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浅水湖泊物理-生态过程模拟平台(湖泊模拟平台)

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中国科学院院刊 2021年第9期36卷 1098-1107,F0003页

作者：朱广伟杨宏伟吴挺峰李未李宽意沈睿杰闵屾邓建明秦伯强中国科学院南京地理与湖泊研究所物理湖泊与水文研究室南京210008 中国科学院太湖湖泊生态系统研究站/江苏太湖湖泊生态系统国家野外科学观测研究站无锡214128 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008 中国科学院太湖湖泊生态系统研究站无锡214128

湖泊是我国地表水资源库和山水林田湖草生命共同体的重要组成。湖泊生态系统相对封闭,结构与功能较为清晰,生物与环境相互作用紧密,是开展生态学理论与实践研究的优良场地。湖泊生态学研究的主要方法有野外观测、受控实验及数值模拟。... 详细信息

湖泊是我国地表水资源库和山水林田湖草生命共同体的重要组成。湖泊生态系统相对封闭,结构与功能较为清晰,生物与环境相互作用紧密,是开展生态学理论与实践研究的优良场地。湖泊生态学研究的主要方法有野外观测、受控实验及数值模拟。而浅水湖泊环境容量小,湖泊生态系统对环境变化敏感。比如,风浪等物理过程能显著引起湖泊沉积物悬浮和内源营养盐释放,影响上覆水光环境,进而影响浮游植物生长乃至整个湖泊生态系统结构与功能。受制于野外受控实验系统的条件限制,目前我国湖沼学实验大多停留在数立方米体积的水池试验和条件较难控制的湖体中试,大尺度受控模拟试验装置缺乏,重要湖沼学过程和关键条件参数获取困难。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院太湖湖泊生态系统研究站在我国第三大淡水湖——太湖建成了浅水湖泊物理-生态过程模拟平台,以高仿真湖泊物理模型实验平台为核心,配套大型生态实验平台与数值模拟平台,可以开展波浪、湖流、河道脉冲式输入等湖泊物理过程影响下的湖体污染物迁移转化过程、生物生理与生态系统响应过程,以及水体鱼类、高等水生植物、浮游藻类、底栖生物等生态系统模拟试验。利用模拟平台开展了重要水体生态过程研究、工程技术参数确定,极大增加了野外站受控实验能力和数值模型参数精度,提升了支撑国家生态修复与管理需求、国际湖沼学理论前沿探索的能力。

关键词：大型湖泊物理模型生态模拟生态过程生态修复

太湖水体磷浓度与赋存量长期变化(2005-2018年)及其对未来磷控制目标管理的启示

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湖泊科学 2020年第1期32卷 21-35页

作者：朱广伟邹伟国超旋秦伯强张运林许海朱梦圆中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室太湖湖泊生态系统研究站

为揭示大型浅水湖泊水体磷浓度对湖泊外源负荷削减和生态系统变化的响应规律,指导富营养化湖泊水生态修复和管理实践,利用太湖湖泊生态系统研究站20052018年连续14年的太湖水体各形态磷浓度的月、季度调查数据,估算了太湖湖体各形态磷... 详细信息

