1. 蒙大拿州立大学的研究者与Ennis 孵化中心合作建设湿地以处理污水

邹丽雪

蒙大拿州立大学研究生Jack Wallis于2017年6月19日在Ennis国家鱼类孵化中心利用水泵将污水抽送至水处理系统以为鱼类开辟了一条通道。蒙大拿州立大学照片由Adrian Sanchez-Gonzalez提供。 ENNIS-在六月的某天，当大雪徘徊在迈德森山脉顶峰时，Jack Wallis手里拿着的并不是钓鱼竿而是八英尺长的PVC管，并插入一个宽嘴真空吸嘴。 当健壮的虹鳟鱼游荡在Ennis国家鱼类孵化中心狭长的混凝土池时，Wallis娴熟的利用真空吸尘器将格栅附近的鱼类食物和粪便抽吸上来。 “当我投入到这个项目的时候我感到非常的激动，”Wallis说道。在他没有获得蒙大拿州立大学土木工程学院环境工程专业的学位时仅仅是个造访蒙大拿阿尔皮斯湖的普通钓鱼者。正是由于这个工程，他能够在完成水处理领域事业目标的同时兼顾其对鱼类的热爱。 在真空管道中，含有污泥的水通过管道，阀门以及水箱到达系统中的最关键部位：处理污水的湿地。在人工湿地的底部是砂砾，更下一层是排水管以及不透水层，莎草的根以及灯芯草能够赋存微生物并利用淤泥来净化水质。 “我们正使用与污水厂相同的微生物过程”Wallis说到。“只不过是以湿地的形式代替了原来的机械系统。” Wallis是蒙大拿州立大学环境学院与负责运营Ennis孵化中心的美国鱼类与野生生物服务中心合作的研究团队中的一员，主要学习湿地的运行，美国在这方面的人才很少。 “这是联邦鱼类孵化中心第一个类似的项目，”负责管理Ennis孵化中心的Connie Keeler-Foster说道，我们很多工程师正密切的关注该项目。如果该项目获得成功，将利用于其他孵化中心。 该项目的动因来源于几年前，严格的排放标准促使美国野生鱼类与生物管理局考虑为Ennis孵化中心配备新的处理系统，该孵化中心每年生产2千万个红鲟鱼鱼卵。 同时，蒙大拿土木工程教授otto stein利用处理湿地开展其研究，欧洲普遍利用处理湿地来处理污水。 “我们正处于处理湿地系统广泛应用的前期，”Stein说道。与其他传统的污水处理系统相比，处理湿地能够获得同等甚至更好的效果。 Stein正寻找方法来验证他的假设，他发现处理孵化中心的出水与处理污水相似。在比较众多选择后，美国鱼类与野生生物管理处决定与蒙大拿州立大学合作尝试低成本的开发方式。 “有时候复杂的并不是最好的，”Keeler-Foster说道。“大自然的自我净化已经持续了上百年。” 2015年夏季，美国鱼类和野生生物管理处设备操作员在Stein研究团队的指导下，实施了很多建设工程，包括挖掘三英尺深、10英尺宽，100英尺长的沟渠。蒙大拿州立大学团队随后放置了橡皮膜，以防止出水渗透进入土壤，随后放入排水管，厚实的砂砾，以及后续植被的种植。 在2016年9月，孵化中心开始使用该系统来处理污泥，美国鱼类与野生生物管理处员工每周会对鱼池进行清淤。 湿地工程是Ennis孵化中心入选2016年年度孵化奖的主要原因之一，Keeler-Foster说道。 作为完成其硕士学位的一部分，Wallis编制了计算机系统以控制阀门以及水泵。他也设计了一个过滤系统，用来去除湿地系统无法大量去除的元素-磷。 6月，蒙大拿州立大学团队在湿地的10个单元中种植额外的植物，每个单元大约100平方英尺。每个单元能够使研究者能够控制出水流速，监控其对植物生长以及水质的影响。并且能够帮助孵化中心优化系统，提高未来类似湿地建设水平。 Wallis结束孵化池的清理后，该团队利用大型工业计算机上的触摸屏启动了地下管道。污水随后涌入湿地的植物中。 “这是一个科技含量较低的解决方案，因为其包含了很多通俗的科技，”Chris Allen说道，他是土木工程系的兼职讲师，在获得蒙大拿大学博士学位的同时帮助Ennis推进项目。 关于湿地中的植物是如何利用微生物作用并净化污水，Allen表示也并不完全理解其表面发生的反应机制，这是一个很具有研究价值的领域。 八月，来自世界的科学家以及工程师将访问Ennis孵化中心，作为第七届国际湿地污染物动力以及控制研讨会的一部分，该研讨会每两年举办一次，是关于湿地处理的知名会议，将于8月21-25日在Big Sky 度假村举办，该次会议在蒙大拿州立大学的帮助下于美国第一次举行。

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发布时间: 2017-08-23

2. 简化的集成地下水模型模拟硝酸盐浓度动力学

邹丽雪

对地下水硝酸盐浓度的模拟能够帮助我们确保地下水管理以及利用的合理性，尤其对于饮用水而言特别重要。本文利用地下水硝酸盐水箱模型来模拟地下水的硝酸盐浓度。用以校正以及验证模型的变量来源于日本熊本的两个代表观测井于2012年6月至2016年2月间收集的的日降水以及周硝酸盐浓度数据。观测到两个观测井的硝酸盐浓度分别在4.46-6.02mg/L以及8.60-24.56mg/L。该算法—亚利桑那州大学算法被用于确定拟合度最好的参数值，该值根据均方根误差确定。校正以及验证结果通过NSE参数以及均方根误差确定。地下水硝酸盐水箱模型能够准确的再现硝酸盐浓度的波动：在验证阶段，两个观测井的RMSE值分别为0.135和1.432， NSE值分别为0.821和0.661。这些结果表明该模型为准确模拟地下水硝酸盐浓度提供了一个更为简单的方法。

