2009~2018年太湖湖泛强度变化及其影响因素

基于2009~2018年的每年4~10月对太湖湖泛易发区的逐日巡查成果,以及相关太湖气象、水文、水质和水华监测资料的综合分析,揭示了太湖湖泛发生的环境条件及年际差异性特征,分析了影响太湖湖泛强度年际变化的因素及防控途径.结果表明,2009~2018年10 a中太湖共发生大小湖泛事件75次,平均湖泛面积1.35 km²,最大面积9.20 km²,平均持续时间3 d,最长持续16 d;湖泛发生引起了水体有机质、氮和磷等水质指标明显增高;湖泛的发生均在水温20℃以上,发生首日均处在5~9月;年际湖泛强度变化较大,2017年湖泛强度最大,2018年次之,而2014年湖泛强度最小;年际湖泛强度与蓝藻水华强度及5~9月的湖水平均温度显著正相关,而与水体营养盐等指标关系不密切,表明年际气候条件的波动对湖泛情势影响很大;湖泛的形成与河口区蓝藻水华的堆积关系密切：除了5次草源性湖泛外,70次藻源性湖泛均发生在入湖河口附近水域,河口区的底泥污染状况及底泥悬浮状况可能对湖泛的发生具有促进作用.根据形成湖泛的腐烂物质、来源、发生地点和持续时间的不同,可将湖泛分为藻源性湖泛和草源性湖泛这2种类型,藻源性湖泛又可分为港源型、迁移型和原发型这3种.结果表明,控制蓝藻水华强度是降低湖泛风险的根本途径,而避免河口区蓝藻水华过度堆积及厌氧分解的措施,如对蓝藻水华的及时打捞、工程措施形成的局部流场改变、蓝藻水华的离岸打捞工程和滨岸水华堆积区的应急曝气工程,以及河口区的污染底泥疏浚等工程措施,是降低湖泛发生风险的工程措施选项.     

藻源性湖泛发生过程的季节差异

藻源性湖泛在春季和夏季均有发生,但湖泛发生的完整过程在野外很难被追踪到.本文利用专利装置进行了春季与夏季藻源性湖泛的室内发生模拟,研究了湖泛发生过程中水体视觉和嗅觉两方面特征指标的变化过程.结果表明:湖泛在春季比夏季需要更长的酝酿时间方可发生,且持续时间较短;春季湖泛发生时水体真色度与悬浮固体含量均要高于夏季,且波动更显著;夏季湖泛致臭物质的变化较春季更明显,具有迅速、持久的特点;春季与夏季藻源性湖泛过程均具有嗅觉特征先于视觉效果显现的现象,即呈现先臭后黑的特点.     

太湖湖泛易发区沉积物中有机磷形态分布特征

湖泊沉积物中磷的潜在释放很大程度上取决于有机磷的形态和分布.以太湖西岸湖泛易发区毛渎港(MDG)为研究区域,采用Ivannoff有机磷分级提取方法对沉积物中有机磷进行分析.结果表明,不同采样点沉积物中有机磷形态以胡敏酸结合态OP为主,占有机磷总量的35%.总有机磷含量由岸边往湖心先降低后增加;垂直方向2~6 cm含量最低,4~8 cm含量最高.沉积物中各形态磷含量大小:胡敏酸结合态OP残渣态OPHCl-OP富里酸结合态OP;由岸边向湖心区延伸,Na HCO3-OP占总有机磷的相对含量呈先升高后降低再升高的趋势,蓝藻残体的沉积增加了沉积物中Na HCO3-OP含量.Na HCO3-OP和胡敏酸结合态OP垂直分布大致先降低后升高再降低,Na HCO3-OP在4~6 cm含量最低,胡敏酸结合态OP在4~8 cm含量最高.HCl-OP和富里酸结合态OP垂直分布大致随深度增加含量降低.残渣态OP含量垂直方向无明显变化,均稳定在45μg·g-1左右.活性有机磷与pH、DO、水深呈显著负相关;OM、Na OH-Pi均与总有机磷、活性有机磷、中等活性有机磷及非活性有机磷表现出了显著相关关系.有机磷3种组分均具有生物活性,对湖泊富营养化有着重要作用,蓝藻堆积区活性有机磷的增加可能促进湖泛的发生.     

