澎溪河流域面源污染预报预警平台

基于流域“空-地-水”一体化模型体系与多层次协同架构,提出了澎溪河流域面源污染预报预警平台技术体系,建立了澎溪河流域面源污染预报预警平台,平台通过自动收集并处理气象数据等,在控制中心驱动下调用气象模型、陆地模型、水动力模型和水质模型,实现未来3~15 d陆面产流以及TN、TP、NH3-N等污染物通量的逐时预报,可自动对突发污染风险进行预报预警,为流域智慧化管理和面源污染综合治理提供技术支撑。

溶解性有机碳耦合营养状态解析河流CO_(2)动态及驱动因素

为全面探索河流溶解性有机碳(DOC)与二氧化碳(CO_(2))动态及驱动因素的相关关系,以我国三峡库区河流——澎溪河为对象,于雨季和旱季采集表层水体水样,分别通过原位和室内测定,明确水文参数(水温、pH、碱度和流速)、DOC浓度和营养元素(总氮(TN)和总磷(TP))浓度,并计算水体CO_(2)分压(pCO_(2))、水—气界面CO_(2)交换通量和营养元素化学计量比(DOC:TN、DOC:TP和TN:TP)。以河流CO_(2)、DOC和营养状态动态变化为基础,通过对DOC、TN、TP、营养元素化学计量比和荧光峰(B、T、A、M、C、D和N)与河流pCO_(2)的多维分析建立及评估潜在的耦合关系,从而揭示特定区域河流CO_(2)的来源与驱动因素特征。结果显示,澎溪河水—气界面CO_(2)交换速率在3.75~22.9 m/d范围内,雨季((9.91±4.93)m/d)>旱季((6.69±4.30)m/(d),pCO_(2)在65.95~20642.41μatm范围内,F平均值为(629.4±1426.8)mmol/(m^(2)·d),河流总体表现为大气CO_(2)源。水体DOC总体在1.42~7.88 mg/L范围内,且旱季((4.50±0.17)mg/L)>雨季((2.87±0.18)mg/L),TN在0.176~1.917 mg/L范围内,旱季((1.205±0.353)mg/L)>雨季((0.665±0.306)mg/L),TP在0.0003~0.169 mg/L范围内。在该流域雨季,类酪氨酸、类色氨酸和土壤富里酸占比显著高于旱季,而类腐殖质、微生物衍生腐殖质和生物生产力占比显著低于旱季。旱季水体pCO_(2)与TP呈显著正相关,与营养元素化学计量比(TN:TP和DOC:TP)呈显著负相关,而雨季与生物生产力呈显著负相关,营养状态与pCO_(2)存在季节耦合关系。生物代谢过程是河流CO_(2)饱和的主要原因,而降雨能够促进这一内在联系。

三峡库区土地利用对河流溶解性有机质的多时空尺度影响

三峡库区拥有目前世界上规模最大的水利枢纽工程,自投入使用以来,为长江流域提供了丰富的水源及电力,促进了经济的发展,但同时也对该区域的生态环境造成了严重的冲击。澎溪河流域作为三峡库区长江流域干流的典型回水区和消落带,是众多学者研究三峡库区生态环境变化的重点区域。为探究不同时空尺度下土地利用对河流溶解性有机质(DOM)的影响,以澎溪河流域为研究对象,基于紫外-可见光谱分析和三维荧光光谱矩阵-平行因子分析,结合河段缓冲区、河岸带缓冲区及子流域3种空间尺度的二级土地利用类型,解析了旱雨季水体DOM的组成及来源特征,并采用相关分析和冗余分析方法探讨了3种空间尺度下土地利用方式对旱雨季水体DOM的多时空尺度影响。结果表明:(1)旱季水体DOM荧光组分以陆源类腐殖质所占比例更大,雨季水体DOM荧光组分以富里酸贡献为主。(2)流域内陆源输入和内源产生对水体DOM丰度均有贡献,雨季较旱季水体DOM的陆源性更强,自生源特征较弱。(3)土地利用在雨季和子流域尺度下对水体DOM的影响更显著,其中,雨季子流域尺度下,土地利用指数对水体DOM参数的解释率为90.35%。(4)不同土地利用方式对水体DOM产生的影响不同,灌木林、滩地和香农多样性指数对水体DOM的解释率最大。旱季,高覆盖度草地、边界密度与溶解性有机碳等水体DOM参数呈正相关关系,雨季则相反。河岸带缓冲区和子流域尺度下,灌木林、有林地、河渠和滩地与其呈负相关关系,水库坑塘、斑块密度与其呈正相关关系,河段缓冲区则相反。该研究可为合理的土地规划提供基础数据,以期为三峡库区河流生态系统和水资源管理提供参考。

