施芊蕓,錢 新,高海龍,李慧明

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貢湖生態(tài)修復區(qū)水質(zhì)凈化模擬與凈化能力

施芊蕓,錢 新*,高海龍,李慧明

(南京大學環(huán)境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210023)

利用三維水質(zhì)模型,對藻類生長以及沉水植物(穗花狐尾藻、菹草、苦草)的生長和分布進行模擬,探討春、夏不同季節(jié)情況下,貢湖生態(tài)修復區(qū)對流域內(nèi)流入的氮、磷污染負荷的凈化效果,旨在進一步定量地揭示沉水植物對富營養(yǎng)化水體凈化的重要作用.結果表明貢湖生態(tài)修復區(qū)夏季(7~9月)出水口IV類水水質(zhì)達標率略優(yōu)于春季(3~5月),主要體現(xiàn)在春季氮、磷污染負荷流入,刺激藻類生長,葉綠素a濃度較高;夏季沉水植物生長旺盛,能夠與藻類競爭營養(yǎng)鹽,從而抑制藻類生長.考慮氮磷污染物流入湖體的后續(xù)效應,180d內(nèi)春季貢湖生態(tài)修復區(qū)總氮、總磷平均稀釋凈化效率分別為74.76%和71.00%,180d內(nèi)夏季貢湖生態(tài)修復區(qū)總氮、總磷平均稀釋凈化效率分別為73.20%和64.65%.修復區(qū)最大凈化能力估算結果為加強生態(tài)修復區(qū)的管理,保障清水還湖水質(zhì)提供了參考依據(jù).

三維水質(zhì)模型；沉水植物模擬；營養(yǎng)鹽；凈化能力

隨著我國經(jīng)濟和社會發(fā)展,湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重,水生態(tài)系統(tǒng)退化加劇,常伴有水華現(xiàn)象[1].通過恢復沉水植物對湖泊富營養(yǎng)化水體進行一定程度上的凈化,降低水體中營養(yǎng)鹽含量和藻類生物量成為一種改善湖泊富營養(yǎng)化的重要思路[2-3].近年來,生態(tài)修復工程建設越來越多,規(guī)模逐步擴大,與此同時,針對人工生態(tài)系統(tǒng)恢復效果評估研究較少,缺少實用的生態(tài)、水質(zhì)預測和評價工具.

沉水植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,對維護生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能、改善水環(huán)境具有重要的作用.它能夠吸收水體中氮磷等營養(yǎng)鹽[4],吸附水體中固體懸浮物,減少底泥再懸浮[5];改善水下溶解氧[6];為降解微生物和水生生物提供棲息場所,增加水體空間生態(tài)位[7-8];從而提高濕地、湖泊生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力,穩(wěn)定水生態(tài)系統(tǒng)結構和功能.沉水植物生長受到光照、溫度、營養(yǎng)鹽和自遮蔽等因素影響[9-11],帶有沉水植物模塊的生態(tài)模型逐漸被應用于湖泊生態(tài)修復研究中.早期,Asaeda等[12]通過構建動態(tài)模型模擬沉水植物全年生長周期,應用于荷蘭Lake Veluwe;Xu等[13-14]構建巢湖生態(tài)模型對沉水植物進行模擬.近年來,生態(tài)模型逐漸被應用于湖泊總氮、總磷年自凈能力的計算[15]以及湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化等研究[16].但是,現(xiàn)有的評估模型較少考慮沉水植物,或只能模擬單一物種,對多種沉水植物及其群落模擬研究缺乏.

本文針對貢湖生態(tài)修復區(qū)藻類生長、多種沉水植物生長和分布及其相互作用影響進行模擬.通過模型情景分析,比較不同季節(jié)生態(tài)修復區(qū)對入流營養(yǎng)鹽的凈化效果,預測最佳調(diào)水季節(jié)、可容納污染負荷量以及該條件下的清水還湖的最大能力,為人工生態(tài)修復區(qū)提供了實用的模型評估方法,為貢湖生態(tài)修復區(qū)的生態(tài)管理和維護提供最佳方案和科學參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

