² 李甜宁² 徐可可² 闫旭^2∗

1.信阳学院

2.河南师范大学 环境学院 黄淮水环境与污染防治教育部重点实验室 河南省环境污染控制重点实验室

3.河南省生态环境监测中心

摘要：温室气体产生是“ 碳中和” 背景下污水处理行业亟待解决的问题之一，准确掌握我国主要城市区域污水处理厂温室气体的产生特征和变化规律是制定减排政策的前提。基于污水处理量的排放因子法,建立了2015—2019 年中国五大城市群城镇污水处理厂温室气体二氧化碳(CO₂) 、甲烷(CH₄) 和氧化亚氮(N₂O) 的排放清单，分析了温室气体排放的时空分布和影响因素。结果表明：五大城市群城镇污水处理厂温室气体排放量逐年升高，长江三角洲城市群排放量始终最高，2019 年达到2042.78 Gg CO₂-eq,汾渭平原城市群排放量最低；珠江三角洲城市群人均温室气体排放量最高，2019 年达到20.36 kg/人；相关性分析显示,污水厂温室气体排放量与人口、GDP、污水处理能力和污水处理率呈显著正相关。

关键词：城镇污水处理厂；温室气体；城市群；时空分布；影响因素

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16

城镇污水管道系统甲烷产排特性及发生机制

薛朝霞^1,2∗ 冯骞^1,2 方芳^1,2 罗景阳^1,2 操家顺^1,2 徐润泽^1,2

1.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

2. 河海大学 环境学院

摘要：城镇污水管道系统中产生的甲烷是城镇碳排放的主要来源之一，深入研究污水管道系统中甲烷的产排特性及发生机制对城镇污水提质增效和碳减排至关重要。综述了城镇污水管道系统中甲烷产排的研究现状，分析了甲烷产排的主要影响因素及发生机制，归纳了污水管道系统中甲烷产排的模拟评估方法。结果表明：污水管道内部环境、水质特性、水力条件等是影响甲烷产排的主要因素；生物膜-管道沉积物-污水多相界面的生化反应和传质过程是造成甲烷产排特性差异的关键原因；耦合管道水动力、颗粒物沉降过程、生化反应动力学、构建污水管道系统甲烷产排模型并应用于污水管道系统的甲烷排放测评与控制，是今后研究的发展方向。

关键词：污水管道系统；甲烷产排；沉积物；影响因素；数学模型

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17

基于LCA的污水处理方案碳中和综合影响评价

吴百苗¹ 张一梅^1,2∗ 栗帅¹ 郭文瑾¹ 郭晓倩¹ 王森尧³ 梁希² 耿学文^4∗

1.华北电力大学 环境科学与工程学院

2.华北电力大学苏州研究院

3.上海电力大学 电力工程学院

4.中国电力国际发展有限公司

摘要：在“ 碳达峰,碳中和” 双碳目标背景下，污水处理行业碳中和规划中尚缺乏对工艺设计方案的定量化综合影响评价。为此，基于全生命周期(LCA) 框架，建立全生命周期碳足迹、环境、经济综合影响评价模型(LCA-CEE) ，并利用该模型对2种不同污泥处理工艺下污水处理厂( A 方案:污泥填埋;B 方案:污泥-厨余垃圾共消化) 以30 年为限的建设阶段、运行阶段、拆除阶段中能耗、物耗、污染排放等方面进行综合影响评价与对比分析。结果表明：B 方案利用共消化热电联产系统发电量高达38.9 MW·h，碳中和率达到133%,实现能源自给自足,经济效益较A方案提高1.6 倍且环境影响显著减小。该LCA-CEE模型从全流程评价节能减排路径，为污水处理行业碳中和规划提供理论支撑。

