湖泊流域营养盐过程模拟及其与叶绿素a的响应关系研究

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经过近40年的治理,目前我国河流水体污染和湖泊富营养化问题仍然很严峻。藉此,本文在耦合流域水文水质模型和湖泊水质-水生态动力学过程的基础上,定量识别了湖泊藻类对营养盐的消费潜力及响应水平,为制定合理的流域水质管理目标和策略提供科学依据。  本文首先联合应用科学计量与社会网络方法,创新性的展示了近60年来在湖泊富营养化、适应性管理和流域生态系统“输入-输出”响应模型研究领域研究热点及其关联特征、结构演化、模型方法及未来的发展趋势。本文在统筹考虑传统统计方法优缺点(层次聚类分析(HCA)、判别分析(DA)、因子分析(FA/PCA)、自组织映射神经网络(SOM)、基于主成分绝对得分的多元线性回归(APCS-MLR)、正定矩阵分解法(PMF)以及结构方程模型(SEM))的基础上,将多种方法进行有效集成,一方面评价了河流及湖泊污染物时空分布特征,并藉此创新性的识别了点源型污染河流、城市面源型污染河流及农业面源型污染河流的季节特性;另一方面通过创新性的构建各种监测指标与叶绿素a的结构方程模型,揭示了在月尺度监测数据下多种指标之间所反映的因果关系和存量关系,并藉此识别了影响浮游植物生物量生长的驱动因素。该部分的分析结果为后续进一步的管理目标的确定、湖泊箱体划分、水质-水生态动力学模型和流域水文模型的构建提供了坚实的科学依据。然后,依据研究区域的污染物时空分布及源特征采用SWAT分布式水文模型准确模拟了不同时段的“降雨-径流”过程,并在获得连续的河流入湖负荷量基础上,采用MCMC贝叶斯方法对进行模型耦合研究的水质-水生态动力学方程进行参数估计。最后,依据相关实验结论创新性的定量评估了反映湖泊浮游植物对某一营养盐的消费潜力,以及叶绿素a含量对于陆源营养盐负荷输入的响应水平。  案例研究结果表明:(1)在滇池流域27条入湖河流中,点源污染主导型的河流(新运粮河、乌龙河、大青河以及海河)以及混合型污染河流盘龙江对北部湖体水质影响最大;(2)2007~2008年,滇池外海浮游植物消耗的氮约75%来自氨氮(北部80‰南部73%);北部湖体叶绿素a含量响应雨季河流负荷输入的变化,南部水体叶绿素a含量对于陆源负荷输入变化全年不响应,原因在于南部湖体内源氨氮的释放量远大于浮游植物消耗量;当湖体总氮浓度达到四类水质标准时外海水质才开始响应陆源负荷输入变化;(3)湖体内源释放是浮游植物生长磷酸盐消耗的主要源,研究时段内湖体叶绿素a含量响应陆源磷负荷输入变化,控磷比控氮能更有效的降低潮体叶绿素a含量;(4)改善湖泊水质水生态的当务之急是削减湖泊氮磷内源负荷,而雨季河流洪水氮磷负荷的削减是降低湖体北部高浓度浮游植物生物力量的有效措施,为了实现“制定计划——方案实施——监测反馈——效果评估——修正响应关系模拟模型——重新核算出最大负荷量——修订后的分配方案——废除原有方案或在原有方案的基础上增加新措施——进入再监测反馈循环”这一科学的流域适应性管理机制,近期滇池流域的水污染控制应以具有反馈响应的河流水质改善为目标较为适宜。
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