为揭示大型浅水湖泊水体磷浓度对湖泊外源负荷削减和生态系统变化的响应规律,指导富营养化湖泊水生态修复和管理实践,利用太湖湖泊生态系统研究站20052018年连续14年的太湖水体各形态磷浓度的月、季度调查数据,估算了太湖湖体各形态磷赋存量的季度变化,分析了太湖水体磷浓度受湖泊水位、水量、蓝藻水华态势(蓝藻总生物量及水华出现面积)等环境条件变化的影响特征.结果表明,在连续10年的全流域高投入污染治理背景下,太湖水体总磷浓度仍未发生显著下降,水体各形态磷浓度在年际、月际及空间上的变幅大,不同季节和不同湖区总磷浓度的时空差异性大于14年来总磷浓度年均值的差异性;全湖32个监测点上、中、下3层混合样水体总磷平均值为0.113 mg/L(n=1788),其中颗粒态磷浓度平均值为0.077 mg/L,是水体总磷的主要赋存形式,溶解性总磷浓度平均值为0.036 mg/L,其中反应性活性磷浓度平均值为0.015 mg/L,占总磷浓度的13%;太湖水体总磷的赋存量介于410~1098 t之间,56个季度的平均值为688 t,其中冬季(122月)、春季(35月)、夏季(68月)、秋季(911月)平均值分别为683、604、792和673 t,夏季湖体磷赋存量明显高于其他季节.统计分析表明,蓝藻水华态势和水情要素(水位)对水相总磷、颗粒态磷等主要形态磷的赋存量影响显著,蓝藻水华态势的影响可能大于水量变化的影响.本研究表明,在水体营养盐浓度仍然充分满足蓝藻水华发生的背景下,气象水文波动所造成的湖泊水华面积及生物量的变化及大型水生植被消长带来的内源交换变化能引起水体总磷浓度剧烈变化,太湖水体磷浓度的稳定控制也依赖于蓝藻水华态势的稳定控制,由于太湖当前的蓝藻水华态势受气象水文条件变化影响甚大,短期内太湖水相总磷浓度稳定控制到0.05 mg/L的水质治理目标较难实现.治理策略上,若要实现太湖水体磷浓度的进一步明显下降,一方面需要大幅度削减外源磷负荷,另一方面需要大面积恢复沉水植被等.管理策略上,由于湖体磷浓度变化包括了较大的非人为因素影响,应将太湖总磷治理目标考核重点放在流域磷减排强度、入湖负荷等方面,科学看待气候波动等非人为因素影响下的水相磷浓度波动.

关键词：磷大型浅水湖泊蓝藻水华富营养化气候变化太湖

2005-2017年北部太湖水体叶绿素a和营养盐变化及影响因素

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湖泊科学 2018年第2期30卷 279-295页

作者：朱广伟秦伯强张运林许海朱梦圆杨宏伟李宽意闵屾沈睿杰钟春妮中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室太湖湖泊生态系统研究站南京210008

利用国家生态观测网络太湖湖泊生态系统研究站对北部太湖14个监测点2005-2017年的营养盐和叶绿素a浓度逐月监测数据,分析了北部太湖2005年以来水体营养盐和叶绿素a变化特征,探讨了叶绿素变化的影响因素.结果表明,2015年以来,北部太湖水... 详细信息

利用国家生态观测网络太湖湖泊生态系统研究站对北部太湖14个监测点2005-2017年的营养盐和叶绿素a浓度逐月监测数据,分析了北部太湖2005年以来水体营养盐和叶绿素a变化特征,探讨了叶绿素变化的影响因素.结果表明,2015年以来,北部太湖水体叶绿素a浓度呈现显著增高特征,特别是5-7月的蓝藻水华灾害关键期,水体叶绿素a浓度增幅更加明显;营养盐方面,氮、磷对治理的响应完全不同:水体总氮、溶解性总氮、氨氮的降幅很明显,甚至在春末夏初的蓝藻生长旺盛期出现了供给不足的征兆;但水体总磷降幅却不明显,加之蓝藻水华的磷"泵吸作用",近3 a来水体总磷浓度反而有升高趋势,溶解性总磷浓度也无明显下降趋势.不同湖区的营养盐变化也不相同:西北湖区溶解性总氮、溶解性总磷浓度显著高于梅梁湾、贡湖湾和湖心区,而且后3个湖区的水质呈现均一化趋势.统计分析表明,北部太湖水体叶绿素a浓度与颗粒氮、颗粒磷、总磷、高锰酸盐指数均呈显著正相关,与溶解态氮呈负相关;5-7月水华关键期北部太湖水体叶绿素a浓度与上半年(1-6月)逐日水温积温、总降雨量、年平均水位均呈显著正相关关系.从研究结果可以看出,近年来北部太湖水体叶绿素a浓度的波动很大程度上受水文气象因子的影响;2007年以来太湖流域一系列生态修复工程的实施,虽然明显降低了湖泊氮浓度,但由于流域和湖体的氮磷本底较高,磷的缓冲能力大,致使水体营养盐水平仍未降到能显著抑制蓝藻生长的水平,年际之间的水文气象条件差异成为蓝藻水华暴发强度差异的主控因素.为此,仍需加大对太湖流域氮、磷负荷的削减,使湖体氮、磷浓度降低到能显著影响蓝藻生长的水平,才能摆脱水文气象条件对蓝藻水华情势的决定作用.