关键词：污水处理；碳中和；碳足迹；共消化；综合评价模型

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数据和机理融合的水安全保障技术研发

18

基于机理模型与数据模型融合的污水处理智能控制系统构建思路

殷逢俊 徐泽宇 刘鸿^∗

中国科学院重庆绿色智能技术研究院

摘要：污水处理智能控制是水污染控制领域的前沿方向。人工智能技术的快速发展，为污水处理智能化控制系统研发注入了新的活力。当前亟须探索污水处理机理模型与数据驱动方法交叉融通的科学路径，重构污水处理智能控制系统的逻辑模式，以提升污水处理智能控制技术研发水平。为此，从污水处理过程的确定性-随机性特征出发，提出了融合机理模型与数据模型的双回路控制系统设想，未来通过充分的实践探索，有望为污水处理智能控制提供新的技术路线。首先，分析了污水处理智能控制系统的基本要素，分别探讨了基于确定性的机理模型及基于随机性的数据驱动模型对污水处理系统的控制作用，进而提出了机理模型与数据模型融合驱动的双回路控制系统基本逻辑架构及控制原理，并分析了该系统在污水处理复杂过程中应用的拓扑结构。最后，围绕未来污水处理智能控制技术发展作了展望。

关键词：污水处理；确定性-随机性；机理模型；数据驱动模型；智能控制

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19

机器学习方法在污水处理系统中的应用

芮栋妮 马燕燕 叶林^∗

南京大学 环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室

摘要：由于污水处理系统一般较为复杂且受外界因素影响较多，对其进行精准调控一直是环境领域的难题之一。传统方法无法满足日益复杂的工程项目需求。近年来发展起来的机器学习方法为此类问题提供了一系列有效的解决方案。介绍了人工神经网络、支持向量机、随机森林等机器学习方法的特点，并从水质预测预警、污水处理系统故障诊断和智能控制3个方面阐述了机器学习方法在污水处理领域的应用，分析了机器学习方法相较于传统方法的优势及其应用于污水处理系统中存在的问题，展望了机器学习方法未来在污水处理领域应用的前景和趋势。

关键词：机器学习；污水处理；预测；故障诊断；智能控制

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20

多孔介质中微生物生长与衰亡过程介观分析

马苏宁 陈丽萍^∗ 龚延风 王世林

南京工业大学 城市建设学院

摘要：采用LBM-IBM耦合方法模拟多孔介质中流场，应用细胞自动机模型模拟多孔介质表面微生物生长衰亡过程，在介观层面上揭示生物堵塞的动态发展过程及其造成多孔介质渗透性能改变的本质。研究发现：当营养物入口浓度增加100%时,30 h 内相对渗透率衰减增加6.25%~45.5%；且生物堵塞存在淤堵临界时刻，随着营养物入口浓度增加而提前。不同条件下，多孔介质渗透性能均呈不同程度的下降趋势，多孔介质内生物堵塞在空间分布上均呈明显的不均匀性。生物增长具有浓度趋向性，局部孔隙内微生物生长衰亡行为决定了多孔介质的堵塞程度，但部分生物的衰亡不会改变多孔介质整体渗透性能的下降趋势。温度升高25%，多孔介质相对渗透率衰减最高可增加5倍以上，且不同位置生物堵塞对温度的敏感度存在显著差异。

关键词：生物堵塞；格子玻尔兹曼；渗透性能；多孔介质

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21

基于模糊数学方法的好氧污泥颗粒化过程综合评价

施念 苏馈足^∗

合肥工业大学 土木与水利工程学院

摘要：在传统模糊综合评价法的理论基础上，建立了好氧污泥颗粒化过程的综合评价体系。依据成功培养了好氧颗粒污泥的实验室规模反应器的实测数据，以污泥SVI₅/SVI₃₀、比重、圆度、长径比、形状因子、分形维数、密实度7个参数作为评价指标，构建隶属函数和隶属矩阵，结合层次分析法与熵权法构建权重矩阵，将好氧污泥颗粒化过程划分为絮体阶段、初始颗粒化阶段、快速颗粒化阶段和完全颗粒化阶段4个过程。建立模型验证组，通过验证组不同时间点的监测数据，基于所建立的评价体系，对系统运行过程中不同时间点的污泥颗粒化阶段进行预测。该综合评价体系能够为好氧颗粒污泥培养系统中，污泥实时所处的颗粒化状态做出准确、客观的判断，且能够及时发现系统异常情况，对维持系统的稳定性具有重要意义。

