大型浅水湖泊水质模型边界负荷敏感性分析

为探究太湖水质对外源负荷削减的时空响应分异性,阐明不同入湖水量和污染来源条件下对应的外源削减侧重点,基于EFDC模型构建太湖水质模型,将太湖入湖边界划分为7组,以COD和氨氮为输出目标,采用局部敏感性分析方法进行太湖水质边界敏感性分析.结果表明,各湖区的COD和氨氮改善响应特点为自削减边界向外围递减,边界敏感性指数均为西北湖区最高.枯水期削减条件下COD浓度改善率比丰水期低28.40%~34.71%,边界敏感性排序为西北湖区边界 > 竺山湖边界 > 贡湖边界 > 梅梁湾边界 > 西南湖区边界 > 东部湖区边界 > 东太湖边界;枯水期削减条件下氨氮浓度改善率比丰水期高41.59%~42.34%,边界敏感性排序为西北湖区边界 > 梅梁湾边界 > 竺山湖边界 > 贡湖边界 > 西南湖区边界 > 东太湖边界 > 东部湖区边界.因此,在进行大型湖泊外源污染防控决策时,需要根据不同水质考核指标综合考虑削减的时期和入湖河流位置.     

基于GIS的太湖水质及营养状态分区评价研究

本文以国家环保部太湖流域环境监测网中心站1994-2000年的水质监测的监测数据为基础,运用地理信息系统(GIs)分别对太湖进行了单因素水质评价分区和多因素富营养化综合评价与分区,结果显示太湖水质基本在Ⅳ类以上,污染较严重,太湖已全面进入富营养化状态,重富营养化区位于太湖北部,面积为5.9%,主要分布在五里湖、梅梁湾,竺山湖;中度富营养化区在西部岸边带和中北部岸边带地区,面积为33.2%;轻度富营养化区从太湖湖心向东到东太湖,面积最大,占6 O.9%.整体上呈现自北而南、自西向东从重度富营养程度向轻度富营养程度扩散的趋势.研究结果为太湖综合治理提供了理论依据,并确定太湖的重点治理湖区应是太湖北部的五里湖、梅梁湾、竺山湖和贡湖湾的西北部,同时太湖富营养化治理应注重控源和生态修复相结合.     

太湖重污染湖区底泥内源释放量计算研究

在春夏秋冬4个季节不同风速段对竺山湖及太湖西岸湖区底泥内源释放进行了研究,利用沉积物捕获器收集沉积物,采用Gansith公式法计算了沉积物的再悬浮通量;对代表不同风浪作用下的悬浮物进行了静沉降实验,计算了悬浮物的静沉降通量.对太湖站33个观测站近10年的的风速资料进行统计分析并估算了太湖年均内源释放量.结果表明,竺山湖及太湖西岸湖区年平均内源释放量COD,TN,TP分别为4100,647.8和23.0 t.     

基于突变理论的太湖富营养化程度判别

基于太湖夏季9个水功能分区的水质监测结果,综合考虑生物因子(叶绿素a浓度)、营养盐因子(总氮、总磷)、理化因子(水体透明度、高锰酸盐指数)作为评价指标,运用印第安人茅舍型突变模型对太湖的富营养化程度进行定量判别和分析。结果表明:太湖营养化程度时空分布不均。6月份,竺山湖的综合突变隶属度值为0.363;7月份,五里湖、梅梁湖、竺山湖及西部沿岸区的综合突变隶属度值分别为0.328、0.371、0.344及0.337;8月份,梅梁湖和西部沿岸区的综合突变隶属度值分别为0.373和0.362。因此太湖西部、北部的富营养化程度较高,处于中度富营养化状态。     

