溶解氧对湖库热分层和富营养化的响应——以枣庄周村水库为例

为研究热分层和富营养化对湖库溶解氧变化特征的影响,于2014年1月~12月对周村水库水温、溶解氧、叶绿素以及初级生产力的季节变化及垂向分布进行了监测.结果表明:水温和溶解氧的分层期均为4~11月份;分层期叶绿素在20~50μg/L之间,初级生产力为2.16~2.23gO₂/(m³·d),光补偿点在1~3m之间;恒温层在5月中旬进入厌氧状态;由于光补偿点位置较高,5~8月份氧跃层位置为1~6m,高于温跃层上界面;而氧跃层位置偏高造成溶解氧在垂向上的极值一般在表层,且变温层溶解氧浓度梯度较大;9~11月份温跃层的下移使得氧跃层和厌氧区界面同时下移,厌氧区界面与温跃层上界面的位置变化始终同步,而氧跃层受水体耗氧作用的影响在热分层结构相对稳定时会再次上移.热分层和水体富营养化均对溶解氧的浓度和分布有重要的影响.     

高原深水湖泊抚仙湖溶解氧分层特征及驱动因素

深水湖泊特有的“表水层-温跃层-深水层”的热力学分层结构,决定了湖内溶解氧(DO)的垂直分布和混合交换,影响着湖内生态系统的健康.然而,目前对于深水湖泊耗氧与复氧过程及其驱动因素的研究还不够深入,尤其对高原深水湖泊的研究更为缺乏.为此,本研究于2021年1月-2022年2月进行了分层采样和逐月监测,探究了典型高原深水湖泊抚仙湖的溶解氧分层特征及驱动因素.结果表明：(1)抚仙湖热力学分层周期分为两期,即分层期和非分层期.分层期为3月下旬至11月上旬,混合期为11月下旬至3月上旬.(2)在湖泊热力学分层的驱动下,湖内DO垂直分层明显.表水层DO浓度年内变化范围为6.67～8.64 mg/L,而温跃层和深水层DO最低浓度分别可降至3.15和1.26 mg/L.(3)抚仙湖不同水层DO浓度变化的驱动因素及效应占比不同.表水层DO受到水温、光合作用、大气复氧和气象条件的综合影响;温跃层DO主要受分层强度和浮游植物生命活动的影响;深水层DO主要受分层强度、有机质沉降分解、沉积物有机质分解的影响.研究显示,抚仙湖底层水体长期处于厌氧状态,由此带来的湖泊生境的改变以及底部营养盐释放的风险值得关注.     

水库热分层期藻类水华与温跃层厌氧成因分析

以西安市李家河水库为研究对象,通过对水体理化因子和浮游植物的连续监测,对热分层期藻类垂向分布与温跃层厌氧成因进行了初步分析.结果表明:①6～9月,李家河水库水体稳定指数为2～10 m~(-1),处于稳定热分层状态,水体溶解氧呈明显的垂向以及季节差异,p H、电导率均与溶解氧呈现相同的分层结构;②李家河水体的富营养状态诱导夏季藻类水华暴发;藻细胞密度垂向差异大,集中悬停于水深0～5 m区域内,最高为2. 95×10~8cells·L~(-1),叶绿素a含量最大为46. 42mg·m~(-3);高密度藻类在温跃层内堆积分解,水深5～24 m内出现较大面积的厌氧区,pH下降、电导率和高锰酸盐指数升高;③高密度藻类分解耗氧是夏季分层期温跃层厌氧形成的主要原因.     