藻类打捞对太湖聚藻区湖泛发生的影响

藻类打捞是多年来控制太湖沿岸藻源性湖泛的主要措施,为科学地指导藻类的打捞、防止湖泛的发生,采用能够模拟太湖风浪与沉积物再悬浮的大型装置,模拟湖泛易发的藻类聚集量下不同打捞频率(1次/d～1次/6 d)对湖泛发生时水体主要视觉指标和敏感指标〔ρ(DO)、E_h、ρ(Fe2+)、ρ(TFe)、ρ(∑S2-)等〕的影响. 结果表明:1次/d和1次/2 d的高打捞频率能够有效预防湖泛的发生,当第4天对照组发生湖泛时,1次/d和1次/2 d打捞频率下ρ(DO)为0.60和0.06,E_h为48和37,ρ(Fe2+)是对照组的79.3%和90.7%,ρ(TFe)是对照组的64.8%和72.3%,ρ(∑S2-)是对照组的62.03%和64.56%;1次/3 d频率虽不能控制湖泛的发生,但能有效推迟湖泛发生时间约2~3 d;而1次/4 d～1次/6 d的低打捞频率既不能预防也不能推迟湖泛的发生. 研究显示,在2.5 kg/(m2·d)鲜藻聚集速率下,1次/2 d的打捞频率是在控制湖泛发生前提下的最经济打捞频率.      

电化学氧化技术对藻源性湖泛的降解效果

为探索电化学氧化技术降解藻源性湖泛的可行性和实施效果,选取太湖藻华发生水域的浓缩藻类在室内稀释后,于高温黑暗条件下腐烂形成湖泛水样. 用钛基阴阳极板于24 V额定电压、100 W额定功率的变压器下在室内进行降解,并分别设置3个试验组和1个对照组. 结果表明:反应51 h后ρ(Chla)从初始的2 909.87 μg/L降至72.02 μg/L,降解率达97.6%;悬浮物〔OSM(有机悬浮物)、ISM(无机悬浮物)、TSM(总悬浮物)〕、含氮污染物〔TN、TDN(溶解性总氮)〕、COD_Mn、DOC(溶解性有机碳)的降解率分别为40.8~94.7%、37.4~58.9%、78.8%、40.1%;电化学氧化法对水体有机物的降解效果好,而短期内水体藻类污染物的自降解能力较为微弱. 电化学氧化法能有效去除湖泊水体中的藻类污染物,并且极板功率较小、反应时间短.      

藻源型湖泛发生过程水色变化规律

利用Y-型沉积物再悬浮发生模拟装置,模拟湖泛发生过程,分析水体吸收特性变化特征;同时,利用Hydrolight和CIE颜色匹配函数模拟水体颜色,分析湖泛水色变化规律.结果表明:在湖泛发生过程中,可溶性有色物质(CDOM)浓度(ag)不断增大,无机颗粒物浓度及吸收(ad)总体呈减小的趋势,而浮游植物色素浓度及吸收(aph)随时间变化不规律;基于Hydrolight模拟湖泛水体,离水辐亮度(Lw)和遥感反射比(Rrs)均随时间不断变小;3)另外,随SPIM或ag(443)的变大,水体颜色逐渐由绿色变为棕色.当SPIM增至40mg/L时,水体呈现棕色;当ag(443)达到10m-1时,水体呈现红棕色.通过研究湖泛发生过程水体光学特性和水色变化规律,有助于构建高精度的湖泛遥感监测模型.     

