滆湖北部人工地形重塑下风浪场变化研究

风浪是影响浅水湖泊物理生境环境重要的水动力要素之一。基于滆湖实测风浪数据,建立了滆湖风浪模型,验证结果表明模型可以较好模拟滆湖风浪随风场变化情况。在此基础上开展滆湖北部水域在人工地形重塑工程实施后的风浪变化情况分析。结果表明,不同季节盛行风下,风浪强度和湖底扰动强度均有一定程度的衰减,这有利于水体透明度和水底光照条件的改善。风浪强度的衰减使得具有有利于水生植物生长与发育风浪条件的水域面积显著扩增。人工地形重塑的实施,有利于滆湖北部水域水生植被物理生境环境改善,从而为滆湖北部水域水生植被的修复提供较好的环境支撑,也为其他浅水湖泊地形重塑工程的实施提供借鉴。

湖泊水动力对水生植物分布的影响

水动力作为湖泊水生植物恢复的关键限制性因子,其对水生植物的影响机制是当前迫切需要关注的科学问题。从水动力作用下水生植物的分布、水生植物受力以及水生植物自身机械抗性3个方面系统梳理了当前的研究方法与结论。结果表明,水生植物在河流湖泊中的丰度、空间分布与水动力密切相关,各物种对水流胁迫表现出不同的响应;植物在水动力作用下的受力观测和研究主要依赖模拟试验,通过计算定量表征不同物理外型物种在水动力作用下的受力,明确了生物量和植物系数等影响受力的关键参数,为不同塑形物种受力的对比分析提供了研究方法;植物机械抗性主要基于测力装置观测,通过断裂应力、弯曲力等生物力学参数表征。在当前研究背景下,水生植物尤其是沉水植物在湖泊中的实际受力情况依然是研究难点,需要借助新的观测手段和研究方法来阐明植物在复杂的湖泊水动力环境下的实际受力特征。此外,还需要进一步开展水生植物在湖泊中的实际受力与植物自身机械抗性的耦合研究,这是开展水生植物响应湖泊水动力机理研究的关键。

近50年来珠江河网区水动力对地形的响应

自20世纪50年代以来,珠江三角洲发生的河道采沙、航道整治等人类活动对河网区河床形态的自然演变过程产生了较大影响,引起河网区水动力产生相应的调整。根据平原感潮河网水力特性建立一维河网模型,并对50年代和90年代珠江河网区水动力过程进行了模拟,同时结合数值试验探讨了珠江河网水动力对地形变化的响应。结果表明,河床形态变化导致西、北江干流洪季水位及水位梯度较50年代明显下降,西江水位梯度由7.2 cm/km下降至4.1 cm/km,北江水位梯度的下降主要集中在上游地区,其中三水至三围由9.3 cm/km降至5.0 cm/km,而三围至口门变化不大,两个年代分别为4.9和4.8 cm/km,北江干流平均水位梯度由7.1 cm/km下降至4.9 cm/km。两个年代枯季水位梯度变化不明显,不同区域日均水位有升有降。数值试验结果同时表明,地形变化导致各主要节点分流比也产生不同程度调整,三水-马口、天河-南华等地形变化显著的区域分流比变化较大。

太湖西部环湖河道污染物输移速率变化特征

阐明污染物出入湖输移速率对于湖泊陆域污染控制具有重要意义.本文研究了太湖西部主要环湖河道总氮(TN)、溶解性总氮(DTN)、总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)和高锰酸盐指数(CODMn)输移速率变化特征.结果表明环湖河道上述指标净输入速率分别为707.9、727.0、28.8、18.2和700.9 g/s.城东港、百渎港、大浦港和沙塘港4条河道TN、DTN、TP、DTP和CODMn输入速率分别占西部河道总输入速率的62.7%、63.6%、67.1%、66.6%和64.8%.太浦河、长兜港和大钱港TN、DTN、TP、DTP和CODMn输出速率占总输出的86.5%、86.9%、85.0%、85.3%和80.6%.污染物净输入速率受水情影响,TN和DTN浓度汛前最大,而TP、DTP、CODMn浓度汛期增大,汛后分别降低44.2%、48.8%和39.8%.城东港氮、磷输入速率受浓度控制,其他河道各指标输移速率受流量控制.近岸湖体TN浓度与入湖速率呈显著正相关,而离岸湖体TN、TP、CODMn浓度对入湖速率的变化响应不明显.

