典型风力条件及水力调度下太湖藻华高频时空动态监测

湖泊藻华问题已成为全球水生态环境领域面临的长期挑战,风力条件变化和引调水工程的水力调度能改变湖体水动力结构,对藻类的生长和聚集过程产生影响,进行该过程的精细化监测和机制分析对于湖泊藻华预报预警和应急处置具有重要意义。本研究基于Hiamwari-8/AHI卫星遥感高频监测数据,对比分析了归一化差异植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)和浮游藻类指数(FAI) 3种不同指数对太湖藻华的反演效果,开展了典型风力条件下和水力调度下太湖藻华生消过程的持续监测分析。结果表明,FAI对藻华区域和非藻华区域的区分更加明显,其阈值提取的藻华面积与基于MODIS图像解译的藻华面积的相对误差最低,为-2.27%。当营养盐充足且水温持续保持在蓝藻大量生长增殖的阈值以上时,风力条件是导致太湖藻类迁移聚集的关键因子,风向主要影响藻类的水平迁移,使其进行方向性迁移并逐渐形成大面积藻华区域。风速主要影响藻类的垂向迁移并存在临界阈值,当风速低于约2.5 m/s的临界风速时,藻华面积随风速增加而增加;当风速高于临界风速时,藻华面积随风速增加而降低。水力调度对距离较近的贡湖湾区域具有显著影响,主要通过水动力扰动来影响...     

洪泽湖风生流对风场和水位变化响应特征

深入认识大型湖泊在不同风速、风向和水位下三维风生流结构特征对于湖泊污染控制、生态恢复及资源的开发利用具有重要意义.本文在构建笛卡尔坐标系下洪泽湖三维水动力模型的基础上,利用2次全湖30个点位流场监测数据验证了模型精度.基于1975-2020年长系列风场观测数据,确定了洪泽湖典型风速风向.在此基础上,模拟了16种不同风向,13种不同风速和20种不同水位工况条件下洪泽湖三维风生流结构.结果表明：水动力模型可以较好地刻画洪泽湖三维湖流变化特征.洪泽湖风生流结构随风向变化呈现出较大空间差异.风生流流速随着风速的升高呈加速上升趋势,其中表层水体流速上升幅度远高于其他水层.在2.4 m/s东风驱动下,溧河洼、成子湖和南部湖区垂向平均流速随着水位上升呈先升高后降低的趋势,3个湖区分别在12.7、12.4和12.2 m水位下流速达到最大值.     

大型浅水湖泊太湖波浪特征及其对风场的敏感性分析

以空间均匀的实际风场为驱动,利用SWAN模式模拟了太湖波浪场,结果表明:SWAN模式能够较好的模拟太湖波浪的生成与传播,适用于大型浅水湖泊(太湖);同时分析了该风场驱动下下太湖风浪谱,波浪的绝对频率主要集中在0.45～1.0 Hz的中高频率段;风向与波向具有高度一致性.在同一风速下,太湖不同区域波浪成长稳定时间不同,湖心区稳定的谱峰频率在0.342～0.585 Hz之间,湾区及西山岛附近狭长水域稳定的谱峰频率在0.447～0.765 Hz之间;在同一区域,风速增大,波浪稳定时间减少,谱峰频率沿低频推移,在湖心区谱峰频率最小不低于0.340 Hz,湾区、西山岛附近狭长水域最小不低于0.447 Hz;风向的改变对湾区及西山岛附近狭长水域的波浪频谱形状影响较大.     

太湖藻类水平漂移特征及其影响因素

采用原位观测平台,研究分析了太湖竺山湾风速、湖流流速、波高以及藻类水平漂移特征及其影响因素,结果表明日间藻类水平漂移速率呈锯齿式交替特征,日内藻类水平漂移速率变化幅度大;藻类水平漂移速率与风速之间呈显著线性正相关;当0.02 m < 有效波高 < 0.1 m时,藻类水平漂移速率与有效波高呈显著线性负相关,当有效波高 > 0.1 m时,波浪会显著改变藻类运动方式,破坏藻类表层聚集形态;湖流对藻类水平漂移速率无显著性影响;藻类水平漂移方向受湖流流向和风向的共同作用;藻类水平漂移速率与风速、波高、湖流流速间关系可用多元线性方程表达,且拟合度良好,可为藻类水华预测模型构建提供依据.     