太湖蓝藻水华灾害风险分区评估方法研究

通过对太湖蓝藻水华灾害风险分析,构建太湖蓝藻水华风险评估指标体系,结合风险评估概念,建立太湖蓝藻水华灾害风险评估方法.在此基础上,以2008年为基准年,结合太湖9个分区,评估各湖区蓝藻水华灾害危险性、易损性、脆弱性和综合风险.结果表明,综合风险最大的区域集中在太湖的北部,尤其作为水源地的贡湖风险最大,为重度风险;竺山湖、梅梁湾和西部沿岸由于其危险性较大,而总体风险较大,为中度风险;其他湖区风险较小,胥湖、南部沿岸和大太湖为轻度风险;太湖的东南部湖区箭湖东茭咀和东太湖由于水体富营养化程度较低,植物覆盖率较高,蓝藻水华发生危险性较小,综合风险指数较小,为轻微风险.     

太湖附泥藻类生物量空间分布及其与环境营养盐的关系

为了揭示富营养化浅水湖泊附泥藻类空间分布及其与环境营养盐之间的关系,于2015年6月9—15日对太湖进行高密度布点采样,研究了太湖表层沉积物上附泥藻类生物量及表层沉积物和水柱中氮、磷等营养盐含量的空间分布特征及其相互关系.结果表明,太湖附泥藻类生物量(以叶绿素a表征)空间异质性明显,最小值为0.07μg·g-1,最大值为1.66μg·g-1,平均值为0.34μg·g-1.附泥藻类生物量在太湖西北部及东太湖较高,其次是贡湖湾、梅梁湾及东部沿岸,在西南部湖区较低;太湖水体中氮、磷等元素含量也存在明显的空间变化,水体中氮、磷含量在竺山湾、梅粱湾及太湖西部明显高于其它湖区;太湖表层沉积物中总有机碳(TOC)、氮、磷等元素含量空间异质性显著,表层沉积物中总磷及各种形态磷含量的空间分布特征与水体中总氮、总磷分布特征类似,表层沉积物总氮及TOC的含量在太湖西北部(包括竺山湾)、梅梁湾、东部湖区(包括东太湖、胥口湾)较高,在西南部湖心区较低;太湖附泥藻类生物量与水体氮、磷含量、沉积物氮、磷及不同形态磷(Ca-P除外)含量均呈显著正相关关系(r≥0.18,p0.05).由此可见,太湖附泥藻类生物量的空间异质性既受水体氮、磷浓度的影响,也受沉积物氮、磷等营养水平的制约.本研究结果可为进一步研究附泥藻类在太湖生态系统中功能,以及深入探求太湖富营养化治理途径提供一定的理论依据.     

利用三维荧光技术分析太湖水体溶解性有机质的分布特征及来源

利用三维荧光光谱法研究了太湖125个样点表层(0.5m)和底层(1.5m)水体溶解性有机质(DOM)的组成和分布特征,并对不同湖区DOM的来源进行了分析.结果表明,太湖大部分湖区水体DOM以类蛋白物质为主,其中,竺山湾DOM中的腐殖质和类蛋白物质含量均较其它湖区高.太湖水体DOM的分布存在区域差异性,即:竺山湾湖区西部湖区梅梁湾湖心区贡湖湾南部湖区.分析认为,太湖DOM的来源具有陆源输入与内源微生物降解的双重特征,但竺山湾和西部湖区以陆源输入为主,而梅梁湾、贡湖、南部湖区及湖心区以内源微生物降解为主.分析各类荧光峰强度与水质参数的相关性发现,太湖水体DOM4类荧光峰之间呈显著正相关关系,DOM的4类荧光峰均与总氮(TN)、总磷(TP)、硝酸根离子(NO3-)、铵根离子(NH4+)呈显著正相关关系(p0.01),DOM的各类荧光峰强度和溶解氧呈显著负相关(p0.01),这可能是由于水体DOM含量升高后,微生物比较活跃,消耗大量的溶解氧所致;DOM的各类荧光峰强度和溶解性有机碳(DOC)之间的相关性不显著,可能与不同湖区样品中一些非荧光物质在DOM中的比例不同有关.     