貢湖生態(tài)修復區(qū)(31°26'~31°27'N,120°19'~ 120°20'E)位于太湖貢湖灣北岸,總面積達到2.32km2.太湖貢湖屬亞熱帶氣候,氣候溫和濕潤,四季分明,雨量充足,年均降雨量1016mm,日照較強,全年無雨期達230d.生態(tài)修復區(qū)北鄰親水河,通過許仙港與典基港補親水河的水入生態(tài)修復區(qū).南部通過一個雙向的閘門與太湖連通,在生態(tài)修復區(qū)水質(zhì)較好并且較為穩(wěn)定的時候,開閘與太湖連通,達到為太湖輸送清水的功能.該地區(qū)原來存在著大量魚塘,水質(zhì)污染較為嚴重,生態(tài)環(huán)境較差.該修復區(qū)通過一系列修復工程已逐漸穩(wěn)定為草型湖泊,且湖泊水質(zhì)穩(wěn)定在III類水,具有凈化入湖河流所帶來的污染負荷的功能,但該修復區(qū)的凈化功能會隨不同季節(jié)發(fā)生變化.為分析不同水深區(qū)對沉水植物生長的影響,將生態(tài)修復區(qū)分為淺水區(qū)、中等水深區(qū)、深水區(qū),面積比例約為1:1:1.5,各水深區(qū)設置1個監(jiān)測點S1、S2、S3,初始水深分別為0.8,2.4和3.2m.

圖1 貢湖生態(tài)修復區(qū)及采樣點示意

1.許仙港;2.典基港;3.七號橋

1.2 IWIND三維水動力水質(zhì)模型

本研究采用的IWIND模型軟件以EFDC作為計算內(nèi)核,包括水動力模塊、泥沙運輸模塊、富營養(yǎng)化模塊和沉積物模塊,富營養(yǎng)化模塊中包含水生植被模塊,模擬光衰減、附生植物、藻類對沉水植物的遮蔽作用,還有魚類捕食、自身腐解沉降到底泥,再被植物吸收的一個循環(huán)過程[8].

沉水植物是該模型模擬的一個重要模塊,沉水植物主要通過營養(yǎng)物質(zhì)的競爭和防止底泥再懸浮限制藻類的生長,而控制沉水植物生長的關鍵因子包括:可見光、營養(yǎng)物質(zhì)、底泥特性及溫度,沉水植物生長方程可表示如下:

m=PMm×1()×2()×3()×4()×5(1)

式中:m為沉水植物生長速率,d-1;PMm為沉水植物最大生長速率,d-1;1()為沉水植物生長的營養(yǎng)鹽限制系數(shù),0￡1￡1;2()為沉水植物生長的光照限制系數(shù),0￡2￡1;3()為沉水植物生長的溫度限制系數(shù),0￡3￡1;4()為沉水植物生長的鹽度影響系數(shù),0￡4￡1;5為沉水植物生長的自遮蔽系數(shù),0￡5￡1.

沉水植物呼吸作用損耗計算公式如下:

mBMRmexp(KTBm[TRm]) (2)

式中:m為沉水植物的呼吸作用速率,d-1; BMRm為沉水植物在TRm時的基礎呼吸作用速率, d-1;KTBm為溫度對水生植物呼吸作用的影響, ℃-1;是水動力模型給出的溫度,℃;TRm為水生植物呼吸作用的基準溫度,℃.

1.2.1 模型構建 模型是基于有限差分求解水動力方程的數(shù)值模擬系統(tǒng),整個貢湖生態(tài)修復區(qū)劃分為759個35m′45m矩形網(wǎng)格,垂向采用坐標,分為兩層,各層所占的水深比例均為0.5.

在生態(tài)修復區(qū)中,選取監(jiān)測點S1、S2、S3每月采集水樣和沉水植物樣品,時間為2014年3月~2016年3月.監(jiān)測水溫、濁度、透明度、總氮、總磷、氨氮、硝態(tài)氮、正磷酸鹽等水質(zhì)指標. 水質(zhì)初始條件采用實測數(shù)據(jù).沉水植物使用抓斗式采草器(PGS-611)采集,采集面積0.20m2,每個點位采集2次,編號裝袋運回實驗室.對沉水植物進行清洗并去除多余水分后,各采樣點進行種類劃分并稱重(濕重),最后換算成每平方米面積內(nèi)各沉水植物的重量(濕重).選取作為優(yōu)勢種的穗花狐尾藻(L.)、菹草()和苦草()作為優(yōu)勢種代表進行模擬,各沉水植物濕重單位g/m2根據(jù)生長型按比例轉(zhuǎn)化為gC/m2后輸入模型.模型從2014年3月25日開始計算,時間步長60s,模擬周期為1年.

