太湖水质时空分布特征及内源释放规律研究

将太湖 2 0 0 1～ 2 0 0 2年的水质监测数据与空间数据相结合 ,采用基于因子分析的主成分分析方法将太湖的水质参数概括为 5个主成分 ,提取并反证了湖泊水质各个主成分的科学内涵 ,分别为 :水体营养指数 (F1)、富营养化指数 (F2 )、水体溶解氧指数 (F3 )、水体色度指数 (F4)和水体酸碱指数 (F5 ) ;研究了各主成分的空间分布特征和随时间的变化规律 .在室内环形水槽内模拟了水动力条件下太湖底泥的起动规律 ,得到了太湖底泥在 3种不同起动标准 (个别动、少量动、普遍动 )下的起动流速 ,并利用泥沙起动的理论模型给予了验证 ,最后得出太湖底泥在 3种不同起动标准下的起动流速分别为 :3 7.9cm·s- 1 ,46 7cm·s- 1 ,5 9 8cm·s- 1 .通过考察上覆水中TN、TP浓度的变化 ,建立了底泥中TN、TP释放率与水体流速的定量化关系 .并将太湖水量水质的同步监测资料应用在数学模型中 ,解决了以往模型中底泥释放率取为常数的不足 ,取得了较好的效果     

风浪扰动下的太湖悬浮物实验与模拟

采用太湖湖区底泥,根据波浪水槽实验总结了各种扰动强度下太湖底泥的起动切应力.波浪水槽可以系统地模拟太湖常见的波浪强度.通过实验确定了太湖底泥的临界切应力为0.050 Pa,采用国外先进的FVCOM模型计算模拟了太湖流场和悬浮物分布并和太湖实测资料进行了对比,结果较为合理,证明了模型的有效性.由于目前太湖的野外监测资料存在较明显的时空不一致性.模型参数率定的精度受到了较大影响,太湖悬浮物与太湖底泥的内源释放以及水体的透明度有较大关系,因此通过室内实验研究太湖的悬浮物规律对太湖的富营养化治理具有重要意义.     

杭州城市内河底泥磷污染与磷释放水力模拟

在分析杭州城市内河东新河底泥磷污染的基础上,采用加长型环形水槽动态模拟水体流速（0.002～0.02 m·s^-1）、上覆水质（水体总磷本底值分别为0.18、 0.072和0.007 mg·L^-1）及上覆水深（5、 10 cm）对底泥磷释放的影响,并定量分析了不同流速下底泥磷的释放速率.结果表明,东新河底泥的pH值、含水率、磷含量等理化性质有利于磷的释放.在动态水力条件下底泥磷主要以悬浮颗粒态形式向上覆水体释放.流速对底泥磷释放的影响较为显著,模型流速为0.008 m·s^-1（原型流速为0.05 m·s^-1）时对应底泥的“少量动”,此时底泥磷释放速率趋于最大,达147.36 g·(m²·h)^-1.上覆水质影响底泥磷的释放,尤其显著影响磷的初期释放,内河水较自来水更有利于底泥磷的释放,可能是由于内河水与底泥构成了良好的磷交换关系.在浅水水体中,上覆水深对底泥磷释放影响不大.因此,可以通过调节水力学条件和水质来抑制或强化河流底泥磷的释放.     

流速对太湖河道底泥泥沙、营养盐释放规律影响实验研究

河湖中的底泥作为二次污染源,影响河道水环境.太湖河口及调水区河流底泥泥沙、营养盐的释放扩散受水动力条件的影响越来越受到人们的重视.用环形水槽模拟河道的水动力条件的改变,通过实验研究悬浮泥沙、总溶解氮磷(TDN,TDP)和总氮磷(TN,TP)浓度在不同流速条件下在水体中的变化情况,从而掌握底泥泥沙、营养盐在不同流速下的释放特性.本研究按照泥沙的起动标准,把相对应的流速分为"个别动"、"少量动"以及"普遍动"流速,对应不同的泥沙悬浮量以及营养物质的释放量.研究显示高于起动流速下营养盐的动态释放较低于起动流速下的静态释放.泥沙的悬浮量与营养物质的动态释放过程密切相关.TDN、TDP释放量和最终平衡浓度随流速呈对数关系;TN、TP平衡浓度随流速增加呈指数形式增加.整个释放过程为,0~30 min的释放前期为孔隙水释放,营养物质释放量大且速率快;后期为再悬浮颗粒物释放,释放量小且速率减慢,达到平衡之后,营养盐浓度基本稳定.营养物质的空隙水释放与在悬浮颗粒物释放的比例有待进一步的研究.     

