三峡水库澎溪河CO2、CH4气泡释放通量初探

气泡释放是天然水体中水-气交换的重要途径之一.采用改进的倒置漏斗型气泡通量监测装置于2012年3-8月期间对三峡支流澎溪河高阳平湖库湾水域进行气泡释放通量的监测研究.研究期间,研究水域CH4气泡释放通量变化范围为0.01 ～ 23288.64 μmol/(m2·d);CO2气泡释放通量变化范围为0～799.89 μmol/(m2·d).不同常规采样点CH4、CO2气泡释放通量均呈现出高度的时空异质性特征.但CH4气泡释放通量显著高于CO2气泡释放通量,且二者释放过程具有同步性.同国外已有水库监测结果相比,澎溪河回水区高阳平湖库湾水域CH4、CO2气泡释放通量位于中等水平.CH4气泡释放通量约为同期CH4扩散通量的0～ 1893.90％,超量释放下CH4气泡释放通量可达同水域CH4扩散通量的6270.5％±390.0％.CO2气泡释放通量仅占同期扩散通量绝对值的0～ 21.74‰,超量释放下,CO2气泡释放通量亦仅为同期扩散通量绝对值的40.33‰ ±0.93‰.CH4气泡释放通量在支流库湾水域对总通量的贡献不可忽视.     

三峡水库香溪河库湾浮游植物功能群对水位变化的响应

三峡水库每年经历“水位下降(4—5月)-低水位(6—8月)-蓄水(9—10月)-高水位(11月—次年3月)”的季节波动,年水位落差达30 m。为探究香溪河库湾浮游植物功能群对三峡水库水位变化的响应,于2017年对浮游植物群落和主要环境因子开展逐月调查。共检出浮游植物7门65属79种,隶属于21个功能群,其中优势功能群10个,分别为C、D、F、G、J、Lo、M、P、X2、Y。适应营养丰富环境的C、P功能群在全年维持优势,指示香溪河库湾为中-富营养水体。消落期偏好水体扰动较弱、中-富营养水体的功能群(F、G、X2、Y)成为优势类群;汛期偏好稳定富营养、耐受高光强且对冲刷敏感的功能群(G J、M)成为优势类群;蓄水期和高水位运行期偏好混合的中-富营养水体,耐受低光强且对水体分层敏感的功能群(C、P、D)是优势类群;浮游植物功能类群组成结构随水位变化明显改变。综合营养状态指数表明香溪河库湾在消落期和高水位运行期处于中营养状态,另外两个时期处于富营养状态(39.84≤TSI_M≤60.9);Q指数表明香溪河库湾整体水质为“好”(3.02≤Q指数≤4.17);且两者均随着水位下...     

三峡水库典型支流库湾沉积物CH4产生和氧化规律

以三峡水库香溪河库湾为研究对象,采用原位加密采样(2021年5月)和室内培养方法,结合沉积物特性与水环境因子分析,探讨了香溪河库湾沉积物甲烷(CH₄)释放潜力、沉积物-水界面CH₄产生和氧化通量空间分布规律及其影响因素。结果表明:三峡水库泄水期间,香溪河库湾沉积物CH₄释放潜力的变化范围是6.35-2029.37 mg/(kg·d),沉积物-水界面CH₄产生通量和氧化通量的变化范围分别为0.04～0.73、0.03～0.62 mmol/(m²·d);空间上,沉积物CH₄释放潜力、沉积物-水界面CH₄产生及氧化通量在香溪河库湾和各典型横切面(XX02、XX05和XX06)间表现出空间差异性,主要受水深、TOC和温度的影响。垂向上,CH₄产生速率随沉积物深度的增加而减小,表层20 cm沉积物CH₄释放潜力占整柱沉积物的70%,可以用于估算库湾沉积物CH₄释放潜力。此外,沉积...     