基于非线性时序分析的三峡支流浮游植物因果响应

水华的频发已成为当前三峡水库最为突出的生态环境问题之一。尽管水动力调控叠加上温度变暖和营养负荷增加会诱导水华暴发强度和频率增加,但仍缺乏有效的方法框架去利用野外观测数据评估环境因子与浮游植物间的因果关联。本研究以三峡水库澎溪河监测数据为例,采用非线性时序分析的建模框架来量化浮游植物的因果响应规律。数据来自于2007年6月至2018年9月澎溪河流域的高阳平湖和汉丰湖两个观测点,其中包含了水文、气象和水质及叶绿素a等11种变量。首先,利用奇异谱分析(SSA)分离了叶绿素a和环境因子的低维确定性动力学信号;其次,采用收敛交叉映射(CCM)方法检验了叶绿素a与环境因子间的因果关联。结果显示:(1)气象因子、支流流量、水温、三峡大坝水位和上游调节坝水位是影响高阳平湖叶绿素a时序变化的重要因素;(2)总氮、总磷为代表的营养盐只在汉丰湖观测点中表现出与叶绿素a的因果关系,且总氮较之于总磷对叶绿素a变化影响更为显著;(3)CCM结果与传统的皮尔森相关性分析及格兰杰因果检验比较,证实非线性时序分析方法在分析浮游植物的因果响应上更具优势。本研究为水生态系统的因果建模提供了研究范例,也为推动利用长期观测数据评估三峡水库水华驱动因子提供了新的研究角度。

三峡库区澎溪河鱼类时空分布特征的水声学研究

为了解三峡库区支流澎溪河鱼类时空分布变化,2009—2010年的秋季、冬季和春季,使用Simrad EY60鱼探仪对澎溪河的鱼类资源量及其时空分布特征进行3次声学调查。结果表明:3个季节鱼类水平分布不均匀,鱼类最大密度分别为67.07尾/1000 m3,19.66尾/1000m3,17.25尾/1000m3且不同季节上层、中层鱼类密度水平分布有显著性差异(P≤0.01,P=0.03);各季节鱼类密度垂直分布也有一定差异,冬季上层鱼类密度和下层鱼类密度差异较为显著(P=0.05);另外鱼类密度昼夜分布有显著性差异(P<0.05),造成该现象的原因主要是由于鱼类的昼夜垂直节律(Diel Vertical Migration,DVM)引起;3个季节的鱼类目标强度(TS值)的差异极其显著(P<0.01),其中秋季鱼类TS最高((-57.0±5.6)dB),春季TS值最低((-58.6±4.9)dB),造成该差异的原因是4—6月是长江上游鱼类繁殖季节,仔稚鱼居多。鱼类空间分布及其位点的水深关系分析显示,鱼类密度水平分布秋季、冬季与水深不相关(︱r︱<0.2),春季与水深中度负相关(r=-0.5,P≤0.05)。

三峡水库澎溪河水-气界面CO_2、CH_4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.