关键词：好氧颗粒污泥；颗粒化；模糊数学；综合评价；状态预测

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基于机器学习的环境功能新材料设计

22

基于机器学习的纳米材料生物效应研究的科学问题

胡献刚^1∗ 李佳薇¹ 李佳蔷² 靳红叶² 于福波¹

1. 南开大学 环境科学与工程学院 环境污染过程与基准教育部重点实验室

2. 南开大学 生命科学学院

摘要：纳米材料(nanomaterials, NM) 作为一类新型的化学品，认识、控制其引起的不良环境健康风险是推广应用的重要前提。近些年，机器学习(machine learning, ML) 作为一种数据驱动的研究方法，在环境、化学和材料等领域引起了广泛关注。从NM引起的细胞毒性、个体效应、蛋白冠与生态冠预测等几方面，介绍了ML 的应用，并分析了应用过程中,数据集、描述符、ML方法、模型可解释性等方面存在的问题和解决方法。文章提出，数据提取与挖掘方法、新描述符、新模型、模型解释方法的创新与发展将能够促进ML在NM 生物效应领域的应用。同时，随着ML的发展，ML有望能够预测新型的NM和复杂的效应，并揭示了相关原理。以梳理讨论ML在NM生物效应预测中面临的重要科学问题为重点，有助于后续研究者理清思路,解决该领域的难题，促进纳米产业健康可持续发展。

关键词：纳米材料；生物效应；机器学习；大数据；人工智能

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23

机器学习在碳基环境功能材料领域的应用研究进展

刘艳彪^1,2∗ 乔建质¹ 尤世界³

1.东华大学 环境科学与工程学院,国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心

2.上海污染控制与生态安全研究院

3.哈尔滨工业大学 环境学院,城市水资源与水环境国家重点实验室

摘要：随着环境功能材料领域产生的数据量及其数据复杂性急剧增加，高成本、长周期的传统实验手段已无法迎合目前功能材料的发展趋势。近年来迅速发展的机器学习能对数据进行深入挖掘和解析,有望为此类问题提供有效的解决方案。机器学习具备效率高、精度高等优势，有效弥补了传统“ 试错” 方式的不足。介绍了机器学习的基本工作原理和算法，从预测理化性质、辅助微观表征和指导新型材料合成3个方面简述了机器学习在环境碳基功能材料领域中的应用研究进展，分析了机器学习在该领域的问题与挑战，展望了机器学习方法在环境碳基功能材料领域的前景与发展趋势。

关键词：机器学习；环境功能材料；性质预测；结构表征；设计合成

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24

基于端到端深度学习的有机光伏材料光电转化效率预测

胡松^1,2 刘国红¹ 何英¹ 颜嘉晨¹ 陈寒乐¹ 闫希亮^1∗ 闫兵^1,2

1.广州大学 大湾区环境研究院 珠江三角州水质安全与保护教育部重点实验室

2.山东大学 环境科学与工程学院

摘要：碳中和背景下，亟需开发高效清洁的新型能源，以减少对化石能源的依赖。有机光伏材料作为一种可将太阳能或其他光能直接转化为电能的材料，日益成为一种具有重大应用前景的低碳能源材料。在探索新的高性能有机光伏材料的过程中，机器学习虽然能够提高材料设计效率，但其预测能力极大受制于描述符的开发和选取。利用循环神经网络、卷积神经网络、图神经网络等算法，构建端到端的深度学习模型预测有机光伏材料光电转化效率，所建模型可直接从SMILES 符号、分子图像、分子图网络中提取化合物结构信息，而无须人为开发和选取描述符。所得模型不仅能够较为准确地预测有机光伏材料的光电转化效率( 其中最优模型五折交叉验证结果和测试集预测结果决定系数均>0.73) ，而且能够识别影响转化效率的关键结构特征。该研究结果可为新型环境功能材料设计提供理论参考。

关键词：碳中和；有机光伏材料；机器学习；环境功能新材料设计；低碳能源

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城市水系统优化算法与调控模型

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污水处理工艺数据分析技术的现状与趋势

高嵩^1,2 邱勇^2∗ 孟凡琳² 张夏颖¹ 盘德立¹ 王凯军²

1.江苏省(宜兴)环保产业技术研究院

2.清华大学 环境学院

摘要：数据科学的飞速发展为污水处理厂工艺数据分析提供了有力的技术工具。在污水处理工艺运行中应用数据分析技术，需要克服数据、算法和算力上的困难。介绍了污水处理工艺数据分析技术的发展现状，总结了其在数据质量和数学模型方面的技术难点。分析了污水处理工艺数据分析技术的4种典型应用场景，介绍了12个国内外数据分析集成应用的案例，评估了工艺数据分析技术的成熟度和行业应用的就绪度，讨论了技术的发展趋势。研究结果有助于污水处理系统运管人员掌握工艺数据分析技术进展和运用数据分析技术处理业务的需求。

