作为土壤和废水中常见的两种氮素形态,铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）分别占据自然界中最低价态氮和最高价态氮的位置。微生物可通过氮循环途径将这两种不同价态的氮素进行转化,但由于自然界中的微生物群落复杂多样,导致其参与的氮循环过程错综复杂,目前仍有新的氮循环途径被持续报道。此外,微生物转化氮素过程受到众多环境因素（如常见因素（温度、盐度和氮素浓度等）以及近几年才开始关注的金属离子和金属氧化物纳米颗粒等）的影响,不同微生物对不同环境因素的响应机制不同。课题组前期从贵州省长期淹水田中分离纯化得到一株好氧耐冷菌株Pseudomonas putida Y-9,并通过研究发现菌株Y-9好氧氨氧化过程无中间产物羟胺（NH2OH）积累、好氧还原NO3-过程伴随有NH4+的生成,这与微生物好氧氨氧化过程一定经过NH2OH、微生物只在厌氧条件下进行异化硝态氮还原成铵（DNRA）的已有研究结果不一致,暗示菌株Y-9体内可能存在新的氮循环途径。本研究在菌株P.putida Y-9的已有研究结果基础上,通过室内试验,分析菌株Y-9对NH4+、NH2OH和NO3-的转化特性,结合分子生物学手段（相关酶活分析、基因扩增、全基因组扫描等）以及15N同位素示踪技术探讨菌株Y-9在好氧条件下对NH4+和NO3-的具体转化途径,并进一步探索金属氧化物纳米颗粒在菌株Y-9生长必需金属元素(Mg2+)存在情况下对菌株氧化NH4+过程的影响机制;同时深入研究菌株体内的nirBD基因在菌株氮循环过程中的具体作用;最后探讨如何调节外界条件实现菌株Y-9对NO3-的大量去除和系统氮素的最小损失。主要结果如下:（1）P.putida Y-9体内存在一条新的好氧氨氧化途径。菌株Y-9可在好氧条件下快速氧化NH4+（氧化率高达100%）,但该过程检测不到NH2OH、NO2-和NO3-。造成这种现象的原因可能有两种:一种是菌株体内NiR、NR以及HAO的活性显著高于AMO,导致生成的NH2OH和NO2-被迅速转化;另一种是菌株体内存在新的NH4+氧化途径。酶活试验发现菌株体内以NH2OH生成量定义的AMO未被检测到,但以NH4+降低量定义的AMO-a的活性显著大于HAO、NR及NiR,与已有好氧NH4+氧化途径不一致,初步证明菌株Y-9氧化NH4+过程并未经过NH2OH。通过分析NH4+、NH2OH单独以及共存条件下菌株Y-9对氮素的转化特性,发现菌株氧化NH2OH过程无气态氮生成,而氧化NH4+过程中可检测到NO和N2O,该现象进一步证明菌株Y-9氧化NH4+过程不经过NH2OH。硝化抑制剂烯丙基硫脲（ATU,一种被广泛应用于抑制AMO表达的抑制剂）对菌株氧化NH4+无抑制作用,且PCR扩增结果发现菌株Y-9体内不存在编码AMO的amoA基因,上述结果证明菌株Y-9体内不存在传统意义的AMO。综上所述,Y-9体内存在一条不经过羟胺形成NO和N2O的氨氧化新途径,而NH4+氧化成NO过程是否存在其他中间产物需进一步研究。（2）金属氧化物纳米颗粒的存在会影响P.putida Y-9吸收Mg2+,进而影响菌株Y-9的氨氧化过程。高浓度的四种金属氧化物纳米颗粒（＞1 mg/L）均会抑制菌株Y-9的氨氧化过程,抑制强度顺序为NiO NPs＞CuO NPs＞ZnO NPs＞TiO2 NPs,而低浓度的CuO NPs（0.1、0.5 mg/L）和NiO NPs（0.1 mg/L）则可促进菌株Y-9生长及其对NH4+的氧化效果,NH4+氧化率可达87%以上。金属氧化物纳米颗粒会在水中释放出金属离子,且不同浓度纳米颗粒释放出的金属离子浓度不同。进一步研究发现,系统中Mg2+的下降量与菌株Y-9生长及其对NH4+的氧化效果呈显著正相关性,但与TiO2 NPs、ZnO NPs和CuO NPs在溶液中释放出的Ti4+、Zn2+和Cu2+含量呈负相关性。通过综合比较四种金属氧化物纳米颗粒及相应金属离子对菌株Y-9氧化NH4+过程的影响,发现金属氧化物纳米颗粒通过影响菌株Y-9对必需金属离子Mg2+的吸收从而影响菌株对NH4+的氧化效果,且不同金属氧化物纳米材料对菌株Y-9吸收Mg2+的影响机制不同,NiO NPs通过其自身作用,TiO2 NPs通过在水体溶解出的Ti4+,而CuO NPs和ZnO NPs则通过其自身作用及其在水体溶解出的Cu2+和Zn2+。（3）P.putida Y-9可在好氧条件下同时进行同化NO3-还原、DNRA和反硝化作用。菌株Y-9可在好氧条件下高效去除水体NO3-（去除率为82.00%）并伴随有少量NH4+的积累,且系统TN去除率仅为21.08%,推测菌株可同时进行同化和异化NO3-还原作用。NH4+的存在会显著抑制菌株对NO3-的转化（NO3-去除率降至22.65%）,证明菌株Y-9具有较高的NO3-同化还原能力。但当系统NH4+充足时（92.75 mg/L）NO3-仍有所下降（下降量为11.68 mg/L）,说明菌株Y-9可进行微弱的异化NO3-还原作用。