三峡水库蓄水后澎溪河消落带植物群落格局及多样性

三峡水库156m蓄水后，消落带内植物种类组成、空间分布格局以及多样性发生巨大变化。2008年7～9月对开县澎溪河及支流自夹溪沿岸海拔175m以下范围的植被进行调查：在澎溪河设置3个样带，在白夹溪设置2个样带，共108个草本样方。结果表明：共发现98种维管植物，分属于38科29属，其中水生、湿生植物52种；一年生植物和隐芽植物种类丰富，分别占52．0％和31．6％；调查区域内植被可划分为11个群丛；沿河流侧向空间梯度可分为河漫滩一年生草本植物带、苍耳带、双穗雀稗带、白茅带4个植物带；土壤含水率的变化及分布格局对消落带植物带状分布有较大影响。研究表明消落带内植物物种丰富度和多样性较低。

三峡澎溪河回水区流速对藻类原位生长速率的影响

为明晰不同流速水平对三峡支流回水区库湾藻类原位生长的影响,本文采用可调速的环形实验槽,选择三峡水库不同运行状态(低水位、高水位),对三峡澎溪河高阳平湖库湾藻类生物量(用叶绿素a浓度表示)变化特征进行原位受控实验.通过流速在0(对照)、0.1、0.2和0.3 m/s的实验发现,夏季低水位阶段澎溪河水域光热充足,但流速升高(>0.2m/s)对藻类原位比生长速率具有一定影响.大体上,高阳平湖水域藻类原位比生长速率与流速水平呈对数关系.冬季高水位运行期间,流速的升高将可能在一定程度上促进水柱扰动,成为维持藻类在上层水体受光生长、避免下沉的主要因素.该时期,采用调节流速、流量的方法抑制藻类生长的难度相对较大.

三峡库区澎溪河流域氮湿沉特征及其来源

本研究收集了澎溪河流域及万州城区共6个站点2016年1~12月大气湿沉降样品,分析了澎溪河流域大气湿沉降氮的时空变化特征、来源及其对流域水体的输入贡献.澎溪河流域氮湿沉降空间上差异较小,呈现区域性特征;季节上差异较大,呈现春夏大于秋冬的特点.总氮沉降(TDN)浓度和通量分别为1.1mgN/L和11.8kg N/(hm2·a).来源主要包括二次源、地壳源、交通源和养殖源,其贡献占比分别为47.4%、23.5%、14.3%和10.9%,而工业源和化石燃料燃烧源仅分别贡献2.8%和1.1%.通过湿沉降直接输入流域水体的氮素为76.9t/a,约占总氮输入的1.8%;沉降通量超过了水体富营养化临界负荷.流域湿沉降铵态氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)和有机氮(DON)沉降通量分别占总沉降的63.3%、25.9%和10.7%,减少NH4+-N排放能有效控制流域氮沉降量.

三峡水库澎溪河回水区藻类种群分布及评价

2008年冬,三峡水库蓄水至173m.随着蓄水水位的抬升,库区内长江干流北岸最大支流澎溪河回水区流速进一步减慢,水体富营养化发生的可能性相应增加.为探究水位抬升对澎溪河水环境及浮游植物种群结构产生的影响,本研究于2009年春季（3月）、夏季（7月）对该区域五个采样点展开浮游植物种群结构跟踪观测,并运用Margalef（d）丰富度指数法、Shannon-Wiener（H）多样性指数法、Pielou（J）均匀度指数法,进行水体富营养化评价.共检测出浮游植物7门57属100种,硅藻门17属33种、绿藻门24属40种、蓝藻门7属10种、甲藻门2属3种、裸藻门4属10种、黄藻门2属2种、隐藻门1属2种;硅藻和绿藻是该区域的优势种;其中春季藻类优势种群为硅藻-绿藻型,绝对优势种为硅藻;夏季藻类优势种群为绿藻-硅藻-蓝藻型,绝对优势种群为绿藻.高阳采样点春季发生铁锈红＂水华＂,藻类密度高达103.6×105cell/L.各监测断面的d、H、J值分别为：春季0.68-1.70、0.99-1.44、0.228-0.345,夏季1.0-1.91、1.24-2.10、0.30-0.49,综合得出澎溪河回水区春季属于中度-重度富营养化,夏季属于中度富营养化,夏季水质优于春季.