输水明渠着生藻类群落结构特征对水动力条件的响应

明渠输水系统的着生藻类异常增殖会淤塞拦污栅,降低明渠输水能力,并增加清理工作压力。目前,有关着生藻类对水动力的响应研究多在天然河流、湖泊中开展野外原型观测,针对混凝土衬砌表面着生藻类的水动力研究仍然少见。由于混凝土基质与泥沙基质的显著差异,着生藻类在衬砌明渠和自然水体中对水动力的响应特性不同。为探究水动力对明渠着生藻类生长及群落结构的影响,特开展明渠中着生藻类的培养观测及水动力冲刷实验。通过分析着生藻类叶绿素a含量、群落结构、无灰干重、细胞密度等指标,以探究不同基质粗糙度、不同生长阶段的着生藻类对不同水动力条件的响应。结果表明:着生藻类建群过程具有3个明显阶段,分别为迟滞期、指数生长期、稳定期;随着流速增大,着生藻类生物量先上升后下降,当流速v>0.6 m/s时,着生藻类的生长被显著抑制;冲刷流速增大至v=0.8 m/s的2天后,着生藻类生物量显著减少,群落多样性下降。在着生藻类建群迟滞期(实验中约3周),该阶段提高流速对着生藻类生物量的冲刷剥离效果最明显;基质粗糙度越小,着生藻类建群迟滞期越长,通过水力冲刷的除藻效果越明显。本研究探索了不同水动力条件下明渠着生藻类的响应规律,有...     

浅水湖泊动力作用下水-土界面底泥起悬驱动力野外观测

动力扰动引起的水-土界面沉积物悬浮是浅水湖泊蓝藻水华控制的难点,本文基于声学高频流速仪、浊度仪、气象、波浪等观测仪器获取的高时空分辨时间序列参量,以太湖为例对动力扰动下的底泥起悬驱动力进行研究.结果表明风速小于3 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为59 mg/L,波流综合切应力小于0.015 N/m~2,底泥未起悬或在底床附近极小范围内发生起悬;风速在3~6 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为103 mg/L,波浪产生的底切应力大部分情况远大于湖流产生的切应力,波流综合切应力处于0.015~0.25 N/m~2范围内,底泥中等规模起悬;风速大于6 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为174 mg/L,波浪产生的底切应力占据绝对的主导地位,波流综合切应力大于0.25 N/m~2,底泥大规模起悬.梅梁湾底泥起悬的临界切应力在0.015 N/m~2左右,临界风速大约为3 m/s.     

水动力条件下太湖透明度模拟研究

根据太湖实测资料分析得到了太湖悬浮物浓度和透明度之间呈现明显的反比关系, 归纳总结了以往研究成果中建立的太湖透明度与悬浮物浓度之间的关系, 说明可以通过模拟太湖悬浮物来反映太湖透明度的变化规律. 实测资料表明, 不同水深处的悬浮物浓度与风速的变化趋势大致相近, 风速越大, 悬浮物浓度越大. 太湖波浪、湖流与悬浮物浓度均呈现正相关关系, 悬浮物浓度随着波浪和湖流的增大而增大, 但波浪是影响底泥再悬浮的主要因素, 流速次之. 建立了太湖湖流、波浪和悬浮物耦合的数学模型, 在悬浮物模型中考虑了波浪和湖流的综合影响. 并将床面层附近底泥的起悬量和沉降量分开处理, 考虑了近底水流中湍流脉动的随机特性, 引入了底泥起悬条件. 模型清楚地反映出了悬浮物中的底泥颗粒与床面层内运动底泥及床面活动底泥发生相互交换过程中的两个方面. 模拟结果表明太湖悬浮物沿岸区域受湖流的影响较大, 湖心区域受波浪影响较大. 利用该模型, 模拟了太湖悬浮物和透明度的变化规律, 模拟结果被实测值较好验证, 说明所建立的模型是基本合理的, 可用来进行太湖透明度的模拟和预测.     