三峡水库香溪河库湾水-气界面热交换过程及水体稳定性

水库或湖泊的热分层结构是其动力与环境过程的重要研究方面,虽然很多学者针对水体分层结构和演变机理开展了大量研究,但水体通过水-气界面与大气进行热交换的过程,各气象因子的贡献机理等研究成果还很缺乏。本文基于三峡水库香溪河库湾2019年3月-2020年2月期间的水温、水位及气象等监测数据,针对水-气界面热交换过程如何影响水温垂向结构及表层水体湍流混合作用开展研究。结果表明,(1)香溪河水体年内呈高温期分层、低温期混合的基本特征,高温期混合层深度小于8 m,低温期混合层深度超过30 m。(2)太阳短波辐射是香溪河水体的主要热源,潜热通量和长波辐射是香溪河水体的主要冷源,感热通量贡献极小。(3)香溪河平均风速较弱,约为1.6 m/s,主要通过增强潜热和感热通量的方式影响水体垂向稳定性结构特征,其机械扰动作用较弱。(4)表层水体湍能通量在高温期较低(10^-7m³/s³量级),此时水体处于分层状态,风应力大概率主导表层水体湍流发育;低温期表层水体湍能通量较高(10^-6 m³/s^3<...     

三峡水库CO2、CH4通量监测分析研究

自成库以来,三峡水库CO₂、CH₄等温室气体通量较蓄水前发生明显改变。如何科学认识和客观评估三峡水库修建及运行对其CO₂、CH₄等温室气体通量的影响备受关注。本文简要回顾了自2009年以来在三峡水库开展CO₂、CH₄等温室气体通量监测与分析工作,综述认为,现阶段三峡水库温室气体排放以水-气界面扩散释放为主要途径。陆源输入的有机碳是主导三峡水库CO₂、CH₄产生的主要碳源,但在局部区段或时段自源性有机碳的贡献亦十分显著。同蓄水前相比,三峡水库碳排放量呈现为净增加,淹没效应约占水库C净增量的20%,库区内点面源污染负荷并未对CO₂排放的净增量产生显著贡献,阻隔效应和生态系统重建效应对三峡水库碳排放的净增量产生显著贡献。近10年来,监测方法比对、监测点位优化等工作在一定程度上完善了三峡水库温室气体通量监测体系。新方法、新技术的引入也为三峡水库温室气体通量监测分析提供了有利支撑和保障,但复杂水文环境...     

蓄水初期三峡水库草堂河水-气界面CO2和CH4通量日变化特征及其影响因素

为查明三峡水库蓄水初期典型支流水-气界面CO_2和CH_4通量的日变化特征,采用LGR在线分析仪-通量箱法,于2015年9月初在库腹一级支流草堂河回水区开展连续24 h的定位观测.结果表明,24 h监测期内,支流库湾水-气界面CO_2通量变幅为-81.642~180.991 mg/(m~2·h),呈"昼吸夜放"特征,均值为17.346 mg/(m~2·h),总体为释放特征;CH_4全天均表现为释放状态,释放通量均值为0.064 mg/(m~2·h),呈"昼弱夜强"变化.相关分析结果表明,CH_4和CO_2释放通量与风速呈正相关,与表层水温、溶解氧浓度、叶绿素a浓度呈负相关,说明风速物理扰动、浮游植物光合作用是控制草堂河水-气界面气体通量最重要的环境因素.同时,干-支流相互作用形成的特殊水环境(如异重流、水温分层)也与水-气界面温室气体通量过程密切相关,但是其作用机制更为复杂,应开展进一步系统观测和深入研究.     

三峡水库澎溪河消落区土-气界面CO2和CH4通量初探

水库近岸湿地(消落区)温室气体(CO₂、CH₄)产汇是水库温室气体效应问题的重要组成部分.本文以三峡水库支流澎溪河的白家溪、养鹿两处大面积消落区为研究对象,于2010年6 9月水库低水位运行期间,对近岸消落区土-气界面CO₂、CH₄通量进行监测.白家溪消落区土-气界面CO₂通量均值为12.38±2.42 mmol/(m²·h);CH₄通量均值为0.0112±0.0064 mmol/(m²·h).养鹿消落区CO₂、CH₄通量均值分别为10.54±5.17、0.14±0.16 mmol/(m²·h).总体上,6 9月土-气界面CO₂通量呈增加趋势,而CH₄通量水平呈现显著的递减趋势.消落区土地出露后植被恢复,在一定程度上促进了土壤有机质含量的增加,使得6 9月CO₂释放通量的总体趋势有所增加.消落区退耕后,其甲烷氧化菌的活性得到恢复,加之在土地出露曝晒过程中土壤透气性增强,使得消落区土壤对大气中CH₄吸收氧化潜势增强.尽管如此,仍需进一步的研究以明晰消落区土-气界面CO₂、CH₄产汇的主要影响因素.     