三峡水库不同运行阶段澎溪河典型优势藻原位生长速率

在澎溪河高阳平湖半封闭库湾对不同生长策略的5种代表性藻种进行原位培养实验,初步探讨三峡水库不同运行阶段藻类原位生长速率和主要影响因素.结果表明,低水位时期,CR型生长策略的湖北小环藻(Cyclotella hubeiana)和兼具C、R、S型生长策略的卵形隐藻(Cryptomonas ovata)出现了正的生长速率特征,分别为0.128±0.006和0.210±0.010 d-1;高水位时期,湖北小环藻、CS型生长策略的空球藻(Eudorina sp.)、兼具C、R、S型生长策略的卵形隐藻具有较大原位生长速率,分别为0.175±0.009、0.326±0.016和0.187±0.009 d-1;泄水期,湖北小环藻、空球藻以及卵形隐藻依旧在较长时间内保持较高的原位生长速率,分别为0.231±0.012、0.281±0.014和0.406±0.020 d-1,但S型生长策略的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)随着水库泄水水位持续下降而逐渐体现出优势.低水位期影响上述藻种原位生长速率的主要因素为溶解性磷酸盐和水温.高水位时期影响显著的环境因素为颗粒态磷和研究水域最大风速.泄水期影响显著的环境因素为溶解性磷酸盐、溶解性无机氮和总氮.忽略藻类随流输移产生的干扰,不同生长策略藻种的原位生长速率与同期藻类群落演替特征具有一定关联.

三峡水库澎溪河CO_2、CH_4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.

三峡库区支流澎溪河回水区水质调查与评价

澎溪河为三峡库区北岸最大支流.自2004年三峡水库蓄水以来已多次暴发水华.为了科学全面评价澎溪河回水区水质状况和分析其富营养化成因,本研究在2007年至2009年对澎溪河回水区水质进行了监测,并采用《中国地表水环境质量标准(GB3838-2002)》和卡森指数法对澎溪河水质进行富营养化状况评价.研究结果表明:澎溪河水体中总氮(TN)、总磷(TP)浓度较高,全年都呈现富营养水平或者重度富营养水平,双江大桥附近水体富营养状况与高阳渡口、渠马渡口的相比较为严重;TN浓度、溶解氧(DO)浓度随季节变化趋势不明显;TP浓度、叶绿素a(Chla)浓度和透明度(SD)随季节变化趋势明显,TP和Chla夏秋季高、春冬季低,而SD则相反.水体中TP浓度是影响澎溪河水体发生富营养化的主要因素.水体总磷主要来自面源污染.

三峡澎溪河水域CO_2与CH_4年总通量估算

以2010年6月～2011年5月三峡澎溪河回水区CO2与CH4通量监测数据为基础,参考澎溪河高阳平湖水域全年4次的24 h昼夜连续跟踪观测结果,对每月各采样点的日通量值进行估算。提出了水下地形划分法和环境因素控制法,将各采样点日通量数据外延至整个回水区水域,并估算了澎溪河回水区水域CO2与CH4年总通量值。研究期间,澎溪河回水区全年各采样点CO2通量均值为(3.05±0.46)mmol/(m2.h);CH4为(0.050 1±0.009 6)mmol/(m2.h)。以水下地形法为基础,该水域全年CO2和CH4总通量分别为40 060.5 t和540.9 t;以环境因素控制法为基础,全年CO2与CH4总通量分别为39 073.0 t和467.2 t。以环境要素控制法为参考,该水域CO2全年平均释放强度为43.26 mmol/(m2.d),在全球水库数据序列中处于中等略偏高水平,CH4全年平均释放强度为1.42 mmol/(m2.d),在全球水库序列中处于中等水平。

三峡澎溪河水-气界面温室气体模型估算及其敏感性分析

模型估算法是水-气界面温室气体通量监测的主要方法,所得成果也不胜枚举.然而监测过程中诸多环境因素会对最终结果产生不确定的影响.结合三峡库区澎溪河背景条件,利用模型估算法进行水-气界面温室气体通量(以CO_2为例)估算,并且采用修正Morris筛选法尝试分析模型估算法中各个参数对温室气体扩散通量(以CO_2为例)的局部敏感性.研究结果表明:利用模型估算法计算三峡澎溪河流域水-气界面温室气体通量具有较高的可行性和可靠性;风速、水温以及pH值会对监测结果产生影响,且风速越强、水温越高、pH值越小,CO_2扩散通量就越大;pH值是高灵敏参数,风速和水温是灵敏参数.在三峡库区澎溪河监测过程中更应注意pH值的精确性,每次采样前需校正仪器.