底泥疏浚对太湖内源及底栖生物恢复的影响

底泥疏浚对湖泊内源削减具有重要的作用,是富营养化湖泊内源治理的重要技术之一.以太湖疏浚区为对象,估算了近十余年疏浚对内源负荷的削减量,并评估了太湖北部竺山湖和梅梁湖的底泥疏浚效果.结果表明,太湖累计疏浚的4 200万m³底泥,共计清除了底泥中氮约6.26万t,总磷约1.83万t,有机质约117万t,相当于清除了蓄积于底泥中二十余年的外源污染物输入量.对于外源控制较好的梅梁湖,底泥疏浚后5 a内水质改善明显,随后出现反弹,但仍有效削减了表层底泥总氮和总磷含量.相反,对于外源输入仍较大的竺山湖,疏浚十余年后,底泥内源又回复到浚前水平.对竺山湖疏浚区开展了长达6 a的底栖生物群落跟踪评估,发现疏浚初期对底栖生物群落具有一定的影响,但浚后2 a,底栖生物密度与生物量等指标已接近浚前水平. 6 a后,疏浚区与未疏浚区的底栖生物群落多样性指数已无差别.结果也表明,底泥疏浚对湖体内源具有较好的控制效果,且疏浚效果维持程度与外源输入强度密切相关.此外,长期来看,疏浚区底栖生物群落依靠自恢复能力可达到浚前水平,疏浚不会对底栖生物群落结构造成影响.     

太湖各功能分区水质及营养状态变化分析

分析了现状2017年及近10年来太湖各功能分区水质及营养状态方面的年内及年际变化趋势,结果表明:年内全湖区及各功能分区的主要超标项目为总磷和总氮,总磷浓度以及营养化指数大多在第三季度达到峰值,第四季度有明显下降,总氮大多在第二季度达到峰值后开始下降;近年来太湖全湖区及各功能分区的总磷浓度整体呈缓慢上升趋势,水质类别基本为Ⅳ类,总氮浓度则在一个较稳定的水平附近波动,水质类别以Ⅴ类为主,营养化指数较为稳定,整体呈轻度富营养状态。     

太湖富营养化控制机理模拟

建立了一个将三维风生湖流模型,水质模型和富营养化模型耦合的数学模型,该模型不仅可以对太湖的风生湖流,总磷、总氮、COD等水质要素进行模拟,还可以模拟藻类在太湖中的生长和消亡情况以及其随风生湖流迁移的规律;在模型中,还考虑了水温、总氮、总磷和太阳辐射等环境生态因子对藻类生长率的影响,并且将模拟结果与1998年太湖的实测资料进行了对比,结果表明:该模型对风生湖流、总磷、总氮的模拟都是切合实际的,以叶绿素a浓度描述的藻类浓度的模拟值也能较好的拟合实测值。     

太湖氮素出入湖通量与自净能力研究

为了探索太湖氮素迁移转化过程,对2009～2010水文年环太湖25条主要河流及太湖梅梁湾、东太湖等典型区域的各形态氮素进行分析,并利用太湖出入湖水量、蓝藻人工打捞量和鱼产量等相关数据,分析计算太湖氮素流动和转化潜力.结果表明太湖全年河道输入氮素总量约7.00×104t,河道出湖氮素总量约4.01×104t.整个水文年中,太湖氮素自净量约3.22×104t,其中反硝化约3.02×104t,沉积物吸附约0.20×104t.在反硝化潜力上,太湖西湖区(如梅梁湾)反硝化潜力远高于东部湖区(如东太湖),而夏季太湖反硝化潜力又高于其它季节.因此,太湖氮素自净作用在湖泊氮素迁移转化中发挥重要作用.     