生态沟-湿地系统对农田排水氮磷的去除效应

为探讨生态拦截系统对农田尾水氮、磷的去除效应及其应用前景,在太湖水源地陆域保护区原位构建生态沟-湿地系统对涵盖施肥期的农田尾水进行了拦截净化。结果表明,生态沟-湿地系统可对TN、NH_4+-N、TP平均浓度分别为23.45、19.87 mg·L-1和0.341 mg·L-1的高浓度农田尾水有效净化,出流最低TN、NH_4+-N分别可达地表Ⅴ类水和Ⅳ类水标准,出流TP稳定达到地表Ⅲ类水标准。生态沟对农田排水TN、NH_4+-N、TP平均去除率分别为49.95%、48.55%和53.22%,尾水进入人工湿地后得到再次净化,去除率分别为18.4%、9.43%和23.35%,系统总体去除率分别为59.6%、51.69%和60.92%。研究表明,生态沟末端配置人工湿地能有效提高氮、磷去除效率,系统具有一定的环境经济效益和可移植性,为太湖东部同类型农田排水的生态拦截提供案例参考。

菹草生物量控制对群落中沉水植物生长及水质的影响

沉生植物对维护和提高湖泊生态系统的生物多样性和稳定性，控制湖泊富营养化具有重要生态价值。对于可在水面形成致密冠层的沉水植物，生物量过大时可能会对水体功能产生不利的影响。实验通过对菹草（Potamogeton crispus）＋金鱼藻（Ceratophyllum demersum）群落中菹草在春季暴发时采取不同菹草收割强度（100%、80%、60%、40%、20%和0%的收割）进行生物量控制。每种收割处理均在底泥厚度为15 cm，水深为110 cm独立实验池中（4 m长x2 m宽x2.5 m深）进行。实验研究生物量调控对冬季种菹草与春季种金鱼藻交替及水质的影响，探讨群落中菹草的最佳生物量控制强度，为草型湖泊进行沉水植物生态管理提供依据。结果表明：在40%、20%和0%（未收割）菹草收割强度处理下菹草容易产生断枝并且整株上浮，更高强度的收割减小了植株受到的浮力，促进了群落中菹草和金鱼藻的生长，并延长了菹草的生命周期，推迟了菹草的上浮时间。菹草遮光效应在一定程度上促进了金鱼藻的生长，中等偏高强度的菹草收割使得菹草和金鱼藻均处在较高的生物量水平，维持了群落的稳定性。在菹草生长期对其进行60%-80%收割可维持水体营养盐在较低的水平，并能实现冬季种沉水植物菹草与春季种沉水植物金鱼藻在群落中有效交替，可缓解存留菹草衰亡给水质带来的不利影响，强化沉水植物群落的水质净化功能。

阳澄湖沉积物重金属空间分布及生物毒害特征

为了解阳澄湖沉积物重金属含量空间分布及污染特征,选取阳澄湖柱状沉积物样为研究对象,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)、原子荧光光谱仪(AFS)和Hydra-c型全自动测汞仪于2018年2月对阳澄湖15个采样点沉积物柱状样中8种重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg进行测定,分析重金属元素含量在水平及垂向的分布特征和污染状况.结果表明,阳澄湖表层沉积物中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg平均含量分别为101.28,68.72,66.54,187.33,15.85,0.45,34.02,0.09mg/kg,是各自背景值的1.34,2.09,2.89,2.88,1.69,4.99,1.54,3.00倍.垂向上重金属的含量随着深度的增加呈现出下降的趋势.对8种重金属进行相关分析和聚类分析,除As、Ni和Hg外,不同重金属之间存在着显著相关关系(P<0.05),这说明阳澄湖沉积物重金属之间存在着一定的同源性.采用沉积物质量基准(SQG)对阳澄湖沉积物中重金属生物毒性效应进行了评价,结果表明,阳澄湖沉积物中Ni有75%以上的可能性出现生物毒害效应,Cr、Cu、Zn、As则有10%～75%的可能性产生生物毒害效应,而Cd、Pb和Hg造成的生物毒害效应的可能性较小.ERMQ评价结果表明,阳澄西湖沉积物中重金属造成生物毒害的风险较大,其余湖区发生重金属生物毒害的风险较小.