圖2 模型計算條件和模型網(wǎng)格

貢湖生態(tài)修復區(qū)設有氣象站,監(jiān)測數(shù)據(jù)包括氣壓、氣溫、相對濕度、降雨、蒸發(fā)、云量、輻射,氣象條件數(shù)據(jù)為每小時一次.許仙港雙向調(diào)水泵站2臺7.5kw混流泵每天最大調(diào)水量1.72萬m3,典基港1臺600m3/h潛流泵最大調(diào)水量可達1.44萬m3,調(diào)水水質(zhì)為V類水.2014年3月~2015年3月模型的計算條件及模型網(wǎng)格如圖2所示.

1.2.2 模型參數(shù)及模型率定 根據(jù)3個實測采樣點的實測數(shù)據(jù)進行模型率定和驗證.模型選擇2014年3月~2015年3月數(shù)據(jù)用于校正,2015年3月~2016年3月數(shù)據(jù)用于驗證.用于校正和驗證的變量包括葉綠素a、總磷、總氮和沉水植物生物量.沉水植物主要參數(shù)設置如表1所示.

表1 沉水植物參數(shù)取值

圖3 水質(zhì)和沉水植物模型驗證結果

本文模型的校正包括水動力模塊和水質(zhì)模塊的參數(shù)率定,根據(jù)參數(shù)閾值范圍調(diào)整關鍵參數(shù),使得模擬值與觀測值之間的差距最小.貢湖生態(tài)修復區(qū)水位和溫度模擬值與觀測值具有很好的一致性(圖2),說明該模型能夠準確反映貢湖生態(tài)修復區(qū)水動力情況.

2014年3月~2015年3月模型率定結果: Chl-a、TN、TP、穗花狐尾藻、菹草、苦草在淺水區(qū)的模擬值與實測值吻合較好,2分別為0.79、0.64、0.37、0.90、0.95和0.87,其中TN、TP取2014年3月~2014年10月數(shù)據(jù);中等水深區(qū)Chl-a、TN、TP、穗花狐尾藻2分別為0.79、0.19、0.51和0.24;深水區(qū)Chl-a、TN、TP、穗花狐尾藻2分別為0.73、0.39、0.53和0.56. 2015年3月~2016年3月數(shù)據(jù)用于模型驗證,水質(zhì)和水生植物生物量模型驗證結果如圖3所示.總體看,通過校準和驗證后的模型能夠準確反映出貢湖生態(tài)修復區(qū)的水動力和水質(zhì)過程.

1.2.3 模型運行方案 為定量分析不同季節(jié)(春季、夏季)生態(tài)修復區(qū)的凈化能力的差異,本研究設置2個情景.情景一:春季污染物入湖時間為3月25日~6月24日(3個月);情景二:夏季污染物入湖時間為7月1日~9月30日(3個月).兩種情景均采用即排即出方式調(diào)水,入湖流量許仙港0.20m3/s、典基港0.16m3/s.由于流入修復區(qū)的氮、磷污染物經(jīng)入湖前攔截凈化處理,不超過V類水標準,為探究修復區(qū)氮磷最大負荷量,入流水質(zhì)設定為V類水(總氮2.0mg/L、總磷0.2mg/L、葉綠素a 0.065mg/L)[17-18],修復區(qū)水力停留時間約為64d.

1.3 污染負荷及稀釋凈化效率計算

修復區(qū)對入流富營養(yǎng)化水體營養(yǎng)鹽有攔截、稀釋、凈化的作用.稀釋凈化效率指同一時刻,入水口流入的氮磷污染負荷和出水口流出氮磷污染負荷之間的差值與入流氮磷污染負荷的比值.貢湖生態(tài)修復區(qū)對流域內(nèi)流入的TN、TP的稀釋凈化效率計算方法如下:

=(M-0)/M=(QC-00)/(QC)(3)

式中:M,0分別為入/出湖污染負荷,mg/d;Q,0分別為入/出湖流量,m3/d;C,0分別為入/出湖水質(zhì)濃度,mg/L;為貢湖生態(tài)修復區(qū)TN、TP稀釋凈化效率,%. Q,C由模型邊界條件獲得,0,0為模型七號橋出水口水質(zhì)數(shù)據(jù).

