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

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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

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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. 美国环保局选择印第安纳州财政当局并向其提供4.36亿美元水基础设施贷款

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芝加哥-美国环保局正邀请印第安纳州财政当局申请4.36亿美元的水基础设施财政以及创新法案贷款。印第安纳州财政当局是12个被选择的潜在借款人之一，其均在2017年4月前向美国环保局提交意向书。 2017财年，WIFIA项目收到2500万美元，包括额外的来源于年度综合拨款法案的800万美元，该法案于2017年5月5日由美国总统签署。本项目将利用超过10亿美元的私人资本以及其他资金来源包括美国环保局州循环资金，以帮助筹集总共51亿美元的水基础设施投资。被选择的项目涵盖多种WIFIA资助的项目类型，包括污水，饮用水，雨水以及水循环项目。 “重建美国的基础设施是美国总统日程的重要部分”美国环保局管理员Scott Pruitt说道。“这些大型的工程将提高服务2000万美国人的水体水质，特别是那些急需清洁水的偏远社区” WIFIA信贷援助将扩大印第安纳州SRF项目的涉及范围并允许印第安纳州财政当局在全国范围内为相关项目提供资金支持 “管理员Pruitt和美国环保局官员继续履行承诺以有形的方式与当地以及州领导接触，”印第安纳州州长Eric J.Holcomb说道。“我很高兴能够与美国环保局合作，这个难得的机会将开启联邦资金用于重要水基础设施投资的序幕。” “我们希望与美国环保局合作，以全力开发这个额外的财政工具，我们相信SRF贷款项目能够满足基础设施的财政需求，为印第安纳州公共事业提供更灵活的财政方案并节约更多成本，”首席运营官以及印第安纳州财政当局环境项目主管Jim McGoff说道。 国会2014年颁布的水基础设施财政以及创新法案要求美国环保局遵循一系列的框架协议，包括通过资格筛选进行意向书分析，初步的信用等级评估以及选拔标准的评估。WIFIA项目选拔标准以及权重见WIFIA手册（53页，附录C）。 WIFIA项目由2014年的水基础设施财政以及创新法案设立，是美国环保局新型的联邦贷款以及保障项目，其目标是通过向地区以及国家重要的项目提供长期，低息的补充信贷援助从而加速国家水基础设施的投资。WIFIA项目的资金在Trump政府2018财年的预算为2000万美元，可提供大约10亿美元的贷款。

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发布时间: 2017-08-23

5. 水文对阿拉斯加湾流域气候以及冰川规模变化的影响

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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

6. 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

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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

7. 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

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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

8. 利用随机模型以及降低等级空间预测的方法设计理想的地下水监测井系统

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本文展示了地下水质量观测井系统的一种随机设计方法。该方法将校准约束的零空间蒙特卡罗分析用于注入井最高浓度减少率的随机模拟以及与之相关的时间问题。地下水模型的数值模拟受到现场测试量少的限制。监测井设置的目标是识别理想的检测地点以通过有限点位的井点布设实现更高的预测准确性。不管哪一个井点能够反应真正的自然状况，这些井点均需要在不同随机模型的条件下均获得理想的模拟结果。为了识别这两个领域空间模式简化等级预测的小样本经验正交函数，采用了多个不同浓度以及时间的模拟场。利用了差分进化算法以发现最优布设点位。该算法的适用性已经通过布设监测井网络得到展示。总共识别出10个理想的监测井位置。该方法具有同步识别最优监测井位置以及峰值浓度监测最佳时间的能力。该方法具有将随机模型以及最优地下水管理监测灵活结合的能力。

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发布时间: 2017-08-23

9. 生态系统过程的热点区域—生态水文界面

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水，物质，有机质以及能量能够在生态水文界面发生巨大的变化，这个动态转移的区域存在于相邻生态系统的交错带或者边界。近20年的跨学科研究表明生态水文界面常常是生态，生物地球化学以及水文过程的热区，在极端事件条件下能够为生物群提供避难所。生态水文界面能够对全球的水文以及生物地球化学循环造成重要影响。生态水文界面的时空变化过程的原则理解的不够深入，需要综合分析水文，生物地球化学以及生态过程。我们针对不同驱动因素的联系以及控制限制了我们对复杂系统响应变化的理解。 本文我们在不同的时空尺度上探究了多种淡水生态水文界面的相同点与不同点。我们利用了这次对比开发了一个综合的跨学科框架，包括分析生态水文过程的路线图以及他们在生态系统中的相互作用。我们认为，为了全面解释他们的非线性动态过程，需要将生态水文界面概化为一个唯一的，时空动态的整体，这个整体与现有界面条件有所不同。