关键词：太湖叶绿素a 营养盐蓝藻水华极端降雨气候变化

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太湖湖泊生态系统健康评价

湖泊科学 2005年第3期17卷 256-262页

作者：胡志新胡维平谷孝鸿陈宇炜季江中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖湖泊生态系统研究站

湖泊生态系统健康包含两个方面的内涵:满足人类社会合理要求的能力和湖泊生态系统自我维持与更新的能力.获知湖泊生态系统健康状况及其区域分异特征,对于湖泊管理具有重要意义.本文基于对太湖的野外调查,计算了表征湖泊生态系统健康的... 详细信息

湖泊生态系统健康包含两个方面的内涵:满足人类社会合理要求的能力和湖泊生态系统自我维持与更新的能力.获知湖泊生态系统健康状况及其区域分异特征,对于湖泊管理具有重要意义.本文基于对太湖的野外调查,计算了表征湖泊生态系统健康的系统能、系统能结构、生态缓冲容量和湖泊营养状态指数.聚类分析结果表明,太湖不同湖区生态系统健康状况存在一定差异,东部湖区较好,西部湖区较差,呈现由东南部湖区向西北部湖区递减的趋势.该结果对进一步研究湖泊生态系统健康评价指标阈值具有重要的参考意义.

关键词：生态系统健康评价指标空间分异太湖生态系统健康评价湖泊生态系统营养状态指数健康状况人类社会

2009-2017年太湖湖泛发生特征及其影响因素

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湖泊科学 2018年第5期30卷 1196-1205页

作者：刘俊杰陆隽朱广伟高鸣远闻亮姚敏聂青江苏省水文水资源勘测局南京210029 中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖湖泊生态系统研究站南京210008

湖泛是太湖蓝藻水华较为独特的灾害表征形式,也是危害湖泊生态服务功能的主要因素,认知其发生机制、演变特征对湖泊蓝藻水华灾害防控具有重要作用.本文基于2009-2017年江苏省水文部门逐年4-10月对太湖湖泛易发区现场巡查获得的湖泛发生... 详细信息

湖泛是太湖蓝藻水华较为独特的灾害表征形式,也是危害湖泊生态服务功能的主要因素,认知其发生机制、演变特征对湖泊蓝藻水华灾害防控具有重要作用.本文基于2009-2017年江苏省水文部门逐年4-10月对太湖湖泛易发区现场巡查获得的湖泛发生状况数据,结合期间水质、入湖水量、营养盐负荷等环境条件变化监测,分析了太湖水域湖泛发生的时空变化特征,研究了湖泛发生前后的环境因子变化规律,探讨了湖泛强度年际波动成因.结果表明,2009-2017年太湖共发现面积超过0.01 km^2的湖泛61起,年发生次数3~17次不等;湖泛发生位置主要集中在太湖湖西沿岸带,9年发生了32次,占总频次的一半以上;其次为梅梁湾;贡湖相对较少,而巡查的东部湖区未发现湖泛事件.通过对湖泛发生日与前10日的环境条件对比分析发现,湖泛发生前5天持续的高温、低压和低风速等气象条件有利于湖泛发生:气温连续高于25℃、气压低于101.0 k Pa,有利于诱发湖泛;主导风向为东南风也有利于太湖西北部蓝藻水华严重区域的湖泛发生;大量蓝藻水华物质是湖泛发生的重要物质基础:湖泛发生前10日,湖体平均藻密度基本在1500万cells/L以上.湖泛发生强度还受前一年营养盐外源负荷的影响,湖泛发生频次较高的年份,前一年总磷和总氮营养盐入湖负荷也均处于较高水平.研究表明,尽管2007年无锡贡湖水厂发生饮用水危机以来太湖流域已经开展了大量的水环境治理工程,但是截至目前,太湖的湖泛发生风险仍处于较高水平,在营养盐还未控制到较低水平之前,太湖的湖泛巡查与防控仍是十分必要和艰巨的任务.