关键词：污水处理；数据分析；数学模型；技术成熟度；系统优化

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机理和数据混合驱动的排水系统控制模型构建方法

王一茗¹ 马振华² 杨萌祺¹ 董欣^1,3∗ 曾思育^1,3

1.清华大学 环境学院

2.昆明滇池投资有限责任公司

3.清华大学 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室

摘要：针对城市排水系统的优化控制，提出一种机理和数据混合驱动的控制模型构建方法。该方法根据与控制目标的相关程度划分排水系统，并利用长短时记忆神经网络模型和圣维南方程刻画不同分区，可为系统的模型预测控制提供工具支撑。为验证方法的有效性，选取A 市某污水处理厂服务片区为研究对象，运用所提出方法，基于机理模型构建简化控制模型，并在实际降雨下将该模型与水库模型和纯数据驱动模型进行对比。结果表明：所构建的控制模型在2个溢流口的模拟准确性相对水库模型提升了3.85%和22.86%，相对纯数据驱动模型提升了5.66%和3.57%(以均方根误差的均值计)；模拟效率较机理模型提高了98.7%。该控制模型构建方法可在一定程度上平衡模拟准确性和模拟效率的矛盾，从而可更好地支撑城市排水系统的优化运行。研究结果可为实施排水系统实时控制提供参考。

关键词：溢流污染；排水系统；模型预测控制；控制模型；模型简化

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典型城镇污水处理厂碳源智能投加控制生产性试验

吴宇行¹ 王晓东^1∗ 陈宁¹ 杨本亮² 颜廷梁¹ 黄青³

1.青岛理工大学 环境与市政工程学院

2.青岛道斯康环保科技有限公司

3.青岛首创瑞海水务公司

摘要：乙酸钠、甲醇等药剂是污水处理厂为保障反硝化脱氮效果所投加的外碳源，然而污水处理厂存在碳源实际投加量与反硝化碳源需求量不匹配的问题。针对污水生物处理过程反硝化碳源的动态需求，研究提出了基于在线实时监测的碳源投加智能控制算法，开发了污水处理碳源智能投加控制系统，以克服人工调控碳源投加存在的过量加药、调控滞后、碳排放量高以及工艺稳定性问题。在污水处理厂进行了4个月的生产性试验，结果表明:控制系统正式运行以来出水水质稳定达标,日均乙酸钠投加量与2020年同期相比降低了21.2%，月均节省乙酸钠药剂费用4.72 万元。该项技术可在保障污水处理工艺稳定的前提下实现对碳源投加的精准控制，为污水处理厂自动化运行和减污降碳提供技术和装备支撑。

关键词：碳源投加系统；模型预测控制；自动控制；污水处理

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基于机理模型的永川污水处理厂运行诊断与碳源优化

王骞¹ 邓巧斯² 吴畏³ 艾方燚¹ 杜君丽³ 张元禾⁴ 白帆⁴ 雷鸣铭⁴ 屈锐华⁴ 甘杨² 杜惟玮^2∗

1.重庆市渝西水务有限公司

2.四川文韬工程技术有限公司

3.重庆市渝西水务有限公司永川分公司

4.重庆远通电子技术开发有限公司

摘要：对重庆永川污水处理厂为期1.5 年的历史数据和补充实验数据进行采集与分析，确定了其进水水质特征、运行方式、生化反应状态，对其全年平均状态及历时波动状态均完成了以机理模型为核心的数字化模拟仿真，确定了该污水处理厂现有运行状态中存在的问题与风险。通过运行参数的调整，可以有效规避二沉池过负荷、系统污泥分布不均等风险；以合理的污泥龄运行，利用污水处理厂的进水水质特征，在出水水质稳定达标的前提下，减少外加碳源与药剂的投加。在平均状态、极端条件、历时波动等情景下进行了碳源投加的定量评估，动态进水状态下定量评估结果显示：一期甲醇年平均投加量可以减少为原投加量的80%，二期可减少为原投加量的60%。

