基于复杂网络同步特征的水华暴发数值模型

基于复杂网络的同步特征和藻类动力学生长特性, 以汉江近年来水华污染的现场监测资料为例, 并结合氮磷浓度、水温等实测数据构建了水华暴发的数值模型, 用以描述藻类生长和水华暴发的动力学机制; 同时, 利用达到指定藻生物量临界值的网格数规模作为判定水域是否暴发水华以及规模大小的依据, 从复杂网络同步特性的角度验证了水华暴发的临界性和全局突发性, 进而揭示了水华暴发现象是水域子区域整体协同作用的结果. 计算结果表明, 如果达到临界值的网格数超过指定的规模, 相应水域将暴发水华, 且网格达到峰值状态持续的时间越长, 水华污染越严重.     

模拟消落带水华暴发行为的数值沙堆模型

以长江最大支流汉江近年来水华污染的现场资料为例,通过氮磷浓度、水温、流速和光照等实测数据构建了消落带开放水域环境体系的数值沙堆模型,描述了藻类生长及水华暴发的动力学机制;利用数值沙堆系统崩塌行为反映出的频率-尺度幂律关系作为判断消落带水域是否暴发水华以及规模大小的依据,采用有限尺度标度分析从不同侧面验证了水华暴发系统的自组织临界性,并揭示出各种拟合参数与水华暴发规模之间的定量关系.研究表明,沙堆模型如果存在良好的幂律关系,相应的消落带水域将暴发水华,且幂律指数越大,水华污染程度越严重.     

香溪河夏季水华暴发差异性研究及其机制分析

三峡水库支流水华已成广泛关注问题,香溪河在同一时期不同空间暴发了不同藻类水华。2017年6-7月对香溪河水华藻种进行连续跟踪监测,分析水华藻种和环境因子的变化及其关系。结果表明:香溪河总氮平均浓度为2.212 mg/L,总磷平均浓度为0.071 mg/L,表层水温在24.95～29.93℃之间。总磷浓度从上游到下游呈递减趋势,总氮从上游到下游呈递增趋势。监测期间中下游暴发了蓝藻水华,叶绿素a最高浓度为69.62μg/L;上游暴发了甲藻水华,叶绿素a最高浓度为100.56μg/L,水华的优势藻种呈现空间差异性。这种藻类空间分布的差异性主要受中层倒灌异重流影响,倒灌的范围同时也决定了2种水华的暴发范围。中下游水体高浓度氮与中层倒灌异重流是蓝藻水华暴发的关键。上游区间具有特殊的循环水流与高浓度磷是甲藻水华暴发的关键。     

巢湖水华暴发期水-沉积物界面溶解性氮形态的变化

2008年4~10月,连续对巢湖8个样点进行采样,分析了上覆水和表层沉积物间隙水中溶解性氮形态在水华暴发过程中的变化,估算了水-沉积物界面无机氮的扩散通量.结果表明,上覆水中NH4+-N含量随水华暴发强度的增加而减小,溶解性总氮(DTN)含量在水华暴发后明显升高,而NO3--N含量只在水华暴发严重时才明显减少.在大规模水华暴发前(4~5月)上覆水中DTN的主要组成部分是NO3--N和NH4+-N,在水华暴发后则是溶解性有机氮(DON).间隙水中PDTN以NH4+-N为主,其浓度随温度的增加而升高; DON在水华暴发过程中呈先下降后上升的趋势.通量计算结果表明,沉积物作为NH4+-N的“源”一直由间隙水向上覆水释放,西半湖扩散通量在13.06~32.94mg/(m2·d)之间,东半湖扩散通量在4.54~17.41mg/(m2·d)之间.沉积物-水界面交换是湖泊营养盐重要的补充途径,为水华持续暴发提供营养来源.     

汉江下游河流型水华暴发的多影响要素特征识别

水体富营养化通常发生于湖泊和水库等闭合水域,在大型流动性河流中通常较少发生.然而,随着近年来人类活动的干扰,汉江中下游水华事件频繁暴发,给沿岸居民的饮用水安全带来了严重隐患.科学辨识可能导致汉江下游水华暴发的多要素变化特征,是揭示河流水华成因和优化上游水利工程调度的重要依据.基于收集的汉江流域下游气象、水文、水环境和水生态长序列数据,系统检测了可能导致汉江河流型水华暴发的多要素特征和不同时期的变化差异.结果表明:①汉江中下游降雨量（1961-2015年）下降、气温（1961-2012年）显著上升,汉江流域近50年气候逐渐呈现暖干的变化趋势.②1992-2013年汉江中下游径流变化呈显著下降趋势,在水华严重暴发的2008-2011年,汉江干流中下游主要断面年均流量和水位均处于历史上相对较低的一段时期.③2004-2014年汉江下游主要水环境指标变化趋势不显著,但总体水质状况较差,水华年ρ（COD_Mn）和ρ（TP）明显高于非水华年.④汉江水华暴发季节时间自2008年后有明显前移趋势,每年春季的2月中下旬-3月中旬将是水华暴发的重点防控时段.研究显示,汉江下游藻密度的变化相对于营养盐和水文情势要素更加敏感,在不同水华暴发时期的差异也最为显著,是导致河流型水华暴发的主要驱动因素.      

