白洋淀总氮控制模型研究

白洋淀是华北平原最大的草型湖泊,总面积366 km2。近年来,白洋淀全淀富营养化水平总体处于严重富营养化水平。芦苇和菹草是白洋淀的优势水生植物,其生长时吸收氮磷,死亡后释放,利用水生植物是控制水体富营养化的重要手段之一。文章探索建立了总氮控制模型,模拟白洋淀优势水生植物的生长过程及其氮循环过程。控制模型共包括6个状态变量,9个方程,26个参数,由模拟结果可知,本模型基本能够反映出白洋淀水生植物生长特性与水体氮浓度变化趋势,模拟结果合理可信。     

洱海湿地植物不同组合配置对氮磷的去除效果研究

建立多种水生植物模拟控制实验,揭示洱海湖滨大型水生植物组合在湿地中去除氮磷功能的差异:纸莎草、再力花和芦苇与其他植物搭配组合对氮磷去除效果最佳;美人蕉对水质的影响效果最不稳定,但当美人蕉与其他植物搭配时,却起到很好的水质影响效果。挺水植物可以较快地降低水体氮磷水平,但是氮磷去除率与水体氮磷含量成正相关关系。     

鄱阳湖流域人为氮磷输入演变及湖泊水环境响应

人类活动导致的氮磷营养盐富集是我国湖泊富营养化问题形成的重要驱动力.鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊,随着流域经济社会的迅速发展,湖体营养盐水平上升,降低了鄱阳湖及长江中下游地区的水环境质量.然而,人类对鄱阳湖流域氮磷输入的影响程度尚不明确,湖体氮磷浓度与流域人为氮磷输入的关系也缺乏定量研究.因此,本研究基于人为净氮输入模型(NANI)、人为净磷输入模型(NAPI)和多元统计回归模型,评估了鄱阳湖流域1949—2013年人类活动导致的氮磷输入量,构建了人为氮磷输入与湖泊氮磷浓度的响应模型.结果表明,研究期内鄱阳湖流域的人为净氮输入和人为净磷输入分别增长6倍和15倍,化肥施用是20世纪80年代以来的主要增长因子;鄱阳湖氮磷浓度与流域人为氮磷输入显著相关,根据多元回归模型的可决系数,NANI可解释88%的湖体TN浓度变化,NAPI和湖泊平均水位可解释64%的TP浓度变化.提高氮磷的循环利用率同时维持湖泊生态水位对于降低鄱阳湖富营养化水平具有重要意义.     

ELCOM模型在流溪河水库水温模拟中的应用

水温是湖泊水库生态系统的重要驱动因子,其结构特征对水生态系统中的物理、化学和生物过程起着重要作用。流溪河水库是位于北回归线上的大型山谷型深水水库,一座典型的热带亚热带过渡区水库。本文运用西澳大利亚大学水研究中心开发的三维ELCOM水动力学模型模拟了流溪河水库2008年7月23日到8月24日共32d的水温变化状况,并通过水温实测值进行了验证,模拟值与实测值的相关性R2值达到了0．8342,模拟值与实测值较为接近,ELCON模型较好地模拟了水温的日变化。最后对水温变化的原因和趋势进行了分析。     

滇池优势挺水植物茭草和芦苇降解过程中DOM释放特征研究

利用室内分解模拟实验,研究了滇池外海优势挺水植物茭草和芦苇(成熟期)的叶在水环境中降解过程,分析了其释放于水体中水溶性有机质(DOM)浓度和化学结构变化特征.结果表明,植物分解可造成上覆水pH值升高,茭草和芦苇分解过程中上覆水中DOM浓度的变化趋势基本一致.两种植物上覆水中水溶性有机碳(DOC)和水溶性有机氮(DON)的浓度均在8h达到最大值,水溶性有机磷(DOP)的浓度在24 h达到最大值.同时,茭草和芦苇残体内DOM释放强度和速率的变化趋势也基本一致.两种植物DOC、DON和DOP的释放强度和速率都在8 h达到最大,且8 h的释放强度、释放速率、释放比例依次为DOC>DON>DOP.另外,茭草和芦苇分解过程中DOM结构变化分析表明上覆水紫外吸收光谱中SUVA254值先升高再降低,傅里叶红外光谱中—OH特征峰消失,三维荧光光谱中类腐殖酸单位有机碳荧光强度增强.     