关键词：市政污水；污水处理；BioWin；过程模拟；运行优化；外加碳源

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29

基于动态剪枝的城市供水管网优化调度算法

李俊禹¹ 刘书明^1∗ 吴雪¹ 谢涛² 金晔³

1.清华大学 环境学院

2.北京市自来水集团石景山区自来水有限责任公司

3.北京市自来水集团有限责任公司

摘要：城市供水管网的优化调度模型，需要反复调度水力学模型来计算目标函数和约束条件，从而产生巨大的计算和时间成本。在优化迭代过程中，为了获得更优秀的优化结果，通常在搜索空间中约束条件的边界进行搜索，产生了大量不满足约束的样本和较低的优化效率。为解决这一问题，提出了一种高效的基于约束条件的动态剪枝方法，在运行水力学模型前，利用优化计算过程中积累的数据来判断样本是否符合约束条件，从而剔除不满足约束的样本，提高优化效率。模型分别在1个案例管网和1个真实管网上进行测试，结果表明：使用朴素贝叶斯、决策树和支持向量机作为动态剪枝算法，在获得和原始优化模型几乎相同结果的同时，分别减少56.4%、58.5%和56.8%的计算次数。

关键词：供水管网；优化调度；剪枝；约束条件；分类器

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30

基于压力时空特征的供水管网漏失定位方法及物理实验验证

汪家泉 李枝蓉  黄楚玉 李兆敏 信昆仑^∗

同济大学 环境科学与工程学院

摘要：供水管网漏失是国内外普遍存在的问题。如何有效降低管网漏失率、定位漏失发生的位置，是困扰我国供水行业的一个重要问题。基于水力模型和在线监测数据的管网漏失定位方法能够较快地对管道漏失事件进行侦测识别，并实现初步定位，但该类方法较为依赖水力模型精度，同时缺乏足够的实际管网漏失案例监测数据进行检验。通过搭建实验室管网模型，布设SCADA 系统用以监测压力、流量数据，从而实现对城市供水管网的模拟，以生成各类管网漏失的模拟数据，用于检验漏失定位方法的有效性。同时，通过改变漏失位置及漏量、模型精度、监测点优化布置方式，进行漏失定位效果的比对，分析了影响漏失定位效果的因素。

关键词：供水管网；漏失定位；水力模型；模型校核；压力监测点

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流域生态系统模拟与统筹治理

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流域水生态系统完整性模拟方法展望

夏瑞¹ 贾蕊宁^1,3 陈焰^1,4 王璐^1,5 马淑芹¹ 张远^2∗

1.中国环境科学研究院 水生态保护修复研究室

2.广东工业大学 生态环境与资源学院

3.西北大学 城市与环境学院

4.中国科学院重庆绿色智能技术研究院

5.北京师范大学 水科学研究院

摘要：水生态系统完整性变化模拟是流域水生态退化诊断、风险预警和修复重建的基础。受到多种环境压力的叠加影响，水生态系统完整性状态具有累积性、复合性和滞后性的响应特征，难以采用常规静态实验和水质模型进行表征和预测。梳理了国内外该领域最新进展，按照水生生物、生态系统动力学、栖息地适宜性、统计经验、流域水系统耦合等5类模型，阐明了不同类型模型的基本原理、适用性和应用案例。结果表明：我国环境管理亟需水生态系统完整性模拟工具支撑，应围绕该领域开展重大科学基础研究，突破河湖水生生物模拟预测和多尺度耦合关键技术，加快构建具有自主知识产权的水生态系统完整性模型库和参数库，推动建设我国流域水生态系统模拟器大科学装置，支撑构建长江、黄河等重点河流水生态系统综合管理体系。