抚仙湖夏季热分层时期水温及水质分布特征

为探究高原深水湖泊抚仙湖夏季热分层时期水温水质空间特征及昼间变化规律,于2014年7月在抚仙湖南部、中部及北部各选取一个代表点位,开展了各点分层采样及北部点位昼间连续分层采样调查观测.结果表明:(1)抚仙湖夏季水温分布具有明显的深水湖泊成层期温度分布特征,表面至水深15 m为变温层,水温变幅25.51~22.81℃,15~40 m为温跃层,水温变幅22.81~14.72℃,40 m以下为等温层,水温变幅14.72~13.70℃.湖体表层与湖底层的最大温差为11.8℃,与温带湖泊同期相比温差较小,而湖底等温层水温为14℃左右,较温带湖泊为高,体现了抚仙湖高原深水湖泊自身的水温成层特征.(2)水温成层决定了湖体的化学成层与生态成层特征:pH、溶解氧(DO)及电导率均呈现出与水温分布相同的分层结构,值得关注的是湖底层DO浓度低至2~3 mg·L~(-1),作为贫营养湖泊,抚仙湖底层开始出现溶解氧偏低的现象昭示着其可能面临潜在的生态风险;总磷(TP)及总氮(TN)由于温跃层的阻隔,等温层呈现一定程度的营养盐累积效应;叶绿素a与高锰酸盐指数也均与水温分层存在对应的响应关系,在湖体上层出现最大值.(3)抚仙湖热分层时期,水温分层存在昼间变化,中午光照辐射增强导致温跃层下潜,强度变大,厚度变窄,显著影响变温层和温跃层的pH、DO、电导率及叶绿素a等动态分布,TP、TN及高锰酸盐指数的昼间变化规律不显著.     

三峡水库不同支流库湾蓄水期溶解氧分层特性及差异性

以三峡水库典型支流库湾小江和香溪河为例,通过2020年蓄水期不同阶段的野外监测,对比分析了两条支流库湾的水动力过程、热分层、溶解氧时空差异及其对蓄水过程的响应.结果表明：（1）蓄水初期,小江库湾表层受大气复氧和浮游植物影响溶解氧较高(7.00～13.00 mg·L^-1,其氧跃层出现在水深3～5 m处,5 m以下水域出现大面积缺氧(DO<2.00 mg·L^-1),甚至无氧现象.香溪河库湾溶解氧在垂向上大致可以分为3层：表层富氧水体(8.00～12.00 mg·L^-1)、中层水体(6.00～8.00 mg·L^-1)和底层低氧水体(4.00～6.00 mg·L^-1).（2）稳定的热分层为底层厌氧的形成提供了稳定的物理环境,而小江上游来流以及消落带植被分解增加了水体有机质的含量,可能是造成小江水体耗氧量增大、形成厌氧的内因;而香溪河因为长期存在的顺坡异重流补给,底层水体缺氧的风险较低.（3）持续的跟踪监测发现水库蓄水对支流库湾溶解氧起到了显著的补给作用,促使小江库湾厌氧现象在短期...     

南黄海-长江口海域溶解氧分布和低氧、酸化特征及其控制因素

基于2019年8月与11月所获取的2个航次的水文、化学和生物资料,重点研究了夏、秋季南黄海和长江口海域溶解氧（DO）分布的时空格局及其与水文动力状况和生物地球化学过程之间的关系,探讨了该海区低氧特征及其对酸化环境的指示.结果表明,研究海域内DO含量及分布与流场/水团格局具有良好的对应关系,其中夏季长江口外台湾暖流影响区具有低氧的特征,秋季则在黄海冷水团海域下底层存在一个DO低值区.在上升流影响下,夏季长江口海域的底层低氧水体可抬升至上层水体,低氧水体由长江口海域向东北方向扩展;夏季长江口外下层低氧水体的涌升、黄海冷水团区DO最大值层的抬升均与跃层的抬升趋势基本一致,不仅反应了上升流对DO垂向分布的影响,同时也指示了冷水团边界区和长江口外海域涌升流的存在.此外,夏季长江口外东北部离岸低盐水团区的生物地球化学过程也对局地底层低氧区的形成有重要贡献.在夏季的长江口海域和秋季的黄海冷水团海域存在水体酸化区,其中长江口的酸化区范围与低氧区总体相吻合,秋季黄海冷水团底层酸化区也与DO低值区和冷水团范围基本一致.本研究结果可为南黄海和长江口海域低氧和酸化等生态环境问题的改善提供理论指导.     

