《Ecological Frontiers》：DOM source tracking and optimal water allocation: A case study from the Nandu River, China
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Donghai Yuan等人针对广东Nandu River流域，通过DOM荧光特性分析（含2D-COS、EEMs-PARAFAC等）与MIKE 11水环境模型耦合，揭示流域DOM以腐殖酸为主且中游污染显著，优化闸门调度后主流溶解氧提升78.7%，氨氮降低18.1%，为流域污染治理与水资源协同管理提供新方法。
作者：袁东海、王若瑶、寇颖颖、严晨玲、张宇正、朱圆圆、王赛格
教育部城市雨水系统与水环境重点实验室，北京建筑大学节约能源与可持续城乡发展省部共建协同创新中心，中国北京100044
摘要
溶解有机物（DOM）的来源追踪和水资源的优化分配对于区域水资源安全和生态健康至关重要。本研究以广东省的南渡河为例，探讨了影响主流水质稳定的关键因素。通过系统分析河流网络中的DOM，并利用平行因子分析、光谱指数和二维相关光谱（2D-COS）技术识别污染源。综合评估DOM和常规污染物后，确定了三条受到严重污染的支流。通过模拟水闸的安装，运用MIKE 11模型制定了多种水闸运行策略，以减少污染物进入主河道的量。研究结果表明，南渡河中的DOM主要为腐殖质类物质，其特性和腐殖化程度存在明显空间差异。中游地区的荧光强度和腐殖化程度高于上游和下游地区，这主要是由于畜牧业等人类活动的影响。实施选定的水闸运行方案后，主流水质得到改善，溶解氧（DO）含量增加，NH?-N和总磷（TP）分别减少了78.7%和18.1%，体现了针对性支流管理的有效性。结合DOM来源追踪和MIKE 11水力模型是识别污染源、优化水闸控制和减少主流污染物负荷的有效方法。本研究为大型河流流域的DOM污染控制和水资源管理提供了宝贵的政策参考。
引言
近年来，密集的人类活动导致中国河流流域的水量显著减少，水质严重恶化[1][2]。这些流域水质下降的主要原因是生活污水、工业废水和农业径流[3][4]。评估和追踪水污染物对于确定其含量、空间分布和来源至关重要，从而支持对污染源的有效分析。此外，城市流域内的某些支流由于靠近排放源，面临更高的污染风险，对整个河流环境构成潜在威胁[5][6][7]。
长期以来，水资源监测和管理主要集中在主干道上[8]。然而，尽管对主干道进行了持续监测，其水质仍难以稳定，主要是由于缺乏对支流的管理措施。作为主干道的重要水源，支流极易受到土地利用、水文条件和自净能力空间异质性等因素的影响。特别是流经人类活动密集区域的小流域，已成为污染物进入主干道的主要通道[9][10]。如果没有针对性的管理，支流可能会出现不同的污染情况或水质波动，这些波动会通过汇流传递到主干道，最终导致主干道水质严重恶化[11]。
根据中国的《地表水环境质量标准》（GB 3838–2002）[12]，化学需氧量（COD）、生化需氧量（5天）（BOD?）和NH?-N被指定为评估水质的关键指标。然而，这种方法在识别支流中的主要污染源方面存在局限性[13]。溶解有机物（DOM）作为多种化合物的混合物，是河流有机物质中最活跃的部分[14][15][16]。先前的研究表明，DOM的荧光特性与常规水质参数之间存在强相关性[17][18]。此外，DOM可以作为水体中重金属和持久性有机化合物的载体，通过促进其迁移、转化和积累来影响有毒污染物的环境命运[19][20][21]。降雨事件通过地表径流将人为污染物带入水体，进一步加剧了这一过程，显著增加了DOM浓度[22]。这是因为DOM不仅是有机污染水平的关键指标，还能提供关于污染源和组成的重要信息。因此，研究DOM对于全面评估水质和有效追踪污染物至关重要。
光谱技术是DOM研究中的主要方法之一。二维相关光谱（2D-COS）[23]、三维激发-发射矩阵（EEM）光谱[24]和紫外-可见光（UV–Vis）光谱因其操作简便、检测速度快、成本效益高和灵敏度强而被广泛应用[25]。
2D-COS能够增强第二维度的窄峰，从而分辨重叠的谱带，并能够区分对外部干扰的连续光谱变化[26]。该技术广泛用于分析有机物质成分的组成、迁移和转化。EEM能够提供关于复杂多组分系统的全面信息，包括尺寸特性和样品属性，具有更高的灵敏度[27]。最近的研究经常将三维荧光与平行因子分析（PARAFAC）结合使用，以将混合荧光信号解卷积为单个成分，从而解决来自多个来源的重叠信号问题[24][28][29]。UV–Vis光谱则能提供关于水生系统中DOM特性的广泛信息，常用于追踪污染源和研究反应过程[30]。
