基于MIKE21模型模拟的异龙湖水动力特性与生态补水效果研究

异龙湖是云南九大高原湖泊中面积最小、水量最少、最易受人类活动干扰的湖泊,近年来湖泊水质波动性变化特征明显,湖区水质尚未企稳向好。针对异龙湖流域水文资料匮乏、水质资料较少且湖区水质受气候及人类活动干扰响应明显等特点,依托数值模拟技术来模拟并反演湖区水动力与水质演变过程十分必要。采用GPS示踪浮标法、声学多普勒流速剖面仪监测法和加密加频监测入湖河流与湖泊水质的方式,开展异龙湖生态补水前后的湖泊水动力与湖区水质监测,具象化分析及展示补水水质改善效果,并同时构建了基于MIKE21的平面二维水动力与水质耦合模型。模拟预测结果表明,在常年主导风场西南偏西风下,南北湖岸流向为西北—东南,湖心呈顺时针环流,湖东存在逆时针小环流,在湖西有明显的弱流区,不利于水量、物质交换;年内水质浓度COD总体呈现湖西低-湖中湖东高、雨季明显高于旱季的时空分布格局;在年补水量约3 500万m^(3)和多点、最大补水能力1.95 m^(3)/s的“旱季(11月至次年5月)补水”方案下,湖西、湖中、湖东3个点位COD年均浓度分别可改善约27.6%、24.0%、18.1%,补水带来的水质改善效果十分明显,可为异龙湖生态调度与湖泊水生态修复改善提供良好的决策支撑。

考虑空间尺度效应的云南异龙湖流域主要入湖河流污染源解析

定量解析污染源对水质影响的贡献是水环境精细化管理的重要基础。目前多通过水质和土地利用类型的关系以解析水体污染源的研究,忽略了空间尺度的差异性,引发景观配置不合理的后果。为此,本研究依据考虑空间尺度效应的污染源解析方法,基于异龙湖流域3条主要入湖河流的入湖口监测断面对雨季和旱季的水质数据进行研究。同时利用绝对主成分—多元线性回归模型(APCS-MLR)和bioenv分析揭示河道不同尺度缓冲区的土地利用变化对水质的影响并解析河流主要污染源。研究结果表明:(1)异龙湖主要入湖河流水质表现出季节性差异,旱季期间3条主要入湖河流的浊度、化学需氧量(COD_(Cr))、氨氮(NH_(3)-N)、总磷(TP)和总氮(TN)浓度平均值相比于雨季减幅分别为39.53%、39.93%、94.48%、38.29%和1.72%。其中,入湖河流水体中的TN在旱季和雨季的超标率分别为58%和74%,成为首要污染物;(2)在旱季,20 m缓冲区尺度内河流水质受耕地和裸地占比影响较大,随着空间尺度的扩大,至50~300 m缓冲区尺度时建设用地、林地及水体占比对水质的影响增加;在雨季,COD_(Cr)、NH_(3)-N、TP和TN受20~300 m缓冲区尺度下建设用地占比及200~300 m缓冲区尺度下的水体占比影响,溶解氧受20 m缓冲区尺度内建设用地占比及50~300 m缓冲区尺度下耕地占比影响;(3)异龙湖流域主要入湖河流在旱季的主要污染源是20 m缓冲区尺度内的裸地、20~100 m缓冲区尺度下的耕地、50~300 m缓冲区尺度下的建设用地以及100~300 m缓冲区尺度下的基塘—水库水体;雨季的主要污染源是20~300 m缓冲区尺度下的建设用地、200~300 m缓冲区尺度下的水库—基塘以及50~300 m缓冲区尺度下的耕地。本研究在污染源解析过程中提出考虑不同河道缓冲区的空间尺度,在一定程度上可以克服受体模型的主观性,提高污染源识别和分配的准确性。研究结果可以帮助管理者明确在不同空间尺度下污染防治的重点,为水环境管理工作提供新的参考。