关键词：水生态系统完整性模拟；水生生物；水质水动力；栖息地；经验模型；耦合模拟

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基于SPARROW模型的面源污染模拟研究进展

尹京晨¹ 丁晗¹ 李泽利² 李雪³ 李国光⁴ 王玉秋^1∗

1.南开大学 环境科学与工程学院

2.天津市生态环境监测中心

3.天津师范大学 水资源与水环境重点实验室

4.深圳市浅明科技有限公司

摘要：随着点源污染的有效控制，面源污染逐渐成为我国水环境治理亟须解决的问题。但是，由于面源污染物的来源及其传输过程难于监测，因此需要使用模型模拟的方法进行评估分析。对面源污染模拟常用的统计模型方法和机理模型方法的分析比较发现，空间属性回归模型(SPAtially referenced regressions on watershed attributes,SPARROW) 在利用统计学方法的同时，考虑了简单的水文传输过程，是一种介于简单统计模型与复杂机理模型之间的实用模型模拟方法。通过对该模型在污染溯源模拟与分析、流域变化预测分析和管理措施评估等方面的综述, 得出结论如下：1) SPARROW 模型模拟所需的数据相对较少，难度适中，十分符合我国流域人为干扰严重且监测数据相对不足的管理特点；2) SPARROW 模型以空间模拟为主，可以基于目标水体的污染物负荷对上游流域的污染贡献进行溯源分析，并为面源污染的模拟研究提供技术支持；3) SPARROW 模型可以在不确定性分析、时间分辨率和空间差异性等方面进行优化改进，进而实现更为广泛的应用。

关键词：面源污染；模型模拟；流域模型；SPARROW模型

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基于时差相关分析和模糊神经网络的白洋淀流域水环境承载力评价预警

陈文婷^1,2,3 夏青² 苏婧² 郑明霞^2∗ 席北斗^1,2∗ 向维²

1.中国地质大学(北京) 水资源与环境学院

2.中国环境科学研究院 国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室

3.青海大学 地质工程系

摘要：为实现水环境承载力评价和预警，运用耦合DPSR模型和时差分析方法构建了白洋淀流域水环境承载力监测预警指标体系，并结合神经网络与模糊数学构建了T-S模糊神经网络模型，根据控制图法确定了监测预警指标阈值，解决了水环境系统的随机性和模糊性问题，最终实现了白洋淀流域水环境承载力的有效评价和预警。结果表明：1) 白洋淀流域水环境承载力在2012—2015 年处于较弱承载状态，在2016，2017 年处于中等承载状态，现状评价等级由Ⅳ级(橙色警灯) 转变为Ⅲ级(黄色警灯) ；2) 在现状发展趋势下，2018—2035 年白洋淀流域水环境承载力整体呈先上升后下降趋势,自2026年以后流域水环境整体呈恶化状态，水环境承载力逐渐从中等承载(黄色警灯) 向较弱承载(橙色警灯) 和弱承载状态(红色警灯) 转变；3) 未来区域人口的增长和雄安新区的快速发展会给白洋淀流域水环境带来巨大压力，因此可加大区域水环境保护力度，实施基于空间单元的精细化环境管控方案，推动区域经济绿色转型，促进区域水环境质量全面改善和良性发展，以提高区域可持续发展水平。

关键词：白洋淀流域；水环境承载力；时差相关分析；监测、评价及预警；T-S 模糊神经网络模型

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基于SWAT-FLUS的采煤沉陷区水文过程情景模拟

潘莹¹ 韩瑞² 张银³ 张劲⁴ 易齐涛⁴ 李若男^5∗

1.河海大学 水文水资源学院

2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室

3.安徽理工大学 地球与环境学院

4.烟台大学 土木工程学院

5.中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室

摘要：采煤区沉陷不仅会影响地表结构，还会显著改变流域水文循环，从而影响区域水资源供给。以淮南西淝河流域为研究对象，利用SWAT-FLUS 集成模型模拟流域水文过程及未来情景。结果表明：1) 该集成模型能准确模拟由土地利用变化带来的水文情势演变过程，并用于情景预测。2) 对未来不同塌陷速率情景模拟结果显示,各情景下流域蒸散发均呈增加趋势，其中无修复模式主要为水面蒸散增加，2 种修复模式主要为陆面蒸散增加;无修复模式增加了流域入渗量，2种修复模式则相反。3) 从典型水文年内径流分布来看，无修复模式显著影响了地表径流的年内分布规律及径流峰值，普通修复及生态修复模式则无明显影响。4) 从年际间水文变化来看，若无修复措施，流域内水文关系将在2020—2022 年发生根本性转变；至2030年，地表径流将减少27.1%，普通修复模式下地表径流将减少2.5%，而生态修复可使流域地表径流增加4.4%。

