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摘要
湖泊富营养化是全球水环境领域面临的长期挑战,富营养化响应与流域优化决策模型是制定经济和高效调控方案的关键.然而已有的模型研究综述主要集中于模型开发、案例应用、敏感性分析、不确定性分析等单一方面,而缺少针对非线性响应、生态系统长期演变等最新湖泊治理挑战的研究总结.本文对数据驱动的统计模型、因果驱动的机理模型和决策导向的优化模型进行了综述.其中,统计模型包含经典统计、贝叶斯统计和机器学习模型,常用于建立响应关系、时间序列特征分析以及预报预警;机理模型包含流域的水文与污染物输移模拟以及湖泊的水文、水动力、水质、水生态等过程的模拟,用于不同时空尺度的变化过程模拟,其中复杂机理模型的敏感性分析、参数校验、模型不确定性等需要较高的计算成本;优化模型结合机理模型形成"模拟优化"体系,在不确定性条件下衍生出随机、区间优化等多种方法,通过并行计算、简化与替代模型可一定程度上解决计算时间成本的瓶颈.本文识别了湖泊治理面临的挑战,包括:①如何定量表征外源输入的非线性叠加和湖泊氮、磷、藻变化的非均匀性?②如何提高优化调控决策和水质目标的关联与精准性?③如何揭示湖泊生态系统的长期变化轨迹与驱动因素?最后,本文针对这些挑战提出研究展望,主要包括:①基于多源数据融合与机器学习算法以提升湖泊的短期水质预测精度;②以生物量为基础的机理模型与行为驱动的个体模型的升尺度或降尺度耦合以表达多种尺度的物质交互过程;③机器学习算法与机理模型的直接耦合或数据同化以降低模拟误差;④时空尺度各异的多介质模拟模型融合以实现精准和动态的优化调控.
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单位环境科学与工程学院; 北京大学