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发布时间: 2017-08-23

10. 美国环保局奖励南达科他州环境与自然资源部门超过250万美元补助金以保护当地水质

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美国环保局奖励南达科他州环境以及自然资源部门2544000美元用以帮助保护人类健康以及环境，该补助金来源于非点源项目清洁水法案319部分补助金。这些补助金将给予州政府以执行环境项目，解决地表水和地下水的非点源污染，以满足和保持水质标准。 “直接向南达科他州提供资金显示了美国环保局与州政府合作解决其环境问题的决心，”美国环保局管理员Pruitt说道。“美国环保局正投资帮助充分了解如何保护其自然资源的州，在促进经济发展的同时解决社区内真正的环境问题。” 在这个项目下，本年度共选择了六个提案进行资金支持，包括流域规划以及实施工程。该项目依据一系列的首要原则，强调自愿以及基于激励制度的参与，当地主导的项目，合作，可监测到的水质提升以及有效以及高效的项目管理。 非点源污染常常被认为是本国地表水质受损的最主要原因之一。非点源污染的出现在南达科他州的湖泊，小溪以及河流中。造成南达科他州地表水质受损的非点源污染物为病原体，沉积物以及营养物。 非点源污染包含很多不受联邦以及州控制的污染源。这些污染源包括农业径流，未经许可的城市地表径流，废弃矿井的排水，失效的现场处理系统，自然河道改道所引起的污染。国会在1987年颁布了清洁水法案319条，建立了国家计划以控制非点源污染。在319条的规定下，美国环保局为州，领地以及部落提供指导及资金以执行他们的非点源项目同时支持当地的流域项目以提高水质。自2006年以来，本项目总共恢复了6000英里的河流，超过164000英亩的湖泊。纵观全国仍有100多个项目正在实施。

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发布时间: 2017-08-23

11. 巴尔的摩市为12个被美国环保局选中的向其提供新水基础设施资金的候选人之一

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费城（2017年7月19日）—美国环保局正邀请巴尔的摩公共事务部申请2亿美元的联邦贷款以提高其水基础设施。巴尔的摩市是9个州共12个被邀请的项目之一，其将共享20亿美元的水基础设施财政与创新法案贷款。这些项目来自43个2017年4月前向美国环保局提交意向书的项目之中。 当被授予这些资金后，这些资金将用于帮助巴尔的摩市完成一系列的工程以维修，复原，替换以及升级其污水收集以及处理，水处理、输运以及雨水管理系统。这些工程将提高下水道污水的收集：确保泵站以及马里兰州两个最大的污水处理厂的可靠性以及安全运营；提高饮用水分配系统以解决其可靠性及安全运营，这将直接关系到公众的健康；并通过提高雨水管理水平以满足清洁水法案的要求和义务。 “重建美国的基础设施是美国总统日程的重要部分”美国环保局管理员Scott Pruitt说道。“这些大型的工程将提高服务2000万美国人的水体水质，特别是那些急需清洁水的偏远社区” “马里兰州感谢美国环保局对巴尔的摩市清洁以及可负担水基础设施建设的支持，”马里兰州环境部长Ben Grumbles说道。“创新性的融资以及关系紧密的合作将帮助我们恢复以及保护我们最珍贵的自然资源，Chesapeake海湾。” “在此我代表市长Catherine E. Pugh先生很高兴以及荣幸受邀申请这项联邦资金，”巴尔的摩公众事务部主管Rudolph S. Chow，P.E说道。“我们申请的项目涵盖巴尔的摩饮用水，污水，雨水设施的重要建设工程，其会帮助履行我们的任务以支持我们所在城市和地球的健康，环境以及经济。同样重要的是，这项资金将帮助我们减轻地方纳税人的负担。” 除了包括美国环保局州循环基金贷款资助的用于水基础设施投资的51亿美元资金外，本年度的工程也将利用超过10亿美元的私人投资。被选择的项目涵盖多种WIFIA资助的项目类型，包括污水，饮用水，雨水以及水循环项目。 采用邀请申请的方式给予资金表明美国环保局相信被选择的项目将达到WIFIA贷款的要求。然而，被选择的项目将不适用担保贷款。被选择的项目必须提交WIFIA贷款申请，通过信誉分析，协商双方接受的条款并执行信誉协定以获得WIFIA资金。 WIFIA项目由2014年的水基础设施财政以及创新法案设立，是美国环保局新型的联邦贷款以及保障项目，其目标是通过向地区以及国家重要的项目提供长期，低息的补充信贷援助从而加速国家水基础设施的投资。WIFIA项目在Trump政府2018财年的预算为2000万美元，可提供大约10亿美元的贷款。

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发布时间: 2017-08-23

12. 湿地与泛滥平原重新连接过程中的功能连接复杂网络

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火灾或者洪水的干扰，以及对当地生态，水文或者生物地球化学过程的改变将改变他们之间功能的连续性-这些过程如何在空间上相互联系。复杂的网络能够对水体内的各功能连接性进行定位。该方法能够基于扰动信号内的统计相似性解决空间节点之间的连接性，与传统的质量平衡模型相比，其在时间尺度上更敏感。我们利用这个方法来验证火灾以及洪水是如何影响湿地在重新连接其泛滥平原过程中的生态以及生物地球化学动力。在被防洪堤阻隔多年后重新引入流量脉冲能够从根本上重新配置功能连接性网络。最显著的扩张是钙网络，其反应了周丛生物的动力并且可能表明其对营养物浓度的升高产生间接影响，尽管仅观察到相对较小的磷网络扩张。关于水中的一些溶质，周丛生物作为一种“生物过滤器”，将水质信号的干扰通过生物群落缓慢但是持久的作用，转化为不同的时间尺度的信号。复杂网络方法也揭示了部分在本质上与众不同的现象，例如溶解氧在1.2cm/s 流速前后会发生根本变化，其表明完全去除河道可能会恢复生物地球化学过程从而恢复连续性。火灾重新配置了功能连续性网络，其能反应受火灾影响的严重程度，但是对水中溶质浓度有者更大的影响。

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发布时间: 2017-08-23