异龙湖表层沉积物有机质的分布特征与来源研究

异龙湖为云南省九大高原湖泊之一,但淤积严重,研究表层沉积物有机质含量有助于了解湖泊生态系统健康状况。在异龙湖设置12个采样点,测定表层沉积物的有机质含量,讨论其空间分布及成因。结果显示,异龙湖东部区域有机质含量较高,这与区域水动力学变化、人类活动及陆源输入有关。溯源分析可为防控内源污染和制定湖泊管理策略提供基础数据。

人类活动影响下异龙湖浮游植物碳氮稳定同位素变化特征

于2020年9月~2022年6月在异龙湖开展了20个点位、8个季节的水体水质、浮游植物碳氮同位素信号等内容的系统调查与对比分析.结果表明,浮游植物δ^(13)C信号分布范围为-28.98‰~-22.32‰,呈现了丰水年份(-26.89‰±1.34‰)低于枯水年份(-25.30‰±0.97‰)、9月高于其他月份等变化模式,同时出现了西部湖区高于中部、东部湖区的空间分布特征.浮游植物δ^(15)N信号分布范围为-0.28‰~10.25‰,且丰水年份(6.28‰±1.07‰)高于枯水年份(2.78‰±1.55‰),施肥季节(6、12月)低于其他季节,以及在雨季(9月)和旱季初期(12月)西部湖区高于中部、东部湖区的空间分布特征.统计分析表明,随着异龙湖水量的上升,具有较低δ^(13)C信号的流域无机碳输入增加、水体富营养化程度降低,可能改变了浮游植物利用的无机碳源及其生长速率,从而造成了浮游植物δ^(13)C信号的显著下降,反映了调水补水措施等人类活动影响下浮游植物δ^(13)C信号的快速响应.同时,浮游植物较低的δ^(15)N分布特征及其与水体NH4+-N浓度密切相关,反映了异龙湖氮素来源于以氨肥为主的农业面源污染影响,并通过浮游植物吸收等过程影响了湖泊生态系统的氮循环模式.而有机肥替代化肥措施实施后异龙湖浮游植物δ^(15)N呈现出随水量显著升高的特征,反映了生态环境修复措施显著改变了异龙湖的氮素来源.MixSIAR模型结果表明,异龙湖氮源中农业面源污染从枯水年份的88.4%下降至丰水年份的79.0%,其中化肥贡献率从41.2%下降至14.0%,有机肥占比从47.2%上升到65.0%,而点源污染贡献率则从11.6%升高至21.0%.由此可见,调水补水工程、有机肥替代化肥等人类治理活动降低了异龙湖水体的营养盐浓度,并通过增加δ^(13)C偏低的流域碳源和δ^(15)N偏高的有机肥氮源导致浮游植物δ^(13)C信号的降低和δ^(15)N信号的升高,反映了湖泊治理和环境修复措施对湖泊初级生产者碳氮稳定同位素及其循环过程产生显著影响.

近百年来异龙湖有机碳和无机碳埋藏响应水体富营养化的协同变化特征

湖泊碳埋藏模式及其动态变化对陆地碳汇通量与全球碳收支估算具有重要影响,然而现有湖泊碳埋藏评估主要基于有机碳的埋藏模式,缺乏对无机碳埋藏以及有机碳-无机碳协同变化过程的系统评估.本文通过对云南岩溶区异龙湖开展沉积物岩芯样品的多指标分析和湖盆3个点位的记录对比,结合210Pb、137Cs年代学序列,识别了1900年以来异龙湖有机碳和无机碳埋藏通量的变化历史和空间特征,并甄别了二者协同变化的主要特征及其转化路径.结果表明,近百年来流域开发导致的营养盐长期输入(如沉积物氮和磷的持续富集)显著提高了异龙湖的内源初级生产力,表现为1900~2020年间沉积物藻类色素含量持续增加,蓝藻叶黄素浓度由~7.02μg/g显著增加到~38.99μg/g.同期有机碳和无机碳的埋藏通量均出现持续的上升趋势,且两者的同步变化特征显著(r=0.98~0.99,P<0.001).回归分析表明,藻类生物量是碳埋藏通量上升的主要驱动因子(R^(2)=0.33~0.91,P<0.001),指示了藻类光合作用以及“生物碳泵”效应对碳埋藏过程的驱动作用.在流域地表物质输入强度总体下降(如磁化率信号和沉积物C:N比值的减小)的背景下,藻类生物量和内源有机碳的持续上升导致了有机质矿化过程中自生碳酸盐的转化作用明显增加(如无机碳δ13C信号的持续下降),进而促进了有机碳与无机碳埋藏通量的协同增长.上述结果表明,水体富营养化过程促进形成了有机碳和无机碳埋藏通量同步增加的长期模式,加强了异龙湖有机碳和无机碳埋藏过程的耦合作用.因此在人类活动与气候变化持续的背景下,对岩溶地区湖泊碳埋藏模式的科学评估需要关注无机碳埋藏过程及其对陆地碳汇通量的动态影响.