三峡水库澎溪河水-气界面CO2、CH4扩散通量昼夜动态初探

三峡水库温室气体效应近年来备受关注.为揭示三峡水库典型支流澎溪河水-气界面CO₂和CH₄通量的昼夜动态规律,明晰短时间尺度下该水域温室气体释放的影响因素,在2010年6月至2011年5月的一个完整水文周年内,选择4个具有代表性的时段(2010年8、11月和2011年2、5月)对澎溪河高阳平湖水域开展昼夜跟踪观测.结果表明:2010年8、11月和2011年2、5月4次采样的CO₂日总通量值分别为-8.34、73.94、28.13和-20.12 mmol/(m²·d),相应的CH₄日总通量值分别为2.22、0.11、0.32和7.16 mmol/(m²·d),不同时期昼夜变化明显.研究水域CO₂和CH₄通量过程不具同步性:CO₂昼夜通量变化可能更显著地受到水柱光合/呼吸过程的影响,但瞬时气象过程(水汽温差、瞬时风速等)在高水位时期亦可对CO₂通量产生显著影响;CH₄昼夜通量变化与水温条件改变更为密切.     

基于机器学习的水-气界面CO2、CH4扩散通量预测及影响因素分析——以三峡水库为例

传统的水-气界面温室气体通量的监测方法具有诸多局限,对其影响因素的分析也大多基于数学统计层面。对此,本研究提供了一种较为新颖的研究和分析方法——基于机器学习的数据预测和分析。本研究采用2种经典机器学习算法——随机森林(RF)和支持向量机(SVM)和2种深度学习算法——卷积神经网络(CNN)和长短时记忆神经网络(LSTM),通过环境因素预测水库水-气界面CO₂和CH₄扩散通量。此外,采用RF中的特征重要性评估和经典算法决策树(DT),对环境因素和水库温室气体扩散通量的关系进行了全新角度的数据挖掘和分析。结果表明:深度学习算法的预测效果均较好,经典机器学习算法中RF预测效果显著优于SVM。LSTM和RF分别产生了最优的CO₂扩散通量和CH₄扩散通量的预测精度,均方根误差(RMSE)分别为0.424 mmol/(m²·h)和0.140μmol/(m²·h),预测值与实测值的R²分别为0.960和0.758。RF的特征重要性评估表明沉积物因子...     

Methane Oxidation in the Water Column of Xiangxi Bay,Three Gorges Reservoir

Four field campaigns are carried out to quantify the methane (CH₄) oxidation rate in Xiangxi Bay (XXB) of the Three Gorges Reservoir (TGR), China. The water depth of the sampling site varied from 13 to 30 m resulting from the water level fluctuation of the TGR. The CH₄ oxidation rates are measured in situ as the decline of dissolved CH₄ concentration versus time in incubated, and those rates. The CH₄ oxidation rates range from 1.18 × 10^?3 to 3.69 × 10^?3 µmol L^?1 h^?1, with higher values and stronger variation during summer. A static floating chamber method is used to measure CH₄ emitted to the atmosphere resulting in an annual mean flux of 4.79 µmol m^?2 h^?1. The CH₄ emission rate is significantly negatively correlated with the water level. The results show that a large fraction of CH₄ is consumed in the water column with a range of 28.97–55.90 µmol m^?2 h^?1, accounting for ≈69–98% of the total CH₄ input into the water column, and more than 90% is consumed outside the summer, when the water level is lowest. Water depth, which is dominated by water level of the TGR, is a potentially important driver for CH₄ oxidation and atmospheric emission in the tributary bay.     

