《Journal of Hydrology》：Modelling and assessing eutrophication and antibiotic risks in a lake system under large?scale water diversion
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本研究采用过程式水动力-环境模型，模拟巢湖在扬子江-巢湖水转移工程影响下的富营养化及四环素抗生素的时空分布与生态风险。通过东西两路调水方案对比，发现西路可有效降低总磷（9.12%）、叶绿素a（13.68%）和四环素浓度（11.5%），夏季四环素生态风险最高，而营养状态总体处于中低水平。研究结果为优化水转移工程提供科学依据，助力巢湖生态可持续发展。
陈一涵|胡双刚|杨永杰|崔康平|朱超|张敏|张有德|李晨轩|莫哈帕特拉·桑吉布|姜鹏|童迅能
合肥工业大学资源与环境工程学院，中国合肥230009
摘要
为了解决水资源短缺问题、改善水质以及恢复退化水体的生态状况，人们广泛实施了调水工程。本研究采用基于过程的流体动力学-环境模型，探讨了长江-巢湖调水工程对巢湖富营养化过程及代表性抗生素四环素动态的影响。为了研究不同调水路径的影响，设计了两种数值情景，分别代表西线和东线调水方案。该模型经过现场数据验证，Nash-Sutcliffe效率值介于0.34至0.80之间，绝对相对误差在9.31%至18.64%之间，表明模型表现良好。评估结果显示，夏季四环素对生态环境构成较高风险，而整个研究期间营养物质浓度和富营养化程度仍处于轻度至中度范围。对比两种方案发现，西线调水方案更有效地降低了生态风险，每年总磷含量减少9.12%、叶绿素-a含量减少13.68%、四环素含量减少11.5%。本研究为优化调水工程运行提供了重要参考，有助于实现水生生态系统的可持续管理，特别是缓解富营养化和抗生素污染的复合威胁。
引言
快速的城市化进程加剧了工业废水和生活污水排入巢湖，尤其是入湖口附近，严重损害了湖泊的生态功能（Li等，2019a）。巢湖流域广阔的农业活动也加剧了陆地向湖泊的污染（Min等，2023）。几十年来，富营养化问题一直困扰着巢湖的水质管理（Kong等，2017）。
调水工程（WDP）是一项旨在实现特定目标的基础设施项目，例如通过重新分配水资源来缓解缺水地区的用水紧张问题（Li等，2016）。此类工程可以通过向水库引入大量清水来改善水质（Zhang等，2022）。这一过程可以稀释污染物浓度、加快水流速度并缩短水体在湖泊中的停留时间，从而恢复水质（Fu等，2022）。通常，旨在改善水质的调水工程主要针对普遍存在的水质问题，其中富营养化是最突出的问题（Yan等，2024）。中国通过望虞河实施的“长江-太湖调水工程”就是一个典型的水质改善案例，该工程自2002年起运行以来，太湖的富营养化问题得到了持续改善，调水量也稳步增加（Li等，2013）。
为缓解巢湖的富营养化问题，2016年启动了大规模的“长江至巢湖调水工程”（YCWDP），并于2022年开始试运行。该工程的主要目的是为居民供水和发展航运，同时还将支持农业灌溉并改善巢湖的生态环境（Peng等，2021；Wang等，2023）。目前，YCWDP规划了两条调水路线：西线方案（路线1）通过赵河和白石滩河将水引入巢湖，然后通过裕西河排出；东线方案（路线2）则需要通过泵送将水引入淮河。
除了富营养化问题外，巢湖还受到新兴污染物（ECs）的困扰，这些污染物对生态环境构成较高风险（Tang等，2015）。日常生活中使用的多种化学品，如药品和个人护理产品、内分泌干扰化合物以及人工甜味剂，是主要的ECs来源（Mohapatra等，2023；Ngoc Han等，2018；Tong等，2021）。在药品中，抗生素被广泛用于治疗细菌感染和促进牲畜生长（Tong等，2024）。多项研究显示，巢湖中的抗生素含量高于中国其他湖泊（Liu等，2018；Zhou等，2022）。其中，四环素是巢湖中常见且具有环境持久性的抗生素（Zhou等，2022）。此外，四环素耐药基因在巢湖及其他中国淡水系统中普遍存在，检测频率较高（Liu等，2018）。四环素是中国水产养殖和畜牧业中最常用的兽药和饲料添加剂之一，年使用量超过10,000吨（Hu等，2008）。鉴于其环境持久性、生态风险以及与抗生素耐药性的关联，四环素成为巢湖管理的关键目标。