曝气压力对MABR中同步硝化反硝化脱氮的影响

以模拟生活污水为研究对象,探讨膜曝气生物反应器(MABR)推流运行时不同曝气压力下不同点位分布的溶解氧值特征;利用MABR可形成好氧/缺氧/厌氧的环境特性,针对曝气压力对MABR同步硝化反硝化脱氮效果的影响进行研究,借助微生物鉴定手段对MABR的群落结构进行分析。研究结果表明:相同曝气压力下的DO值,轴向上波动较大,径向上以曝气膜为中心向外部逐渐降低;随着曝气压力的增加,不同点位分布的DO值均提高,同步硝化反硝化效率先升高后降低。当曝气压力为0.04MPa时出水的同步硝化反硝化脱氮效果最佳为74.67%。在此曝气压力下,微生物群落鉴定证明生物膜内出现了好氧-兼氧的分层现象,生物膜内由好氧菌、兼氧菌共同完成硝化、反硝化过程,主体液料由厌氧菌作为优势菌群进行反硝化作用,并且根据未检测出厌氧氨氧菌的鉴定结果排除发生厌氧氨氧化的干扰。     

Carrousel 氧化沟内DO 变化规律及其优化控制条件

为了提高氧化沟单沟系统的脱氮能力,通过现场测试对Carrousel 氧化沟单沟系统内部溶解氧(DO)的分布、传输特性进行了研究,通过中试试验对氧化沟适宜同步硝化反硝化过程发生的DO条件进行了研究.结果表明,沟内DO环境受曝气机的开启状态和进水负荷日动态变化的影响显著,DO 的分布和输移过程的推流特性有利于同步硝化反硝化过程的发生,沟内适宜同步硝化反硝化过程发生的好氧区域空间比例为0.3~0.5,并随着水力停留时间缩短而逐渐增大.     

长江口溶解氧的分布特征及影响因素研究

根据2006-06、2006-08、2006-10对长江口及其毗邻海域的大面调查,分析航次B断面上的溶解氧及营养盐的分布特征,并对长江口外溶解氧低值的成因及其与海水稳定度、营养盐的关系进行初步探讨.结果表明,在6月航次中,DO值随着离岸距离的增加而逐渐增加,底层的DO值低于表层.8月份长江口及其邻近水域底层明显出现低氧状态,DO的最低值仅为1.1 mg·L^-1,该断面表观耗氧量AOU一般在2.79 mg·L^-1以上,有氧的亏损发生,形成原因主要是海水层状结构稳定水交换较弱和有机物分解耗氧.10月份,海水层状结构发生变化,上下水层的垂直混合作用加剧,B断面DO分布随着离岸距离的增加逐渐增加.相关性分析显示,表底层的ΔDO与ΔρΔZ、ΔNO^-₃和ΔDIP都达到显著相关的水平.其中ΔDO与ΔρΔZ呈极显著的正相关,而与ΔNO^-₃、ΔDIP呈显著负相关关系.长江径流N、P污染物输入的不断增加为低氧区域表层浮游植物的生长提供了丰富的营养盐,从而加剧了该水域的氧亏损.     

2-n-丙基酚在模拟海水中的耗氧特性及降解动力学

以2-n-丙基酚为研究对象,分3个质量浓度系列研究其在人工模拟海水中的耗氧特性及降解过程.试验结果表明,在该模拟海水体系中,ρ(DO)呈现先下降后上升的趋势,ρ(DO)变化过程与2-n-丙基酚的生物降解过程密切相关,ρ(DO)最低值出现在2-n-丙基酚降解率达85%～90%的阶段.2-n-丙基酚在该体系中的生物降解反应符合一级反应动力学规律,其生物降解速率与2-n-丙基酚初始质量浓度有关.2-n-丙基酚初始质量浓度增加,生物降解速率下降,滞后期和半衰期也相应延长.      

美国溶解氧基准标准及其对我国的启示

近年来我国水质量整体改善,但全国采用统一的溶解氧标准易导致不同地区水体欠保护或过保护.美国拥有相对完善的溶解氧标准体系,在综述了美国溶解氧基准标准制定体系的基础上,初步分析了我国溶解氧标准现存的不足及美国溶解氧标准制定对我国的启示.美国国家环境保护局通过分析不同溶解氧暴露情况对水生生物的影响,针对淡水和海水2种栖息地环境,对冷水和温水物种及其不同生活史阶段分别制定溶解氧基准值.美国各州参照溶解氧基准,考虑社会经济、反降级政策等因素,在不同时间和地点分别制定了保护指定水体功能的溶解氧标准值.我国现行的溶解氧标准值,主要参考国外发达国家标准制定,缺少对我国溶解氧背景浓度和水生生物溶解氧敏感性的基础研究.为制定符合我国国情的溶解氧基准标准,需在综合考虑我国气候、地理条件等自然因素对溶解氧影响基础上,开展水生生物对溶解氧敏感性、栖息地环境对物种及溶解氧浓度影响的相关研究工作,并综合考虑反降级政策,防止水质进一步恶化.      

