一种稳健的数据驱动方法演化框架，用于理解水库-流域尺度上营养负荷变化的多因素驱动效应

《Journal of Contaminant Hydrology》：Robust data-driven approach evolution for multi-factor driving effect understanding of nutrient loading variations at reservoir-basin scale

本研究提出基于自组织映射算法、曼德尔测试和偏最小二乘结构方程模型的综合框架，分析气象、经济和水质参数对丹江口水库氮磷负荷的影响。结果表明，气象（ME）和经济（EC）参数对氮磷负荷有显著直接和间接影响，其中ME贡献率最高（67.90%-78.52%），EC贡献率次之（20.10%-38.20%），水质参数（WQ）无显著影响。该框架为流域多因素耦合作用下的水环境管理提供了新方法。

　　这项研究旨在通过一种新的综合框架，识别丹江口水库（DJKR）流域内氮负荷（NL）和磷负荷（PL）的主要驱动因素及其路径。丹江口水库作为中国南水北调中线工程的重要水源地，其水质安全直接关系到数亿人口的饮用水供应。因此，深入理解氮和磷的来源及其影响因素，对于制定有效的水质管理策略具有重要意义。研究采用了自组织映射（SOM）算法、Mantel检验和偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）相结合的方法，构建了一个能够处理多源信息、全面评估营养状况的分析体系。该框架在丹江口水库的实际案例中得到了验证，研究结果显示，氮和磷的主要来源是汉江，而石蹬子河和西河则表现出较高的氮和磷浓度。因此，针对这些重点区域实施有针对性的管理措施，并加强上游控制，对于缓解污染问题至关重要。

氮和磷的负荷主要受到气象（ME）、经济（EC）和水文水质（WQ）因素的影响。其中，气象因素对氮和磷的负荷具有显著的间接和直接作用，而经济因素则主要通过其对农业和工业活动的促进，间接影响氮和磷的输入。研究还指出，水文水质因素在所有区域对氮和磷的负荷均未表现出明显影响。这一发现表明，在水质管理中，应更加重视气象和经济因素的协同作用，特别是在中等规模流域的管理中，需要综合考虑多种因素的耦合效应。

研究强调了多因素耦合在流域管理中的重要性。传统的研究方法往往只关注单一因素或局部影响，而忽视了多种因素之间的相互作用。例如，一些研究使用了物理模型，如土壤水评估工具（SWAT）、评估河流向海输送营养物质的模型（MARINA）以及全球环境-全球营养模型（IMAGE-GNM），这些模型虽然能够很好地解释机制，但其准确性常常受到模型结构和参数不确定性的限制。而一些统计方法，如冗余分析、随机森林和广义可加模型，虽然能够处理变量间的非线性关系，但往往无法直接揭示多种因素之间的整体相关性。因此，为了系统分析这种复杂的多因素耦合系统，研究采用了一种综合的方法，结合了SOM、Mantel检验和PLS-SEM，以期更全面地理解氮和磷负荷的驱动机制。

丹江口水库位于汉江上游，横跨湖北和河南两省，总面积超过840平方公里。水库的正常水位为170米，总库容巨大，是亚洲最大的人工湖。水库的水源地涉及河南、湖北和陕西三省的10个城市和46个县（区），还包括重庆的城口县、四川的万源市以及甘肃的梁滩县部分区域。由于水库承担着重要的供水功能，其水质状况直接影响到周边地区的生态环境和人类活动。然而，近年来的研究表明，丹江口水库的氮和磷污染来源复杂，包括城市化、农业活动、大气沉降等多方面因素。某些支流的氮和磷浓度长期超标，对水库的水质安全构成了严重威胁。

为了更深入地了解这些污染因素的来源和影响机制，研究团队在丹江口水库的16个监测点上，对五种水质参数进行了月度监测。这些参数包括温度、pH值、溶解氧、总氮和总磷等，能够全面反映水质状况。通过SOM算法，研究团队对这些参数的时间和空间变化进行了分析，以识别不同区域的污染特征。同时，Mantel检验用于评估气象、经济和水文水质因素之间的整体相关性，而PLS-SEM则用于分析这些因素对氮和磷负荷的直接和间接影响。这种方法不仅能够揭示各因素之间的相互作用，还能够提供更准确的预测模型，从而为未来的水质管理提供科学依据。

研究结果表明，丹江口水库的氮和磷负荷主要来源于汉江，而石蹬子河和西河则表现出较高的氮和磷浓度。这一发现提示，未来在管理丹江口水库的水质时，应特别关注汉江流域的污染控制，并加强对石蹬子河和西河的监测和治理。此外，研究还指出，气象因素对氮和磷负荷的影响不仅限于直接作用，还通过经济因素间接发挥作用。经济因素主要通过其对农业和工业活动的促进，增加了氮和磷的输入。因此，在制定水质管理政策时，需要综合考虑气象和经济因素的协同效应，以实现更有效的污染控制。

值得注意的是，水文水质因素在所有区域对氮和磷负荷均未表现出显著影响。这一结果可能与研究区域的水文条件有关，也可能表明在某些情况下，水文水质因素的作用相对较小。因此，在未来的研究中，可能需要进一步探讨水文水质因素在不同环境条件下的影响机制，以更全面地理解氮和磷负荷的驱动因素。此外，研究还强调了多因素耦合在水质管理中的重要性，指出传统的研究方法往往无法全面反映这种复杂的关系，因此需要采用更加综合的分析框架。

研究团队提出的综合框架不仅适用于丹江口水库，也为其他类似流域的水质管理提供了新的思路和方法。通过结合SOM、Mantel检验和PLS-SEM，该框架能够有效识别多因素之间的协同作用，从而为制定科学合理的管理措施提供支持。此外，该框架的灵活性和适应性也使其能够在不同的地理和气候条件下应用，具有较高的推广价值。研究结果表明，丹江口水库的氮和磷负荷主要受到气象和经济因素的影响，而水文水质因素的作用相对较小。因此，在未来的水质管理中，应更加重视气象和经济因素的协同作用，并采取针对性的措施，以减少氮和磷的输入，提高水质安全水平。

研究还指出，随着全球气候变化和人类活动的加剧，水体的氮和磷负荷问题将变得更加复杂和严峻。因此，需要不断优化和改进现有的分析方法，以更好地应对这些挑战。例如，SOM算法能够有效处理高维非线性数据，但其在实际应用中仍需进一步优化，以提高模型的准确性和稳定性。Mantel检验虽然能够评估多种因素之间的整体相关性，但其结果可能受到样本量和数据分布的影响，因此需要结合其他方法进行验证。PLS-SEM作为一种结构方程模型，能够处理多变量关系，但其模型构建过程较为复杂，需要大量的数据支持和专业的分析技能。

综上所述，这项研究为丹江口水库的水质管理提供了重要的科学依据，同时也为其他类似流域的污染控制和生态修复提供了新的思路和方法。通过综合分析气象、经济和水文水质因素对氮和磷负荷的影响，研究团队不仅揭示了这些因素之间的协同作用，还为制定更加精准的管理措施提供了支持。未来的研究应进一步探讨这些因素在不同环境条件下的变化规律，并结合更多先进的分析技术，以实现对水体营养状况的全面评估和有效控制。此外，研究结果还强调了多因素耦合在流域管理中的重要性，为相关政策的制定提供了理论支持和实践指导。