菌株Y-9还原NO3-和NO2-过程中上清液检测到的NH4+由菌株胞内释放,且其体内编码亚硝态氮还原酶的nirBD基因会影响菌株生长和NH4+的生成,推测上清液中的NH4+可能由菌株同化NO3-再矿化过程或DNRA过程产生。15N同位素试验结果表明菌株Y-9体内存在由nirBD基因催化的DNRA过程,具体途径为NO3-→NO2-→NH4+,进一步表明系统TN下降是菌株进行反硝化作用的结果。综上所述,好氧条件下菌株Y-9体内同时存在3条硝态氮还原途径,其中nirBD可同时催化NO3-同化和DNRA过程中的NO2-还原为NH4+。（4）P.putida Y-9体内的nirBD基因不仅可促进菌株的NO3-同化和DNRA进程,还会影响菌株的好氧氨氧化过程。菌株Y-9体内的亲水性稳定蛋白nirBD无跨膜结构,且具有与亚硝酸盐还原酶催化NO2-还原为NH4+紧密相关的亚硝酸和亚硫酸盐还原酶铁硫/硅血红素结合位点。培养2 d后△nirBD菌株Y-9对NH4+的去除效率（90.70%）显著高于野生菌株Y-9（76.09%）,但△nirBD菌株Y-9培养系统TN下降量（15.73 mg/L）小于野生菌株Y-9培养系统TN下降量（17.74 mg/L）,结合菌株对NH4+的氧化途径证明敲除nirBD基因序列可促进菌株Y-9对NH4+的同化过程。nirBD基因通过促进菌株Y-9对NO3-的同化和DNRA过程去除系统中大量的NO3-和NO2-,敲除nirBD基因序列后导致由NO3-转化成的NO2-无法进一步还原为NH4+,造成系统NO2-大量积累,抑制菌株生长和反硝化过程。NO3-的存在对野生菌株和△nirBD菌株转化NH4+的影响均较小,培养结束后系统NH4+去除率仍高达90%以上。NO2-的存在会显著降低野生菌株Y-9对NH4+的去除效果（去除率仅为44.77%）,但不会抑制△nirBD菌株Y-9对NH4+的利用效率（培养结束后系统NH4+去除率仍高达97.49%）,这可能是由于敲除nirBD基因序列对菌株同化NH4+的促进作用抵消了NO2-对菌株的毒性作用。（5）调节外界条件可实现菌株Y-9对硝态氮的大量去除和系统氮素的最小损失。葡萄糖可刺激菌株Y-9体内nirBD基因的表达,促进菌株进行DNRA和同化NO3-作用,大量去除系统中NO3-（去除率为89.79%）,且系统氮素的损失量较少（22.77 mg/L）。好氧条件下不同C/N培养基中菌株Y-9体内nirBD基因均可有效表达,其中C/N为9时nirBD基因表达量最大,菌株可高效进行DNRA和同化NO3-作用,从而大量去除NO3-（81.78%）,且菌株体内的反硝化过程（TN下降量为14.06 mg/L）显著弱于C/N为12和15条件下菌株的反硝化过程（TN下降量分别为35.41和22.77 mg/L）。中性和弱碱性条件（pH 7-9）对菌株Y-9同化NO3-、DNRA和反硝化过程均有促进作用,其中以初始pH为7的培养液培养4 d后菌株Y-9体内nirBD基因表达量最大,菌株对NO3-的去除率与初始pH为8和9的培养液中菌株对NO3-的去除率一致,均约为80%;但系统TN的下降量（14.06 mg/L）显著低于初始pH为8和9培养液中系统TN的下降量（30.64和35.01 mg/L）。随转速的增大,菌株Y-9体内nirBD基因的表达量逐渐增大,菌株对NO3-的还原能力逐渐增强,但系统TN的下降量则呈现先上升后下降的趋势（50 rpm条件下TN下降量最大,为34.58 mg/L）。综合分析上述研究结果可知,以葡萄糖为碳源,控制C/N为9,pH为7,转速为150 rpm时菌株Y-9同化NO3-和DNRA进程较强,反硝化进程较弱,可大量去除NO3-且系统氮素损失量最小。综上所述,P.putida Y-9体内存在两条新的氮素转化途径,可在好氧条件下大量去除NH4+和NO3-,且几乎无有害中间产物NO2-的积累,说明菌株Y-9在氮素污染废水治理中具有广泛的应用前景。此外,外界条件对菌株体内NO3-同化、DNRA和反硝化过程影响的研究结果可为土壤NO3-去除和氮素保持方面的技术研究提供理论支撑。

大型库区调控下流域水循环演变规律与伴生过程的驱动机制,是库区流域水安全保障的理论基础;三峡库区流域位于我国西南地区,地处长江中下游区域,地形地貌特殊;目前三峡水库发挥着巨大的防洪、发电、航运、供水等效益。运行16年来,其水循环时空演变规律,库区气候效应,水-土-生态环境系统间的相互作用关系是研究的热点,但是其机理较为复杂,且对库区水安全管理意义重大。本论文围绕三峡库区流域,首先,认识其建库前后水循环演变规律,库区暴雨时空演变规律;其次,在规律认识的基础上,基于“样地尺度-小流域尺度”的野外原型观测试验及暴雨条件（100mm/h、80mm/h、60mm/h、40mm/h）下的不同坡面（20°、15°、10°、5°）下的人工降雨实验,揭示坡面及小流域尺度的降雨-径流、径流-泥沙、不同径流组分与氮磷营养盐流失间的关系,从而阐释水循环变化如何驱动库区典型地貌单元氮磷营养盐的流失特征;同时,构建库区小流域分布式水循环模型,建立参数化方案集;最后采用气候模式资料驱动模型,识别未来小流域水循环及氮磷污染负荷的趋势。