三峡库区支流域澎溪河浮游动物的季节性变化与水质评价

为研究三峡库区北岸最大支流澎溪河中浮游动物与水质状况的关系。本研究分别于2009年春季(3月)、夏季(7月)在澎溪河流域上游至下游5个河流断面进行采样,对水体中浮游动物的种类及数量进行监测,并应用Margalef丰富度指数(d)、Shannon-Wiener指数(H)和Pielou均匀度指数(J)对水体营养状况进行评价。研究发现:使用浮游动物评价水质状况得出的结论与营养水平评价结论存在较大差异,基于浮游动物种类及优势度评价得出的水质富营养化程度轻于基于营养盐的评价。

三峡水库澎溪河消落区土-气界面CO_2和CH_4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.

澎溪河浮游植物群落结构的周年变化特征

研究于2008年对澎溪河的浮游植物群落结构进行了调查，结果表明：调查期间共鉴定有浮游植物116种（含变种），隶属7门63属，主要由绿藻、硅藻和蓝藻组成；不同季节浮游植物现存量变动范围大，春、夏季节高，秋、冬季节低，水华暴发期浮游植物密度高达10^7cells／L以上；春、夏、秋、冬各季节分别以蓝藻、绿藻、隐藻和绿藻为主，其中6月份水华爆发期主要浮游植物优势种类为蓝藻的水华鱼腥藻似nabaena flos—aquae），而7月份水华爆发期则演变为绿藻的空球藻（Eudorina elegans）；冬、秋季Shannon—Wiener多样性指数较高，而水华爆发期较低，与浮游植物现存量的变化趋势正好相反。通过浮游植物群落结构特征分析澎溪河的水质状况，结果表明：冬、秋季节水质好，春、夏季节水质稍差。

三峡水库澎溪河水-气界面CO_2与CH_4通量特征及影响因素初探

澎溪河流域是三峡水库典型支流,对水库区域碳循环及区域化学风化的影响非常重要。2016年5月—2017年2月对澎溪河流域水-气界面CO_2与CH_4通量特征进行监测与分析,采用顶空平衡法结合模型估算法计算表层水体CO_2与CH_4的分压以及水-气界面的交换通量,并运用spearman相关分析法分析了二氧化碳和甲烷的分压和排放通量与其他环境变量之间的相关性。研究发现:澎溪河是温室气体排放"源",表层水体p(CO_2)平均值为(1807.635±315.605)μatm(1μatm=0.101325 Pa,下同),表层水体p(CH_4)平均值为(218.7725±127.9425)μatm;CO_2扩散通量平均值为(32.53±3.86) mmol?m^(-2)?d^(-1),水-气界面CH_4扩散通量平均值为(0.208±0.143) mmol?m^(-2)?d^(-1),通量与分压趋势基本保持一致。通过与世界上典型河流温室气体扩散通量对比,得出澎溪河流域CO_2通量释放量为中等水平,而CH_4扩散通量较小,且CH_4通量与p(CH_4)、水温、pH值显著正相关,而水-气界面CO_2扩散通量与p(CO_2)显著正相关,与DO、pH值、叶绿素a(Chl-a)显著负相关。

三峡澎溪河高阳平湖高水位期间磷-藻生态模型研究

通过在前期建立的总磷模型基础上建立磷-藻模型.从正磷酸盐所代表的无机磷和藻类生物量所代表的有机磷入手,分析蓄水期所累积的磷在高水位时期各种形态转化和循环机制,以期从定性和定量两方面说明冬季末水华暴发所消耗磷的来源.研究表明:高水位蓄水期、稳定期和水华期这3个阶段中各磷库磷通量各不相同.淹没消落带磷释放是该时期高阳平湖溶解性正磷酸盐的主要来源(占总输入通量的72.69%),其释放量与被淹没消落带面积和消落带水土界面磷交换速率有关,淹没消落带面积越多,磷交换速率越高,磷释放量越大,对整个磷循环的贡献越大.但水华期间藻磷的合成率最大仅为14.4%,藻类对冬季高水位期间所积累磷的利用量依然相对较低.