湖泊水位变化对挺水植物影响分析:以洪泽湖为例

湖泊水位波动的幅度、频率、持续时长、规律性等是影响湖泊水生植被状况、水资源调配的关键因素。以往研究主要通过选取部分水位变化指标来识别主要的生态影响。而要维持湖泊生态健康进行合理水位调控,需要综合水位变化的多指标,从整体上分析湖泊植物对湖泊水位变化的响应特征。以洪泽湖为例,基于IHA/RVA法,重点分析了南水北调东线一期工程后洪泽湖水位变化对挺水植物的影响。结果表明:南水北调东线一期工程后洪泽湖3,5,7,9月月平均水位以及最小30 d平均水位等指标发生较大改变,对挺水植物面积的影响是最显著的,其他IHA指标改变度小,影响不明显。3月平均水位超过13.4 m,挺水植物萌发抑制明显;当5月平均水位在13.1 m,7月平均水位在12.7 m时,挺水植物面积显著增加;9月平均水位高于13.4 m,挺水植物面积大幅减少。当最小30 d平均水位<12.0 m时,挺水植物面积平均减少14.32 km2。为满足洪泽湖挺水植物生长和繁殖需求,确定3,5,7,9月适宜生态水位为13.20,13.10,12.70,12.85 m。     

基于GIS的平面二维水质模型构建及其对广域平原河网水系数值模拟的适用性分析

为探究大范围平原河网地区众多圩区“大包围”背景下河网水质对内外源污染负荷及初级生产的时空响应分异特征,阐明不同泵闸调控模式对河网水质的改善效果,基于泛滥解析模型和水生态模型构建了苏州市吴江区广域范围的平面二维水动力-水质模型.同时,基于平面GIS地图,将吴江全域切分为2562×2487个（20 m×20 m）作为计算对象的网格来表达吴江区域范围内所有河网与湖荡的空间分布,并通过将平面二维排列数据转换为一维排列的空间网格信息来实现对水动力与水质的数值模拟.通过验证得到基于对水深及流速模拟的水位及流量值与实测值的吻合程度较高,闸泵排水对于整个区域水量的影响较大.通过分析2019年7月的模拟值与实测值之间的差异,比较不同模拟情境下的模型拟合程度,得到在闸泵调控模式未启动且不考虑生产消费项的情境下,外河水系模拟值与实测值最为接近;在闸泵启动所有内河与外河联通情境下,干流模拟情况好于支流;引入生产消费项后,整体模拟值有增大趋势,表明模拟结果对来自内河的藻类生产有实时响应,但闸泵开启调控的情境下,河网水系的水质呈现改善趋势,表明水体流动的稀释效果超过了河流水体中来自于浮游藻类内部生产的贡献.各项模...     

于桥水库浮游藻类时空分布规律的数值模拟研究

于桥水库作为天津市重要的饮用水水源地,为改善水库环境、防治水华爆发,有必要研究其浮游藻类时空分布规律.本研究的主要方法是引入可以反映影响藻类生长的多个复杂非线性因子的综合参数——藻类综合生长系数,用于表征其生长变化趋势,该综合参数作为参变量添加到动力迁移模型中的对流—扩散传导方程中求解,实现生长模型与动力迁移模型的耦合,得到的耦合模型即可达到对藻类的生长规律和动力迁移作用同时兼顾的效果.应用耦合模型对于桥水库库区藻类进行模拟预测,模拟输出的时空分布图能够直观清晰地显示库区藻类浓度偏高时期和易富集区域,模拟值与实测值的平均误差为15.4%,在可以接受范围之内.模拟结果表明该模型可用于探索藻类的生长、富集和迁移规律,并为水库防治水华采取相应措施提供科学依据.     

不同水生植物富集氮磷能力的试验研究

研究了伊乐藻、菹草、微齿眼子菜、竹叶眼子菜、石菖蒲和水芹菜等水生植物在不同营养状态下体内富集N、P的能力。结果表明:植物体内氮磷浓度增加的趋势与所在水体中的氮磷去除效果相一致;挺水植物水芹菜和沉水植物微齿眼子菜吸收N、P的能力较强,可将这两种植物构成双层次群落结构用以修复太湖地区的富营养化水体。     

大气多环芳烃区域迁移转化模型比较与关键影响因素:以京津冀地区为例

针对芘(Pyr)和苯并[a]芘(BaP),以京津冀地区2014年为例分别构建CMAQ和BETR模型系统开展数值模拟,对比评估两种模型对PAHs大气迁移转化的模拟效果,并利用XGBoost模型识别CMAQ中影响PAHs环境行为的关键大气物理化学过程和参数.结果表明,BETR和CMAQ模拟年均值与实测年均值比值基本在1/2～2之间,且CMAQ模拟值和实测值季节变化趋势相同,验证了两类模型结果的可靠性.同时,将CMAQ模型9 km网格模拟浓度平均至27 km网格并和BETR模拟浓度的对比结果显示,BETR模型Pyr和BaP模拟浓度平均分别约为CMAQ年均模拟浓度的1.59倍和1.38倍,两类模型在年均浓度水平和空间分布方面具有较好的可比性.基于XGBoost模型的SHAP变量重要性分析表明,边界层高是对Pyr和BaP迁移转化影响最大的气象因素,其重要性在所有因素中占比高达22%～35%,在部分城市和污染物中对浓度变化的贡献甚至超过排放量,且和两种PAHs浓度呈显著负相关;PAHs浓度水平其次受风速影响最大,且风速和PAHs浓度呈负相关关系;风向对不同城市污染物浓度的影响则各不相同.     