主要结论如下:（1）三峡库区流域建库前后,降水年际间无明显变化趋势,蓄水期（9-10月）,建库后较建库前明显增多;气温年际间呈增加趋势,蓄水期气温降低明显,泄水期气温升高明显;蒸发与气温的演变趋势一致;地表径流年际间呈降低趋势,蓄水期变化趋势与降水一致;库区表层土壤水分,年际间呈减少趋势,月尺度上,1-2月,8-12月呈增加趋势。库区中游干流万县站点的降水-径流关系无明显变异特征,蒸发-流量变异点出现在1982年,降水-蒸发变异点出现在1990-1992区间;支流站点巫溪站降水-蒸发,降水-径流,蒸发-径流无明显变异特征。（2）2008-2018年三峡库区逐小时降水时空分布规律表明:库区超过20mm/h雨强事件主要发生在5-9月,且频次呈逐年上升趋势;2015年以后库区流域出现暴雨的范围增多较为明显;出现的最大小时降水为76.83mm（垫江县境内,2017年8月3日）,最大小时降水量也呈增加趋势;通过计算2008-2018年5-9月四个高度层（300hPa、600hPa、700hPa、850hPa）水汽通量及散度表明:三峡库区流域水汽主要集中在850hPa高度,7月水汽输送最大,水汽主要靠西南风输入,各高度水汽通量散度计算结果显示,三峡库区流域2008-2018年5-9月基本为辐散区。（3）样地尺度观测结果表明:壤中流对总径流的贡献最大,其中10°样地＞5°样地＞15°样地;三个样地地表产流量均与PO4+-P浓度呈显著正相关,且坡度等于10°样地,地表产流量与TP、TN浓度呈显著正相关,坡度等于5°样地,其与NH4+-N浓度、NO2-N浓度、TP浓度呈显著正相关,壤中流产流量与对应氮磷营养盐浓度相关性不显著。石盘溪小流域观测结果显示:流域出口降雨径流关系为y=53.847x+93.344（R2=0.283,P＜0.01）;流域出口产流量与氮磷流失浓度相关性不显著。（4）短历时强降水坡面产流与氮磷营养盐流失实验结果表明:暴雨强度、坡度、径流与泥沙是影响紫色土坡面氮磷流失的主要因子,雨强大于80mm/h,地表平均产流量随坡度增加而增大,雨强小于40mm/h,坡度小于5°,地表产流为0;壤中流产流量随雨强增大而增加。地表径流与TN浓度呈二次多项式关系（P＜0.05）,雨强小于60mm/h的拟合效果优于雨强大于80mm/h的样地;地表径流与TP浓度线性相关,但不显著。坡度大于20°样地,壤中流与TN呈二次多项式关系,其余样地呈线性关系;各样地壤中流与TP均呈二次多项式关系。对于地表径流中NH4+-N与PO4-P浓度的变化,一般情况,其随着地表产流的进行浓度逐渐降低或者趋于稳定,但是由于暴雨作用加上坡面粗糙程度及紫色土的易侵蚀性及溅蚀性,在较大坡度上,降水溅蚀及重力作用使某些残留物质随径流进入水体,会出现某些时段浓度的突然升高;地表产流中NO2-N、NO3--N浓度,基本是同增同减的变化趋势,雨强越大,其浓度随地表径流的波动越大,反之则其波动较为稳定。对于壤中流中NH4+-N与PO4--P浓度,雨强大于100mm/h,坡度越大（大于15°）,它们浓度变化趋势一致,整体上随着产流的进行浓度逐渐减小并趋于稳定,但是雨强小于60mm/h,其随产流的波动较大;壤中流中NO3--N浓度,各雨强条件下,均呈“V”型分布。（5）构建了綦江流域分布式水循环模型,对径流及氮磷污染负荷进行了模拟,模型模拟效果较好,得到了綦江流域分布式参数方案集;綦江流域2014年（丰水年）TN、TP输出分别为4570.32吨和814.44吨,2010年（平水年）TN、TP输出分别为2329.83吨和442.21吨,2012年（丰水年）TN、TP输出分别为690.11吨和50.30吨;在CMIP6气候模式4种情景数据的驱动下,预测了綦江流域未来径流与氮磷负荷的趋势:SSP126、SSP245、SSP370、SSP585四种情景下多年平均径流量较历史期分别增加了 72.1%,80.4%,20.77%及85.5%;SSP126和SSP370情景下,总氮与总磷负荷随时间呈降低趋势,而SSP245与SSP585情景下,呈增加趋势,预估结果为綦江小流域科学制定污染防控措施提供理论指导。