关键词：矿区修复；SWAT模型；FLUS模型；土地利用预测；水文影响

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太湖水环境模型关键参数曼宁系数的水槽试验

马秋霞^1,2 逄勇^1,2∗ 张鹏程^1,2

1. 河海大学 环境学院

2. 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

摘要：曼宁系数是在水流计算和实际工程中应用最广泛的水流阻力系数，是河湖阻力研究中的重要方向。基于室内循环水槽，利用三维声学多普勒流速仪，研究了不同沉水植株密度和水体流速下曼宁系数的变化特性。根据摩阻力相似原理、实际曼宁系数和试验曼宁系数换算公式，计算得到不同工况下的太湖曼宁系数；并通过回归拟合，得到太湖曼宁系数与植株密度、株高和水体流速的最优拟合方程式。结果表明：当湖底植株状况一定时，太湖曼宁系数与水体流速呈明显的单调递减幂函数关系;当植株密度≤200株/m² ，水体流速和株高一定时，太湖曼宁系数与植株密度呈单调递增关系；当水体流速与植株密度一定时，太湖曼宁系数与植株株高呈单调递增关系。通过试验模拟得到太湖实际曼宁系数，对沉积物-水界面氮磷营养盐的迁移转化研究、富营养改善及湖泊长效管理具有重要意义。

关键词：曼宁系数；太湖；水槽；沉水植物

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三维生态足迹视角下塔里木河流域水土资源与生态承载状况评价

李志赟¹ 邓晓雅² 龙爱华^1,2∗ 陈伏龙¹ 张丽丽¹ 高海峰³

1. 石河子大学 水利建筑工程学院

2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室

3.生态环境部卫星环境应用中心

摘要：塔里木河流域是新疆发展、丝绸之路经济带的重要组成部分，明晰其水土资源资本利用及生态承载状况，对塔里木河流域的高质量发展具有重要意义。运用改进的三维生态足迹模型，核算塔里木河流域的生态足迹，并对人均区域生态足迹深度、广度变化进行分析；引入水资源压力指数、土地综合压力指数、生态压力指数,判断当前水资源、土地资源是否处于超载状态，并对塔里木河流域的生态承载状况进行评价。结果表明：1) 2000—2019 年研究区的人均生态足迹持续上升，由2.091 ha/人增加至5.864 ha/人,年均增长率为5.58%。生态赤字问题严重，20年增长了2.98 倍。2) 研究期内，区域人均生态足迹深度持续增长，由9.283 增加到23.905。人均生态足迹广度增长了8.89%；3) 水资源压力指数、土地综合压力指数、生态压力指数均>1，各类生产生活对生产性土地造成了严重负担，生态安全形势严峻。

关键词：三维生态足迹；生态足迹深度；生态足迹广度；承载状况评价；塔里木河流域

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关于期刊

《环境工程》创刊于1982年，是国内外公开发行的国家级环境科学类期刊，由中冶建筑研究总院有限公司主办、工业建筑杂志社有限公司出版发行。本刊主编由中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士、中国科学院生态环境研究中心研究员、清华大学教授曲久辉担任。报导内容涵盖水污染防治、大气污染控制、有机固废生物处理与资源化、过程工程环境污染控制与资源化、环境生态工程、海绵城市建设规划与实践、碳减排技术路径研究与实践等。本刊已入选北大中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊（核心库）、RCCSE中国核心学术期刊、ISTIC中国科技核心期刊、环境科学领域高质量科技期刊分级目录T2级、世界期刊影响力指数(WJCI)报告等。在科学技术迅猛发展和全球变化的大背景下，《环境工程》既要关注解决环境治理工程难题的最新科技进展，也必须突破以末端治理为主要目标的学科局限，深刻认识制约我国社会经济发展的重大环境工程问题，深入思考环境工程科技发展的未来与方向，深度融合相关学科的科技成果，报导更有学术高度和应用价值的综合性成果。

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