水体叶绿素a和硅藻群落时空分布及影响因子的对比分析——以云贵高原异龙湖为例

藻类是湖泊生态系统中重要的初级生产者,物种多样性高且对水环境变化敏感,其生产力水平与群落构建模式是反映湖泊环境梯度和生态系统特征的可靠指标。其中硅藻优势属种的演替模式及其环境条件识别,是开展湖泊生态健康和环境质量评价的重要内容。本文选择亚热带地区浅水湖泊异龙湖开展季节调查,对20个采样点的叶绿素a和硅藻群落组成等指标开展分布特征及其驱动因子的定量评价,系统分析藻类变化的时空模式、驱动因子及其指标异同。2020年12月一2021年9月,异龙湖水环境特征的季节波动明显,综合营养指数TSI平均为74.76,总体处于富营养水平。在80个水体样品中共发现硅藻21属68种,群落结构以浮游类型(平均占比79.33%±20.69%)的耐中富营养种为主;在4个季节的调查中,膜糊直链藻Aulacoseira ambigua(61.62%±20.26%)为优势种。主成分分析显示,硅藻群落组成存在明显的空间差异和季节变化。冗余分析和方差分解等结果表明,水体营养因子(TN、TP和N:P)是影响叶绿素a浓度空间变化的重要因子(解释方差为19.08%±11.4%),水温和水深梯度的影响较小(9.63%±11.31%);空间分布上水体营养因子(TN、TP、N:P和SiO_(3)^(2-))是影响硅藻群落构建的主要因子,共解释群落方差的27.55%±15.83%,水温和水深对硅藻群落结构的空间变化影响较小(2.53%±3.78%),但其与营养水平的相互作用较强(15.95%±11.45%)。多元回归分析进一步表明,水温对藻类生物量和硅藻群落分布的季节变化影响显著(56.4%和20.1%),而水体营养因子(TN、TP、N:P和SiO_(3)^(2-))的驱动强度相对较弱(6.5%和19.2%)。由此可见,影响异龙湖藻类空间分布的关键因子是营养盐梯度,在季节尺度上水温是控制水体藻类变化的重要梯度,同时群落结构和生产力指标在指示藻类分布的驱动过程上存在显著的季节差异。因此,亚热带浅水湖泊环境特征和生态过程存在明显的季节波动和空间差异,需要结合藻类等生物的多指标调查开展水环境质量与生态健康的综合分析和科学评价。

基于遥感影像和Canny算子的异龙湖形态特征变化

基于Landsat 5 TM/Landsat 8 OIL影像,通过计算归一化差值水体指数,采用Canny算子自动提取湖岸线.在遥感和地理信息系统技术的支撑下,应用分形理论对近30a异龙湖的岸线动态变化特征进行分析,讨论环境和人类活动对湖岸线的影响及岸线变化对沿岸带生产力的影响.运用Pearson系数分析岸线复杂程度与周长、面积、周长面积比之间存在的潜在关系,定量探究岸线复杂程度与湖泊形状的关系.结果表明,Canny算子能有效地提取湖岸线,分形理论可以更好地对岸线进行定量描述.岸线复杂程度与周长、周长面积比强相关,与面积不相关几何学意义周长面积比的变化代表湖泊形状变化,当周长面积比值越高的时候,湖泊形状越复杂,岸线越曲折,其复杂程度越高,岸线发育系数越大,湖沿岸带的初级生产力越强。