近年来,随着我国经济腾飞,城镇化率快速增长,山地城市面源污染问题日渐突出。城市中交通发达,道路众多,是城市地表主要的组成部分之一,并且由于车流量大,在降雨时,道路径流中裹携的污染物也较多,对城市面源污染贡献巨大。城市中道路的主要材质有水泥及沥青两种,新城区主要以沥青道路为主,老城区主要以水泥道路为主,但已有的相关研究对两种材质道路径流中污染物迁移转化的特征的分析仍比较浅显,对径流中各污染物迁移转化的机理解释也有所欠缺,需进行更为深入的研究。本文选取了重庆市沙坪坝区不同坡度的沥青、水泥道路（共6段）,利用所构建的模拟降雨装置实地开展人工降雨试验,并对产生的道路径流水质进行采样分析,得到不同降雨情况下,不同坡度情况下的沥青、水泥道路径流中p H、SS、TN、TP的时空变化规律及氮磷污染物的组成特点。本研究还分析了各污染物间的相关性大小及坡度、降雨量与路面径流中各污染物迁移转化之间的关系。此外,另在试验室中开展模拟试验,进一步探究不同材质路面截留径流中氮磷污染物的效果,并对试验前后沥青、水泥路面通过SEM、EDS、FT-IR、XPS、BET等手段进行材料表征,明确不同材料对于各污染物的截留机制,得到的主要结论如下:（1）各次模拟降雨试验,沥青、水泥道路径流中p H均保持相对稳定,呈弱碱性,其余各污染物浓度随降雨历时的增加,污染物浓度总体呈降低趋势。单次径流过程中,降雨前期,污染物累积较多,随着流程的增加呈现逐渐上升的态势,降雨后期,污染物浓度基本保持不变或略有下降。（2）模拟中雨情况下,沥青、水泥路面径流中p H均呈弱碱性,并且相对稳定;沥青路面径流SS、TN浓度均远高于水泥路面径流,TP浓度与水泥路面径流相比也略高;并随坡度的增加,沥青路面径流SS、TN、TP浓度逐渐增小;水泥路面径流中SS、TP浓度均先上升后下降,而TN浓度与前二者不同,呈现出先下降后上升的趋势。两种路面径流中TN、TP赋存形态相似,氮素为硝态氮为主,有机氮其次,亚硝态氮及氨氮较少;磷素以有机磷及胶体磷为主,磷酸盐含量则相对较低。要想有效的控制城市面源污染,在城市建设的过程中,在可行的情况下,路面建设应尽量选择沥青路面并尽可能加大坡度。（3）三种降雨情况下,小坡度的沥青、水泥路面径流中p H也均呈弱碱性,并保持相对稳定;沥青路面径流SS、TN、TP浓度均高于水泥路面径流;并随着雨量的增加,沥青路面径流中三种污染物变化规律不同,SS浓度逐渐增大,TN浓度呈现出先下降后上升的趋势,TP浓度则表现为先上升后下降的趋势,水泥路面径流中SS浓度逐渐增大,TN、TP浓度变化规律相同,均为先上升后下降的态势。沥青、水泥路面径流中TN、TP形态组成类似,氮素主要以硝态氮为存在,有机氮其次,亚硝态氮及氨氮含量较少;磷素主要以有机磷及胶体磷的形式存在,磷酸盐占比较低。沥青路面径流中各污染物浓度虽略高于水泥路面,但由于沥青路面所具有的表面平整、耐磨、噪音低等优点,在未来的城市建设过程中仍优先选用沥青路面,但需适当建设一些配套的面源污染控制工程。初期径流控制量应定为5-10mm,才能更好的保护城市的水环境。（4）不同降雨条件下,各沥青、水泥两种路面径流中,TN、TP相关性均较小;中雨情况下,坡度中的沥青路面径流中,部分TN、TP以颗粒态的形式存在。小雨、大雨情况下,沥青路面径流,部分TN以颗粒态的形式存在;水泥路面径流,部分TP以颗粒态的形式存在。因此,增加道路清扫频次,建设一些沉淀、过滤等工艺原理的面源污染控制工程,能有效截留悬浮物并对径流中的氮磷污染达到同步去除的目的。（5）沥青、水泥对于氮磷污染物截留效果的影响因素显著程度为:TN,沥青、水泥路面均为:温度＞降雨量＞流行时间;TP,沥青路面为:温度＞流行时间＞降雨量,水泥路面为:温度＞降雨量＞流行时间。春秋季大坡度的沥青路面对于小雨径流中氮磷污染物的截留效果最佳。春秋季坡度中等水泥路面对于中雨径流中氮磷污染物的截留效果最佳。此结论对于后期城市面源污染的设计具有一定的指导意义。（6）沥青、水泥两种路面材料均以物理与化学的方式共同截留径流中氮磷污染物。沥青路面,截留的氮磷污染物量:化学作用＞物理作用;水泥路面,截留的氮磷污染物量:物理作用＞化学作用。化学截留作用的发生需要更为苛刻的条件,因此,在当下海绵城市建设的过程中,我们更应重视所配套的城市面源污染控制工程的建设。

随着城市化进程的加快,城市雨水管理问题日益凸显。为缓解城市化进程带来的城市内涝、水资源紧缺、水体污染等一系列问题,我国提出建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”,恢复天然水循环。在海绵城市建设过程中,通常采用年径流总量控制率、径流污染削减率等刚性指标对其建设成效进行评估预测。然而,目前对于海绵城市径流量及径流污染的估计依赖于流域机理性分布式水文模型或者大量在线监测设施,缺乏简单高效的评估及预测工具。目前国内外常用的城市流域水文模型以美国EPA SWMM及其衍生的一系列商业软件为主,它们属于机理模型,具有“过程驱动”的根本特征,存在着参数众多复杂、模型率定困难、对技术人员的专业要求高等局限性。随着大数据、云计算等高新技术的不断发展,以在线监测大数据为支撑的人工智能模型成为城市雨水模型的发展趋势。其中,以人工神经网络（ANN）为代表的数据驱动模型由于具有良好的构建复杂非线性映射的能力已经在模拟天然河流水文等方面得到了应用。随着海绵城市建设模式在我国的大力推广,快速准确预测海绵城市建设指标的需要日趋紧急。针对海绵城市建设过程中频繁需要对径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制等指标完成情况进行评估和预测这一重大技术需求,以国家级海绵城市试点重庆悦来新城国博中心片区为研究区域,基于2019～2020年间8个监测站点的径流实测数据,开展了数据驱动模型对于建有径流控制设施的流域的径流进行评估及预测的研究。