2 結果與討論

2.1 不同季節(jié)修復區(qū)出流口水質(zhì)指標對比

通過對春、夏不同季節(jié)氮、磷負荷流入貢湖生態(tài)修復區(qū)的兩種情景模擬,考慮流入的氮磷負荷對生態(tài)修復區(qū)沉水植物及水質(zhì)凈化的后續(xù)效應的影響,兩種情景半年內(nèi)(春季3~8月,夏季7~12月,各180d)修復區(qū)出水口葉綠素a (Chl- a)、總氮(TN)、總磷(TP)的半年平均值如表2所示.

通過模擬春季、夏季兩種情景下氮磷污染流入后生態(tài)修復區(qū)沉水植物的凈化作用,以IV類水達標率作為評價凈化效果的指標.計算可知,氮磷負荷在春季(3~5月)流入后,半年內(nèi)出水口IV類水達標天數(shù)占79.29%;氮磷負荷在夏季(7~9月)流入后,半年內(nèi)出水口IV類水達標天數(shù)占81.34%,生態(tài)修復區(qū)夏季情景下出水口水質(zhì)達標率略優(yōu)于春季.

表2 出水口水質(zhì)指標

2.2 不同季節(jié)修復區(qū)稀釋凈化效率比較

圖4表示不同水深區(qū)在春季和夏季情景下,3個月污染物流入期間(90d)和半年內(nèi)(180d)葉綠素a(Chl-a)、總氮(TN)、總磷(TP)和沉水植物生物量(SAV)的平均值.

圖4 春夏不同季節(jié)水質(zhì)和沉水植物生物量

結果表明,不同水深區(qū)Chl-a濃度春季90d內(nèi)平均值和夏季90d內(nèi)平均值大致相同,但是考慮生態(tài)修復區(qū)沉水植物生長凈化的后續(xù)效應,Chl-a濃度春季180d內(nèi)平均值高于夏季180d內(nèi)平均值,生態(tài)修復區(qū)春季凈化能力低于夏季.春季湖體營養(yǎng)鹽濃度過高,沉水植物生物量還未達到峰值,會刺激藻類生長,抑制此后沉水植物的生長[19].180d內(nèi)春季貢湖生態(tài)修復區(qū)總氮、總磷平均稀釋凈化效率分別為74.76%和71.00%,180天內(nèi)夏季貢湖生態(tài)修復區(qū)總氮、總磷平均稀釋凈化效率分別為73.20%和64.65%.不同水深區(qū)TN、TP濃度半年內(nèi)平均值均為夏季高于春季,這是由于11~12月處于沉水植物衰亡期,會釋放N、P營養(yǎng)鹽[20-22],并且較少的沉水植物使得修復區(qū)凈化能力減弱.

淺水區(qū)沉水植物夏季90d和180d平均生物量分別為768.7和621.6g/m2,遠高于春季平均生物量334.9和281.5g/m2,而中等水深區(qū)和深水區(qū)夏季180d平均生物量分別為83.7和32.9g/m2,春季則為119.2和92.1g/m2,夏季沉水平均生物量低于春季.這是因為淺水區(qū)由于光照充足,沉水植物受光照限制較少,若不受藻類遮蔽,在夏季能夠大量生長;而在中等水深區(qū)和深水區(qū),穗花狐尾藻、菹草、苦草受光照限制,生物量較淺水區(qū)減少,沉水植物生長旺盛期在5~9月,11~12月穗花狐尾藻、苦草衰亡,所以在中等水深區(qū)和深水區(qū)后期沉水植物生物量明顯下降.