湖流作用下太湖底泥再悬浮和NH4-N释放规律研究

在矩形水槽中模拟了太湖底泥起动再悬浮规律,分析了湖流流速对太湖底泥再悬浮及NH4-N释放的作用规律.结果显示:当流速小于20 cm/s时,底泥并未发生大量悬浮,水体中浊度及NH4-N浓度变化不大;当流速大于40cm/s时,底泥发生大规模悬浮,水体中浊度和NH4-N浓度显著提高.试验以少量动作为底泥起动的标准,得出太湖底...     

流速对太湖底泥污染物释放的影响

以太湖底泥为研究对象,在实验室温控和光控条件下,利用循环水槽形成不同的流速,模拟太湖水动力作用,研究不同流速条件对底泥中营养元素释放的影响。结果表明:在一定实验条件下,底泥悬浮的临界流速为3~4 cm/s,一旦超过临界流速,底泥发生悬浮,氮、磷营养元素不断释放到水体中,为藻类的繁殖提供持续不断的养分。但如果流速继续增大,氮、磷等释放速率开始下降。     

太湖水土界面氮磷交换通量的时空差异

利用原柱样静态释放实验及间隙水分子扩散模型对太湖典型草型湖区(东太湖)及藻型湖区(梅梁湾)的氮磷释放通量进行了逐月研究.原柱样氮磷静态界面交换通量(F_i)在同一湖泊不同生态类型湖区有差异性,东太湖氨态氮和可溶性磷酸盐的年平均交换通量分别为(44.9±21.9)mg·(m²·d)^-1(平均值±标准偏差)和(2.06±1.71)mg·(m²·d)^-1,梅梁湾为(16.2±12.0)mg·(m^-1·d)^-1和(0.53±0.52)mg·(m²·d)^-1.2湖区的分子扩散通量(F_m)同样表现为这样的差异,但是其绝对值与静态释放通量相比有数量级的差异,该模型不能用于太湖这样风浪显著且底栖生物活性较高的湖泊水土界面氮磷营养盐交换通量的估算.仅从不同生态类型的湖区比较结果看,草型湖区比藻型湖区有更高的氮磷交换通量.F_i/F_m比值作为1种反映底栖生物活性的指标反映出东太湖有更高的底栖活性.在水体溶解氧水平通常保持在较高的水平,即好氧状态下,氮磷界面交换通量与溶解氧水平(DO)无显著相关.同样,在现有浓度水平下,其水土界面交换通量与水体氮磷浓度无显著相关.东太湖较高的释放通量与相对较低的水体营养盐负荷的差异来自于大型水生植被的消浪促沉降及其本身的吸附吸收作用,这是恢复水生植被以重建健康水生生态系统的重要理论依据.     

海河干流底泥中六氯苯残留及其释放规律

为调查海河干流底泥中六氯苯的污染程度及底泥悬浮后六氯苯的释放规律,利用Malven Mastersizer激光粒度分布仪测定海河干流5个断面底泥的粒径分布.结果表明:底泥粒径<125μm的占总质量50%左右,而>500μm只占10%左右,得出海河底泥的粒径较细,为淤泥质底泥;海河干流5断面底泥总有机碳含量在0.64%～3.40%之间;底泥中残留六氯苯浓度范围为6.8～16.7μg/kg,平均值为长江南京段底泥中六氯苯含量的2.9倍,远低于淮河底泥中六氯苯含量.考察了温度、总有机碳含量、底泥粒径以及吸附时间对六氯苯释放的影响,结果表明各因素对六氯苯的释放均有显著影响.快、慢2段一级动力学模型较好地拟合了六氯苯释放的实验数据,并得出了释放动力学参数:快速和慢速释放部分所占的质量分率F_rap,F_slow分别为37.6%和62.4%;快速和慢速释放速率常数k_rap,k_slow分别为0.066 9h^-1和0.000 5h^-1.     