阳澄湖沉积物氮磷与有机质分布及污染评价

为了解阳澄湖沉积物N,P及有机质含量空间分布及污染状况,于2018年2月采集沉积物并测定了TN、有机质(OM)和TP含量,分析了污染因子含量分布及其相关性,采用有机指数和污染指数法对沉积物进行了污染状况评价。结果表明:阳澄湖表层沉积物中TN质量比为3046.65 mg/kg,变化范围为1272.66~5399.56 mg/kg,TP平均质量比为721.90 mg/kg,变化范围为412.15~1425.54 mg/kg,OM的平均质量分数为8.28%,其变化范围分别为1.24%~27.55%。TN和OM空间分布均呈现出阳澄西湖低、阳澄东湖高的特征,TP空间分布与TN,OM空间分布相反。相关分析表明,TN和OM之间存在着显著相关关系(p<0.05)。有机指数和污染指数评价结果表明,阳澄湖全湖区氮水平处于污染状态,TP水平已达到重度污染状态。

东太湖水温变化与水-沉积物界面热通量初探

水温对沉水植被的生长和分布具有重要作用,水-沉积物界面热通量对浅水湖泊水温变化的影响值得关注.东太湖是我国东部典型的草型浅水湖区,采用自2013年11月至2015年10月对东太湖湖心进行的不同深度水体及沉积物温度高频观测数据,结合东太湖表层沉积物的热力学性质计算了水-沉积物界面热通量,分析了东太湖水温和水-沉积物界面热通量的变化特征并探讨了其影响因素.结果表明:东太湖各深度水体日升温过程随水深增加后延,升温过程夏季延长,冬季缩短;表层水温日变幅最大,底层水温日变幅次之,沉积物温度日变幅最小,各深度温度日变幅夏季最小、冬季最大;春季和夏季升温过程中各深度日均温变化沿水深存在约1天的延迟,秋季和冬季无此现象; 2015年与2014年东太湖温度变化趋势相同,同比月均温差与气温差呈线性相关.沉积物8:00-19:00向水体放热增加或从水体吸热减少,19:00至次日8:00放热减少或吸热增加; 3-9月从水体吸热,为热汇,10月至次年2月向水体放热,为热源,沉积物全年为湖泊热源;逐日水-沉积物界面热通量每月6至15日存在相对年变幅较小幅度的正弦式波动.水温和水-沉积物界面热通量的变化主要受太阳辐射和气温的影响,二者对气象参数的响应具有迟滞现象;水-沉积物界面热通量与水温呈负相关,其变化相对水温迟滞,水-沉积物界面热交换的主要作用为缓冲湖泊水体的热量变化;夏季,沉水植物能降低湖泊各层水温和垂向水温差.

巢湖快速变化风浪场及其环境效应

浅水湖泊风浪过程对于湖泊生态系统具有重要的意义.基于巢湖风场、风浪和水环境参数同步高频观测结果,详细分析了快速变化风场下的风浪快速变化特征及其对湖泊水环境的影响特征.浅水湖泊风浪的有效波高和平均波周期均随风速的快速变化有较好的同步响应规律.在风速快速衰减阶段,相较有效波高,波周期有更好的稳定性.湖泊水体pH、水温、溶解氧会快速响应风浪的变化,随着风浪强度增强,对水体浊度、总磷浓度以及藻密度和生物量的扰动影响逐渐呈现.强烈的风浪扰动引起水体浊度变化的滞后时间可达3 d.快速变化的风浪场下,风浪的强烈扰动会改变水体固有的理化参数分布特征,扰动藻类常规的水体分布规律,风浪强度是造成差异的主要因子.