以往关于抗生素存在及其对生态系统潜在影响的研究主要集中在采样和实验室分析上（Tong等，2022）。然而，用于监测的现场采样活动成本高昂、耗时且难以持续（Stock等，2019）。此外，大型水体中采样点有限，难以全面了解整个研究区域内污染物在时间和空间上的动态分布（Chapra，2008）。因此，数值模拟污染物在水环境中的迁移和转化过程已成为研究ECs的重要工具（Tong等，2025）。然而，现有的水文模型（如SWAT、Delft3D、MIKE系列）在研究ECs方面仍存在挑战。主要问题是许多模型孤立地模拟ECs的迁移过程，未能捕捉到它们与藻类爆发等环境压力因素的复杂相互作用。尽管通过扩展传统富营养化模块加入吸附和降解等ECs机制开发了综合方法（Tong等，2022），但这些方法往往缺乏模拟协同效应所需的动态耦合，导致在评估富营养化和抗生素等复合风险时出现偏差。
近期建模研究探讨了YCWDP对水质指标（如营养物质、溶解氧和叶绿素-a）改善的积极作用（Peng等，2021；Wang等，2023），但该工程对湖泊中抗生素迁移、转化和环境风险的影响仍缺乏深入研究。因此，开展建模研究对于探讨不同调水方案下YCWDP对巢湖中抗生素时空分布的影响程度至关重要。
本研究旨在利用基于过程的流体动力学-环境模型，评估YCWDP影响下巢湖富营养化过程、代表性抗生素四环素及其相关生态风险的变化动态。该模型模拟了与富营养化和抗生素行为相关的流体动力学和生物地球化学过程，并根据现场采样数据进行了校准。研究重点评估了巢湖中的两个主要环境风险：（1）富营养化状况，通过营养级指数（TLI）和Carlson营养状态指数（TSI）进行量化；（2）抗生素污染带来的生态风险，包括直接毒性效应和抗菌素耐药性（AMR）的发展潜力。设计了两种数值情景，以比较不同调水方案下富营养化和抗生素相关生态风险的响应。这些情景有助于评估不同入水路径对巢湖中营养物质和抗生素时空分布的影响，为优化调水策略和降低环境风险提供宝贵见解。
部分摘录
采样和环境数据集
巢湖是中国五大淡水湖之一（图1），其水源主要来自流域内的10条支流（He等，2023）。巢湖流域内的土地利用情况详见图S1。湖泊被分为东西两部分，由慕山岛分隔。相应地，流入湖泊的河流被分为西线河流和东线河流。采样工作在支流（R1-R10）进行模型性能
模型整体性能及评估指标详见表1。预测的流体动力学结果与实际观测水位高度吻合（图S5），水位的相关系数（NSE）为0.80，水温的相关系数为0.94，RMSE和ARD值均较低，表明预测结果准确。因此，该流体动力学模型能够真实反映巢湖的流体动力学特征，适用于后续模拟结论
模型在流体动力学、富营养化和代表性抗生素四环素模拟方面表现出良好的预测性能，关键参数的相关系数、RMSE和ARD值均令人满意。模拟结果显示，四环素的时空分布与营养物质分布密切相关，夏季生态风险较高。营养物质水平表明湖泊处于轻度至中度富营养化状态。
作者贡献声明
陈一涵：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资金获取、概念构思。胡双刚：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、数据收集、数据分析。杨永杰：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、数据收集。崔康平：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取。朱超：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取。张敏：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。致谢
作者感谢国家自然科学青年科学基金（项目编号：42007330、72104164）、中央高校基本科研业务费（项目编号：JZ2024HGTG0290）以及城市水资源与环境国家重点实验室的开放项目（项目编号：ES202124）的财政支持。童迅能博士还获得了香港城市大学的新教师启动基金（项目编号：9610723）和海洋国家重点实验室的资助