波浪作用下湖泊底泥的输沙试验研究

湖泊底泥的运动过程产生内源污染,加剧湖泊生态环境的恶化.研究湖泊底泥在波浪作用下的输沙规律,可为研究湖泊的水质变化成因及生态环境治理提供参考依据.利用大型波浪水槽,在波浪作用条件下对太湖、龙感湖、巢湖的底泥进行了起动和输沙试验,对多组波浪水文条件下湖泊底泥的输沙试验结果进行分析,详细地阐述了太湖、龙感湖、巢湖底泥在波浪作用下的输沙变化规律.分析整理试验数据,得出输沙率变化公式,为3个湖泊的水质变化成因分析及生态环境治理提供参考依据.     

《湖泊科学》发表论文网络点击、下载前20篇

北京官厅水库─永定河水系水体中持久性有机氯农药污染.湖泊科学,2003,15(2).巢湖富营养化研究进展.湖泊科学,2003,15(4).沉积物中有机质的环境行为研究进展.湖泊科学,2001,13(3).氮及氮磷比对附着藻类及浮游藻类的影响.湖泊科学,2007,19(2).     

贵州红枫湖越冬藻类的空间分布与实验室复苏实验

本文选取贵州省红枫湖这一典型的亚深水型湖泊作为研究对象,在8个代表性湖区开展了为期一年的表层水体藻类浮游植物分布的月定量监测,并在4个采样点采集新鲜沉积物进行了越冬藻类赋存与复苏模拟实验研究.研究表明,红枫湖表层水体藻类种群密度蓝藻绿藻>硅藻>甲藻,蓝藻为优势门类,水体藻类种群密度秋季初期最高,其次是春季初期和夏季,具有明显的季节性演化特征.水体中越冬藻类以蓝藻为主,其次是硅藻和绿藻,水深对水体中藻类的种群密度及组成没有显著影响.沉积物中越冬藻类以硅藻为主,基本不含蓝藻.模拟实验表明,水体中的光照条件对藻类的复苏和生长有重要影响,温度和沉积物中藻类的种群密度与组成同样影响藻类的复苏.     

滇池生态系统退化成因、格局特征与分区分步恢复策略

选取生态系统中重要的组成成份:浮游植物、底栖动物、水生植物的历史演变和现在分布状况数据,结合水质变化情况,揭示了滇池生态系统退化原因:在外因上,污染物持续输入以及围湖造田、直立堤岸和水量交换缓慢等外力干扰加剧系统组分失衡是直接原因;在内因上,由于滇池所处的地理位置、气候等原因,蓝藻生物量对营养盐增加的响应远高于其他湖泊(太湖、巢湖),草型向藻型湖泊的转换进程更快;与太湖和东湖的生态系统比较,高原湖泊滇池生态系统相对脆弱,如物种的同域分化、窄生态位,导致系统的稳定性差、自我修复能力弱.通过对滇池生态格局特征、湖岸带结构的分析,将滇池划分为5个生态区:草海重污染区、藻类聚集区、沉水植被残存区、近岸带受损区和水生植被受损区,并提出"五区三步,南北并进,重点突破,治理与修复相结合"的滇池生态系统分区分步治理的新策略和"南部优先恢复;北部控藻治污;西部自然保护;东部外围突破"的总体方案.     

太湖不同湖区风浪的季节变化特征

为明晰太湖风浪的空间分布及季节变化,在湖心区设立波浪观测站,利用其记录的波浪数据证明SWAN模型能够较好地模拟太湖风浪.基于所建模型,对2013年自然风场条件下太湖不同湖区风浪季节动态进行模拟分析,结果表明:受岸线、地形和岛屿等地理因素影响,大太湖的风浪总是最强,其有效波高均值为0.523 m;而东太湖风浪最小,有效波高均值为0.305 m.受盛行风场季节变化影响,太湖春、夏季有效波高均值明显大于秋、冬季.太湖波浪的能量主要来源于风场,其有效波高随风速增大而增大,两者呈极显著正相关.而风向则可以通过改变风区长度来影响风浪生消.在偏东风作用下,太湖湖西区的风浪大于东部湖区;而受盛行于冬季的偏北风影响,太湖南部水域风浪要大于北部.同时,太湖风浪的时空分布特征是造成太湖水质参数、沉积物和水生植物空间分布差异的重要原因之一.     