本研究探究了逐步回归分析和主成分分析变量预处理方法,探讨了变量预处理算法和数据驱动模型之间的耦合模式,构建并研究了多元线性回归及BP神经网络对于具有海绵设施区域的径流量、峰值流量及污染负荷的预测性能和精度。研究以降雨要素、下垫面条件、低影响开发设施规模等因子作为原始变量,利用逐步回归分析对原始变量进行筛选分别构建了径流总量预测、径流峰值流量预测和径流污染负荷预测多元线性回归模型;利用主成分分析对原始变量进行降维处理分别构建了径流总量预测、径流峰值流量预测和径流污染负荷预测BP神经网络模型。用多种综合指标对两类模型进行有效性评价并对两类模型进行了对比。主要研究内容及结论如下:（1）海绵城市径流总量预测多元线性回归模型和BP神经网络模型通过逐步回归分析筛选出对径流总量具有显著影响的原始变量构建了径流总量预测多元线性回归模型。对原始变量进行主成分分析,由主成分分析得到的六个主成分作为输入变量构建了径流总量预测BP神经网络模型。由测试集的预测结果得出,径流总量多元线性回归模型R~2为0.6208;径流总量BP神经网络模型R~2为0.8475。相比于多元线性回归模型,BP神经网络模型将NSE的值提升了36.6%,将RMSE的值降低了13.5%,将R~2的值提升了36.5%。结果表明,BP神经网络可以更有效的预测海绵城市径流总量。（2）海绵城市径流峰值流量多元线性回归模型和BP神经网络模型与海绵城市径流总量预测模型类似,利用逐步回归分析筛选变量构建了径流峰值流量多元线性回归模型。通过主成分分析得到的六个主成分构建了径流峰值流量BP神经网络模型。在测试阶段,径流峰值流量多元线性回归模型R~2为0.4505;径流峰值流量BP神经网络模型R~2为0.8078。与多元线性回归模型相比,BP神经网络模型将NSE的值提升了71.3%,将RMSE的值降低了38.8%,将R~2的值提升了79.3%。径流峰值流量BP神经网络模型在预测效果方面有了非常显著的提升。（3）海绵城市径流污染负荷多元线性回归模型和BP神经网络模型首先,根据原始监测数据计算了场次降雨径流污染物平均浓度（EMC）。根据逐步回归分析的筛选结果构建了径流污染负荷多元线性回归模型。通过主成分分析得到的六个主成分构建了径流污染负荷BP神经网络模型。径流污染负荷多元线性回归模型测试集的R~2为0.5557,径流污染负荷BP神经网络模型测试集的R~2为0.8161。相比于多元线性回归模型,BP神经网络模型将NSE的值提升了41.7%,将RMSE的值降低了35.8%,将R~2的值提升了46.9%。结果表明,BP神经网络在径流污染物的预测方面同样具有良好的效果。总体来看,BP神经网络模型对于径流总量、径流峰值流量以及径流污染负荷三个海绵城市建设成效评价的关键指标表现出更优的预测性能。由于降雨径流关系是自然当中最复杂的水文现象之一,而多元线性回归在捕获线性关系方面具有比较好的效果,因此对于非线性关系具有更好拟合能力的BP神经网络在所构建的三类模型当中均具有更好的效果。在具体的径流控制设施的规划与设计过程中,利用相关模型对其径流量控制效果进行评估预测是保障海绵城市建设科学性、经济性的前提。本研究构建的两种数据驱动模型框架为类似地理条件的新开发地区的海绵城市建设及径流控制设施的设计提供了低成本高精度的计算工具,使得决策者和规划者可以在流域总体规划之初,更科学精准的规划布局径流控制类绿色基础设施。

城市降雨径流过程模拟作为一种非工程手段,不仅能在工程项目建设阶段起到辅助规划、设计以及改造的作用,还能在工程项目运行阶段提供应急模拟、辅助决策以及运维管理等功能。要快速且准确地预测城市内涝风险,构建高精度、高泛化性以及对当地水文条件适应性强的降雨径流模型具有重要的意义。目前,对城市降雨径流的模拟主要采用过程驱动降雨径流模型。过程驱动模型不仅建模条件复杂、求解困难,且现有的研究方法难以提高模型参数的泛化性。近年来,随着我国智慧水务建设的发展,越来越多的城市利用传感器、物联网技术对城市水系统的参数进行监测,也为城市雨洪管理积累了大量的有效数据。为此,如何充分利用这些数据并挖掘其中有价值的信息,基于数据挖掘技术和深度学习理论,构建高精度、鲁棒性强且泛化性高的城市降雨径流数据驱动模型,预测城市降雨径流是一个值得探索的课题。论文以重庆市两江新区悦来新城生态城为研究区域,并依托“重庆市悦来新城海绵城市监测与信息平台”的监测数据,探讨了城市降雨径数据驱动模型的适应性,并通过对比过程驱动模型SWMM和构建的数据驱动模型的预测精度、运行效率和建模效率,验证了数据驱动模型的性能。本文研究的主要成果如下:（1）针对目前应用过程驱动模型SWMM模拟降雨径流时,数据交互困难、难以实现参数自动率定且普遍存在数据规模较小等问题,基于Python和Py SWMM库,耦合遗传算法实现了SWMM参数的自动优化率定。在模型参数训练期使用37场降雨事件进行同时率定,保证了模型的泛化性能,并在测试期使用6场降雨事件进行验证。