利用模型模擬流域內(nèi)高濃度氮磷污染物(V類水)持續(xù)流入生態(tài)修復區(qū),保持每日流量與情景一、二相同,出流口閘門保持開放,設置情景三、四.情景三:春季氮磷污染物開始流入生態(tài)修復區(qū),時間3月25日~11月25日(8個月);情景四:夏季氮磷污染物開始流入生態(tài)修復區(qū),時間7月1日~11月25日(5個月).圖5由公式(3)計算可得,表示不同季節(jié)(春季、夏季)氮磷污染物流入生態(tài)修復區(qū)后,生態(tài)修復區(qū)稀釋凈化效率.總體而言,不同季節(jié)氮磷污染物流入生態(tài)修復區(qū)后,生態(tài)修復區(qū)的凈化效率具有明顯差異,生態(tài)修復區(qū)對夏季流入的氮磷污染物的凈化效率,高于春季流入氮磷污染物的凈化效率.由于在春季(3月25日開始)氮、磷營養(yǎng)鹽流入初期,流入的氮磷污染物還未達到出水口,加上春季菹草開始大量生長,對氮吸收能力增強[21],所以修復區(qū)在前一個月內(nèi)TN稀釋凈化效率處于上升階段,TN去除率達到80%左右;隨著氮磷污染物流入,并達到出水口,TN、TP凈化效率迅速下降,大約在6月25日左右,TN、TP的稀釋凈化效率分別下降至60%和54.6%.此后,暖季型沉水植物在7~9月達到最高值,對TN、TP的吸收能力增強,使得TN、TP的稀釋凈化效率保持一個較為平穩(wěn)的狀態(tài),TN稀釋凈化效率在60%~70%,TP的稀釋凈化效率在50%左右.然而,夏季(7月1日開始)氮磷營養(yǎng)鹽流入生態(tài)修復區(qū)時,由于修復區(qū)沉水植物生物量比春季大,處于生長旺盛期,吸收氮磷營養(yǎng)鹽的能力很強.生態(tài)修復區(qū)夏季初始TN、TP含量很低稀釋能力強,導致7月初出水口TN、TP稀釋凈化效率已分別達到82%和92%,流域內(nèi)氮磷營養(yǎng)鹽的流入,生態(tài)修復區(qū)水質(zhì)變差,出水口的凈化效率不斷下降,但始終夏季情境下TN、TP平均稀釋凈化效率大于春季情景.此外,10月中下旬,沉水植物逐漸進入衰亡期,氮磷吸收能力下降,并逐漸腐解釋放氮、磷、有機質(zhì)等物質(zhì),生態(tài)修復區(qū)凈化效率下降更為迅速.楊小紅等[23]研究表明,植物的腐敗死亡對水體中總氮含量影響不大,對總磷含量的影響大,并且菹草對TN的去除率高于對TP的去除率.這一結論與11~12月模擬結果,出水口TP凈化效率下降速率高于TN凈化效率相一致.

2.3 修復區(qū)最大凈化能力估算

在出水口水質(zhì)滿足IV類水的條件下,生態(tài)修復區(qū)所能容納的上游氮磷污染負荷為修復區(qū)最大允許負荷量,這段時間內(nèi)出水口流出的總水量為該條件下修復區(qū)的可凈化水量.

上述分析表明,夏季流域內(nèi)氮磷污染物流入生態(tài)修復區(qū),沉水植物生長旺盛,修復區(qū)抗外部脅迫能力較強,修復區(qū)的凈化效率較高,確定夏季為最佳調(diào)水季節(jié).為了盡可能提高生態(tài)修復區(qū)的凈化效率,為外太湖輸送更多清水,模型以夏季情景為例,模擬氮磷污染物持續(xù)流入生態(tài)修復區(qū)1個月(7月)、2個月(7~8月)、3個月(7~9月)……9個月(7月~次年3月)9種情景,保證入流流量和水質(zhì)V類水不變,得到修復區(qū)在確保出水水質(zhì)IV類水的情況下,修復區(qū)最大允許負荷量和可凈化水量.