基于MIKE21的异龙湖水动力优化与水质改善研究

湖泊由于长期处于封闭或半封闭状态,水动力条件差,极易发生富营养化。为此,综合考虑降雨对异龙湖湖泊TN浓度的时空分布影响,构建了MIKE21水动力—对流扩散模型,模拟了不同入水口启闭情况和不同流量引水方案下的水动力条件,基于湖泊流场的流速分布探究了TN浓度的改善情况。结果表明,增设引水口和增大引水流量均能有效提升湖泊水动力条件与湖区水质,城河单独引水的整体效果比城河和龙港河共同引水的整体效果好;在城河单独引水的方案下将引水量增大1倍,湖泊整体流速提升了44.04%,TN浓度下降52.78%,水动力优化与水质改善效果最好,但单位补水量的水质改善效率有所降低。研究结果可为类似在建及规划项目提供建设思路。

致公党中央关于“高原水生态及生物多样性保护”暨“异龙湖保护治理”的调研报告

高原湖泊的保护与治理,是习近平总书记念兹在兹、高度重视的重大问题。为深入贯彻落实习近平生态文明思想,有效推进高原水环境保护治理民主监督工作,2023年5月,致公党中央参政议政部赴云南昆明市、红河州开展了“高原水生态及生物多样性保护”暨“异龙湖保护治理”调研,并参加了首届“引智异龙湖”科学论坛。调研组认为,云南高原水生态保护与湖泊的治理需坚定不移地践行习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路,锚定目标、系统施治、久久为功。为此建议:一是坚持节水优先,提升水资源节约集约利用水平;二是坚持系统观念,强化流域统一治理管理;三是坚持两手发力,形成水环境保护治理合力;四是坚持科技赋能,协同推进高原湖泊保护治理。

异龙湖流域生态安全格局构建与评价

高原湖泊是区域经济发展的重要载体,城镇化进程的推进和旅游业的发展对高原湖泊生态环境造成一定影响,高原湖泊流域的开发与其生态保护间的矛盾凸显,亟需开展高原湖泊流域生态安全研究。以异龙湖流域为研究区域,基于土地利用数据和DEM高程数据,运用综合指数法、熵值法和GIS空间分析技术,通过生态安全评价模型(ESI)对异龙湖流域生态安全进行评价,同时结合最小累积阻力模型(MCR),以源地-廊道-节点的方式构建异龙湖流域生态安全格局。结果表明,异龙湖流域中度安全区域占流域总面积的33.03%,较低安全区域占32.45%,不安全区域占20.36%,高度安全区域占14.16%,平均生态安全指数为2.34,总体处于中度安全状态,流域生态系统健康状况一般;高度安全区域集中分布在异龙湖国家湿地公园;坝心镇的生态安全状况最好,其次为异龙镇,宝秀镇最差。异龙湖流域生态源地总面积为128.45km^(2),占流域总面积的36.03%,呈现以异龙湖为中心、流域四周集中连片的分布特征,其中异龙湖国家湿地公园在该流域生态安全保护中占主导地位。识别出18个生态节点,并提取出20条生态廊道;根据计算结果将异龙湖流域划分为生态缓冲区(205.19 km^(2))、生态过渡区(65.31 km^(2))、生态边缘区(46.89 km^(2))、农业耕作区(26.79 km^(2))和人类活动区(12.30 km^(2))5个生态功能区,针对不同生态功能区的特点提出相应的管理和保护对策。

致公党云南省委会“引智异龙湖”科学论坛综述

2023年5月11日,中国致公党云南省委员会、中共红河州委、红河州人民政府在云南省红河州石屏县举办“引智异龙湖”科学论坛,深入异龙湖流域开展实地调研,就异龙湖保护治理工作和红河州、石屏县经济社会发展献计出力。致公党中央参政议政部、致公党中央生态环境与可持续发展委员会、致公党中央科技委员会、云南省各有关厅局以及省内外湖泊治理保护领域研究专家围绕异龙湖(高原湖泊)保护治理开展研讨。