千岛湖溶解氧的动态分布特征及其影响因素分析

基于2011~2012年1~12月千岛湖6个站点的溶解氧浓度实时监测数据,分析了千岛湖溶解氧的垂直分布以及时空分布特征,并探讨了影响水体溶解氧动态分布特征的影响因子.结果表明,溶解氧分布特征有明显的垂向差异以及季节差异.冬季,平均溶解氧值较高,除大坝前站点,其余各站点溶解氧无显著垂向差异;夏季,溶解氧垂向差异显著大于春秋两季.水深较深的小金山、三潭岛和大坝前站点其夏季溶解氧最大值出现在真光层,分别达到11.59、12.52和10.96 mg·L-1.千岛湖表层溶解氧最大值出现在春季,而最小值出现在秋季.相关性分析结果表明,溶解氧与水温、pH、叶绿素a浓度的相关性存在季节性差异.夏季,水温与溶解氧存在极其显著的线性相关,温度热力分层是影响溶解氧在夏季垂直分布的关键因素.春夏季,pH、叶绿素a浓度与溶解氧的相关系数较高,主要与浮游植物光合作用有关.     

气候变化对于桥水库总磷与溶解氧的潜在影响分析

对于桥水库1992~2011年20年间的气候要素和水质指标进行数理分析,探求气候变化对该库总磷与溶解氧的潜在影响.首先,根据气温MK突变检验和距平分析,将研究期划分为1992~2001低温低风速年和2002~2011高温高风速年两个时段;其次,在应用上改进非参数回归分析法,图示比较两个时段各要素非线性趋势,获取气候要素在两个时段间的季节性变化规律;最后,通过比较两个时段气候要素对水质指标潜在影响的可能性,利用双k值潜在影响判别法揭示潜在影响规律.结果表明,气候要素在各季节的变化有可能对水库总磷和溶解氧浓度造成潜在影响.通过探讨入库负荷和库总磷浓度的年际变化差异,以及观测高温年、低温年水生植物春季物候和总磷浓度,证实春季气温升高降低了水库总磷浓度.该研究为探究气候变化对于桥水库水质的影响机制和规律提供参考依据.     

松花江干流肇源断面水体溶解氧动态特征分析

水体中溶解氧含量是判定水质的一个重要指标。基于松花江干流肇源断面不同时间尺度汇总数据的DO年内和年际变化趋势以及其与COD和NH_3-N关系分析表明,DO的年内变化趋势与松花江径流变化相关联,在平水期(04-06月和10-11月),DO值达到年内最高,介于7.64～7.70 mg/L;而在丰水期的(07-09月),DO值最低,在6.72～6.76 mg/L之间。年际间DO变化的特点是从2004-2010年,松花江干流的DO值呈增加趋势。不同时间尺度的数据整合结果有所差异,分析时间尺度越小,DO值变异性越强。回归分析表明,COD和NH_3-N对DO影响在枯水期显著(Sig≤0.001),DO与COD负相关,与NH_3-N正相关。     

Effects of benthic hydraulics on sediment oxygen demand in a canyon-shaped deep drinking water reservoir: Experimental and modeling study

Sediment oxygen demand (SOD) is a major contributor to hypolimnetic oxygen depletion and the release of internal nutrient loading. By measuring the SOD in experimental chambers using in both dissolved oxygen (DO) depletion and diffusional oxygen transfer methods, a model of SOD for a sediment bed with water current-induced turbulence was presented. An experimental study was also performed using near-sediment vertical DO profiles and correlated hydraulic parameters stimulated using a computational fluid dynamics model to determine how turbulences and DO concentrations in the overlying water affects SOD and diffusive boundary layer thickness. The dependence of the oxygen transfer coefficient and diffusive boundary layer on hydraulic parameters was quantified, and the SOD was expressed as a function of the shear velocity and the bulk DO concentrations. Theoretical predictions were validated using microelectrode measurements in a series of laboratory experiments. This study found that flow over the sediment surface caused an increase in SOD, attributed to enhanced sediment oxygen uptake and reduced substances fluxes, i.e., for a constant maximum biological oxygen consumption rate, an increased current over the sediment could increase the SOD by 4.5 times compared to stagnant water. These results highlight the importance of considering current-induced SOD increases when designing and implementing aeration/artificial mixing strategies.     