三峡水库香溪河库湾蓝藻水华暴发特性及成因探析

2008年夏季,香溪河库湾自三峡水库建库以来第1次暴发蓝藻水华,水华波及整个库湾,持续时间达1个月之余.为了解这次水华暴发特性及发生原因,本文对蓝藻水华的发生发展过程进行了跟踪调查,6-7月水华发生期间每周采样1次.调查表明本次蓝藻水华的优势种为鱼腥藻(Anabaena sp.)、铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)等,细胞密度高达3.82×10⁸ cells/L,蓝藻相对密度达到90%以上.本文将2008年5-7月与2007年同期理化指标比较发现,2007年5月的N:P为18.6,而2008年5月的N:P较低,为6.2,据文献报道N:P < 8有利于微囊藻的复苏,因此2008年水华前期的低N:P利于微囊藻的复苏,为微囊藻在适宜条件下的大量增殖提供了种源基础.方差分析表明,2008年5-7月各采样点真光层深度显著高于2007年同期,使得底泥中的微囊藻获得一定强度的光照而复苏,这可能是2008年蓝藻水华在香溪河库湾暴发的原因之一.综上所述,在具备充足的营养盐基础、较强的水体稳定性以及较高水温的前提下,香溪河库湾水华发生前期较低的N:P以及较高强度的光照可能是微囊藻复苏的诱导因子,为蓝藻水华暴发提供了种源基础.     

三峡水库香溪河库湾春季水华期间浮游植物昼夜垂直分布与迁移

三峡水库蓄水后,香溪河库湾每年春季均会暴发硅、甲藻水华.为了揭示香溪河库湾水华的暴发规律,于2008年春季对水华期间优势浮游植物的昼夜垂直分布格局及其影响因子进行了研究.利用时间深度等值图模拟浮游植物在水柱中的昼夜垂直分布格局,并用Morisita指数对其进行定量检验,采用修正的K-S test来检验浮游植物是否存在昼...     

三峡水库香溪河鱼类群落结构特征及历史变化

由于自然和人为因素的影响,三峡水库鱼类资源一直在发生变化,为掌握三峡水库蓄水后典型支流香溪河鱼类群落的现状及历史变化,于2020年7月—2021年4月使用多网目复合刺网和地笼对香溪河鱼类群落进行实地采样,并结合历史数据进行比较分析。研究期间共采集到鱼类55种,隶属于7目14科,鲤科鱼类种类数最多,以杂食性鱼类和湖泊定居性鱼类为主,优势种为贝氏?(Hemiculter bleekeri)、短颌鲚(Coilia bratchygnahus)、似鳊(Pseudobrama simoni)和翘嘴鲌(Culter alburnus),其相对重要性指数(IRI)分别为5502、3828、2567和1109。鱼类物种多样性指数在春季最高,夏季最低。刺网单位捕捞努力量渔获个体数和单位捕捞努力量渔获量在夏季最高,冬季最低。与三峡水库蓄水前相比,香溪河鱼类中长江上游特有鱼类减少4种,外来鱼类增加3种。湖泊定居性种类持续增加,喜流水性种类减少,鱼类优势种发生较大变动。2020—2021年香溪河鱼类组成与1987年的相似性指数为0.29,与2012—2013年的相似性指数为0.53,反映三峡水库蓄水前后香溪河...     

氮和磷是影响三峡库区香溪河表层沉积物中微生物群落结构的主要因素

香溪河是三峡库区最大的入库支流,目前关于香溪河沉积物微生物群落结构特征及其主要影响因素尚不明确。本研究监测香溪河上、中、下游上覆水及沉积物的主要理化指标,通过16S rDNA高通量测序研究香溪河表层沉积物中微生物群落结构特征,使用统计学软件分析细菌与理化指标间的关系。结果表明,上覆水中氨氮(NH₃-N)、叶绿素a(Chl.a)浓度自下游向上游逐渐升高,其中NH₃-N浓度从下游的2.04 mg/L升高到上游的3.14 mg/L。不同点位上覆水中磷酸盐(PO³₄^-)浓度在0.14～0.18 mg/L之间波动;同一点位间隙水中NH₃-N、PO₄^3-浓度明显高于上覆水,10～15cm沉积物间隙水中NH₃-N与PO₄^3-浓度分别是0～5 cm沉积物间隙水的3.4倍和1.7倍。沉积物中Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、酸可挥发性硫化物和铬还原性硫化物含量均表现为上游点位...     