湖泊水库水体氮、磷允许纳污量定量研究

在充分考虑湖库水体污染物实际自净能力、并分析其出流污染物浓度分布规律的基础上,根据风险分析理论和Monte Carlo模拟方法,提出了湖库水体氮、磷允许纳污量计算方法,指出:在满足湖库水体污染物浓度达标率90%以上的条件下,所对应的水体污染物降解量才是湖泊水库水体氮、磷允许纳污量.通过实际算例对水库总氮、总磷允许纳污量的计算,说明了所提出的计算方法的适用性.     

白洋淀水域WASP富营养化模型改进研究

在美国环保局开发的WASP湖泊富营养化模型的基础上,引入了浮游动物这一影响因子,表征了浮游动物生长动力学及其对营养盐与溶解氧的作用,使得模型对富营养化过程的描述更加全面。建立的湖泊生态模型,涉及浮游植物、浮游动物、氮、磷、溶解氧等9个变量,揭示了变量之间的相互关系以及湖泊富营养化的变化规律。结合白洋淀水域2004年的总氮、总磷、溶解氧、碳生化需氧量的实际监测数据,将WASP模型和改进后的模型的计算结果进行对比分析,表明改进后的模型能更好的与实测值相吻合,尤其是对于浮游植物、总氮和碳生化需氧量的模拟,准确再现了变量在1a内的变化过程。     

生态浮床对千岛湖水体氮磷净化效果研究

为探索生态浮床对较清洁型湖水的氮磷去除效果,以华东地区最大深水水库千岛湖为例,选取浮叶植物黄花水龙(Jussiaea stipulacea Ohwi.)、沉水植物绿色狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)、挺水植物菖蒲(Acorus calamus)为材料,采用氮磷浓度相对较高的库尾湖湾湖水进行生态浮床静态模拟试验,测定浮床植物生长及水体氮磷浓度变化,并利用膜接口质谱仪测定水体溶解性氮气(N₂)含量,研究浮床植物体内吸收、反硝化脱氮等综合脱氮除磷能力. 结果表明:①浮床植物的氮磷净化能力存在明显的季节性差异,春季浮床植物长势、氮磷去除效果、反硝化脱氮能力均高于秋季;②不同水生植物间的氮磷去除能力差异显著,试验水体中黄花水龙和绿色狐尾藻的总氮(TN)、总磷(TP)去除效率分别为2.22、0.07和2.89、0.08 mg/(kg·d),绿色狐尾藻体内吸收氮、磷最多,植物干质量的氮、磷含量分别为12.44~15.57和0.96~1.95 g/kg;③植物的生长大大增强了水体的反硝化脱氮能力,黄花水龙、绿色狐尾藻、菖蒲与空白对照组溶解性N₂差值（净脱氮差）分别为0.16~22.35、?4.14~24.63、?0.26~15.74 μmol/L,水生植物生物量是影响浮床系统反硝化作用的最关键因素. 研究显示,生态浮床是较清洁型湖水氮磷削减的一种可行技术,浮床植物组合方案设计应充分考虑不同植物的季节生长特性和反硝化脱氮能力.      

我国湖泊系统氮磷时空变化及对富营养化影响研究

本文收集整理了32篇已公开发表的学术论文的湖泊富营养化有效监测数据约140组,对湖泊氮磷时空特征和富营养化的关系进行分析。结果表明,我国湖泊总氮(TN)和总磷(TP)的变化范围分别为0.11~29.2 mg/L和0.006~1.04 mg/L,其中氮的变异性比磷大。TN/TP的变化范围在0.86~84,几何平均值为16.43,这说明磷素是我国湖泊富营养化的一个主要限制因子。TN与纬度存在极显著的相关关系,随着纬度的升高,TN含量极显著地减少,但TN与经度的相关关系较弱(p=0.126),这可能与氮在经度上变异性大有关。TP与纬度和经度的相关关系都达到显著水平,随着经纬度的升高,TP显著地减少。TN/TP与经纬度也都存在显著的相关关系,随经度和纬度的升高,我国湖泊的TN/TP显著升高,表明磷素富集可能是造成南方湖泊的富营养化程度高的重要原因。我国湖泊水体氮素和磷素在化学计量上的变化,可能与我国目前湖泊富营养化频发密切相关。自上个世纪90年代至今,我国湖泊磷素含量上升极为显著,但氮素则变化不大(p=0.275),从而引起TN/TP显著下降,所以,解决我国湖泊富营养化问题的关键在于"磷"素的输入控制。     

