新安江水库河口区水质及藻类群落结构高频变化

水库库尾区的水环境多变,是水库生态系统突变的重要策源地.为探究大型水库水源地水环境演变特征及其突变的促发机制,以新安江水库为例,通过库尾河口断面18个月水质浮标的高频记录及3 d一次的藻类群落结构人工鉴定数据等,分析了气象水文过程影响下的水库库尾区的水温、溶解氧、浊度及营养盐等环境指标及藻类群落结构的高频变化特征,揭示了降雨、入流及季节温度变化等关键气象水文过程对水库水质及藻类群落结构的影响机制.结果表明:①在27 m深的河流入库区的水体温度和溶解氧存在明显的季节分层,相应水体藻类叶绿素a和营养盐等指标也同步发生分层,水温分层从气温达到14℃以上的3月中旬开始,至气温降至24℃后的10月中旬结束,期间较大降雨和入流多次破坏水温分层;②河道入库区水体氮、磷等营养盐变幅大,总磷浓度变幅为0. 011～0. 188 mg·L~(-1)之间,总氮浓度变幅为0. 75～2. 76 mg·L~(-1)之间,总磷和总氮中的溶解态占比分别为56%及88%,降雨入流对水体营养盐浓度影响巨大,3 d的累积降雨与水体氮、磷浓度显著正相关,3～6月(雨季)的营养盐含量明显高于其他月份(P 0. 001),藻类的季节性增殖反过来也会影响水体总磷浓度;③藻类群落结构及其优势属呈现明显的季节变化,在总体硅藻门类占优的背景下,蓝藻、绿藻、隐藻等在不同季节形成明显峰值,蓝藻在7～10月的夏秋季形成明显的生物量峰值,其峰值形成原因除了高温之外,还与暴雨入流有关.蓝藻主要优势属为束丝藻属(Aphanizomenon spp.)、微囊藻(Microcystis spp.)及颤藻(Oscillatoria spp.)等,绿藻峰值与蓝藻基本同步,优势属为盘星藻属(Pediastrum spp.)和新月藻属(Closterium spp.),隐藻在3～5月形成峰值,优势属为隐藻属(Cryptomonas spp.),硅藻门中的优势属分别为脆杆藻属(Fragilaria spp.)、小环藻属(Cyclotella spp.)、针杆藻属(Synedra spp.)及直链藻属(Melosira spp.)等;④入库流量、温度、水位、透明度、总氮、总磷及氮磷比等均为影响藻类优势属演替的主要因子,秋冬季节的控制因子为气象水文条件,而夏秋季节则受气象水文及营养盐的共同控制.本研究表明强降雨过程能对水库库尾区水环境及水生态系统结构产生巨大冲击,是水库藻类水华发生的可能诱发因子,通过对该过程的规律认识及关键指标监测,能够为水库水源地水质风险提供预警信息.     

基于高频监测的千岛湖湖心藻类时空变化研究

为探究亚热带深水水库藻类时空变化特征,在千岛湖(新安江水库)湖心区布设藻类荧光分析仪(BBE FluoroProbe)浮标,对该区域藻类门类的剖面变化进行为期1年的高频观测.结果表明：在夏季暴雨之后的高温晴热期(7月底至8月底),水库藻类总量出现峰值;不同门藻类的数量峰值出现时间有差异,硅藻门、甲藻门的藻类数量峰值出现在4月底至7月下旬,蓝藻门和绿藻门藻类数量峰值出现在6月中旬至9月初;不同门藻类在垂向上出现数量峰值的深度也不同,绿藻门藻类数量的垂向峰值出现在1 m左右的表层,而蓝藻门、硅藻门、甲藻门的垂向数量峰值出现在3～5 m的次表层.统计分析发现,温度、总磷浓度和光照强度与湖心区藻类细胞密度时空变化显著相关.暴雨过程会对藻类群落结构变化产生两方面影响：一方面会降低温度和光照强度,抑制藻类生长;另一方面会带来大量的营养盐,刺激藻类生长.研究显示：藻类荧光分析仪等高频监测浮标能高效捕捉藻类水华等关键水生态风险过程,能为湖库水源地水质风险提供预警信息;在极端天气事件发生频率增加的气候背景下,应加强对灾害性藻类异常增殖问题的关注.     