结果表明,当使用较大规模数据进行SWMM参数率定时,虽然保证了模型的泛化性能,但是模型的预测效果欠佳,测试集中只有4场降雨事件的NSE指标大于0.5。（2）为了探讨数据驱动模型在城市降雨径流模拟中的适应性,基于深度学习和优化算法理论,构建了4种数据驱动模型;针对模型结构对预测结果的影响,采用网格搜索方法寻优得到适应本次数据集的4种模型的最佳结构。通过对各最佳结构模型进行训练和测试,结果表明,对于测试集中的6场降雨事件,整体上4种数据驱动模型的预测性能均优于SWMM。其中,RMSE、NSE和PE指标的改进率较为显著,并且LSTM的表现最佳。相同的迭代次数下,数据驱动模型的运行效率和建模效率分别为SWMM的6～23425倍和182～7822倍。但是与SWMM相同,4种数据驱动模型也主要对雨峰位置靠前、雨型以单峰为主且降雨历时较短和适中的降雨特征事件表现出较好的预测性能。（3）针对构建的数据驱动模型对数据样本特征分布仍较为敏感的问题,论文进一步以雨型对样本进行表征,并基于数据挖掘的层次聚类算法和时间动态规整算法,构建了耦合聚类算法的集成数据驱动模型。通过对降雨事件进行的分类和重构数据集,实现了样本特征的均衡分布,使数据驱动模型能更准确地学习“信息”,从而提高了其径流预测性能。对比单一数据驱动模型和集成数据驱动模型的预测效果,结果表明,NSE、RMSE和R2三个指标的最优值均出现在集成模型上,其中DTW-LSTM的预测效果最为稳定,测试集中除R41降雨事件NSE指标小于0.8,其他降雨事件均大于0.8。

随着城市化进程的加快,对建筑的容量及造型提出新的要求,公共建筑领域尤其是其建筑屋面的设计及建设存在着向“大面积、大跨度”或者是“异型、柔性”等非常规方向发展的趋势,因此屋面虹吸雨水排水技术在近20年来得到了广泛的应用。但目前虹吸系统的设计存在两方面的问题:首先是排水安全性不足,现有虹吸排水更多强调排水管道部分的设计,忽略了虹吸排水系统中的高峰值流量对出水井的冲击问题,导致出水井内间歇泉事件频繁发生,不仅阻碍了屋面雨水的排放,而且造成重大安全问题;其次,随着“海绵城市”在我国的全面推进,要求更多雨水能够在原位下渗、滞留、蓄存及净化,对建筑雨水排放提出了更高的需求,使得屋面雨水由原有的接入室外管网的模式改为雨水立管断接后排入地表生态类海绵设施的模式。但对于虹吸雨水排水系统而言,若直接采用雨水立管断接,其大流量及高流速会对断接下游的海绵设施造成严重冲刷,破坏海绵设施的结构及生态。针对在海绵城市建设背景下,如何构建更安全的断接消能设施进而实现虹吸雨水的安全断接排放这一关键技术问题,构建了三维计算流体力学CFD模型,对虹吸排水消能设施的流场进行解析,提出适用于海绵城市的虹吸排水消能结构设计。主要研究内容如下:①构建了消能设施三维计算流体力学模型。进行了适用于消能设施结构特征的网格划分,构建了适用于断接消能设施设计的三维流体力学模型,界定了与实际运行工况一致的水气掺混两相流的流速、流量、压力、水气比等边界条件。②解析了排水安全及海绵城市建设对于虹吸雨水排放的限制性条件并进行了量化。由于雨水需排放至地表,应为半地下式或地上式;由于地表空间尺寸有限,容量应尽量减小;其出流流速控制条件考虑海绵设施入流条件,建议上限制为1.5 m/s;考虑间歇大流量或超设计工况的下的井内壅水问题,设置流量快速排放结构,以防止间歇泉事件发生。③开展了预实验,对未设消能设施下雨水自由出流对下游设施的冲刷效应及消能设施的主体结构模式进行了预判。结果表明:未设消能设施的虹吸雨水排放系统对下游的冲刷距离大于3 m,且其冲刷流速在3 m之后下降不明显,相对管内流速仅有小幅度下降,说明自由出流下冲刷效应显著;通过横、纵两种入流方式预实验,发现纵向入流模式在流速增大后其消能效果下降且出流流态较差,而横向入流模式在流速增大后消能效果上升且出流流态稳定。④对虹吸消能设施进行了初步设计,并通过CFD数值实验对其结构形式及参数进行了优化,最终建立了消能效果较为理想的结构设计,消能率达50%以上。基于预实验结果及限制性条件,完成了以井内水循环腔室为主要结构的多出口消能设施的初步设计。基于初步设计,强化改造外腔室进水构件,改善出口出流条件;与无内循环腔室设施相比,流速削减能力提高约50%。基于改造设计,对出口位置、出口大小、井体高度、通气口启/闭及尺寸等多参数进行了优化,确定了两种消能效果较好的结构设计。⑤对较优方案的工程适用性进行了验证。在常规设计流量下,基于仿真模拟数据对两种优化方案的出口流量及出流流速进行经验公式推导,并对经验公式的预测结果进行准确性校核。在极端超设计流量下,对20 m水头的入口压力进行10 s出流模拟,结果表明,本设施在该情况中能有效削减入流能量,其消能率达90%以上,且能实现极端条件的流量快速排放,避免井内间歇泉的产生。本文得出的三维流体力学模型构建方法、边界条件界定方法、断接消能设施设计结构参数及断接消能设施出水流速与流量计算方法等,可为建筑屋面虹吸雨水安全断接排放设施的设计提供技术支撑和方向指引。