氮磷比对湖泊富营养化模型参数敏感性的影响

运用Morris方法研究了蓝藻暴发期不同氮磷比条件下,巢湖富营养化模型中蓝藻、溶解有机碳、营养物和溶解氧的参数敏感性.结果表明：蓝藻的敏感参数随氮磷比不同有显著差异;氮缺乏情况下,蓝藻对氮转化过程相关参数较敏感;磷缺乏情况下则反之.在任何氮磷比条件下,溶解有机碳、营养物和溶解氧等非生物变量都是对直接参与其自身转化过程的参数最为敏感,它们在不同氮磷比情况下的敏感参数差异较小.相比较蓝藻生长过程的参数,基础代谢过程的参数对所有变量的影响都更强.此外,各个参数的敏感性与它们的相互作用强度呈显著正相关,且这种相关性在极端氮或磷缺乏情况下尤为显著.本研究的结果有助于深入理解湖泊富营养化现象、改善富营养化模型模拟效果和精度.     

Assessment of nutrient distributions in Lake Champlain using satellite remote sensing

The introduction of nutrients to lakes causing eutrophic conditions is a major problem around the world. Proper monitoring and modeling are important to effectively manage eutrophication in lake waters. The goal is to develop remote sensing models for nutrients, total phosphorus and total nitrogen, in Lake Champlain. The remote sensing models were created using multivariate linear regression with the unique band combinations of Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus （ETM＋） imagery based on the empirical relationship with the field observations. The resulting models successfully showed nutrient distributions in the most eutrophic part of Lake Champlain, Missisquoi Bay, with reasonable adjusted coefficient of determination values （R2 = 0.81 and 0.75 for total phosphorus and total nitrogen, respectively）. The results show the feasibility and the utility of satellite imagery to detect spatial distributions of lake water quality constituents, which can be used to better understand nutrient distributions in Lake Champlain. This approach can be applicable to other lakes experiencing eutrophication assisting decision making when implementing Best Management Practices and other mitigation techniques to lakes.     

我国东部与云贵湖区富营养化控制标准对比研究

以我国东部湖区及云贵湖区主要湖泊2005~2008年的监测数据和国际公认的湖泊富营养化叶绿素a 含量分级为基础,通过频率统计方法,对叶绿素a、总氮(TN)、总磷(TP)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)进行了统计分析,并根据反退化原则,计算了两湖区湖泊富营养化控制指标的建议值.结果表明,东部湖区湖泊富营养化控制标准的建议值为TN:1.65mg/L,TP:0.100mg/L,SD:0.45m,CODMn:4.50mg/L;云贵湖区为TN:1.00 mg/L,TP:0.045 mg/L,SD:1.10m,CODMn:4.00mg/L.云贵高原湖区氮磷营养盐控制指标值绝对值低,相应控制标准比东部平原湖区严,主要原因是东部平原湖区受人类活动影响强烈,目前的水环境总体质量劣于云贵湖区.     

某城市湖泊中磷的循环特征及富营养化发生潜势

通过对浙江省临海市东湖水体磷元素的输入与输出途径与通量、磷元素在湖泊环境中的循环特征以及磷循环对水温上升的响应分析,并基于对该水体从2000年开始隔年进行各参数的观测,表明2000年以来磷输入年平均增量为0.007～0.009mg/L,水中叶绿素a平均年增0.14～0.56μg/L,透明度年平均下降0.38～0.49m,溶解氧年平均下降0.21～0.71mg/L.并依此建立了反映湖泊富营养化发生潜势的这些主要代表性参数与湖水中总磷含量之间的相关关系,揭示了可以通过从磷物质单因子的变化预测所引起的其它因子变化之间的关系来综合判断湖泊的营养状态,从而为减少湖泊富营养化的发生、提高湖泊水质提供科学依据.     

蚁群投影寻踪回归在湖泊水质富营养化评价中的应用

根据湖泊富营养化特性,选择总磷(TP)、总氮(TN)、耗氧量(CODMn)、透明度(SD)、生物量等5个评价指标作为评价因子,建立湖泊富营养化评价的投影寻踪分析模型,采用蚁群算法对评价模型进行优化,并将该模型应用于我国8个湖泊富营养化程度的评价。研究表明:投影寻踪回归分析法,避免了传统评价方法由于主观原因造成的误差,评价结果合理可信、方法简单,为湖泊水体营养化状态的评价提供了新途径。