动态水流条件下河流底泥污染物(COD_(Cr))释放研究

为了研究不同水深、流速等水动力条件对底泥中污染物释放强度的影响,以苏州河底泥为例,通过水槽试验,分析了动态水流条件下河流底泥中污染物释放及其对上覆水体水质的影响.结果表明,CODCr释放率随时间的增大而增大,但CODCr释放强度随时间的增大而减小.底泥中污染物释放率与水深和流速有关,在相同水深的条件下,底泥的释放率随着流速的增加而增大;在相同流速的条件下,底泥的释放率随着水深的增大而减小.在水深10cm、流速0.10m.s-1的动态水流条件下,底泥向上覆水体释放CODCr的释放强度与时间的关系为:C=1.06C0e-0.06t.     

太湖沉积物好氧细菌空间分布与氮磷来源及风险

沉积物中氮磷释放到湖水中会加剧湖泊的富营养化,危害生态安全和人类健康.微生物在氮磷转换中不可或缺,准确分析沉积物中氮磷分布特征和来源以及与微生物的关系是湖泊富营养化管控的重要前提.以太湖为研究区,采集30个表层沉积物样品,测定并分析了粒度、pH、有机质（OM）、溶解性有机碳（DOC）、全磷（TP）、全氮（TN）、硝态氮（NO₃^--N）和溶解性有机氮（DON）等指标含量及空间分布特征,同时利用营养琼脂（NA）培养基以平板计数法测定好氧细菌（AB）数量.结合主成分分析（PCA）和Pearson相关分析探究了太湖沉积物和AB空间分布特征和来源.采用综合污染指数法和有机污染指数法研究了太湖沉积物污染特征.结果表明,太湖表层沉积物指标平均值如下：AB为9.25×10⁴ CFU ·g^-1,平均粒径（M_Z）为17.59 μm,pH为7.62,ω（OM）为15.05g ·kg^-1,ω（DOC）为71.60mg ·kg^-1,ω（TP）为598.13mg ·kg^-1,ω（TN）为1113.92 mg ·kg^-1,ω（NO₃^--N）为3.22mg ·kg^-1,ω（DON）为22.60mg ·kg^-1.综合污染指数（FF）显示太湖中的点位13%为中度污染,87%为重度污染.TN除在湖心区、南部湖区和东太湖西部的部分湖区为轻度污染外,其余区域为中重度污染.除竺山湾为重度污染外,太湖中TP整体上为轻中度污染.有机污染指数（OI）表明,太湖沉积物有机污染较轻,主要与有机氮（ON）污染有关.太湖中DOC、DON、TN和OM主要来源于水生植物的影响,TP和AB主要来源于河流外源输入的影响.研究将为湖泊富营养化治理提供理论支撑,也为进一步研究AB去除沉积物中氮磷污染提供新思路.     

风浪作用下的底泥悬浮沉降及内源释放量研究

分别于春夏秋冬4个季节对太湖梅梁湾水体开展了5次野外实验,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,并建立了其与风速的关系;对代表不同风浪作用下的太湖悬浮物进行了7次静沉降实验,计算了悬浮物的静沉降通量,并建立了其与悬浮物浓度关系.以3.7 m/s为界对低泥悬浮沉降过程进行分解和概化,计算了2005年每日的悬浮沉降量,并利用近10年的风速资料估算了太湖年均内源释放量,结果表明,太湖每日的内源释放量受风速影响显著,和风速变化趋势较为接近,然而不同营养盐的释放状况却各不相同.太湖内源年均进人水体的净底泥量有19.03万t,冬季最大.夏季次之;就营养物质释放量而言,COD约4.96万t、总氮约7 773.0 t、总磷约275.5 t.其中秋季营养物质释放量最小,夏季最大.     