关键词：湖泛蓝藻水华气象条件灾害预报太湖

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太湖水质的时空分异特征及其与水华的关系

长江流域资源与环境 2009年第5期18卷 439-445页

作者：朱广伟中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖湖泊生态系统研究站江苏南京210008

在大量调查数据的基础上，分析了太湖水质的时空分异特征，探讨了太湖不同湖区、不同季节水质差异的原因。研究结果显示：北部的入湖河口区、几个湖湾、湖心区、西南湖区、东部湖区水体的透明度、高锰酸盐指数、氮、磷、叶绿素等富营养... 详细信息

在大量调查数据的基础上，分析了太湖水质的时空分异特征，探讨了太湖不同湖区、不同季节水质差异的原因。研究结果显示：北部的入湖河口区、几个湖湾、湖心区、西南湖区、东部湖区水体的透明度、高锰酸盐指数、氮、磷、叶绿素等富营养化指标差异显著。入湖河口区的高锰酸盐指数和营养盐含量高于南部湖区数倍，也明显高于北部湖湾区，这反映出太湖西北部人湖河道污染对太湖影响显著。不同季节太湖水质指标也差异显著，冬春期（12～次年5月份）水体的氮含量高于夏秋季（6～11月份）近1倍。水质季节性的显著差异进一步说明了外源输入对太湖水质的影响。研究表明太湖水质的时空异质性既受太湖湖泊形态特征本身的影响，也更多受到外源污染的影响，解决太湖的蓝藻水华问题，首先要在太湖的外源污染控制方面取得突破。

关键词：太湖蓝藻水华富营养化外源污染

南水北调东线沿线湖泊生态环境面临的挑战与保护对策

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湖泊科学 2024年第5期36卷 1289-1302页

作者：张运林蔡永久彭凯龚志军罗菊花周永强魏佳豪贺诗文李娜薛滨中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域水安全重点实验室南京210008 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室太湖湖泊生态系统研究站南京210008 中国科学院大学北京100049 中国科学院大学南京学院南京211135

南水北调东线工程横跨长江、淮河、黄河和海河四大流域,通过京杭大运河和输水渠道自南向北连通了高邮湖、洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖和北大港水库等湖泊和水库,向黄淮海平原东部、胶东地区以及津冀地区提供生产生活生态用水。沿线... 详细信息

南水北调东线工程横跨长江、淮河、黄河和海河四大流域,通过京杭大运河和输水渠道自南向北连通了高邮湖、洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖和北大港水库等湖泊和水库,向黄淮海平原东部、胶东地区以及津冀地区提供生产生活生态用水。沿线调蓄湖泊是南水北调东线工程的关键节点和调蓄池,是改善输水水质的净化器和重要“绿肾”,对保障输供水安全至关重要。近年来,在生态文明建设和打好碧水保卫战的大背景下,南水北调东线沿线调蓄湖泊治理保护取得明显成效,水环境质量总体上呈改善趋势,但在快速气候变化和高强度人类活动的双重影响下,沿线湖泊流域水污染防控、水环境治理和水生态保护修复仍面临严峻挑战。本文从水量调蓄与水质净化、饮用水安全保障、农业灌溉与粮食安全、生物多样性保护、航运与大运河水文化等方面系统阐述了南水北调东线沿线湖泊的主要生态服务功能,深入剖析了水质超标风险、湖泊富营养化、藻类水华暴发以及草型生态系统退化等生态环境问题,提出了水环境质量持续改善以及水生态系统完整性、稳定性和持续性稳步提升的保护策略,助力南水北调东线水安全保障国家战略。

关键词：湖泊调蓄富营养化藻类水华饮用水安全策略与对策

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强降雨对平原河网区入湖河道氮、磷影响

环境科学 2020年第11期41卷 4970-4980页

作者：连心桥朱广伟杨文斌朱梦圆许海安徽师范大学生态与环境学院芜湖241003 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室太湖湖泊生态系统研究站南京210008