湖底陷阱捕获内污染技术在浅水湖泊的应用

基于研发的湖底陷阱捕获内污染技术,在巢湖进行应用研究.结果表明,湖底陷阱可有效收集叶绿素a、有机质、总氮和总磷等湖底沉积物中内源污染物.不同位置和季节湖底陷阱收集的沉积物厚度差异显著,西巢湖收集的污染物含量最多,湖心区域收集污染物量最少;夏秋季节淤积较快,冬春季节淤积略慢.单位面积(1m^(2))湖底陷阱年收集叶绿素a、有机质、总氮和总磷可分别达2.37~15.28g、8.96~21.82kg、0.78~1.88kg和0.30~0.93kg.综合考虑湖流场、风浪场、湖底污染物分布及厚度,巢湖湖体内沿湖流汇集区可布置6条11~33km的湖底陷阱,并在7个主要入河口布置湖底陷阱,同时可利用现有航道,进一步加深后形成湖底陷阱,可为巢湖内源控制提供新的治理手段和管理方法.

浅水湖泊沉水植物调控技术研究进展

水生植物是湖泊生态系统的重要组成部分,如何维持合理的植物群落结构是构建优良湖泊生态系统迫切需要解决的科学问题。基于水生植物生长的影响因素及水生植物调控理论依据分析,系统梳理了当前沉水植物调控技术的方法与结论。结果表明,调节水位变化、投放草食性鱼类、收割以及其他生物化学手段可以改变沉水植物的物理形态、生物量和群落结构,起到水生植物调控作用。大型湖泊的防洪、供水功能以及生态型的空间异质性,使水位调控、鱼类调控及生物化学调控措施受到一定的限制。与之相比,人工收割在控制收割目标和收割时间、方式方面具有较强的针对性,因此在进行大型湖泊沉水植物调控时具有更高的适应性。在当前研究背景下,需要进一步开展不同尺度的收割受控试验及原位试验,研究如何通过收割实现沉水植物群落结构和水平、垂向空间生物量的优化配置,这是充分发挥沉水植物改善水质功能的关键,也是湖泊生态系统优化提升的突破口。

长荡湖水生植被修复地形重塑方案研究

针对常州市长荡湖水浅、浪大、底泥易悬浮,不利于水生植被生长与恢复的问题,开展了长荡湖地形重塑方案研究。SWAN风浪模型计算结果显示,在长荡湖西部入湖河口外约1 km位置布置高程为3.00 m生态潜堤,潜堤区域有效波高和波长削减比例超过16%,潜堤掩护区有效波高削减约9%,波长削减约12%。水源地保护区外围布置3.26 m高程生态潜堤,潜堤区有效波高削减比例超过44%,波长削减比例超过31%,潜堤掩护区平均削减风浪约6%~8%。湖心区域可通过布置围网、生态网等方式削减风浪。该地形重塑方案可削减风浪强度,降低风浪扰动,提高局部范围内水体透明度及其水生植被修复的成功率。

强风浪湖滨带菱的恢复方法与效果分析

该文在太湖强风浪湖滨带开展了菱的原位恢复试验,探讨了3种不同引种方式下的恢复效果。结果表明,幼苗移栽的方式在确保萌发率和菱种扎根深度方面具有优势,种群重建效果较好,但对育苗、运输、栽种环节要求较高;撒播菱种的方式在风浪扰动强的湖滨带成活率低,未能成功恢复;配重袋种植的方式下,菱种的扎根率、扎根深度、覆盖度和生物量均大幅提高,实现了种群恢复,适用于大规模强风浪湖滨带菱种群的恢复与重建。

长荡湖风浪特征观测研究

基于长荡湖不同位置的风浪实测资料,对实施水利优化工程后的长荡湖风浪特征进行了分析。结果表明,风速较大时,湖心水域总体风浪强度较大,长荡湖谱峰周期与平均波周期和跨零周期都存在显著线性相关。生态潜堤可以有效削减西湖近岸水域风浪强度,有效波高衰减百分比介于56%~81%,平均周期衰减百分比介于14%~31%。西部近岸水域风浪强度的削减,有利于水体透明度增加,从而为近岸水域水生植被的修复提供较好的生境条件。

太湖沉积速率分布演化及其淤积程度健康评价

分阶段(1963～1986,1986～2002)分析了太湖各湖区沉积速率空间分布,发现各湖区沉积速率均有不同程度的增加,以东太湖最为显著,从2.9mm/a增加至12.4mm/a。同一沉积速率对不同水深的湖泊有不同的意义,因此为了对太湖各湖区淤积程度进行健康评价,提出相对沉积速率的概念,即沉积速率与湖泊平均水深的比值,并将其作为评价湖泊淤积程度健康与否的指标。健康评价标准根据国内主要湖泊的相对沉积速率确定,即最大相对沉积速率健康得分为0,相对沉积速率为0,健康得分为100,归一化求得太湖各湖区淤积程度健康得分。结果表明,贡湖、湖心区处于健康状态,东太湖为不健康,其他湖区为亚健康,全湖有从亚健康向不健康发展的趋势。

