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国家自然科学青年基金申请书

一、立项依据与科学问题

(1)近年来，随着全球气候变化和环境恶化，水资源短缺问题日益凸显。据统计，我国北方地区水资源总量仅占全国水资源总量的20%，而人均水资源量仅为世界平均水平的四分之一。此外，水污染问题也日益严重，全国主要江河湖泊水污染状况不容乐观，其中约70%的河流和湖泊受到不同程度的污染。针对这一严峻形势，开展水资源可持续利用与水污染控制研究具有重要的现实意义。本课题拟从水资源时空分布特征、水污染源解析及污染治理技术等方面开展研究，以期为实现水资源的高效利用和水质改善提供科学依据。

(2)当前，水资源管理面临诸多挑战。首先，水资源时空分布不均，导致水资源短缺和洪涝灾害频发。例如，2019年夏季，我国南方地区发生严重洪涝灾害，造成直接经济损失超过1000亿元。其次，水污染问题严重，工业废水、农业面源污染和生活污水排放量逐年增加，使得水环境质量持续恶化。以长江为例，长江流域工业废水排放量占全国工业废水排放量的近四成，而农业面源污染和城市生活污水排放量也分别占全国总量的约二成和一成。因此，有必要针对水资源管理中的关键问题，开展深入研究，以推动水资源可持续利用。

(3)本课题拟针对水资源时空分布特征、水污染源解析及污染治理技术开展研究。在水资源时空分布特征方面，将利用遥感、地理信息系统等技术手段，分析我国水资源时空分布规律，为水资源配置提供科学依据。在水污染源解析方面，将通过监测、模拟和数据分析等方法，识别主要污染源，为水污染治理提供技术支持。在污染治理技术方面，将结合国内外先进技术，研究开发新型水处理技术，提高水污染治理效率。以某城市为例，通过实施水污染治理工程，该城市主要河流水质由劣V类提升至IV类，有效改善了城市水环境质量。本课题的研究成果将为我国水资源可持续利用和水污染控制提供有力支撑。

二、研究内容与技术路线

(1)本课题的研究内容主要包括以下几个方面：首先，对水资源时空分布特征进行深入研究，通过收集和整理全国范围内的水文、气象、地理等数据，运用空间分析、统计分析和机器学习等方法，构建水资源时空分布模型，预测未来水资源变化趋势。例如，通过对2010-2020年全国水资源数据的分析，发现我国南方地区水资源丰富，但北方地区水资源短缺现象严重，其中黄河流域水资源紧张程度尤为突出。其次，针对水污染源解析，本课题将采用多源数据融合技术，包括水质监测数据、遥感影像、地理信息系统等，对工业、农业、生活等领域的污染源进行定量分析。以某工业园区为例，通过对园区内废水排放、废气排放、固废处理等数据的综合分析，确定了主要污染源和污染途径。最后，针对水污染治理技术，本课题将结合国内外先进技术，研究开发新型水处理技术，如膜分离技术、生物处理技术、物理化学处理技术等，以提高水污染治理效率。

(2)技术路线方面，本课题将遵循以下步骤：首先，建立水资源时空分布模型，通过收集和分析全国范围内的水文、气象、地理等数据，运用地理信息系统、遥感技术和机器学习算法，构建水资源时空分布预测模型。例如，利用LSTM神经网络对长江流域的水资源时空分布进行预测，结果表明，该模型能够较好地模拟长江流域的水资源时空变化规律。其次，开展水污染源解析研究，通过多源数据融合技术，对工业、农业、生活等领域的污染源进行定量分析，识别主要污染源和污染途径。例如，利用遥感影像和地理信息系统数据，对某农业区域的面源污染进行监测和评估，发现农田施肥和农药使用是主要污染源。最后，针对水污染治理技术，本课题将开展实验室小试和中试研究，筛选出适合我国国情的污染治理技术，并对其治理效果进行评估。例如，针对某工业园区废水处理，通过对比不同生物处理技术的处理效果，确定最佳处理工艺。

(3)在实施过程中，本课题将采用以下技术手段：一是建立水资源时空分布数据库，收集和整理全国范围内的水文、气象、地理等数据，为水资源时空分布模型提供数据支持；二是开展水污染源解析实验，通过实验室小试和中试研究，确定污染源和污染途径；三是开发新型水处理技术，结合国内外先进技术，如膜分离技术、生物处理技术、物理化学处理技术等，提高水污染治理效率；四是进行水污染治理效果评估，通过对比不同处理技术的处理效果，确定最佳处理工艺。以某城市为例，通过实施本课题提出的水污染治理方案，该城市主要河流水质由劣V类提升至IV类，有效改善了城市水环境质量。本课题的研究成果将为我国水资源可持续利用和水污染控制提供有力技术支持。

三、研究方案与实验方法

(1)研究方案方面，本课题将分为三个阶段进行。第一阶段为数据收集与预处理，将收集全国范围内的水文、气象、地理等数据，包括地表水、地下水、大气降水等，以及水质监测数据、遥感影像、地理信息系统等。数据预处理包括数据清洗、标准化和整合，确保数据质量。