基于生态槽实验的藻类生长参数确定

在太湖湖泊生态系统研究站的生态模拟槽中进行了藻类的动态模拟实验.取太湖原水至生态槽中,在温度、光照、营养盐变化条件下进行采样,观察藻类的变化情况.在生态槽实验基础上应用PHREEQC模型建立了藻类生长模型,模型中考虑了氮及磷营养盐的循环过程.利用生态模拟槽实验结果对太湖藻类生长模型的各参数进行了详细的率定验证,并应用最小二乘法确定最佳的一组参数,藻类及各种营养盐浓度的模拟值均能较好地拟合实验测量值.     

太湖水环境模型关键参数曼宁系数的水槽试验

曼宁系数是在水流计算和实际工程中应用最广泛的水流阻力系数,是河湖阻力研究中的重要方向。基于室内循环水槽,利用三维声学多普勒流速仪,研究了不同沉水植株密度和水体流速下曼宁系数的变化特性。根据摩阻力相似原理、实际曼宁系数和试验曼宁系数换算公式,计算得到不同工况下的太湖曼宁系数;并通过回归拟合,得到太湖曼宁系数与植株密度、株高和水体流速的最优拟合方程式。结果表明:当湖底植株状况一定时,太湖曼宁系数与水体流速呈明显的单调递减幂函数关系;当植株密度 ≤ 200株/m2,水体流速和株高一定时,太湖曼宁系数与植株密度呈单调递增关系;当水体流速与植株密度一定时,太湖曼宁系数与植株株高呈单调递增关系。通过试验模拟得到太湖实际曼宁系数,对沉积物-水界面氮磷营养盐的迁移转化研究、富营养改善及湖泊长效管理具有重要意义。     

湖泊富营养化状态的地面高光谱遥感评价

分别于2004-06和2004-08在太湖的21个固定监测站点进行原位水质取样分析和波谱实测,进而利用地面实测高光谱数据评价太湖水体富营养化状态.水体富营养化程度的评价指标为营养状态指数(TSI).首先,根据太湖水体固有光学特性,用分析模型的方法建立水体反射率模拟模型,进而用求解优化函数的方法,利用Matlab软件反演叶绿素a浓度;其次,利用反演的叶绿素a浓度,计算采样点位的营养状态指数,并利用ArcView软件进行插值,制作太湖富营养状态评价图.结果表明,2004-06和2004-08太湖富营养化程度差     

太湖氮、磷自净能力的实验与模型模拟

于2011年9月对太湖竺山湖开展了1次湖区实验,根据质量平衡原理,通过进出竺山湖湖区河道以及竺山湖湾心、湾口水量、水质测量,弄清了竺山湖湖区营养物质进出以及消纳规律,从而为完善水量-水质模型参数提供依据,也为进一步研究太湖水体自净能力提供了基础资料.采用EcoTaihu模型模拟了太湖营养物质的循环以及自净能力,根据竺山湖湖区实测结果对模型进行了验证,实验得到竺山湖湖区总氮年自净能力为1 979 t,总磷年自净能力为119 t,通过EcoTaihu模型计算得到竺山湖总氮年自净能力为1 911 t,总磷年自净能力为116 t,实测数据和模型较为吻合.模型计算结果表明,2006、2008、2010年太湖氮元素自净能力分别为4.00、4.27、4.11万t.2006、2008、2010年太湖磷元素自净能力分别为1 566、1 798、1 712 t.     

太湖底泥沉积物释放规律研究

为探索浅水湖泊水动力扰动作用对底泥再悬浮影响的规律,通过矩形水槽试验模拟了太湖不同流速下的沉积物释放,并结合太湖悬浮物模型进行推算,获得了底泥沉积物再悬浮通量与风速之间的定量关系。结果表明:太湖底泥在3种起动标准下对应的起动流速分别为15、30和40 cm/s;底泥沉积物再悬浮通量与风速呈现线性正相关关系,再悬浮通量随风速增大而增大,且相关性较好。该方法为太湖内源释放量估算及富营养化治理提供参考依据。