疏浚对湖泛的影响:以太湖八房港和闾江口水域为例

通过采集太湖八房港和闾江口疏浚后与未疏浚沉积物柱状样于室内模拟“湖泛”的发生与消退过程来研究底泥疏浚对藻源性“湖泛”形成和消退的影响.结果发现,疏浚能有效的延缓“湖泛”发生的时间,八房港和闾江口疏浚后沉积物柱状样水体色度均要低于未疏浚对照样,水体泛黑的时间也分别比未疏浚对照样延迟6d和2d.疏浚沉积物对上覆水柱中营养盐的含量也有较好的控制,试验过程中八房港和闾江口疏浚后沉积物柱状样水体中 NH4+-N的含量仅分别未疏浚对照组的40%和77.1%,PO43--P的含量也仅分别为未疏浚对照组的41.4%和78.1%.值得注意的是,疏浚沉积物所对应的水柱中Fe2+和S2-的含量均要高于未疏浚对照组.八房港和闾江口疏浚沉积物中亚铁的含量分别是未疏浚对照样的78.1%和76.4%,而闾江口疏浚后沉积物中酸挥发性硫化物(AVS)的含量则是未疏浚对照的1.36倍.沉积物中铁、AVS的含量没有表现出明显的垂向分布特征.     

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.     

适宜太湖蓝藻水华形成的风场辐散特征及其形成机制

对太湖周边17个气象观测站的7年常规观测资料聚类分析发现,在适宜蓝藻水华形成的高温、微风气象条件下,太湖湖面风场往往出现辐散特征,在此辐散风场的驱动下,蓝藻水华迁移过程必然与均匀风场驱动下有所不同;数值模拟结果显示,这种辐散风场是由于非绝热加热不均匀造成的局地次级环流叠加在弱的背景风场之上引起的;其强弱程度是受湖陆温差和背景风速共同决定的,并据此给出了湖面风场辐散强度指数.     

夏季太湖水体势能异常的空间分异特征及其机制

基于2013年6月7日~8月28日在大浦口、梅梁湾、避风港、平台山及小雷山附近湖体中获取的气象数据及水温廓线,探讨了太湖水体势能异常的空间特征及其可能机制.结果表明:太湖水体势能异常不仅存在日变化,而且呈现明显的空间差异:湾区附近的梅梁湾和避风港,较易形成相对稳定的水体层化,且可能维持多天;而位于西岸的大浦口、湖心区的平台山及湖南部的小雷山区域的水体势能异常呈典型的日分层现象,即白天可能形成层化,晚间基本消失.水体获得的热量存在空间差异,但差异度较小,而动力混合作用的空间差异明显.动力混合作用的空间差异是造成水体势能异常或层化空间分异的主要成因.     

太湖蓝藻水华衰亡对沉积物氮、磷释放的影响

在太湖草型区、藻型区及河口区采集原状泥柱进行加藻培养实验,监测培养过程中溶解氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、磷酸根(PO43--P)等相关指标的变化.结果表明,蔽光培养导致加藻体系中蓝藻大量死亡,形成水体极度缺氧环境(DO接近0),沉积物氮、磷释放量改变,上覆水NH4+-N、PO43--P...     

夏季盛行风对太湖北部藻类水华分布的影响

1996年7月1日至10月17日对太湖北部湖区进行了6次综合调查,重点分析了夏季盛行风向和风力与太湖北部藻类分布的关系。研究表明,持续稳定的风向(SSE至ESE),是表层藻类在下风区和迎风岸产生聚集的重要驱动力,湖流流向影响甚小。当主风向为SE时,表层藻类生物量和chla(叶绿素a)含量,成自东南向西北逐渐增加的倾向性分布。当平均风力在1.5～3.6m/s时,风力大小与藻类在下风区的堆积有关;风力约大于4.0m/s后,藻类水华的平面分布已不明显,垂直分布趋于均一。     