圖6 不同入流時長下出水口水質(zhì)指標濃度

圖6表示氮磷污染物7月開始流入貢湖生態(tài)修復區(qū)后,9種情景下,貢湖生態(tài)修復區(qū)出水口Chl-a、TN、TP在該調(diào)水時長下以及后期停止調(diào)水后濃度變化情況.結果表明,Chl-a在9種模擬情景下全年幾乎均低于30μg/L,高于IV類水標準(30μg/L),9~11月存在略高于IV類水標準的情況,但遠低于V類水65μg/L,低于藍藻可能暴發(fā)限值50μg/L,且隨后較短時間內(nèi)濃度下降;TN在氮磷污染物持續(xù)流入修復區(qū)小于等于6個月時,出水口TN濃度穩(wěn)定控制在IV類水標準(1.5mg/L)以上;TP在氮磷污染物持續(xù)流入修復區(qū)小于等于4個月時,出水口TP濃度基本控制在IV類水標準(0.1mg/L),出水口TP濃度最高達到0.11mg/L.當?shù)孜廴疚镌?月1日~10月31日4個月持續(xù)流入生態(tài)修復區(qū),修復區(qū)最大允許負荷量TN和TP分別為7.87t/a和0.79t/a,可凈化水量約為393.56萬m3/a.

3 結論

3.1 貢湖生態(tài)修復區(qū)夏季(7~9月)出水口IV類水水質(zhì)達標率略優(yōu)于春季(3~5月),主要體現(xiàn)在春季氮、磷污染負荷流入,刺激藻類大量生長,葉綠素a濃度較高;夏季沉水植物生長旺盛,能夠與藻類競爭營養(yǎng)鹽,從而抑制藻類生長.

3.2 考慮氮磷污染物流入湖體的后續(xù)效應, 180d內(nèi)春季貢湖生態(tài)修復區(qū)總氮、總磷平均稀釋凈化效率分別為74.76%和71.00%,180d內(nèi)夏季貢湖生態(tài)修復區(qū)總氮、總磷平均稀釋凈化效率分別為73.20%和64.65%.180d內(nèi)春季貢湖生態(tài)修復區(qū)對總氮和總磷的平均稀釋凈化效率高于夏季,可能是由于11~12月處于沉水植物衰亡期,會釋放N、P營養(yǎng)鹽使得修復區(qū)凈化能力降低.

3.3 為盡可能提高生態(tài)修復區(qū)的凈化效率,實現(xiàn)“清水再造”的最大還湖量并保證出水IV類水質(zhì),管理部門可采用“即排即出”的方式進行“清水還湖”,持續(xù)時間為7月~10月底.該情景下,利用模型估算可得,貢湖生態(tài)修復區(qū)最大允許負荷量TN和TP分別為7.87和0.79t/a,可凈化水量約為393.56萬m3/a.

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Numerical simulation of water purification and estimation of purifying capacity in Gonghu ecological restoration area.

SHI Qian-yun, QIAN Xin*, GAO Hai-long, LI Hui-ming

(State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210023, China)., 2018,38(5)：1878~1885

Using 3D water quality model, we simulated the growth of algae and the growth and the distribution of submerged macrophytes (L.,,) and compared the effect of water purification of nutrients in Gonghu ecological restoration area in spring and summer, aiming at further quantitatively revealing the important role of submerged macrophytes in the purification of eutrophic water bodies. The results showed that: The class IV water attainment rate of the ecological area discharge in summer (July~September) is higher than that in spring (March-May). In spring, the algae grow fast with the nitrogen and phosphorus nutrients inflowing, which can result in a higher concentration of chlorophyll a. However, a large amount of submerged macrophytes can complete with algae for nutrients, thereby inhibiting algal growth. Considering the follow-up effect of nutrients inflowing, the average dilution and purification efficiency of total nitrogen and total phosphorus in Gonghu ecological restoration area were 74.76% and 71.00% respectively in 180days when the nutrients inflowed in spring, and 73.20% and 64.65 % when the nutrients inflowed in summer. The estimation results of the maximum purifying capacity can provide a reference for strengthening the management of ecological restoration area and ensuring the water quality of the lake.

3D water quality model；submerged macrophyte simulation；nutrient；purifying capacity

X524

A

1000-6923(2018)05-1878-08

2017-09-18

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07101014)

* 責任作者, 教授, xqian@nju.edu.cn

施芊蕓(1992-),女,江蘇南京人,南京大學碩士研究生,主要從事水污染治理與模擬研究.發(fā)表論文1篇.