基于生态动力学模型的兴凯湖营养物入湖与富营养化状态响应模拟

针对兴凯湖富营养化的问题,应用生态动力学模型DELFT-3D对兴凯湖进行数值模拟,确立了一套适用于兴凯湖的特征参数,将模拟结果与实测数据对比进行准确性检验,结果显示DELFT-3D耦合模型较好地模拟了兴凯湖水质情况和藻类浓度动态,与实测数据基本吻合.在此基础上设置不同控制情景,模拟长时间序列下兴凯湖营养物投入与湖泊水质、藻类的响应关系.结果表明,小兴凯湖在惯性发展模式下TN、TP和Chl.a浓度迅速增加,Chl.a浓度的初始值为8.96 mg/m³,到2015年和2020年分别提高了32.37%和65.51%,尤其是在5月和8月的两个峰值区,小兴凯湖面临严峻的藻类水华风险;相对于TP,大、小兴凯湖Chl.a浓度随TN入湖量的变化趋势更显著.在满足Dillion模型计算的兴凯湖承载力基础上进一步加大削减力度,可以使小兴凯湖水质保持在Ⅲ类水水平,大兴凯湖保持在Ⅱ类水水平,小兴凯湖对大兴凯湖起到了缓冲带的作用,应增加Chl.a为兴凯湖富营养化控制标准,为藻类水华提供预警.     

气候变暖和营养水平对洱海浮游植物的长期影响(1980-2009年)

气候变暖下湖泊富营养化进程是近年研究热点之一.本文对1980-2009年期间洱海富营养化进程研究发现,水体总磷、总氮与气温均呈升高趋势.气温、水体总磷和总氮均能显著促进浮游植物增长.统计分析表明,气温对浮游植物增长的促进作用不受水体总氮、总磷的影响;水体总磷对浮游植物增长的促进作用不受气温的影响,受水体总氮的影响;水体总氮对浮游植物增长的促进作用不受气温和水体总磷的单独影响,受它们共同的影响.因此,气候变暖与营养水平的增加共同促进了洱海的富营养化进程.     

基于ELCOM-CAEDYM模型的淀山湖营养物投入响应关系的模拟

针对淀山湖严重富营养化的问题,应用三维水动力-水质耦合模型ELCOM-CAEDYM对淀山湖水质进行了模拟,确定了一套可应用于淀山湖水质模拟的参数,并对模拟结果进行了验证;验证结果显示,ELCOM-CAEDYM耦合模型较好地模拟了常规水质和藻类浓度动态变化,模拟结果的总体变化趋势与实测结果相符合.同时运用该模型对淀山湖营...     

基于OLCI数据的洱海叶绿素a浓度估算

海陆颜色仪(OLCI)是搭载在Sentinel-3上的新型水色遥感传感器,其对于内陆清洁水体水质遥感监测的适用性有待验证.本研究以评价水体富营养化程度的重要参数叶绿素a(Chl.a)浓度为指标,以高原湖泊洱海为研究区,基于2017年4月19日共20个星地同步实验数据,建立了3种可应用于OLCI数据的Chl.a浓度遥感估算模型(波段比值模型、三波段模型以及FLH模型),并估算了当日洱海Chl.a浓度的空间分布.结果表明:(1)选用波段Oa8(665 nm)、Oa11(708.75 nm)和Oa12(753.75 nm)构建的三波段模型最适用于洱海水域的Chl.a浓度估算,其平均绝对误差百分比为12.37%,低于波段比值模型的16.04%和FLH模型的13.50%;(2)对OLCI使用的大气校正方法中,基于去瑞利散射的暗像元法对估算模型的适用性要优于6S、FLAASH以及QUAC方法;(3)洱海OLCI影像中近岸水体受邻近效应影响严重,近红外波段Oa12(753.75 nm)受陆地邻近效应影响的距离为1~2个像元,而Oa8(665 nm)、Oa10(681.25 nm)和Oa11(708.75 nm)波段为1个像元;(4)2017年4月19日全湖Chl.a浓度均值为12.15±5.72μg/L,洱海中部水域Chl.a浓度最低(9.00~12.00μg/L),北部水域浓度最高(12.00~22.76μg/L),南部水域浓度稍高(12.00~14.00μg/L),阳南溪与波罗江入湖口受降雨径流的影响出现"羽流现象",导致Chl.a浓度偏低,约为8.33μg/L.     