太湖湖滨带藻密度与水质、风作用的分布特征及相关关系

为研究太湖湖滨带水体藻密度、水质及风作用的时空分布特征,于2010年春、夏季调查了太湖湖滨带的水质、藻密度,同时结合风级、风向等数据,运用偏相关法分析了藻密度分布与水质、风作用的相关关系. 结果表明:春季湖滨带水体藻密度低于夏季,平均值分别为1.88×106、1.75×108 L-1,竺山湾、梅梁湾、西部沿岸藻密度较高. 太湖湖滨带水体ρ(TP)、ρ(TN)、ρ(NO₃--N)、ρ(NH₃-N)、ρ(COD_Mn)春季平均值分别为0.10、4.48、0.99、2.36、6.46mg/L ,夏季分别为0.16、2.09、0.60、0.43、6.73mg/L,其中高值主要分布在竺山湾、西部沿岸、梅梁湾湖滨带;在时间上,ρ(TN)、ρ(NH₃-N)、ρ(DO)春季较高;ρ(TP)、pH夏季较高. 太湖湖滨带春、夏季风作用均以向岸的正作用力为主,夏季和春季风力作用平均值分别为0.26和0.73.风作用值较高的区域出现在梅梁湾、贡湖、西部沿岸. 偏相关分析结果表明:春、夏季藻密度分布均与风作用值呈显著正相关;春季只有透明度与藻密度的分布显著相关,夏季藻密度分布与ρ(COD_Mn)、ρ(SS)呈显著性正相关,而与pH呈显著负相关. 在富营养化严重的太湖,N、P等营养盐已经不再是藻类暴发的限制因子,而风作用及与之密切相关的湖流,北部竺山湾、梅梁湾似口袋状的地理形态,是影响藻密度分布的重要因素;另外,入湖河流污染对北部、西北部湖滨带自生藻类的滋生,水生植物、浮游动物对藻类分布也会有不同程度的影响.      

2004年夏季太湖梅梁湾席状漂浮水华风力漂移入湾量计算

太湖北部重度水华暴发时,在夏季盛行风推动下,漂浮的席状水华可由大太湖漂移进入位于太湖北部的梅梁湾,使湾内的水华加剧.本文通过室内风箱水槽实验和野外观测,对水华的风力漂移作了定量研究,建立了风速与水华漂移速度的指数相关方程.并据此对2004年夏季太湖北部发生席状水华的6d分别计算了水华风力漂移入湾量.6d中,只有2004-07-31水华漂移是由湾内向大太湖输出,且量很小,只有0.05 km²;其余5d水华漂移进入梅梁湾的面积占整个梅梁湾面积的3.7%～13.3%,进入量最大的是2004-06-11,达17.4km²,最少的是2004-07-30,为4.8 km².     

滇池水华特征及成因分析

滇池水华的规模大,持续时间长。水华的主要种类是蓝藻门的微囊藻属,其中以铜绿微囊藻占绝对优势。每年4～11月为水华发生期,常在外草海南部、海埂、灰湾一带形成大面积水华,盛时可遍及全湖,水体表层藻类叶绿素含量高达5 000 mg/m3。滇池水体中高含量的N和P营养物在水华的形成中起着关键作用,适宜的温度及充足的光照为水华的频发提供了有利条件,并且随着滇池富营养化的加剧及水温逐年升高,将促使水华暴发日趋严重。      

水温和营养盐增加对太湖冬、春季节藻类生长的影响

为探讨水温和营养盐增加对冬、春季节太湖藻类生长和群落演替的影响,研究了不同水温(不增温、12.0、14.0、16.0、18.0、20.0℃)和不同营养盐浓度(低、中、高营养盐浓度)下藻类的生长及优势种群变化. 结果表明:藻类∑ρ(Chla)〔蓝藻、绿藻及硅藻中ρ(Chla)总量,下同〕随着水温的升高呈增加趋势,在20.0℃下∑ρ(Chla)为0.19~12.94μg/L,显著高于其他水温试验组(0.01~6.83μg/L);与较低水温(不增温、12.0、14.0℃)相比,较高水温(16.0、18.0、20.0℃)更能显著促进藻类对氮、磷营养盐的吸收利用. 添加营养盐后,硅藻、绿藻ρ(Chla)的日均值分别为0.52~4.07、0.17~0.52μg/L;湖水中∑ρ(Chla)呈增长趋势,并且浮游植物群落结构的优势种由绿藻转变为硅藻,硅藻ρ(Chla)所占比例从试验初始的50%升至75%~98%, 说明营养盐增加可加大硅藻的竞争优势;而绿藻的生长则可能同时受水温和营养盐共同作用的影响,因此太湖冬、春季节藻类的演替同时受到水温和营养盐的影响.      