2010-2017年太湖总磷浓度变化趋势分析及成因探讨

近年来,太湖流域各省市政府加大治理力度,流域水体水质取得明显好转,氨氮浓度和总氮浓度呈大幅度下降趋势,然而太湖水体总磷浓度呈上升趋势.为探讨太湖总磷浓度升高的原因,采用太湖流域管理局2010年以来的水质水量实测数据、遥感监测数据等,分别从太湖入湖河流污染负荷量、水生植被和蓝藻与总磷浓度的关系3个方面进行相关性分析.结果表明,入湖河流总磷浓度高于太湖水体总磷浓度,且磷不易出湖,逐年总磷净入湖量持续累积与太湖总磷浓度有明显的正相关性,入湖污染负荷量大是太湖总磷浓度居高不下的根本原因;水生植被可吸收湖泊沉积物中的营养盐,并抑制底泥再悬浮从而降低内源性营养盐的释放,东太湖水生植被的大量减少,一方面减少了沉水植物对磷元素的吸收,另一方面增加了风浪对底泥的扰动再悬浮,造成磷元素释放,是造成湖水总磷浓度升高的重要因素;近年来太湖蓝藻密度呈上升趋势,受其影响,总磷浓度也有上升,蓝藻水华加快湖体磷循环,藻类密度增加也是太湖总磷浓度升高的影响因素之一.     

过去40年太湖剧烈的湖泊物理环境变化及其潜在生态环境意义

过去40年,全球气候变暖、辐射变暗和变亮、风速减弱、气候异常波动等自然环境变化以及筑坝建闸、岸堤硬质化和调水引流等强烈人类活动势必会深刻改变太湖湖泊物理环境和过程,驱动湖泊生态系统演化.基于历史文献、档案数据以及气象水文和透明度等长期观测数据,本文系统梳理了太湖气温、水温、风速、水位和透明度等物理环境空间分布和长期变化特征,探讨了气温和风速、水位和透明度相互协同作用机制及其潜在生态环境意义.受全球变化和城市化等影响,过去40年太湖气温和水温呈现显著升高趋势,而近地面风速则表现为持续下降,湖泊增温和风速下降有利于藻类生长和蓝藻水华漂浮聚集,某种程度上增加了蓝藻水华出现频次和集聚的面积.为防洪和满足流域日益增长的水资源需求,闸坝管控和调水引流使太湖水位呈现缓慢增加趋势,而入湖污染物增加和富营养化则造成水体透明度逐渐下降,致使透明度与水位(水深)的比值明显降低,减少了湖底可利用光强,恶化水下光环境,在一定程度上驱动了太湖水生植被和草型生态系统退化.湖泊物理环境长期变化逐渐拓展了太湖藻型生境空间而压缩了草型生境空间,加剧了草型生态系统向藻型生态系统转化和增强了藻型生态系统的自我长期维持.太湖湖泊物理环境的显著变化也会部分抵消流域营养盐削减和湖体营养盐下降对藻类生物量和蓝藻水华的控制,增加了太湖蓝藻水华防控和湖泊富营养化治理的难度.这意味着未来流域控源截污需要更加严格的标准,而湖泊水位等物理环境的有效管控是应对藻华加剧和恢复草型生态系统的适应性管理策略.     

太湖底泥表层越冬藻类群落动态的荧光分析法初步研究

为探索春季湖泊底泥表层不同藻类群落的复苏规律,本实验采集了太湖梅梁湾地区的底泥,应用荧光分析法测定藻蓝素,同时测定湖泊底泥中的叶绿素a和叶绿素b,确定春季梅梁湾底泥中不同藻类类群的色素含量变化,说明荧光分析法可以应用于底泥色素分析中,初步探讨了蓝藻群落和非蓝藻群落在春季温度上升期间恢复生长过程的差异。     

Phosphorus forms and bioavailability of lake sediments in the middle and lower reaches of Yangtze River