不同雨强对太湖河网区河道入湖营养盐负荷影响

为揭示太湖河网区不同雨强下入湖河道面源污染规律,以太湖入湖负荷最大的河道大浦河为例,通过一周年逐日高频监测水体各形态氮、磷及溶解性有机碳等营养盐情况,结合河道流量及降雨量的自动监测资料,分析了大雨、中雨、小雨及无雨等4种降雨强度下太湖河网区典型河道的流量和营养盐负荷特征.结果表明,作为太湖河网区的典型入湖河道,大浦河时常发生往复流现象,观测的365 d内,有60 d日均流量为负值,占16%;河道流量对雨强的响应较为迟缓,仅强降雨事件( 25 mm·d~(-1))下,降雨当日河道流量才显著增加;中雨期平均流量仅比无雨期高了29%,在统计上不显著.河道水体营养盐浓度在不同降雨强度下差异不显著,大雨、中雨、小雨及无雨事件下河道总氮浓度分别为(3. 00±0. 58)、(3. 34±0. 93)、(3. 55±1. 05)和(3. 37±1. 14) mg·L~(-1),小雨事件当天水体总氮浓度均值最高,而4种类型降雨事件下河道总磷含量分别为(0. 228±0. 068)、(0. 258±0. 121)、(0. 219±0. 083)和(0. 225±0. 121) mg·L~(-1),差异性也不显著,就平均值而言,中雨时河道总磷浓度最高.夏季典型降雨过程分析表明,不同雨强发生之后河道溶解性有机碳和各形态氮的浓度变化不大,但大雨之后次日河道各形态磷浓度有明显增高,持续时间为2 d,中雨后次日河道总磷和颗粒态磷有明显增高,持续时间仅为1 d,小雨后磷浓度基本无变化.大雨、中雨、小雨和无雨时总氮日负荷分别为7. 64、3. 19、3. 21和2. 62 t·d~(-1),总磷日负荷分别为0. 59、0. 26、0. 22和0. 20 t·d~(-1),受入湖流量影响,大雨期营养盐日负荷显著高于中雨及以下强度的降雨;然而,由于一年内大雨出现频次较少,大雨期氮和磷总入湖负荷占年负荷的比重不大,大雨期总氮和总磷分别入湖61. 11 t和4. 72 t,占观测周年的5. 6%和5. 8%,这与山区河道降雨负荷间的关系有着显著区别.本高频观测表明,太湖流域平原河网区河道面源污染汇集过程复杂,入湖负荷受降雨强度的影响相对较小,入湖水量是营养盐负荷的重要影响因素.本研究结果对太湖流域平原河网区湖泊的面源污染的估算及控制对策的制定具有参考价值.     

太湖水体固氮速率时空变化

使用乙炔还原法及原位模拟对太湖水体的固氮作用进行季节性研究.结果表明,太湖水体的平均固氮速率为1.53 ng·L~(-1)·h~(-1),年固氮量为10.73 t.比较不同湖区的固氮速率可发现:梅梁湾、竺山湾等北部湖区是水体固氮作用的热点区域,而其他如湖心区、贡湖湾等水体的固氮作用较微弱.太湖水体固氮作用表现出明显的周期性季节特征,4个季节的固氮速率分别为0.10 ng·L~(-1)·h~(-1)(春季)、5.88 ng·L~(-1)·h~(-1)(夏季)、0.14 ng·L~(-1)·h~(-1)(秋季)和5.62×10-5ng·L~(-1)·h~(-1)(冬季).太湖水体中固氮蓝藻生物量是导致固氮速率空间差异的主要原因(p0.05);同时,固氮速率与水温之间的极显著正相关关系(p0.01)也证明了温度对固氮速率季节差异的影响.     