SD模型在洱海流域营养物削减策略研究中的应用

针对洱海富营养化问题,本文在深入分析洱海流域营养物输运转移特征的基础上,应用VENSIM-DSS构建了洱海流域的社会、经济、技术、环境SD耦合模型.模型由7个子系统组成,确定了一套适用于洱海流域的耦合模型特征参数.对入湖TN、TP进行追根溯源,模拟结果表明洱海流域入湖TN主要来源于种植业子系统、畜牧业子系统、生活污水子系统和干湿沉降子系统,以上4大子系统占入湖TN的88%;入湖TP主要来源于种植业子系统、畜牧业子系统、生活污水子系统和水土流失子系统,以上4大子系统占入湖TP的89%.以此为基础通过设置4种不同的营养物削减情景,模拟未来10年入湖TN、TP的变化,并通过构建的政策评价子系统和DILLON模型定量评价不同削减方案的可行性,提出最优洱海流域营养物削减方案.     

近百年来枝角类群落响应洱海营养水平、外来鱼类引入以及水生植被变化的特征

近几十年来,以大型湖泊为代表的云南部分湖泊受人类活动的持续影响出现了生态环境的明显变化.洱海作为云南面积第2大淡水湖泊,经历了多重环境压力(富营养化、外来鱼类引入、水生植被退化等)的影响.在湖泊现代监测数据面临时段较短、缺乏连续记录的背景下,湖泊沉积物的连续记录可以提供湖泊生态环境变化的长期历史并可用于生态响应模式的识别.以目前处于富营养水平的洱海为研究对象,应用湖泊沉积物记录进行多指标分析,探讨多重环境压力影响下洱海枝角类群落的长期变化特征以及影响因素,并与已有研究成果和现代监测数据进行对比,探讨了枝角类群落对环境压力响应的空间差异性.通过分析沉积物枝角类记录,重建了近百年来洱海枝角类群落的变化历史,结果表明过去100年来,枝角类的生物量总体呈增加趋势,尤其从1990年左右开始,象鼻溞生物量显著增加,物种相对组成出现明显变化(如Bosmina longispina被B.longirostris取代).同时象鼻溞的生物量、壳长与触角长度在1990s初期有明显降低的趋势,与同期外来鱼类(如银鱼)引种成功的时间一致.限制性聚类分析结果表明,枝角类群落结构的变化有3个主要阶段:1990s以前,底栖枝角类为群落的主要组成;1990—2000年左右,浮游枝角类(以象鼻溞为主)在枝角类群落结构中的比例迅速增加;从2000年以后,枝角类群落组成以浮游枝角类为主.同时,枝角类数据的主成分(PCA)分析显示,仅有PCA主轴1呈现显著的变化且解释了群落结构变化的61.64%,进一步分析表明水生植被变化可能是驱动枝角类变化的主要环境梯度,如底栖枝角类生物量减少响应了湖泊水生植被的退化.与已有研究对比表明,浅水湖区沉积物记录的枝角类生物量在1970s急剧增加与1980s急剧降低等现象并没有被深水区的沉积物记录所反映,指示了洱海生态系统的变化模式存在空间差异性.同时象鼻溞个体大小的变化模式反映了外来鱼类引入导致的鱼类捕食压力的变化.总之,本文揭示了枝角类群落结构与生物量的长期变化,反映了洱海富营养化过程、水生植被的退化与外来鱼类引入的长期驱动影响,因此对洱海的生态管理与修复工作应考虑多个环境压力的影响并加强对湖泊生态系统的评价.     