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发布时间: 2017-08-23

3. 影响浅水潮溪溶解氧变化主要因素（水文，生物，气候）的时间变化趋势

邹丽雪

由于强烈的非生物胁迫，浅水潮溪的溶解氧常常不符合水生生物主导的溶解氧循环。本文，我们寻求对影响潮沼溶解氧的非生物以及生物因素进行定量化。通过拟合Chesapeake 海湾湿地的溶解氧与每小时变化的叶绿素a，水质，水文以及天气数据的多重线性回归模型，揭示了时间变化（夏季-早冬）对潮沼溶解氧更重要。同时，本分析识别了另一种方法，通过将溶解氧分为两个等级来评估作为溶解氧驱动因素的潮汐的等级：满水深度以上和以下。在水文变化分类中，满水深度以下阶段是主要的描述方法，其强调了孔隙水排放和混合作为驱动潮溪溶解氧的重要过程。本文研究发现表明温暖季节潮溪溶解氧的动态变化可以用水文，气候以及生物来表述；在早冬时期，当河口以及沼泽水相差不大时，水文成为潮溪溶解氧变化的主要因素。这些发现强调了与开放河口生态系统相比，浅层潮溪环境中决定溶解氧变化的内在机制的不同。

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发布时间: 2017-08-23

4. 水文对阿拉斯加湾流域气候以及冰川规模变化的影响

邹丽雪

利用高分辨率区域尺度的水文模型对21世纪末期阿拉斯加湾流域的径流对区域气候以及冰川规模的影响进行定量。美国国家环境预报中心气候预报系统再分析数据与5个耦合模型相结合，利用两个有代表性的浓度的通路方案以探究2070-2099的气象胁迫。在假设平衡线高度增加200m-400m的条件下利用一个高程模型来预测未来的冰川规模。大气环流模式预测表明在RCP 4.5条件下每年降水量以12%的速度增加，在RCP8.5条件下以21%的速度增加。在RCP 4.5和RCP 8.5 条件下整个阿拉斯加湾年平均温度分别升高2.5℃和4.3℃。复杂气候以及冰川场景预测整个阿拉斯加湾在RCP4.5/ELA200条件下每年径流增长9%，在RCP8.5/ELA400条件下每年增长14%。在RCP4.5/ELA200条件下冰川径流减少14%，RCP8.5/ELA400条件下冰川径流减少34%。每年径流的跨模型变化大约是降雨输入变化的两倍。同时，径流分区的变化较大且积雪径流受到雨加雪事件的影响。我们展示了整个阿拉斯加湾以及个别水体的的汇总结果，通过单独扰乱气候胁迫或者冰川覆盖以展示水文变化并探索这些结果的敏感性。

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发布时间: 2017-08-23

5. 对立框架：问题形成的不确定性如何塑造水资源系统内部风险管理的公平性

邹丽雪

管理水资源系统需要调整系统的基础设施操作，在平衡冲突双方需求的同时缓解水利极端事件的影响。传统意义上讲，推荐的管理战略来源于在单个问题框架下优化系统操作，这被认为是准确体现系统目标，忽略制定问题时简化以及数学假设所引起的众多问题。本研究阐明了对立双方框架的优势。分析对立双方的框架能够帮助发现由问题形成过程中的内在偏见所造成的意外结果。在不同的多目标问题框架下，我们通过优化系统内四个大型水库操作，从而将该框架用于越南季风红河流域。在每一个对立框架下，我们详细说明了系统目标的不同定量表征，这些系统目标与与水力发电，农业供水以及首都河内防洪相关。我们发现有些公式化的操作将导致违反直觉的行为。尤其是设计用于减少洪水灾害的政策会无意的增加洪水灾害的风险，但却有利于发电，然而，在对系统的粗略优化过程中经常用到的最小-最大目标，由于其不确定性从而导致了系统的不公平。本研究重点关注了计算以及评价利益相关者目标的数学抽象行为，描述了与水利极端事件相关的多领域水需求以及风险。

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发布时间: 2017-08-23

6. 基于平滑压缩状态的卡尔曼滤波的联合状态参数估计：水库特征的应用以及二氧化碳存储监控

邹丽雪

大部分的水文地质系统工程的操作依赖于利用包含不确定参数以及初始条件在内的数学模型所模拟的物理过程。卡尔曼滤波技术能够按顺序同化监测数据从而提高不确定性模型所作出的预测。每次同化包括一个非线性的优化，其通过线性化模型预测的目标功能以及利用线性校正这个预测。然而，如果模型参数以及初始条件不确定，那么优化问题将变的更加的非线性且线性修正可能产生非物理结果。本文，我们探究了先行平滑的效果，该过程对传统过滤进行调整，以减少非物理结果的产生以及减少由非线性造成的预测。我们展示了基于平滑压缩状态的卡尔曼滤波，该算法将先行平滑与协方差压缩方案合并，通过高效的探究高纬状态以及参数空间来减少计算费用。数值试验表明当模型参数不确定且数值弥散时，例如二氧化碳存储应用，先行平滑能够减少过冲误差并且能够使达到物理一致状态和合理的参数估计。我们比较了sCSKF与常规数据同化方法，结果表明对于相同的计算成本而言，将先行平滑和压缩相结合对于大尺度水文系统的实时的描述以及监控有很大的优势。

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发布时间: 2017-08-23