基于NARX神经网络的千岛湖藻类短期预测模型构建

局部水域的藻类异常增殖现象逐渐成为千岛湖面临的水环境保护难题. 构建以数据驱动的水华预测模型,实现对重点水域叶绿素a (Chla)浓度短期动态变化的预测,是快速应对潜在水华风险的有效手段之一. 鉴于NARX神经网络在预测非平稳时间序列动态特征方面的优势,以千岛湖国控监测断面小金山2016—2019年Chla的高频时间序列作为研究对象,对Chla剖面数据进行沿深平均、缺失值插补后,分别以连续3 d和连续7 d的Chla浓度作为输入,构建了基于NARX神经网络的藻类预测模型,用于预测未来0.5~7 d Chla浓度的变化,探讨了相关参数设置、训练及评价方法,并针对不同的预见期分析了模型性能. 结果表明:① 模型预测性能稳定,预测值与实测值相关系数保持在0.8~0.9之间,均方误差在15~30之间. ②随着预见期的变化,模型性能不同. 其中,在未来0.5~4 d的预测中,使用连续3 d的 Chla浓度作为输入的预测效果较好;在未来4.5~7 d的预测中,使用连续7 d的Chla浓度作为输入的预测效果较好. 研究显示,该模型可以较为准确地预测未来0.5~7 d的Chla浓度,可为构建以数据驱动的千岛湖水华监测预警系统提供科学依据.      

太湖春夏两季反硝化与厌氧氨氧化速率的空间差异及其影响因素

反硝化和厌氧氨氧化是湖泊的重要脱氮过程,对维持湖泊氮素平衡具有重要意义.为了解大型富营养化浅水湖泊——太湖反硝化和厌氧氨氧化速率的时空变化及其影响因素,于2020年春季和夏季选择太湖的梅梁湾、贡湖湾、竺山湾、大浦口、胥口湾和湖心区采集无扰动泥柱,利用¹⁵N同位素示踪技术,在恒温水浴条件下开展反硝化和厌氧氨氧化流动培养实验.结果表明,春季太湖不同湖区反硝化和厌氧氨氧化速率的空间分布差异较大,反硝化速率为（27.74±8.45）~（142.43±35.54）μmol·（m²·h）^-1,厌氧氨氧化速率为（2.35±1.06）~（17.95±8.66）μmol·（m²·h）^-1,厌氧氨氧化对脱氮的贡献率相对较低,为（7.82±1.71）%~（11.20±1.53）%.夏季竺山湾脱氮速率最高,反硝化和厌氧氨氧化速率分别高达（165.68±62.14）μmol·（m²·h）^-1和（33.56±10.66）μmol·（m²·h）^-1,厌氧氨氧化对脱氮贡献率达到了（16.85±1.78）%,其他湖区的脱氮速率相对较低,且没有十分显著的空间差异,反硝化和厌氧氨氧化速率分别为（25.47±10.46）~（42.50±16.46）和（2.65±0.94）~（5.95±2.65）μmol·（m²·h）^-1,厌氧氨氧化对脱氮的贡献率为（13.62±1.95）%~（7.24±1.78）%.总体来说,夏季反硝化速率要普遍低于春季,而厌氧氨氧化速率相对于春季并无明显下降.统计分析表明,反硝化和厌氧氨氧化速率与底物氮浓度呈显著的相关性（P<0.01）,说明氮浓度是不同湖区脱氮速率差异的主要控制因素.此外,厌氧氨氧化对脱氮的贡献率与叶绿素a的浓度呈现显著的正相关性（P<0.05）,说明蓝藻水华对厌氧氨氧化脱氮贡献率的变化有很大的影响,具体的影响机制还有待进一步研究.     