Forms of phosphorus in sediments from 25 lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River were analyzed by the sequential extraction procedure. Contents and spatial distrubution of algal available phosphorus (AAP) in sediments of Lake Taihu, the third largest freshwater lake of China, were also studied. Relationships between phosphorus forms in sediment and macrophytes coverage in sample sites, as well as phosphorus forms in sediments and chlorophyal contents in lake water were discussed. Exchangeable form of phosphorus (Ex-P) in surface sediments was significantly positive correlative to total phosphorus (TP), dissolved total phosphorus (DTP) and soluble reactive phosphorus (SRP) contents in the lake water. Bioavailable phosphorus (Bio-P) contents in sediments from macrophytes dominant sites were significantly lower than that in no macrophyte sites. In Lake Taihu, Ex-P content in top 3 cm sediment was highest. However, content of ferric fraction phosphorus (Fe-P) was highest in 4–10 cm. Bioavalilble phosphorus (Bio-P) contents in surface sediments positively correlated to Chlorophyll a contents in water of Lake Taihu with significant difference. Therefore, contents of Bio-P and AAP could be acted as the indicators of risks of internal release of phosphorus in the shallow lakes. It was estimated that there were 268.6 ton AAP in top 1 cm sediments in Lake Taihu. Sediment suspension caused by strong wind-induced wave disturbance could carry plenty of AAP into water in large shallow lakes like Lake Taihu.     

Phosphorus forms and bioavailability of lake sediments in the middle and lower reaches of Yangtze River

Forms of phosphorus in sediments from 25 lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River were analyzed by the sequential extraction procedure. Contents and spatial distrubution of algal available phosphorus (AAP) in sediments of Lake Taihu, the third largest freshwater lake of China, were also studied. Relationships between phosphorus forms in sediment and macrophytes coverage in sample sites, as well as phosphorus forms in sediments and chlorophyal contents in lake water were discussed. Exchangeable form of phosphorus (Ex-P) in surface sediments was significantly positive correlative to total phosphorus (IP), dissolved total phosphorus (DTP) and soluble reactive phosphorus (SRP) contents in the lake water. Bioavailable phosphorus (Bio-P) contents in sediments from macrophytes dominant sites were significantly lower than that in no macrophyte sites. In Lake Taihu, Ex-P content in top 3 cm sediment was highest. However, content of ferric fraction phosphorus (Fe-P) was highest in 4 - 10 cm. Bioavalilble phosphorus (Bio-P) contents in surface sediments positively correlated to Chlorophyll a contents in water of Lake Taihu with significant difference. Therefore, contents of Bio-P and AAP could be acted as the indicators of risks of internal release of phosphorus in the shallow lakes. It was estimated that there were 268.6 ton AAP in top 1 cm sediments in Lake Taihu. Sediment suspension caused by strong wind-induced wave disturbance could carry plenty of AAP into water in large shallow lakes like Lake Taihu.     

太湖水质变化趋势及其保护对策

通过对１９８０￣１９９４年太湖水质监测资料的分析,研究了太湖水质现状及其变化趋势,探讨了太湖水质污染原因及太湖富营养化的成因机制,提出了太湖水质保护及富营养化防治的对策、措施与建议。     

Contributions of phosphatase and microbial activity to internal phosphorus loading and their relation to lake eutrophication

Phosphatase may accelerate the process of lake eutrophication through improving phosphorus bioavailability. This mechanism was studied in three Chinese eutrophic shallow lakes (Lake Taihu, Lake Longyang and Lake Lianhua). Phosphatase activity was related to the concentration of soluble reactive phosphorus (SRP) and chlorophyll a. Stability of dissolved phosphatase in reverse micelles may be attributed to molecular size, conformation and active residues of the enzyme. At the site with Microcystis bloomed in Lake Taihu, dissolved phosphatase activity was higher and more stable in micelles, SRP concentrations were lower in interstitial water, the contents of different forms of phosphorus and the amounts of aerobic bacteria were lower while respiration efficiency was higher in sediments. Phosphobacteria, both inorganic and organic and other microorganisms were abundant in surface water but rare in sediments. Therefore, internal phosphorus may substantially flux into water column by enzymatic hydrolysis and anaerobic release, together with mobility of bacteria, thereby initiating the bloom. In short, biological mechanism may act in concert with physical and chemical factors to drive the internal phosphorus release and accelerate lake eutrophication.