基于NEB试验的不同湖泊夏季营养物投入与藻类响应关系的比较:以淀山湖、小兴凯湖和洱海为例

淀山湖、小兴凯湖和洱海分别处在不同的营养阶段,夏季都存在蓝藻水华现象,有效控制蓝藻水华应控氮还是控磷一直存在争议.本研究采用营养物加富生物测试的试验方法,研究和比较三个湖泊限制性营养元素(N和P)夏季对浮游藻类生长的刺激作用,并采用多因素方差分析和两两比较方法(LSD)检验试验结果的显著性.结果表明:淀山湖(TN/TP=10左右)、洱海(TN/TP=29左右)、小兴凯湖(TN/TP=9左右)在夏季分别表现出显著的氮响应、氮磷双重响应、氮响应;较低氮磷比的营养程度较高的湖泊(淀山湖和小兴凯湖)夏季应控制氮含量,若添加氮更容易引发蓝藻(微囊藻)水华,而高氮磷比的初期富营养化湖泊(洱海)夏季应同时控制氮磷含量,同时添加氮磷的交互作用容易引发蓝藻(微囊藻)水华.     

基于EFDC模型的深圳水库富营养化模拟

基于EFDC模型构建了深圳水库三维水动力和富营养化定量模拟模型.分别用2009年和2010 2011年流量、水位和水质等观测数据对模型进行了校正和验证,准确地反映了深圳水库的水动力和水质变化过程.在此基础上,假定支流污染截排、水库调度和降低东江引水污染负荷3种情景进行深圳水库富营养化数值模拟,3种情景下库中Chl.a峰值浓度分别降低1.0%、16.4%和46.3%,平均浓度分别降低1.3%、29.8%和29.9%.深圳水库具有良好的交换能力,尚未出现水华暴发,但入库营养盐负荷高,存在较大的富营养化风险;在目前沙湾河污水已经截排的基础上再实施支流污染控制,对水质改善和藻类控制作用已不明显;水库调度和削减东江引水污染负荷对深圳水库水质和富营养化改善明显,能够有效降低水华发生的风险.     

基于光谱基线校正的季节性浑浊II类水体叶绿素a浓度遥感反演

水体Chl.a浓度是水质评价的一个重要指标,受悬浮物浓度季节性变化的影响,如何削弱悬浮物的光谱干扰,是实现内陆水体Chl.a浓度遥感高精度反演的难点之一.基于2011-2013年妫水河6次实测水体高光谱数据和水体Chl.a浓度数据,评价广泛应用的三波段模型和非线性拟合能力较好的支持向量机回归(SVR)模型的反演精度,使用基线校正和一阶微分方法来削弱实测高光谱中非Chl.a光谱信息.定义两种基线:750 nm的反射率值;500与750 nm的反射率值连线,基线校正为光谱反射率减去基线值.利用2013年7月的实测数据进行验证,结果表明,SVR模型比三波段模型更适合季节性浑浊水体的Chl.a浓度反演.通过基线校正筛选后的波段反射率组合作为输入变量能够提高SVR模型的反演精度,决定系数为0.68,均方根误差为3.38μg/L;线性基线校正提高三波段Chl.a估算模型的反演能力有限.     