天目湖沙河水库水生态安全状况长期变化及影响因素

为构建更为合理的个性化水库水生态安全评价指标体系,以我国东南低山丘陵地区水源地型水库天目湖沙河水库为例,基于2010~2020年逐月水生态监测数据,分析了水库水生态安全状况长期变化特征及影响因素,提出了以满足沙河水库水生态服务功能为目标的生态安全评价方法.结果表明,季节上,夏秋季SD相对较低,而总磷（TP）、浮游植物叶绿素a（Chl-a）、高锰酸盐指数和蓝藻生物量（BM_c）相对较高;空间上,不同区域的水体透明度（SD）存在显著差异（P<0.05）,多年均值呈现河流区 < 过渡区 < 湖泊区的现象,其他指标均呈现出河流区较过渡区和湖泊区高的现象;垂向上,5~9月随热分层出现,许多指标出现分层,其中异味物质2-甲基异莰醇（MIB）和Chl-a在水深4 m处出现最大值,硅藻生物量（BM_b）和BM_c最大值分别在水深2 m和0.5 m处出现.基于水生态指标的变化特征认识,应充分考虑水库水生态安全的时空差异性,将水生态安全风险较高的春夏季作为评价期,以Chl-a为核心指标,结合SD和MIB等指标,通过建立关键指标与其他指标的相关关系,构建了沙河水库水生态安全评价体系;评价结果表明,沙河水库10年来水生态安全状况整体优良,但年际波动较大,不同区域的得分差异大,对于存在热分层的区域应采取季节性分3层采样调查数据进行评估.本研究表明在湖库水生态安全管理中选取个性化方案监测评估的必要性;总磷偏高和藻类疯长引发的水体透明度下降和异味物质含量升高是影响亚热带地区水库生态服务功能的主要因素,年际间较大尺度的水文气象条件变化给水库水生态安全带来较大不确定性.     

水源地型水库水生态安全评价方法探索

基于2018年8月开展的夏季江苏省17座水源地型水库水质调查数据,结合水源地型水库面临的主要水生态安全问题,综合运用层次分析法和专家意见法建立了水源地型水库水生态安全评价体系和方法,并首次提出将异味物质2-甲基异莰醇纳入评价体系.结果表明：江苏省水源地型水库水生态安全等级为优秀和良好的水库分别占29.4%和52.9%,处于一般等级的水库占17.7%;水库水生态安全的主要影响因素有透明度、异味物质2-甲基异莰醇（MIB）、蓝藻水华及富营养化.本研究通过抓住水源地型水库水生态安全的主要水生态指标进行简便易行的评估,可为类似水源地型水库因地制宜地制定个性化生态监测方案和评价方法提供科学依据.     

天目湖沙河水库浮游植物群落结构的时空异质性

为揭示水库浮游植物群落结构的时空异质性,以江苏省溧阳市天目湖沙河水库为例,基于8年逐月浮游植物群落结构及相关环境因子的连续监测结果,分析了水库河流区、过渡区及湖泊区浮游植物群落结构的季节差异及影响因素.结果表明,空间上营养盐、浊度和悬浮颗粒物等关键水质指标及浮游植物叶绿素a含量均呈现河流区过渡区湖泊区的现象,透明度呈现河流区过渡区湖泊区的现象,其中河流区的各环境因子与过渡区和湖泊区的空间差异显著(ANOVA,P0.05),而过渡区与湖泊区之间仅在透明度、浊度、悬浮颗粒物等物理参数方面差异显著;同样,浮游植物生物量上也呈现河流区过渡区湖泊区的现象,其中河流区与过渡区、湖泊区之间差异显著(ANOVA,P0.05),而过渡区与湖泊区之间则无显著性差异;但在浮游植物的优势属方面,河流区、过渡区、湖泊区基本一致,仅隐藻门生物量在河流区、过渡区、湖泊区具有显著性差异(ANOVA,P0.05),呈现河流区过渡区湖泊区的特征.不同季节之间浮游植物群落结构差异较大:生物量在夏季最高,冬季最低;优势属在春季以针杆藻(Synedra)、小环藻(Cyclotella)、隐藻(Cryptomonas)和曲壳藻(Achnanthes)为主,夏季以针杆藻、隐藻、尖头藻(Raphidiopsis)、席藻(Phormidium)为主,秋季以隐藻、针杆藻、尖头藻、束丝藻(Aphanizomenon)为主,冬季以隐藻、针杆藻、曲壳藻和小环藻为主;其中针杆藻、隐藻为全年优势属.统计分析表明,水温、总磷、透明度是浮游植物时空差异的主要影响因子.研究表明,对于沙河水库这种换水周期为4个月的大(Ⅱ)型水库,虽然浮游植物总生物量在空间上有显著性差异,但群落组成上仅隐藻属的空间差异显著,多数浮游植物群落结构在空间分布差异较小,当浮游植物群落结构调查时可以适当减少观测点位,提高采样频次,以提高水库环境监测的样品代表性.     