中国北方地区50年来最高和最低气温变化及其影响

最高和最低温度的变化对农业和环境的影响比平均温度更加重要。自20世纪50年代以来,中国北方最高和最低温度变化的特点是:最低温度升温速率大于最高温度的升温速率;冬季升温速率大于夏季;偏北(纬度较高)地区的升温速率大于偏南(纬度较低)地区。黄淮海和西北区,夏季最高气温呈下降趋势。对最高和最低温度变化作突变性检验,年平均最高气温变化的突变点发生于1992年,年平均最低温度变化的突变点发生于1981年。最低温度明显升高的年份远远早于最高气温,这说明最低气温的变化比最高气温变化敏感,中国北方气候变暖主要来自于最低温度升高的贡献。自20世纪80年代气候变暖以来,中国北方喜温作物种植面积扩大,作物种植北界向北推移。     

我国主要湖泊和水库水体的营养特征及其变化

为揭示我国主要湖泊和水库的营养状态,为湖泊水资源的保护奠定科学基础和提供决策依据,组织全国多个单位科研人员对全国26个湖泊和水库的水质进行了全国第一次大规模的同步调查。调查项目选择与湖泊营养状态有关的重要参数,如pH、水温、透明度、DO、COD、NH₃-N、NO₂-N、NO₃-N、TN、TP、PO₄-P、Chl-a、Mn、Fe等,根据各湖泊和水库调查结果,本文挑选最重要的几项水质参数,对我国主要湖泊和水库的水质营养特征进行了分析,获得了水质pH、透明度、溶解氧、TP、TN等营养性污染物的分布范围和规律。并且采用统计分析建立了我国湖泊水库多项水质指标间的相关关系,为湖泊管理和治理提供了科学依据。      

A bibliometric review of nitrogen research in eutrophic lakes and reservoirs

The global application of nitrogen is far greater than phosphorus, and it is widely involved in the eutrophication of lakes and reservoirs. We used a bibliometric method to quantitatively and qualitatively evaluate nitrogen research in eutrophic lakes and reservoirs to reveal research developments, current research hotspots, and emerging trends in this area. A total of 2695 articles in the past 25 years from the online database of the Scientific Citation Index Expended(SCI-Expanded) were analyzed. Articles in this area increased exponentially from 1991 to 2015.Although the USA was the most productive country over the past 25 years, China achieved the top position in terms of yearly publications after 2010. The most active keywords related to nitrogen in the past 25 years included phosphorus, nutrients, sediment, chlorophyll-a, carbon,phytoplankton, cyanobacteria, water quality, modeling, and stable isotopes, based on analysis within 5-year intervals from 1991 to 2015 as well as the entire past 25 years. In addition, researchers have drawn increasing attention to denitrification, climate change, and internal loading. Future trends in this area should focus on:(1) nutrient amounts, ratios, and major nitrogen sources leading to eutrophication;(2) nitrogen transformation and the bioavailability of different nitrogen forms;(3)nitrogen budget, mass balance model, control, and management;(4) ecosystem responses to nitrogen enrichment and reduction, as well as the relationships between these responses; and(5)interactions between nitrogen and other stressors(e.g., light intensity, carbon, phosphorus, toxic contaminants, climate change, and hydrological variations) in terms of eutrophication.     

2020年夏季渤海中部底层水体低氧现象成因分析

在气候变化和人类活动的双重作用下,海湾富营养化及其导致的季节性低氧成为近海生态安全风险评估的核心指标之一。本文根据2020年夏季渤海中部现场调查的结果,分析了渤海中部夏季DO的分布状况及其影响因素。监测结果表明,2020年夏季在黄河口东北部底层海域(38°N)出现约1300 km²的低氧区,DO最低浓度为2.18 mg/L。分析结果表明,2020年夏季渤海中部底层低氧区的形成受水体层化和富营养化的共同影响,富营养化导致了底层有机物的累积,有机物分解消耗了大量DO,而夏季层化作用阻碍水体的垂直混合,导致底部消耗的DO得不到及时补充,从而产生低氧区。本文对2020年夏季渤海中部底层水体低氧现象的研究,可为将来渤海生态环境监测和生态安全风险评估提供资料,具有一定的科学意义。