环境因子对水华暴发的影响研究

水华是当水体藻类开始大量生长和繁殖并且聚集,最终达到一定浓度的现象。综述国内大型浅水湖泊及水库中影响水华暴发的环境因素的研究现状,分析水体营养条件以及适宜的气象、水文、生物条件等有利于藻类生长或聚集的环境影响因子,同时简介中国水华污染现状。对水华暴发研究领域的未来发展具有一定参考价值。     

基于多重优化灰色模型的三峡库区香溪河支流回水区水华变化趋势预测研究

三峡水库蓄水后,支流香溪河夏季水体富营养化严重,水华现象暴发频繁,水质污染严重.为预知香溪河库湾水华暴发程度与分布区域,以叶绿素-a为指标,引入灰色伯努利模型,并运用参数优化、含参马尔科夫误差修正、子序列独立优化等多重优化理论对模型进行改进,验证模型的优化效果.同时,利用该优化模型对2015年夏季香溪河近10个点位的叶绿素-a平均浓度变化趋势进行短期预测,结果表明,预测值与实际值相差较小,该模型能够基本反映香溪河近几年的水华变化趋势,目前香溪河库湾XX06~XX08和XX02点位区域分别为水华暴发高危区和局部次高危区,叶绿素-a浓度远高于水华阈值,有较高的水华暴发风险.与传统灰色预测相比,该预测方法的精确度和对波动序列的适应性更好.     

城市大型水库水华发生预警及管理模型研究

以一座典型的供水防洪城市大型水库为研究对象,采用决策树方法,构建其水华发生预警及管理模型。结果显示,该水库水体叶绿素浓度水平受多重因素的影响,其中,总磷、氮磷比及调水量对水库水体叶绿素水平的影响最大,其次为水温和溶解氧。叶绿素浓度与氮磷比值之间存在显著的正相关关系(R~2=0.25)。水库水体的TN∶TP多年平均值为25∶1,该水库为磷限制。决策树分析结果表明,该水库水华暴发的重要因素为来水量、氮磷比和总磷浓度。防止研究区水华暴发的最有效措施是提高水库的来水量,当每月来水量高于7 776万m~3时,就能在一定程度上避免该水库暴发水华灾害。此外,该水库水华暴发时氮磷比一般高于30,通过控制水体总磷的浓度和氮磷比,可降低该水库水华暴发的风险。     

香溪河库湾水质特征与非回水区水华响应关系

为探究香溪河在受倒灌影响较弱的河段水华暴发征兆及机理,于水华高发期5~8月对香溪河进行监测,分析电导率、水温、叶绿素a（Chl-a）以及流速.结果表明,在6~8月,香溪河倒灌现象于XX05点（峡口镇）处基本结束,XX06~XX09受倒灌来水影响较弱;香溪河于7月暴发水华,各个监测点位上Chl-a含量均值达到100μg/L以上,XX05~XX06与XX07-XX09点位上暴发不同种水华;在水华暴发前后,水体温度无显著变化,且并无明显分层现象,说明水温分层是水华暴发的主要原因这一理论并不能很好的适用于非回水区;通过对电导率数值的研究发现,数值在垂向上出现显著拐点,而拐点出现在临界层与光补偿层之间,同时与叶绿素a含量分布呈现显著负相关性.香溪河总氮（TN）、总磷（TP）平均值为1.849mg/L和0.157mg/L,均超过富营养化的阈值,水体氮磷含量与Chl-a浓度无显著相关性,水体中除N、P营养盐外的其它离子对香溪河水华的暴发起着重要作用.在水华消退后,电导率数值又逐渐恢复表层高底层低的垂向线性分布特性,与水华的暴发、消退有着明显的响应.     