2D-COS、EEM与PARAFAC和UV–Vis的结合已成功应用于分析河流系统中的DOM污染特性。这些方法的整合可以有效揭示DOM成分的结构组成及其变化程度，这对于识别不同区域的污染源和制定有针对性的治理措施具有价值。
然而，仅分析DOM光谱的组成和结构在河流水质管理中存在局限性，尤其是在缺乏与污染物追踪和水资源分配整合的情况下。传统的监测方法包括物理和化学参数的测量以及生物监测，这些方法劳动强度大且需要现场采样。相比之下，数值模拟模型可以提供可靠的水质预测，并已得到广泛应用[31][32][33]。为解决这一局限性并提高实际管理效果，本研究旨在将DOM来源追踪与数值模拟模型相结合。
EFDC、WASP和MIKE等建模工具集成了水动力和水质模块，能够模拟水质动态以及污染物的迁移和转化[33][34]。EFDC能够进行一维、二维和三维的水质模拟，特别适用于湖泊和河口[35]。尽管应用范围广泛，但EFDC需要大量数据，操作难度大，学习曲线较陡峭。WASP可以表示污染物的一维、二维和三维空间动态，模拟灾害对水体的影响，并预测灾害轨迹[36]。然而，其庞大的数据需求、操作复杂性、有限的空间分辨率以及对小时间步长的要求使其不太适合长期模拟。MIKE建模套件（包括MIKE 11、MIKE 21和MIKE 3）在全球范围内被广泛用于城市洪水研究、水生环境和生态管理[37]。
相比之下，MIKE 11模型通过灵活配置水文边界条件和水闸调度规则，能够清晰地表示和测试各种运行方案，并捕捉支流污染物输入对主干道的影响。此外，MIKE 11模型常用于突发环境污染事故的评估、河流和水库水质的评估、生态调度和水资源分配[38][39]。该模型具有高计算精度和广泛的适应性[33]。因此，本研究选择MIKE 11进行水质和水量模拟。
本研究重点分析广东省雷州半岛南渡河流域的DOM特性和污染源，并通过支流调水维持主干道的水质稳定。首先，结合EEM、PARAFAC、UV–Vis和2D-COS等方法全面分析八条支流中的DOM成分，揭示DOM及其相关污染物的空间变化特征。其次，基于MIKE 11建立南渡河的一维水环境模型，比较水闸运行前后主干道的水质改善效果。最后，根据DOM来源追踪分析和水质改善效果，提出最优的水闸调控方案。本研究为受非点源污染影响的大流域污染源追踪和水资源管理提供了有价值的参考，最终目标是改善内陆河流水质。本研究的新颖之处在于将先进的DOM光谱技术与数值模拟模型相结合，实现协同污染管理。
研究框架
本研究采用实验和建模方法相结合，为南渡河提供了综合的生态管理方案。如图1所示，实验部分使用EEM结合PARAFAC、UV–Vis和2D-COS分析水体中的污染源，并防止污染的发生。模型部分选择了MIKE 11水质和水量耦合模型，为典型支流设置了不同的工作条件
DOM成分及其时空分布特征
在南渡河水体中，使用平行因子模型表征了三种不同的DOM荧光成分。表2展示了每种成分的关键特性，即最大激发波长和发射波长。
如图5所示，成分1（C1）（245, 335 nm/440 nm）具有双激发峰和单发射峰，这是来自陆地来源的腐殖酸的特征，尤其与农业地表径流产生的DOM相关
结论与政策启示
如何有效控制大型河流流域的非点源污染一直是研究重点。本研究通过EEM结合PARAFAC、UV–Vis和2D-COS技术系统分析了南渡河中DOM的污染特性。此外，还基于MIKE 11模型评估了支流水闸调控的效果。结果表明，DOM主要由腐殖质类成分主导，不同河段的腐殖化程度存在差异
局限性
三维荧光光谱与MIKE 11的结合仍存在局限性。例如，未来的研究可以整合分子生物学技术，如DNA测序和同位素分析，以进一步明确DOM的来源，特别是农业活动、生活污水和工业废水的具体贡献比例。MIKE 11模型的空间分辨率需要进一步提高，同时还需要考虑突发事件等不确定因素
作者贡献声明
袁东海：撰写——初稿撰写、项目管理、调查、数据整理。
王若瑶：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件处理。
寇颖颖：监督、调查。
严晨玲：调查、资金获取。
张宇正：软件处理、资金获取。
朱圆圆：撰写——审稿与编辑。
王赛格：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（72103022、72573020、52470100、52470101、52170097）和北京市高水平创新团队建设与支持项目（BPHR20220108）的支持。