山地城市新建湖库氮磷营养盐时空特征研究

重庆市园博园龙景湖是一新建的山地河道型深水湖库.通过为期一年对龙景湖水库氮磷营养盐的监测,研究龙景湖水库氮磷营养盐的时空格局、变化特点和相互关系,分析园博园旅游区人为活动的特点以及上游流域来水水质对水库水质的影响.结果表明,龙景湖水库整体总氮和总磷年均浓度分别为(1.42±0.46)mg·L-1和(0.09±0.03)mg·L-1,存在丰水期平水期低于枯水期的季节性波动.湖库主水体区、开阔水体区和库湾区受所在区域影响因素不同,氮磷浓度分布存在时空异质性:主水体区季节变化特征与湖库整体基本一致;两个开阔水体区将主水体区分别与上游、库湾连接,顺水流方向的氮磷浓度沿程逐渐降低,开阔水体区氮磷营养盐受上游来水水质和周围园区功能布设影响;典型库湾区营养盐浓度高于主水体区和开阔水体区.湖库丰水期颗粒态的氮、磷占总氮、总磷质量分数分别为51.7%和72.8%,枯水期硝酸盐氮、活性磷酸盐分别占总氮、总磷质量分数为42.0%和59.4%,氨氮和溶解态有机氮占总氮质量分数相对稳定;氮磷比全年均值为18.429±7.883,营养物限制情况上,氮、磷为主要限制因素的时段分别为5.3%、21.2%.     

高原湖泊典型农业小流域氮、磷排放特征研究——以凤羽河小流域为例

通过对凤羽河小流域出水口断面进行定位连续监测,计算流域出水量和氮磷排放量,解析了流域氮磷排放量的时间变化特征,以期为小流域氮磷排放量计算、农业管理措施调控、削减流域氮磷排放量提供科学依据.结果表明,凤羽河小流域年度水流量为0.99亿m3,7—9月雨季水流量占全年的43.70%.小流域总氮(TN)的年排放量为139.8 t,可溶性总氮(DTN)是氮的主要排放形式,占TN的71.16%,颗粒态氮(PN)占TN的28.84%.小流域总磷(TP)的年排放量为27.7 t,颗粒态磷(PP)是磷的主要排放形式,占TP的76.47%,可溶性总磷(DTP)占TP的23.53%.7—9月雨季氮磷排放量占全年总量的比例分别为55.33%和77.81%.降雨是影响流域径流过程的重要因素,同时,流域内农业管理措施对径流量和氮磷排放具有较大影响.     

太湖氮磷营养盐大气湿沉降特征及入湖贡献率

2009年8月—2010年7月在太湖流域不同区域10个采样点收集降水样品230多个,测定其中不同形态N,P营养盐的质量浓度,分析太湖大气湿沉降中N,P营养盐沉降特征,计算N,P营养盐湿沉降率及其占太湖河流入湖负荷的贡献率. 结果表明:湿沉降中ρ(TN)年均值为3.16 mg/L,DTN(溶解性总氮)占TN的70%以上,其中以NH₄+-N为主;湿沉降中ρ(TN)年均值最高值出现在南部湖区,最低值出现在北部湖区. 湿沉降中ρ(TP)年均值为0.08 mg/L,相对较低. 5个区域湿沉降中不同形态N的质量浓度均表现为冬季高、夏季低,而不同形态N,P的湿沉降量均为夏季最大. 南部、东部湖区TN的湿沉降率相对较大. 各采样点湿沉降中NH₄+-N沉降率约占DTN沉降率的30.4%～52.0%,NO₃--N沉降率约占DTN的31.6%;各区域间湿沉降中DTP(溶解性总磷)占TP的比例差异较大. 大气湿沉降中TN和TP的年沉降总量分别为10 868 和247 t,为同期河流入湖负荷的18.6%和11.9%,湿沉降对太湖富营养化的贡献及可能带来的水生态系统的影响不容忽视.      

草型湖区沉积物营养盐分布与污染评价

为阐明太湖草型湖区表层沉积物营养盐的空间分布及其污染特征,测定了胥口湾60个表层沉积物样中的总氮(TN)、总磷(TP)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)和有机质(OM)的含量,分析其污染水平与来源.结果表明,胥口湾表层沉积物中TN、TP、AN、AP和OM平均含量分别为1 027. 5、423. 2、46. 4、15. 3和17 096. 6 mg·kg-1,且在空间分布上均呈现出胥口湾东北部湖区高于其他湖区的特点.胥口湾表层沉积物中TN和TP单项评价指数(STN和STP)平均值分别为1. 75和0. 91,表明TN和TP分别处于中度和轻度污染状态;综合污染指数(FF)的平均值为1. 57,整体上处于中度污染状态.在有机指数和有机氮评价中,整体上处于清洁状态. C/N比值表明胥口湾表层沉积物中生物沉积的有机质主要来源为无纤维束植物和浮游植物.相关性分析表明,胥口湾表层沉积物中有机质与总氮具有同源性,但与总磷不具有同源性.     