随着城市化水平的提高和经济的快速发展,城市雨水问题愈发凸现。主要表现为:城市雨水内涝频发;雨水资源大量流失;径流污染严重等。山地城市由于地势复杂且多陡坡,降雨雨峰靠前,雨型急促,径流汇集时间短,地表径流的侵蚀作用强烈,雨水问题更加突出,山地海绵城市建设所涉及的科学技术手段与平原城市有所不同。针对以上问题,根据山地城市的地形地貌、土壤类型、水文水系、径流现状等实际情况,以地形高差为动力,优化各类低影响开发（LID）设施的流程组合,依山就势将多种海绵技术进行集成,有效实现山地城市径流污染和水量调控。论文通过对国家级海绵城市建设试点悦来新城生态保育区内的两组面源污染与水量调控集成技术（阶梯式人工湿地集成技术和雨水花园-植草沟集成技术）运行效果进行持续监测,研究了山地城市的集成技术对径流水质控制和水量削减的效果,获得了相关技术的最佳设计参数,为山地城市雨水管理集成技术的设计提供数据支撑。主要研究结论如下:（1）阶梯式人工湿地集成技术径流控制效果及设计参数分析1)集成技术的峰值削减率、径流总量削减率、洪峰延滞时间均随着降雨量的增加而减小,对于降雨量为12.26 mm、15.40mm、22.69mm、57.33mm的降雨,径流总量削减率分别为82.67%、67.76%、58.15%、51.32%;梯田湿地的容积越大,径流的总量削减率和峰值削减率越大,对于容积为105m^3 、123m^3 、146m^3 、240m^3 的梯田湿地,径流总量削减率平均值分别为11.81%、13.66%、15.36%、27.12%;2)随着降雨量的增大,集成技术中各污染物EMC削减率沿程递减,一阶梯田湿地对各污染物的EMC削减效果最好,EMC削减率的平均值为36.92%;在服务面积比为1:12时,一阶、二阶、三阶、四阶梯田湿地的最佳水力停留时间分别为0.15～0.67 d、0.16～0.56 d、0.73～1.07 d、1.59～2.53 d;集成技术处理轻污染的降雨径流时,设置3～4阶梯田湿地较合适。（2）雨水花园-植草沟集成技术径流控制效果及设计参数分析1)植草沟峰值削减率和径流总量削减率均随着纵坡坡度的增大而减小;若要使该段植草沟的径流总量削减率达到80～85%,则所需植草沟的长度为89.81～95.81m;2)集成技术对各污染物的EMC削减率均随着降雨量的增大而降低,在不同降雨量下,SS的EMC削减率平均值约为80%;在服务面积比为1:10时,当雨水花园1、2的水力停留时间分别为20 h和16 h时,污染物的去除效果最好;植草沟纵坡坡度对道路径流污染物削减效果具有较大影响,坡度越大,污染物去除效果越差;SS和TP的EMC削减率均随着植草沟的长度增加呈现指数型增长。

在城镇化快速发展的过程中,一系列生态环境问题凸显,为解决“经济-社会-环境”之间的矛盾,世界各地均提出了针对性的城市管理策略。就山地城市而言,独特的坡度、下垫面和用地情况等因素导致其面源污染负荷较高,使得水环境质量急剧下降,影响城市的可持续发展能力。为解决这一问题,本文以重庆市悦来新城面源污染控制区内大气环境及典型下垫面（山地城市道路、公园、公共建筑及住宅小区）为研究对象,根据地形地貌和排水系统现状,划分城市面源汇水单元,采用自动取样监测和人工取样监测、室内分析相结合的方法,确定污染物参数,进而开展山地城市的城市面源污染干湿沉降监测,研究山地城市快排快泄的“产-汇-流-滞-排”全过程径流与污染物迁移转化规律,旨在为制定面源污染治理和雨洪控制工程的技术方案提供数据支撑与理论依据。主要结论如下:（1）重庆市悦来新城的空气质量受温度、风速等因素影响而呈现显著的季节性特征,同时与大气干湿沉降污染物通量存在较强的相关性。从空气质量来看,PM 10 与PM 2.5 日均浓度污染占主体地位,NO 2 次之。从影响因素来看,大气污染物浓度与温度、环境风速呈显著的负相关,春季以外季节的大气气压对大气污染物浓度的影响可忽略不计。另外,悦来新城大气颗粒悬浮物中氮素的主要成份是无机氮（NO 3 ^- +NH 4 ^+ ）;TP的浓度相比TN的浓度要低两个数量级。大气氮素沉降以湿沉降为主,占总沉降通量的61.24%;磷素沉降以干沉降为主,占总沉降通量的52.25%。悦来新城大气湿沉降的NO 3 ^- -N、NH 4 ^+ -N、TN、TP和ON的沉降通量分别是7.55、11.88、21.85、0.81、2.42 kg/（hm^2 ·a）,而干沉降的NO 3 ^- -N、NH 4 ^+ -N、TN、TP和ON的沉降通量分别是4.26、6.39、13.83、0.88、3.17 kg/（hm^2 ·a）。（2）山地城市道路的降雨径流污染物受降雨强度、坡度、汇水面积等多个因素影响。首先,由于小降雨强度事件中降雨径流的冲刷效应高于雨量的稀释效应,因此其污染物浓度显著高于中、大降雨强度事件中的浓度,但污染物峰值均出现在降雨初始时刻及降雨量峰值后10^2 0min。NH 4 ^+ -N是道路径流水中TN的主要形式,而NO 3 ^- -N的浓度较低。