太湖出入湖河道与湖体水质季节差异分析

基于2016年太湖16条主要河道及对应湖体的水质逐月监测数据,深入探讨了太湖流域不同分区河道的外源营养盐输入对湖体水质影响及其季节变化.结果发现:(1)太湖流域河道总氮(TN)、溶解性总氮(DTN)、总磷(TP)和溶解性总磷(DTP)的月平均浓度均高于对应湖体,主要入流区河道与临近湖体的营养盐浓度呈现显著正相关,表明外源补给对湖体营养盐浓度产生巨大影响;(2)无论是河道还是湖体的营养盐浓度,均呈现明显的季节变化,且峰值产生月份不同:河道平均TN最高值出现在3月,为4.82 mg·L-1,平均TP最高值出现在12月,为0.218 mg·L-1;湖体TN、TP峰值均出现在蓝藻水华暴发期间(7月),分别为4.13 mg·L-1和0.255 mg·L-1;(3)极端降水过程短期内能明显降低河道营养盐浓度,但会引起湖体营养盐外源负荷的明显增高,不利于湖体富营养化控制.本研究表明,对于空间异质性较高的大型浅水湖泊,流域河道入湖污染对湖体营养盐时空格局具有重要的塑造作用,而湖体的污染物自净能力、蓝藻水华物质的空间堆积及风浪引发的底泥再悬浮作用等也都对湖体营养盐浓度、时空格局产生重要影响.     

千岛湖水体营养盐时空变化及水环境挑战

为揭示亚热带深水水库水环境变化特征及其驱动力,于2020年5月—2021年4月在千岛湖布设100个监测点,开展了为期1年的逐月水环境调查,分析营养盐时空分布特征及水质风险.结果表明：千岛湖水体总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chla)、浮游植物生物量(PB)等关键水环境指标时空差异大,全库年均TN浓度为0.92 mg/L,其中月均最大值出现在3月,为1.04 mg/L,最小值出现在8月,为0.78 mg/L,安徽段库区年均值为1.60 mg/L,而东南库湾年均值为0.83 mg/L;全库年均TP浓度为0.021 mg/L,其中月均最大值出现在7月,为0.033 mg/L,最小值出现在11月,为0.013 mg/L,安徽段库区年均值为0.052 mg/L,而东南库湾年均值为0.015 mg/L;全库年均Chla浓度为5.1μg/L,其中月均最大值出现在7月,为10.0μg/L,最小值出现在11月,为1.6μg/L,安徽段库区年均值为11.4μg/L,而东南库湾年均值为3.0μg/L;全库全年Chla浓度最大层PB平均值为2.396 mg/L,月均最大值为8.246 mg/L(8月)...     

城镇分布对新安江水系及千岛湖营养盐浓度的影响

快速城镇化会加剧地表水体氮磷营养盐的富集,引起水体富营养化问题. 研究城镇分布对河流与湖库氮磷污染特征的影响,分析其污染热点与来源具有重要意义. 于2020年7月—2021年7月调查了新安江水系及千岛湖水体氮磷污染的时空变化特征,分析了水质与土地利用类型的关系,揭示了千岛湖水体氮磷污染的来源. 结果表明:①时间上,新安江水系氮磷浓度季节性变化差异明显. TN浓度表现为冬季枯水期〔(1.96±1.24) mg/L〕>主汛期〔(1.63±0.71) mg/L〕>春汛期〔(1.42±0.49) mg/L〕,TP浓度表现为主汛期〔(0.101±0.049) mg/L〕>冬季枯水期〔(0.067±0.068) mg/L〕>春汛期〔(0.06±0.033) mg/L〕,汛期氮、磷浓度分别是非汛期的1.6和2.4倍. ②空间上,城镇污染对水体营养盐浓度影响显著. 水体流经人口集中、城镇化程度高的屯溪区后,TN、TP、NH₄+-N浓度平均增幅分别为86.1%、77.7%和164.4%,干流水体受纳歙县城镇三大支流来水后,TN、TP浓度平均增幅分别为47.6%、70.3%. ③ Spearman相关分析结果表明,5 km缓冲区耕地和建筑用地面积占比与氮磷营养盐各形态浓度之间均存在显著正相关关系,其中建筑用地面积占比对NH₄+-N浓度影响较大(R=0.323,P<0.001),耕地面积占比对NO₃?-N影响相对较大(R=0.265,P<0.05). 研究显示,城镇面源污染是新安江水系氮磷污染的主要来源,降雨径流是水体磷富集的主要驱动力,枯水期城镇污染对水体氮浓度的影响较大,在千岛湖营养盐控制中应尤为关注上游城镇污染管控.