异龙湖湿地功能可持续性评价及PSR模型时滞性研究

基于压力-状态-响应（PSR）框架模型理念，构建了异龙湖湿地生态系统功能可持续性评价的指标体系；同时，基于生态系统健康原理和模糊数学提出了湿地生态系统退化及其可持续性评价方法，研究了20世纪50年代至今异龙湖湿地生态系统功能可持续性变化的过程，包括压力、状态、响应和可持续能力4个方面，并使用偏相关分析和时间平移的方法修正了PSR模型的滞后性，研究结果表明：20世纪50年代至今，异龙湖湿地生态系统的功能可持续能力不断下降，目前逐渐趋于平缓；异龙湖湿地生态系统功能的变化滞后于压力约1～5a，滞后于响应约1～15a。

异龙湖湖滨带不同环境梯度下土壤养分空间变异性

随着环境梯度的变化,生态系统的特征会发生明显的变异,土壤是其重要的表征要素。以纵向岭谷区红河流域异龙湖湖滨带为案例,运用多种统计分析方法对其不同环境梯度下土壤单个养分指标和土壤养分综合质量的空间分布特征进行了研究,结果表明:在北部湖滨坡地,海拔对土壤养分空间分布的影响并不十分显著,而坡位对其影响较大;北部湖滨农田土壤,水分梯度对钾的影响较大,全氮和有机质则一部分受水分梯度影响,另一部分受径流作用的影响;异龙湖湖滨带土壤养分综合质量指数大小的排序为:南部湖滨农田>北部湖滨农田>北部湖滨坡地>南部湖滨坡地。还探讨了不同环境因子对单个土壤养分指标和土壤养分综合质量的影响,其中,气温、湿度、坡向和坡型对土壤中磷空间分布的影响较大,土壤含水量、坡度和海拔对土壤有机质、全氮和全钾的影响较大;土壤含水量即水分梯度对土壤养分综合质量影响最大。

围湖造田和退田还湖对异龙湖的影响

异龙湖是云南省九大高原湖泊中人为破坏最严重的湖泊之一.湖泊面积由1952年的53.1km2缩减至现在的31 km2.目前湖泊水质为地面水环境质量V类,呈严重的富营养化状态,存在湖泊沼泽化程度加剧,水质恶化、供需矛盾突出等环境问题.本文分析了垦区分布及面积、土地利用方式、水利功能的影响、围垦对湖泊水环境与生态环境的影响.提出异龙湖退田还湖的对策措施以保护异龙湖.

云南异龙湖可培养酵母菌多样性及产胞外酶和油脂活性菌株筛选

异龙湖是富营养高原湖泊,对其酵母菌多样性及产胞外酶和油脂活性菌株进行研究,了解酵母菌在异龙湖中的分布及探讨酵母菌参与湖泊有机物的循环作用.研究采用膜过滤平置法分离异龙湖水样中的酵母菌,应用26S rRNA D1/D2区域序列分析和形态特征及生理生化指标相结合的方法对酵母菌进行鉴定,运用BIO-DAP分析酵母菌的多样性,采用胞外酶定性筛选培养基进行产酶活性菌株筛选,利用苏丹黑-B染色和DNS分光光度法测定残糖含量相结合的方法筛选产油脂活性菌株.结果表明:从异龙湖湖水中分离获得288株酵母菌,归属26个属41个种3个潜在的新类群;优势种为Rhodotorula kratochvilovae、出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)、Candida tetrigidarum和Filobasidium magnum;湖西水样的酵母菌多样性指数(H′)和物种丰富度比湖东低;大多数菌株至少具有1种胞外酶活性(主要是脂肪酶、果胶酶和淀粉酶活性);筛选获得20株具有油脂活性的菌株,活性菌株主要分布在红酵母属(Rhodotorula).研究表明异龙湖具有丰富的酵母菌多样性,贮藏大量值得开发利用的酵母菌资源.