太湖水华期营养盐空间分异特征与赋存量估算

基于2013年7月的空间高密度采样数据,对太湖水华期水体营养盐进行了空间分异特征分析及赋存量估算,探讨了大型浅水湖泊不同生态类型湖区水华与营养盐的相关关系及样点设置的代表性.结果发现,水华期太湖水体营养盐及叶绿素a浓度(CHL)总体上均呈现由西北向东南降低的趋势;氮主要以溶解态存在,占总氮(TN)的76.28%,磷主要以颗粒态赋存,占总磷(TP)的66.38%.采用主成分分析和聚类分析,可以将采样点分为相互之间具有显著性差异的4个区域:第一区位于西北湖区,代表水华严重的重富营养湖区;第二区主要包括梅梁湾及南太湖的入湖河口一带湖区,代表水华和富营养化程度都相对中等的湖区;第三区包括湖心区和西南湖区,代表中等污染但水华频现湖区;第四区包括贡湖湾、胥口湾和东太湖等其他区域,代表水华影响较弱、水质较好湖区.分区统计分析表明,不同湖区影响浮游藻类生长的因子也不同:从全湖来看,与CHL显著相关的营养盐指标为TP、TN、溶解性总氮(TDN)和硝态氮(NO-3-N),而在第一区则为TP和TDN,第二区为TN和TDN,第三区为TP、磷酸盐(PO3-4-P)和TDN,第四区为PO3-4-P、溶解性总磷(TDP)和亚硝酸盐(NO-2-N).基于空间插值获得调查期间太湖水体TN、TDN、TP和TDP的赋存量分别为12 800、9 800、445和150 t.研究表明,作为一个大型浅水湖泊,因蓝藻水华空间迁移积聚特征和生态类型异化等特征,太湖水华期的营养盐具有高度空间异质性,对于此类大型浅水湖泊的监测与评价,应当考虑点位的合理布设及结果的恰当解读,避免因监测布点和统计方法不当而以偏概全.     

太湖竺山湾沉积物碳氮磷分布特征与污染评价

为了揭示太湖竺山湾沉积物中碳、氮和磷的分布特征,本研究在太湖竺山湾设置3个断面(湖湾内,A断面;湖湾中部,B断面;开敞湖区,C断面) 10个采样点,采集沉积物柱状样,每2 cm间隔分层测定沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)和总有机碳(TOC)含量,以揭示其水平分布和垂向分布特征.结果表明,在空间上竺山湾表层沉积物呈现开敞湖区向湖湾富集的特征,湖湾内部碳、氮和磷含量显著高于开敞湖区(P 0. 01),其中湖湾内(A断面)表层沉积物TN、TP和TOC含量分别为1. 53、1. 55和11. 31 mg·g~(-1),而靠近开敞湖区(C断面)表层沉积物TN、TP和TOC含量仅为0. 75、0. 57和6. 70 mg·g~(-1).垂向分布特征表现为表层富集,3个断面TN、TP和TOC含量随着底泥深度的增加均呈现出下降趋势,表层沉积物TN、TP和TOC含量分别是底层的2～3、2～5和2～3倍.整体而言,竺山湾沉积物TP含量均值为0. 93 mg·g~(-1),属于重度污染,而TN平均含量为1. 11 mg·g~(-1),属于轻度污染;有机氮指数和综合污染指数显示,竺山湾北部地区污染水平为重度污染区,有机污染相对较强,TP的污染指数(STP)处于1. 03～3. 87之间,属于重度污染.