利用贝叶斯模型和模糊综合评价方法揭示大都市河流中溶解的无机碳来源及水质状况

《Journal of Chromatography A》：Revealing dissolved inorganic carbon sources and water quality in megacity rivers by Bayesian model and Fuzzy comprehensive evaluation

该研究分析我国典型大城市河流的DIC及δ13C组成，发现干季（-8.24‰）与湿季（-10.44‰）δ13C差异显著，主要源于人为输入。通过贝叶斯模型量化五大碳源贡献：碳酸岩风化（35.3%）和再生水（31.6%）居前，地下水及硅酸盐风化次之。同时运用AHP-熵权模糊模型评估水质，78%采样点水质良好。研究成果为快速城市化地区流域管理提供科学依据。

　　本研究聚焦于中国北方京津冀地区的重要河流——永定-潮白河（YDCB）流域，探讨了城市化进程中溶解无机碳（DIC）及其同位素组成的变化。随着城市化进程的加快，这些河流系统经历了显著的水文变化和元素循环模式的转变，特别是在碳循环方面表现尤为突出。城市化不仅改变了自然环境，还通过人类活动对河流的化学组成产生了深远影响，从而影响了整个区域的碳循环动态。

在研究过程中，我们采集了YDCB河流域不同季节的DIC数据，并对其同位素组成进行了详细分析。研究发现，在干季时，DIC的平均同位素值为?8.24‰，而在雨季时则为?10.44‰，显示出明显的季节性差异。这种差异主要归因于人类活动对DIC来源的调控作用。通过采用贝叶斯混合模型，我们识别出五个潜在的DIC来源，包括碳酸盐、硅酸盐、地下水、再生水和污水，并对这些来源的贡献比例进行了量化分析。结果显示，人类活动在下游地区占据主导地位，贡献比例达到71.4%，而在上游地区，碳酸盐风化过程贡献了约50%的DIC，地下水也发挥了重要作用。其中，碳酸盐风化贡献最高，占35.3%，其次是再生水（31.6%），而硅酸盐风化贡献最少，仅为6.5%。这些数据表明，自然过程和人类活动在DIC的形成过程中相互作用，共同塑造了河流系统的碳循环特征。

此外，为了全面评估水体质量，我们还应用了层次分析法（AHP）和熵权模糊综合评价（FCE）模型。研究结果显示，有78%的采样点表现出良好的水体质量，而剩余的22%则属于较差的水体质量类别（IV至V类）。这表明尽管城市化带来了诸多挑战，但大多数地区的水体质量仍然保持在较高水平。然而，部分区域由于污染源的复杂性和季节性水文变化，水体质量受到了显著影响。通过AHP-FCE模型，我们能够更系统地评估这些水体质量的变化，并识别出主要的污染源和影响因素。

本研究还特别关注了城市河流系统在强烈人类影响下的碳源动态变化。我们通过综合分析水化学数据和同位素组成，揭示了DIC在不同季节和不同河段的变化趋势。这些变化不仅反映了自然过程和人类活动的共同作用，还为城市河流系统的可持续管理提供了科学依据。特别是在水资源短缺和季节性降水变化显著的背景下，城市河流系统的碳循环更容易受到人类活动的干扰。因此，深入理解这些变化对于制定有效的水资源管理和生态修复政策具有重要意义。

研究结果表明，YDCB河流域在干季时的水体化学特征显示出较高的二氧化碳饱和度，平均值为614.8 μatm，高于大气平衡值，这表明水体在干季时更容易吸收和释放二氧化碳。此外，水体的pH值在干季时平均为8.63，呈现出略微碱性的环境，这可能与碳酸盐的风化作用有关。溶解氧（DO）水平在大多数采样点远低于饱和度，且DO%在河流流向方向上表现出不明显的空间分布模式。这些现象进一步说明了城市河流系统在不同季节和不同区域的水化学特征存在显著差异，这可能与人类活动对水体的干扰密切相关。

通过本研究，我们不仅加深了对城市河流系统中复杂地球化学和水文过程的理解，还为城市水资源管理和生态系统修复提供了坚实的科学证据。研究结果可以作为政策制定的重要参考，帮助相关部门更好地应对城市化带来的环境挑战。此外，本研究还为未来在类似城市化背景下开展水体质量评估和碳源追踪提供了方法论上的借鉴，特别是在多污染源和复杂水文条件下的研究。通过综合应用多种分析方法，我们能够更全面地评估水体质量的变化，并识别出主要的污染源和影响因素。

研究团队在本研究中贡献了各自的专业知识和技能。Xi Gao负责撰写和审阅论文、数据整理、可视化和模型验证等工作，Guilin Han则提供了整体指导、资源支持和资金获取，Shitong Zhang参与了论文的撰写和可视化，Jie Ren负责软件开发和模型构建，而Jinke Liu则协助完成了论文的撰写和审阅。这些分工体现了团队在不同研究环节中的协同合作，为研究的顺利进行提供了有力保障。

总体而言，本研究揭示了城市河流系统在人类活动和自然过程共同作用下的碳循环特征，为城市化地区的可持续水资源管理和生态环境保护提供了重要的科学依据。研究结果不仅有助于理解城市化对碳循环的影响，还为未来在类似地区开展相关研究提供了方法论上的支持。通过综合分析和模型构建，我们能够更准确地识别出碳源的变化趋势，并评估水体质量的变化，从而为城市河流系统的管理提供科学指导。