为定量揭示强降雨对平原河网河道氮、磷污染的影响,本文以太湖西岸大浦河和殷村港为例,基于两周年逐日高频人工监测和降雨量自动监测数据集,以及台风"利奇马"过程中的加密监测,分析了强降雨过程中河道各形态氮、磷浓度的变化特征及其环... 详细信息

为定量揭示强降雨对平原河网河道氮、磷污染的影响,本文以太湖西岸大浦河和殷村港为例,基于两周年逐日高频人工监测和降雨量自动监测数据集,以及台风"利奇马"过程中的加密监测,分析了强降雨过程中河道各形态氮、磷浓度的变化特征及其环境效应.结果发现,强降雨两年内共观察到16次(19 d),且50%发生在夏季;此外,强降水占年内总降水量的比重高达41.33%.强降雨发生之后,两条河道水体中各形态氮、磷浓度在强降雨之后有所增加,其中颗粒态磷的响应最快,一般在强降雨当天就出现峰值;而总氮峰值的出现存在2~5 d的延迟;强降雨引发的河道营养盐浓度增高持续时间短,通常1~2 d,甚至低于雨前浓度.流域面积大和河道流程长的大浦河水体氮、磷浓度对强降雨过程的响应速度较殷村港慢.河道各形态氮、磷浓度对强降雨过程的响应特征还受河道两岸局地土地利用状况的影响,农业面源污染的河段比城镇污染的河段对营养盐的拦截、净化和缓冲能力弱,因此农业面源污染的河段对强降雨的响应强于城镇污染的河段;农业面源影响河段氮的增加量以颗粒态氮为主,城市面源影响河段氮的增加量以溶解态氮为主,而磷的增加全程均为颗粒态磷为主.平原河网地区强降雨带来的河道水体氮、磷浓度波动小,各形态氮、磷响应过程受局地环境背景影响大,水质总体趋于稳定.然而,由于强降雨带来的河道入湖水量占比大,因此入湖负荷也处于很高水平,加之强降雨的发生偶然性大,强降雨对平原河网地区河道入湖氮、磷负荷的突发影响很大,需要重点关注.

关键词：暴雨平原河网湖泊氮、磷面源污染

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太湖出入湖河道与湖体水质季节差异分析

环境科学 2018年第3期39卷 1102-1112页

作者：查慧铭朱梦圆朱广伟杨周生许海沈睿杰钟春妮安徽师范大学环境科学与工程学院芜湖241003 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室太湖湖泊生态系统研究站南京210008

基于2016年太湖16条主要河道及对应湖体的水质逐月监测数据,深入探讨了太湖流域不同分区河道的外源营养盐输入对湖体水质影响及其季节变化.结果发现:(1)太湖流域河道总氮(TN)、溶解性总氮(DTN)、总磷(TP)和溶解性总磷(DTP)的月平均浓度... 详细信息

基于2016年太湖16条主要河道及对应湖体的水质逐月监测数据,深入探讨了太湖流域不同分区河道的外源营养盐输入对湖体水质影响及其季节变化.结果发现:(1)太湖流域河道总氮(TN)、溶解性总氮(DTN)、总磷(TP)和溶解性总磷(DTP)的月平均浓度均高于对应湖体,主要入流区河道与临近湖体的营养盐浓度呈现显著正相关,表明外源补给对湖体营养盐浓度产生巨大影响;(2)无论是河道还是湖体的营养盐浓度,均呈现明显的季节变化,且峰值产生月份不同:河道平均TN最高值出现在3月,为4.82 mg·L-1,平均TP最高值出现在12月,为0.218 mg·L-1;湖体TN、TP峰值均出现在蓝藻水华暴发期间(7月),分别为4.13 mg·L-1和0.255 mg·L-1;(3)极端降水过程短期内能明显降低河道营养盐浓度,但会引起湖体营养盐外源负荷的明显增高,不利于湖体富营养化控制.本研究表明,对于空间异质性较高的大型浅水湖泊,流域河道入湖污染对湖体营养盐时空格局具有重要的塑造作用,而湖体的污染物自净能力、蓝藻水华物质的空间堆积及风浪引发的底泥再悬浮作用等也都对湖体营养盐浓度、时空格局产生重要影响.

关键词：太湖营养盐外源负荷时空分异蓝藻水华水动力作用