程海冬季水华特征、成因与控制对策

报道了程海冬季水华发生时间、分布、聚集状况、优势种和现存量。认为：营养物质积累、特殊的水动力、适宜的水温和光照是刺激铜绿微囊藻水华暴发的原因,近期应采取流域生态系统管理、削减污染物入湖量、增强生态系统功能三方面的控制对策减轻水华危害。     

长江三峡库区湖北段水华发生情况及成因分析

文章对长江三峡库区湖北段各支流水华发生情况在河流水系分布、发生时间、频次及水华类型等方面进行了分析,对水华发生的成因进行了探讨,并提出了相应的对策和建议。     

水利工程背景下河流水华暴发成因分析及模拟研究

研究发现,河流水华暴发的主要驱动因素除受过量营养盐摄入、气候变化导致的气温上升和降雨等限制外,水文情势的影响尤为显著.在高强度人类活动影响下,水利工程开发导致的水文情势改变是否为河流水华加剧的成因之一,是水与环境学科交叉研究亟待探索的一个重要应用基础问题.通过对近10年来国内外在水利工程背景下河流水华暴发成因研究进展的综述,辨识了河流水华发生的"水循环-水环境-水生态"相互作用关系;对考虑水文变化的河流水华预测统计学模型、智能算法和水质水量耦合机理模型等进行了回顾和总结,并提出了基于水循环物理过程联系的生物及生物地球化学过程、社会经济用水与管理人文过程等与河流水华发生相互作用与反馈的水系统论研究体系.当前我国水利工程调水影响区下的河流水华问题研究仍面临着一些难点和挑战:① 过去关于水利工程调水对河流中下游水生态的影响研究多数是基于情景假设和规划条件下的预断,随着近年来我国多个大型水利工程的正式实施运行,当前以实际工程调水为背景（如南水北调、引江济汉工程等）开展水华模拟的研究成果仍然十分有限;② 水利工程调水影响区下的河流水华发生机理尚不明确,当前多数藻类生长模型并没有将流域水循环过程影响纳入考虑因素,对河流生态水文过程作用机理与耦合及定量关系分析方面的研究相对匮乏;③ 现阶段水利工程背景下的河流水华问题研究多停留在定性分析和宏观定量阶段,缺乏基于以水系统理论为导向的水生态系统与河流水文情势共同作用机制的定量化研究.      

富营养化水体中黑水团的吸收及反射特性分析

对黑水团水体光学特性进行研究,是利用遥感技术监测和评估黑水团事件的前提.针对2015年7月在太湖发生的黑水团现象,采集了太湖黑水团区(区域一)、蓝藻水华区(区域二)、清水区(区域三)共36个水样,对这3个区域的水体遥感反射率以及吸收特性进行对比分析.结果表明:1区域一水体的总颗粒物、色素颗粒物和非色素颗粒物吸收系数比区域二、区域三高出1~2倍,在400~500 nm之间,区域一CDOM吸收系数相比另外两个区域的水体高出2倍左右.导致黑水团区域水体具有很低的遥感反射率,被人眼感知时呈现为黑色;2黑水团区域水体M值低于滇池、巢湖和太湖的M值变化范围,说明黑水团中CDOM的腐殖酸含量较高.此外,叶绿素a浓度与CDOM在350 nm处吸收系数之间具有很好的相关性,表明蓝藻的降解可能是黑水团中CDOM的一个主要来源;3在380 nm之后,黑水团区域的水体总吸收以色素颗粒物占主导,但在短波350~380 nm处,CDOM对总吸收的贡献率高于色素颗粒物和非色素颗粒物.     

再生水回用于景观水体的富营养化问题和生态修复

由于营养物本底值较高,自净能力差,以再生水为水源的景观水体很容易产生水体富营养化,最终导致水华。文章介绍了国内外再生水回用于景观水体的进展,详细分析了景观水体富营养化的原因。针对水华问题,就近几年生态修复在富营养化景观水体方面的研究进展进行了总结,例如植物修复,动物修复和微生物修复对富营养化水体的修复。     

Beyond hypoxia：Occurrence and characteristics of black blooms due to the decomposition of the submerged plant Potamogeton crispus in a shallow lake