太湖沼泽化评价方法的建立及应用

为了研究太湖的沼泽化现状,在考虑太湖生态类型空间分布多样性特征的基础上,遵循以水生植物为主、促淤效应为辅的沼泽化评价原则,选取水生植物类型、水生植物生物量、沉积速率、平均水深为指标,构建了沼泽化定量评价体系,并对太湖沼泽化综合指数进行分湖区计算.结果表明,太湖沼泽化程度可分3个水平:处于沼泽化盛期的东太湖,其沼泽化综合指数为2.81,为全湖最高;处于沼泽化前期的东部滨岸区、贡湖和南部沿岸区,其沼泽化综合指数分别为1.36、1.19、1.18;不存在沼泽化问题的梅梁湾、西部沿岸区及湖心区,其沼泽化综合指数分别为0.90、0.79、0.05.对沼泽化程度严重的东太湖有必要采取人工生物量控制、生态清淤、围网养殖规划等减缓沼泽化进程的治理措施.

太湖西部环湖河道悬浮物输移速率及变化特征

悬浮物(SS)的外部输入对湖泊SS总量变化及物质循环具有重要影响,本文基于逐月的水文与悬浮物同步观测,研究了太湖西部主要河道的SS输移速率及其时空变化.结果表明,太湖入湖SS浓度年内变化较为稳定,而出湖浓度在冬季(12月、1月、2月)高于同期入湖浓度,其他月份出湖浓度下降并低于同期入湖浓度.太湖西部SS主要通过城东港和百渎港进入太湖,年平均输入速率占太湖西部总输入速率的38.7%和12.1%;通过长兜港、太浦河和大钱港输出太湖,年平均输出速率分别占总输出速率的44.9%、24.8%和11.9%.SS总输移速率存在较大的年内变化,净输入速率为1289.5 g·s-1.

太湖金墅湾水源地浮游植物群落结构及其与环境因子的关系

利用典范相关分析方法(CCA),对太湖金墅湾水源地水体浮游植物群落结构及其与环境因子之间的关系进行了研究.共鉴定浮游植物7门58属,群落组成以蓝藻、硅藻和绿藻为主;夏季浮游植物的种类和数量均较多,平均密度为250×104ind.L-1,略高于春季(238×104ind.L-1).春、夏2季浮游植物群落结构差异较大,春季以蓝藻为最优势门类、鱼腥藻为最优势类群;夏季以绿藻为最优势门类,无最优势类群,但平裂面藻和栅藻在数量上较占优势.除受季节温度影响外,春季影响浮游植物分布的主要环境因子依次为铵态氮、总磷、总氮和磷酸盐,而总氮、铵态氮、磷酸盐、悬浮物、高等水生植物、总磷和透明度对夏季浮游植物分布的影响较大.

草型湖区沉积物营养盐分布与污染评价

为阐明太湖草型湖区表层沉积物营养盐的空间分布及其污染特征,测定了胥口湾60个表层沉积物样中的总氮(TN)、总磷(TP)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)和有机质(OM)的含量,分析其污染水平与来源.结果表明,胥口湾表层沉积物中TN、TP、AN、AP和OM平均含量分别为1 027. 5、423. 2、46. 4、15. 3和17 096. 6 mg·kg-1,且在空间分布上均呈现出胥口湾东北部湖区高于其他湖区的特点.胥口湾表层沉积物中TN和TP单项评价指数(STN和STP)平均值分别为1. 75和0. 91,表明TN和TP分别处于中度和轻度污染状态;综合污染指数(FF)的平均值为1. 57,整体上处于中度污染状态.在有机指数和有机氮评价中,整体上处于清洁状态. C/N比值表明胥口湾表层沉积物中生物沉积的有机质主要来源为无纤维束植物和浮游植物.相关性分析表明,胥口湾表层沉积物中有机质与总氮具有同源性,但与总磷不具有同源性.