扰动方式对太湖藻类胞外多糖浓度的影响

频繁的风浪扰动是影响大型浅水湖泊生态系统最重要环境因素之一.为了解风浪扰动对富营养化大型浅水湖泊——太湖蓝藻EPS（extracellular polysaccharide,胞外多糖）的影响,试验设置了对照组（不扰动）、间歇扰动组和持续扰动组3种处理组,研究扰动方式及理化因子对蓝藻EPS的影响.结果表明:①第1~7天,3种处理组之间的ρ（EPS）、ρ（sEPS）（soluble extracellular polysaccharide,溶解性胞外多糖）和ρ（bEPS）（bound extracellular polysaccharide,固着性胞外多糖）差异均不显著（P>0.05）;第10~19天,对照组的ρ（EPS）、ρ（sEPS）和ρ（bEPS）均显著低于间歇扰动组和持续扰动组（P < 0.05）;第19天,持续扰动组的ρ（sEPS）和ρ（bEPS）均显著高于间歇扰动组（P < 0.05）.②3种处理组的ρ（EPS）及单位藻细胞EPS含量与ρ（TDN）（TDN为溶解性总氮）及ρ（TDP）（TDP为溶解性总磷）均呈显著负相关;3种处理组的ρ（EPS）与ρ（SS）（SS为悬浮颗粒物）均呈显著正相关;此外,两个扰动组的ρ（EPS）均与藻细胞密度呈显著负相关.研究显示,扰动在一定程度上促进了蓝藻EPS的分泌.      

洱海水华高风险期水体氮磷变化及其指示意义

为揭示水华高风险期水体氮磷变化对洱海的指示意义,结合洱海2009年、2013年和2018年采样检测数据及三维荧光、紫外光谱技术,研究了洱海上覆水氮磷组成和结构变化及影响因素.结果表明:①ρ(TN)和ρ(TP)均先降后升,由2009年氮磷以DON(0.231 mg/L,占36.90%)和DOP(0.016 mg/L,占42.05%)为主,转变为2018年以NH₄+-N(0.197 mg/L,占32.89%)和PP(0.033 mg/L,占70.00%)为主,NH₄+-N和溶解性有机氮磷质量浓度变化是引起氮磷变化的主要因子.各形态氮磷质量浓度空间变化差异较大,北部和中部湖区ρ(TN)、ρ(TP)及其增幅均大于南部湖区;ρ(DON)在北部和南部湖区总体呈下降的趋势,中部湖区ρ(DON)先降后升,增幅为3.32%;ρ(DOP)在北部和中部呈递减,南部湖区则先升后降,总体增加了70.21%;ρ(NH₄+-N)在中部和南部湖区显著增加,北部湖区先降后升.②上覆水氮磷质量浓度及形态时空变化受外源负荷、内源释放和藻类生长共同影响,其中入湖河流是影响氮磷质量浓度变化的主因,且农村生活污染和农田面源污染影响也较大;有机氮磷变化主要受外源输入和湖泊微生物代谢影响,而ρ(NH₄+-N)变化则主要受沉积物释放和藻类生长影响.③洱海水华高风险期上覆水腐殖化程度明显降低,有机氮磷分子量减小,而活性增加,一定程度上可促进藻类生长.研究显示,近10年洱海氮磷质量浓度有增加趋势,有机氮磷质量浓度虽有所下降,但其活性较高,藻类水华风险并未降低,除进一步加强外源负荷控制,关注TN和TP的同时,洱海保护治理还应关注有机氮磷输入以及中部和南部湖区沉积物氮磷释放的水质影响.