湖泊富营养化响应与流域优化调控决策的模型研究进展

湖泊富营养化是全球水环境领域面临的长期挑战,富营养化响应与流域优化决策模型是制定经济和高效调控方案的关键.然而已有的模型研究综述主要集中于模型开发、案例应用、敏感性分析、不确定性分析等单一方面,而缺少针对非线性响应、生态系统长期演变等最新湖泊治理挑战的研究总结.本文对数据驱动的统计模型、因果驱动的机理模型和决策导向的优化模型进行了综述.其中,统计模型包含经典统计、贝叶斯统计和机器学习模型,常用于建立响应关系、时间序列特征分析以及预报预警;机理模型包含流域的水文与污染物输移模拟以及湖泊的水文、水动力、水质、水生态等过程的模拟,用于不同时空尺度的变化过程模拟,其中复杂机理模型的敏感性分析、参数校验、模型不确定性等需要较高的计算成本;优化模型结合机理模型形成“模拟优化”体系,在不确定性条件下衍生出随机、区间优化等多种方法,通过并行计算、简化与替代模型可一定程度上解决计算时间成本的瓶颈.本文识别了湖泊治理面临的挑战,包括:①如何定量表征外源输入的非线性叠加和湖泊氮、磷、藻变化的非均匀性?②如何提高优化调控决策和水质目标的关联与精准性?③如何揭示湖泊生态系统的长期变化轨迹与驱动因素?最后,本文针对这些挑战提出研究展望,主要包括:①基于多源数据融合与机器学习算法以提升湖泊的短期水质预测精度;②以生物量为基础的机理模型与行为驱动的个体模型的升尺度或降尺度耦合以表达多种尺度的物质交互过程;③机器学习算法与机理模型的直接耦合或数据同化以降低模拟误差;④时空尺度各异的多介质模拟模型融合以实现精准和动态的优化调控.     

洱海富营养化影响因素分析

水质富营养化评价表明,洱海现属中营养水平,根据全年平均状态下的某些单项指标评分或近年来某些时段的全湖营养类型综合评分,将洱海评价为从中营养状态向营养营养状态过渡型的湖泊可能更为适宜。与历史资料相比,８０年代至今富营养化进程料快,主要营养盐守趋势。     

洱海富营养化时间演变特征(1988-2013年)及社会经济驱动分析

基于1988-2013年的洱海流域社会经济统计数据与湖内水质历史监测数据,分析了社会经济指标和富营养化指标的逐年变化趋势,并借助Change-point Analyzer对指标进行了拐点分析.结果显示：过去25年洱海水体呈明显富营养化趋势,主要富营养化指标均出现过1次恶化拐点,总磷出现时间最早（1996年）,其次是高锰酸盐指数（1999年）,总氮、叶绿素a、透明度和综合营养状态指数则集中在2002-2003年期间出现拐点,叶绿素a浓度上升10余倍,透明度相应下降了近50%.流域主要社会经济指标出现了2~3次增长拐点,首次拐点集中出现在1994-1999年期间,明显早于富营养化指标恶化拐点出现时间.多元回归分析显示洱海总磷浓度受流域农作物种植业发展影响最大,其他水质指标则主要受流域畜牧业的影响.     

洱海近50a来沉水植被演替及其主要驱动要素

依据文献报道的洱海水质、水文(水位)和沉水植被(物种组成、生物量及分布面积)数据,分析了近50年来洱海的水质变化、水位波动情况以及沉水植被的演替过程,探讨了驱动洱海沉水植被演替的主要环境因子.分析表明,洱海沉水植被群落经历了原生、过渡、顶级和衰退等主要阶段;自1980s以来,流域入湖营养盐增加、水质持续下降、藻类生物量逐年升高、沉水植被群落结构简单化和抑藻功能退化等因素是驱动洱海沉水植被演替与分布的原动力,水位大幅波动加速了洱海水生态系统由清水态向浊水态转变,并导致沉水植物大量衰退和某些特有物种消失.因此,在洱海水生态系统的治理以及沉水植被的恢复过程中,应优先考虑降低外源营养盐输入和优化水位调控.     

洱海生物群落的历史演变分析

根据１９５７－１９９７年期间对洱海水体进行的历次综合研究结果分析,由污染引起的氮,磷等营养元素含量升高促进藻类生长繁殖,４０年来其密度和生物量上升近１０倍;近５年的变化尤为明显,一度出现以螺旋鱼腥藻为主的“水华”。