长江中下游典型浅水湖泊磷滞留模拟及营养态重建

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hnxmyuandong
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在长江中下游洪泛平原上发育有大量的浅水湖泊,它们具有高营养盐沉积背景且水力停留时间较短,与长江有密切的水力联系。然而随着长期的演化,外源磷负荷的增加极大地加快了湖泊营养态的演化速度、促进其向富营养态的演化进程;同时洪泛平原的地质地貌特征决定了浅水型湖泊发育的几何形态,由于库容量小而湖泊面积大,较之深水湖泊,其对流域气候变化的响应更为强烈和显著。然而,由于缺乏长期连续性湖泊营养负荷的监测资料,使得在长时间尺度上认识湖泊的富营养化发展变得困难。欧洲和北美湖泊研究构建了湖泊总磷计算模式,较好地解释了一些深水湖泊的营养态变化量级、速度和趋势,反映出湖泊水文和沉积特征对营养态演化的制约。而是否能够用于大陆东岸的长江中下游湖泊,是研究浅水型湖泊营养态演化和模拟的一个盲点。  太湖、巢湖和鄱阳湖是中国长江中下游洪泛平原上的三个大型浅水湖泊,在湖泊水体总磷富集程度上呈现出不同的营养态阶段。本文利用由湖泊气候水文强迫、在湖泊形态边界条件下构建磷滞留模型,模拟了这三个湖泊近60年(1950~2009年)的气候水文特征、总磷(TP)浓度年际、年代际变化,并分析长期平衡下的湖泊营养态阶段性特征。本文获得的主要研究结论如下:  1)基于质量守恒定律推导建立的浅水湖泊磷滞留模型,模拟了114个国外浅水湖泊磷输入/输出数据,表明对湖泊TP浓度的预测效果较好,Nash-Sutcliffe系数(Ens)为0.54,但总体比实测值偏高。国外浅水湖泊的磷滞留系数Rp平均值为0.41,小于三个大型浅水湖泊(Rp平均值为0.48~0.66),表明大型湖泊的磷滞留能力更大,确定了研究湖泊的磷滞留边界条件。  2)太湖、巢湖、鄱阳湖流域的气候因子模拟中,潜在蒸散发在1950~2009年均呈缓慢增加趋势,且近10年(2000~2009年)的波动较大,上升较快;流域径流量主要受降水量控制,具有年代际间的丰枯交替变化趋势;太湖、巢湖、鄱阳湖的模拟实际湖容与理论湖容的变化趋势一致,随年平均水位波动变化,多年平均值分别为4.40×109 m3、1.92×109 m3和3.00×1010 m3,表明大型湖泊具有强力的调蓄能力。  3)气候因素中降水量和潜在蒸散发量是影响湖泊水动力参数水力停留时间的重要因素,分别与水力停留时间呈显著负相关(r=-0.892~-0.547)和显著正相关(r=0.247~0.329);极端干旱年份中,太湖、巢湖的水力停留时间(τw)大于1000 d;而在相对湿润年份(τw<1000 d),太湖、巢湖、鄱阳湖的水力停留时间多年平均值仅为307.3 d、370.2 d、104.2 d,加快了湖泊与江河的水力交换。  4)湖泊水体磷负荷受湖泊磷滞留的影响,是决定湖水TP浓度的关键因素,太湖水体磷负荷呈现较明显的两阶段变化:1950~1989年,太湖水体年磷负荷量总体变化较平缓,仅在个别年份数值偏高,其多年平均值为117.7 t;1990s以后,湖泊水体磷负荷快速上升,这与改革开放后太湖流域的磷输入增加和经济发展快速有关,此时段内多年平均值为439.8 t,是1950~1989年平均值的3~4倍。1950~2009年模拟的巢湖水体磷负荷年平均值从1950~1979年的176.5t上升到1980~2009年的308.4 t,极大地加重了巢湖的富营养化程度。鄱阳湖水体磷负荷在1985年之前总体波动不大,均在2000 t以下,1985年之后水体磷负荷迅速增加,呈明显上升趋势,在近年来有所下降,但维持在较高水平(1180.1~4293.2 t),对水体营养水平产生负面影响。  5)预测TP浓度随着水力停留时间增加而增加,且在极端干旱年份(τw>1000d)急速增加,和实测TP浓度相对误差为<6.43%,Ens系数为0.67~0.75。三个湖泊的平均TP浓度和营养态在1950~2009年呈上升趋势,受改革开放流域经济发展的影响,太湖和鄱阳湖分别于1990s进入富营养态,巢湖于1980s进入富营养态。2000年以后,太湖和巢湖已进入超富营养水平。  动力分析表明,三个典型浅水湖泊受到气候水文和地质地貌沉积的双重影响各自的差异性,对浅水湖泊内源P负荷模式的构建和检验、对湖泊营养态趋势和评估从定性到定量均提供了科学依据。
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