异龙湖湖泊沉积对流域人类活动的响应

通过对异龙湖短钻岩芯沉积物粒度、碳酸盐以及有机质含量等环境代用指标研究,结合文献资料和当地气象数据并参考实验室其他项目组137Cs-210Pb方法建立的年代标尺,讨论了异龙湖流域1880年以来的环境变化和人类活动对湖泊沉积环境的影响。结果表明：岩芯35～25 cm段（1880—1936年）碳酸盐含量、中值粒径均值较高,表明这一时期为暖湿气候,TOC含量处于低值且平缓,证实人类活动对周围环境影响较小,湖泊环境变化的影响因素以自然因素为主;至25～15 cm段（1936—1996年）碳酸盐含量明显下降,有机质含量快速增加,指示湖泊沉积环境受人类活动影响强烈,碳酸根离子等其他化合物含量、反应条件、过程及碳酸盐沉淀保存条件发生改变,在此种情况下,指标已不能指示湖泊环境变化;岩芯15～0 cm段（1996—2013年）沉积物粘土含量升高,砂含量降低,应与异龙湖流域防护林工程有关,这一时期的指标特征表明人类活动强度较之前有所减弱,并且开始有意识地恢复流域生态。

异龙湖湿地大型水生植物群落特征分析

根据现状调查和历史资料收集,对异龙湖湿地大型水生植物进行了特征分析。结果显示:20世纪50年代以来,异龙湖水生植物群落发生了结构性变化,大型水生植物之前为广泛分布的芦苇群落、薏苡群落、水葱群落,以及种类繁多的沉水植物群落。目前,湖泊中沉水植物已消失殆尽,异龙湖由草型湖泊转变为藻型湖泊;湖滨湿地大型水生植物群落类型相对较单调,为挺水植物类型,主要以荷花群落和香蒲群落为主,建议在湖滨湿地恢复工程中选择植物物种时可优先考虑此2种植物。另外,近期调查显示异龙湖湖滨已有少量眼子菜科植物出现,在一定程度上显示其沉积物种子库中仍存在具有活力的沉水植物繁殖体,对于水质改善后恢复水体中的沉水植被具有一定指导意义。

异龙湖藻类群落特征及环境响应关系

异龙湖淡水藻类共4门36种,其中包括蓝藻门11种,绿藻门17种,裸藻门1种,硅藻门7种。水体藻类密度极高,在200×104~450×104cell/L间。其中拟柱胞藻(Cylindrospermopsis raciborskii)为优势种,形成水华,为水华藻种。水华藻拟柱胞藻藻细胞密度与p H值呈正相关关系,可能与其在繁殖生长中会分泌生物碱,使水体p H值升高有关。异龙湖水体藻类密度空间分布呈西部较高,东部较低的特征,主要受人类活动排放的污染物影响。

异龙湖退塘还湖区基底修复技术工程应用研究

20世纪70年代异龙湖实施了围湖造田运动,在湖滨带形成大量农田和连片的鱼塘群,鱼塘群垂直堤坝对湖滨带进行了强烈的切割,破坏了湖泊水体生态系统和陆地生态系统的连续性,使湖滨带原有的天然滩地大量消失,浅水区滩地生境条件急剧恶化,水生植被结构的连续性不复存在,鱼类栖息、索饵、产卵地丧失,湖滨生态系统遭到破坏,自净能力下降,加上鱼塘排污,严重阻碍了异龙湖湖滨带生态修复和水质改善。该文介绍一种全新的湖滨带退塘还湖区挖塘堆岛基底修复工程技术方法,通过对湖滨带39.33 hm2鱼塘群区域进行塘库系统构建、堆岛、滩地、坡地等地形地貌多样性改造基底修复工程示范,为湖滨带生态系统修复创造良好的生境条件,湖滨湿地示范工程区实现了生物多样性保育、入湖河流水质净化和景观美化三大功能。

基于SRTMv4的异龙湖流域地形因子提取

以最新SRTMv4版DEM作为基础数据,选择异龙湖流域为研究区域,利用ArcGIS 10平台中的水文分析扩展模块提取异龙湖流域的流域边界和流域水文特征两方面的流域地形因子。根据提取结果与获取到的实测数据进行有效性检验:①与实际调查数据的水系网和1∶5万水系图对照比较,发现基于SRTM DEM所提取出的流域地形因子等信息是合理有效的。②与1∶5万DEM所提取流域水网进行对比发现基于SRTM DEM所提取的数据精度较为满意,在相同河网密度情况下,基于SRTM的DEM与1∶5万DEM的水网细节表现高度一致,具有可靠性。