Organic matter-induced black blooms(hypoxia and an offensive odor) are a serious ecosystem disasters that have occurred in some large eutrophic shallow lakes in China. In this study, we investigated two separate black blooms that were induced by Potamogeton crispus in Lake Taihu, China. The main physical and chemical characteristics, including color- and odor-related substances, of the black blooms were analyzed. The black blooms were characterized by low dissolved oxygen concentration(close to 0 mg/L), low oxidation-reduction potential, and relatively low pH of overlying water. Notably higher Fe2+and∑S2-were found in the black-bloom waters than in waters not affected by black blooms. The black color of the water may be attributable to the high concentration of these elements, as black FeS was considered to be the main substance causing the black color of blooms in freshwater lakes. Volatile organic sulfur compounds, including dimethyl sulfide, dimethyl disulfide, and dimethyl trisulfide, were very abundant in the black-bloom waters. The massive anoxic degradation of dead Potamogeton crispus plants released dimethyl sulfide, dimethyl disulfide, and dimethyl trisulfide, which were the main odor-causing compounds in the black blooms. The black blooms also induced an increase in ammonium nitrogen and soluble reactive phosphorus levels in the overlying waters. This extreme phenomenon not only heavily influenced the original lake ecosystem but also greatly changed the cycling of Fe, S, and nutrients in the water column.     

水华生消过程对巢湖沉积物微生物群落结构的影响

水华对湖泊水体和沉积物理化和生物学性质的影响已进行了较多研究,但鲜见水华生消过程对湖泊沉积物微生物群落结构的影响.本研究以巢湖为对象,通过PCR-DGGE方法分析了水华形成、持续和消亡阶段对沉积物微生物群落结构的影响.结果表明,巢湖水华形成期为5月15日~6月20日,持续期为6月20日~9月5日,之后进入水华消亡期.PCR-DGGE分析表明,非水华区沉积物微生物的种类、Shannon-Wiener指数、Simpson指数随时间变化较小,微生物相似度较高,温度可能是影响非水华区微生物群落结构波动的主要因子;在水华区,沉积物微生物的种类、Shannon-Wiener指数在水华形成期和消亡期较低,在水华持续期较高,而Simpson指数则呈相反趋势,微生物相似度相对较低,表明水华形成、持续和消亡过程对微生物群落结构、优势种有不同影响,温度和水华导致的水体性质变化可能是沉积物微生物变化的主要因子.本研究表明,水华生消过程对湖泊沉积物微生物有不同的影响,这对深入评价水华对湖泊水生生态系统的影响和利用微生物防治湖泊水华有重要意义.     

2013~2014年秦皇岛海域褐潮期间浮标主要水质参数变化

2013年6月底至7月初、2014年5月中旬至6月初,水质自动监测浮标记录了秦皇岛两次褐潮（由抑食金球藻引发）的发生过程。对两次褐潮发生期间相关监测参数的数据变化情况进行了分析。褐潮发生期间Chl a浓度最高达到50μg/L以上,波动较大;两次褐潮期间,Chl a波动过程中,其最高值多次出现在夜间。褐潮期间水温大部分时间在25℃以下,且2013年褐潮消亡前经历了水温从22℃急剧升高至28℃的过程。     

三峡水库支流大宁河冬、春季水华调查研究

以三峡水库主要支流--大宁河冬、春季2次不同类型水华的调查数据为依据,分析并比较了不同水华期间水质的变化、营养盐的构成及水华的特征.结果表明,大宁河冬季水华以唐家湾为中心,叶绿素a(Chl-a)含量较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=260];随着藻类的生长总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数出现富集而含量升高,溶解氧(DO)和pH却出现低值;水华高峰期水体藻类较少,共发现2门4种,水华优势种为铜绿微囊藻和水华微囊藻,藻密度高达3.15×10~7个/L,相关加权综合营养状态指数为80,属于重度富营养化水体.而春季水华属于自回水段以下整体性暴发,Chl-a含量也较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=140];TN、TP和高锰酸盐指数均是随着水华的发生逐渐升高;水华高峰期藻类种群丰富,共发现5门44种,各断面水华优势种和藻密度均不同,相关加权综合营养状态指数显示东坪坝和白水河为轻度富营养化水体.相关性分析表明,冬季水华期间Chl-a与TN、TP、高锰酸盐指数、水温呈显著正相关,与DO、透明度(SD)呈显著负相关;春季水华Chl-a与TP、高锰酸盐指数、DO、pH呈显著正相关,与SD呈显著负相关.冬季水华pH与SD呈显著正相关,与TN、TP、高锰酸盐指数呈显著负相关;而春季水华pH与Chl-a、TP、高锰酸盐指数、DO、气温呈显著正相关,与SD呈显著负相关.     

藻毒素生物降解技术的研究进展

藻毒素是湖泊水华现象滋生的有害有毒污染物,它严重恶化了饮用水水源地的水质。有效控制水华爆发及去除藻毒素是环境科学领域的一个难题。近些年来,利用生物降解技术去除藻毒素已经取得了显著的效果。笔者对国内外利用生物降解技术去除微囊藻毒素的最新研究进展进行了综述,并提出了控制藻毒素的新途径。