三峡水库香溪河库湾拟多甲藻(Peridiniopsis)水华对环境中磷的响应机制

于2015年春季拟多甲藻水华暴发期在香溪河支流高岚河、南阳河与干流设置9个采样点,探讨浮游植物种群与水体总磷浓度等环境因子的相关性;同时,分离纯化拟多甲藻后,设置5个不同磷浓度(0、0.005、0.020、0.100、0.600 mg/L)对其进行实验室培养,分别测定其比生长速率;在对数生长期,检测不同磷浓度培养下的藻细胞的快速光曲线及其参数;检测不同磷浓度培养下的藻细胞对外源无机碳的吸收效率及其参数.结果表明,水体中总磷浓度越高的河段,拟多甲藻细胞密度越高;培养基中磷浓度越高,拟多甲藻的比生长速率越大,光合效率越高,其对外源无机碳的吸收能力越强.这些结果表明高磷的水环境可能是促使拟多甲藻形成水华的关键因素之一.     

分层异重流背景下降雨对三峡水库香溪河水华消退的影响

为探究在三峡水库特殊分层异重流背景下降雨对水华消退的影响,以香溪河为例,对库湾降雨前后水动力、生态环境因子开展连续三维立体跟踪监测。结果表明:降雨对水华的消退作用显著,降雨后香溪河库湾叶绿素a(Chl.a)浓度明显下降。热分层稳定指数(RWCS/H)变化不大,库湾近河口处分层较弱、中上游分层较强的特性并未随此次降雨发生较大变动。受降雨影响,藻类在表层水体聚集程度降低,藻类聚集度指数(MI)、微藻群体平均深度(MRD)下降。库湾流态随降雨发生而变得复杂,库湾水体浊度明显增加,异重流倒灌形式由近表层倒灌向中下层倒灌转变,雨后又逐渐转变为中层倒灌,长江干流水体倒灌进入库湾的影响范围、潜入深度增加。水体水平输移增强,分散下沉的藻类易随水体环流流出库湾,水华消退。雨后库湾入库流量增加,大部分上游来流依旧由上层流向河口,与中层倒灌异重流形成逆时针环流,藻类无法在表层水体稳定生长,库湾Chl.a浓度能在较长时间内保持较低水平,不会再次迅速暴发水华。     

三峡水库支流甲烷排放研究进展

甲烷(CH₄)对全球温室效应有着较大的贡献。三峡水库自2003年蓄水以来,其CH₄排放问题已受到广泛关注。但三峡水库反季节的运行方式,使支流库湾CH₄的产生和传输过程受到多方面的影响,进而导致其CH₄排放效应尚不十分明确。本文综述了三峡水库支流CH₄排放的研究进展,典型支流的CH₄排放通量普遍高于干流,位于三峡水库库尾的部分支流CH₄排放通量高于三峡水库库首及库中支流。大多数典型支流的CH₄通量在夏季均达到全年峰值,而在冬季高水位运行期均处于相对较低的水平。同时本文主要从水环境条件、水动力条件、人类活动及气象条件4个方面阐述了三峡水库支流CH₄排放的影响因素。1)水环境条件:支流水华后藻类衰亡分解过程会驱动CH₄释放,且藻类的演替过程会加剧CH₄的产生;温度可以直接影响CH₄的生成速率和消耗速率,也能通过促进藻的生长间接影响CH₄排放;支流相对较低的甲烷氧化菌丰度是其CH₄通量较高的原因之一。2)水动力条件:蓄水期CH₄主要以扩散的方式进行释放,支流较低的流速促进了悬浮物的沉积,上游沉积物中的CH₄含量高于下游;泄水期CH₄主要以冒泡的方式进行释放,下游沉积物中TOC急剧增加,但干流的入侵会削弱支流的温度分层,破坏藻类生长环境,间接影响CH₄通量。3)人类活动:农业耕作使支流水体中的营养物浓度增加,甲烷氧化菌的丰富度降低,细菌群落的营养相关代谢增强;建设用地扩大、支流筑坝增加抑制了有机物的传输,增加了水体中的产CH₄底物,促进了CH₄的产生。4)气象条件:降雨会携带更多营养物质进入支流,同时会增加水体浊度、破坏水体的温度分层,从而对CH₄的产生和传输过程造成影响。最后对未来的研究热点进行了展望,以期为三峡水库CH₄排放的控制和管理提供参考。