其次,山地城市道路的坡度越大,初期冲刷效应越显著,道路旁生物滞留带的土壤渗透性越差,整体初始冲刷效应强度呈现TN>TSS>COD>TP的特征,故推荐控制FF值为30%^4 0%。另外,降雨强度一定的情况下,道路径流流量不仅与坡度有关,更与汇水面积呈现较强的相关性。（3）会展公园（典型山地公园）径流中TSS、COD、TP等污染物指标的变化趋势与山地城市道路类似,但TN、叶绿素a的波动性较强,其中NO 3 ^- -N是公园径流雨水中TN的主要形式,占比为42%^6 5%,而NH 4 ^+ -N的浓度相对较低。公园降雨径流流量受降雨强度影响较大,但流量峰值与降雨峰值相比存在明显的滞后性。另外,公园降雨径流只在降雨强度较大时出现冲刷效应,且与道路污染物的冲刷效应基本一致。（4）山地城市公建及小区的雨水径流组织尤其重要。国博中心（典型公共建筑）的6个雨水调蓄池及住宅小区的5个雨水调蓄池中的水质均满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB/T 18920-2002中道路清洗和城市绿化用水标准。国博中心与住宅小区氮磷污染物有着不同的来源,其中住宅小区以颗粒性氮磷为主,而国博中心的氮磷来源则比较复杂。同时,受雨水调蓄池集水面积差异以及不透水集水面积占比差异影响,国博中心雨水调蓄池的回用率显著高于住宅小区。（5）三种典型山地城市下垫面（道路、公园、公建及小区）的污染负荷通量及年均负荷水平差异较大。山地城市道路TSS、COD、NO 3 ^- -N、NH 4 ^+ -N、ON、TN和TP的污染负荷通量分别为3120.31、567.35、9.94、10.04、5.27、25.28和5.54kg/（hm^2 .a）。典型公园下垫面TSS、COD、NO 3 ^- -N、NH 4 ^+ -N、ON、TN、TP和叶绿素a的污染负荷通量分别为456.15、226.95、3.37、4.13、1.06、8.56、1.10和0.06 kg/（hm^2 .a）。公共建筑下垫面TSS、COD、NH 4 ^+ -N、TN和TP的污染负荷通量分别为576.63、37.12、8.55、26.33和0.68 kg/（hm^2 .a）。住宅小区下垫面TSS、COD、NH 4 ^+ -N、TN和TP的污染负荷通量分别为559.82、21.05、1.17、17.74和1.13kg/（hm^2 .a）。（6）重庆市悦来新城的面源污染本底值总量主要为大气干沉降,但面源污染的主要直接输入形式则是降雨径流。悦来新城的地表水环境虽已达到重庆市批复的水功能区划要求,但面源污染作为影响水环境质量的重要因素,仍需采取相应的技术措施及政策指导来应对该威胁。

三峡水库建成运行以来,由于氮（N）磷（P）营养物质的流失,支流水华和富营养化现象发生较多,库区及支流的水质出现恶化。本论文以三峡库区坝首的香溪河流域为研究对象,在充分收集国内外已有研究成果基础上,运用环境学、土壤学、地理学、水土保持学等学科理论和ArcSWAT2012、GIS软件与计算机技术,通过实地调研和文献查阅收集流域内的下垫面等基础数据,并开展野外实地监测。论文主要从非点源污染来源、氮磷时空变化特征和水库调度对氮磷影响几方面,分析非点源氮磷污染对香溪河流域的影响;通过构建SWAT分布式模型,对香溪河流域2012-2017年非点源氮磷污染进行模拟,对泥沙量、径流量和氮磷污染负荷总量进行定量估算,对氮磷污染流失的重点区域及时空分布特征进行辨析;根据模型的情景模拟模块,对土地利用变化、退耕还林措施和控制化肥施用量三种情形展开模拟预测,最后,提出香溪河流域非点源氮磷污染防控对策与建议。三峡水库蓄水运行多年后,通过SWAT模型模拟估算,2012^2 017年间,香溪河流域对水库径流和泥沙的贡献量分别为1.26×10^9 m^3 /a和4×10^5 t/a,对总氮（TN）和总磷（TP）污染负荷的贡献量分别为1512t/a和326t/a,对氨氮（NH 4 -N）的贡献量为204.78t/a。香溪河流域土壤平均侵蚀模数为1247.4t/km^2 ﹒a,水土流失整体上属轻度流失区,距离河流较近且耕地相对集中的峡口镇和高岚镇是水土流失的敏感区,土壤侵蚀程度接近中度水平。每年4^9 月份是香溪河流域非点源污染发生的高峰期,其中径流量占全年径流总量的81%,泥沙量占全年的90%,TN和TP输出量分别占全年的73%和84%。香溪河流域TN流失最为严重,最大流失量超过20kg/hm^2 ;TP流失空间分布特征明显,在香溪河与南阳河干流沿岸地区最为严重,流失量超过10kg/hm^2 。通过情景模拟分析,采取退耕还林或者控制化肥施用量都能有效减少非点源氮磷污染的流失;对耕地退耕还林可以削减超过25%的氮磷污染负荷,化肥施用量减半能减少氮磷污染负荷15%以上。对香溪河流域非点源氮磷污染控制措施,可从水土保持技术、污染源头控制和管理调控三个方面展开,以减少香溪河流域的土壤侵蚀和降雨径流。研究结果表明,SWAT模型对香溪河流域泥沙、径流和氮磷污染负荷总量的估算和模拟效果良好,模型验证系数R^2 和E NS 均在0.8以上,满足研究精度的要求。