淀山湖生态模型与富营养化控制研究

论文摘要

淀山湖是上海最大的淡水湖泊和主要水源地。近年来,其富营养化严重,时有蓝藻水华暴发,威胁到全市1000余万市民的饮用水专全。本研究首先总结了湖泊水库富营养化与水生态模型研究进展。对USEPA的AQUATOX模型进行了深入的研究,并基于淀山湖现场实地水文水质测验和收集整理的淀山湖2004～2007水质实测数据的基础上,通过参数灵敏度分析和率定、模型验证,构建了淀山湖生态模型。并在淀山湖蓝藻水华及其控制因子和富营养化控制方案上进行了深入的研究。主要的研究成果和结论有:(1)对模型的所有参数进行灵敏度分析。以下列出对模拟结果灵敏度较大的主要参数:矿化参数中有,消光系数、不稳定碎屑最大分解速率、稳定碎屑最大分解速率;藻类参数中有,饱和光强、磷的半饱和参数、氮的半饱和参数、最适温度、最大光合速率、沉降速率。并根据以上分析结果结合实测数据,完成了参数的率定和模型的验证。(2)对模拟结果的验证显示,该生态模型较好地模拟了水质数据和藻类的动态变化。其中叶绿素a模拟值误差比较大,主要是由于模型不能直接模拟叶绿素a,而是把浮游藻类生物量转化为叶绿素a近似值,叶绿素a模拟的误差有待模型进一步完善而得到修正。(3)建立的淀山湖水生态模型研究了水质数据时间分布和浮游藻类的季节演替规律,水质数据模拟结果显示淀山湖富营养化程度严重,具备蓝藻水华暴发的生境。对于藻类的生长演替的模拟显示淀山湖藻类群落已经演替为以绿藻和蓝藻为主的群落结构,夏季则以蓝藻门为主常常形成水华。(4)对蓝藻水华及其控制因子的研究,影响蓝藻生长及产毒的因素众多,模拟结果显示营养盐限制已经不能成为淀山湖蓝藻暴发的主要限制因子。淀山湖水力停留时间越长越适合蓝藻的生长,同时在pH值为7.5～9.5、水温为30～35℃、静风或风速小于3.1m/s、光强150～8001y/d的范围内,蓝藻都能很好的生长。模拟结果为揭示淀山湖蓝藻“水华”暴发机理和预警预报提供科学依据。(5)淀山湖富营养化控制方案研究,对水力条件控制、污染源控制、生态修复等控制方案的效果进行模拟,结果显示:改善淀山湖的水力条件,能有效控制蓝藻水华的暴发;淀山湖污染负荷主要来自于上游负荷;在控磷和控氮的对比上,蓝藻对于控制磷比较敏感,不论是水生植物的恢复还是增殖放流鱼类都对富营养化有一定的改善,但是应采取控源与生态修复并举的方式,首先控制排放到湖泊中各种污染源,再进行水生植物恢复或者增殖放流进行草型湖泊生态系统的培植,这样有利于有效稳定水质改善的效果。根据以上研究结果,对于富营养化研究和蓝藻水华暴发机理的研究的建议:污染负荷削减和富营养化治理是一个长期的过程,要从整个湖泊生态系统的角度出发;目前对于蓝藻水华的预警预报应该更多地关注理化因子,如pH、水温、风速、光强等;对富营养化的改善和蓝藻水华防治可以更多地考虑水动力条件的改进,有选择性的消减营养盐负荷和生态修复。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究的背景及意义
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究技术路线
• 参考文献
• 第二章 湖泊水库富营养化与水生态模型研究进展
• 2.1 水体富营养化
• 2.1.1 湖泊（水库）水体富营养化的成因
• 2.1.2 湖泊（水库）水体富营养化的影响因素
• 2.1.3 湖泊（水库）水体富营养化的危害
• 2.1.4 湖泊（水库）水体富营养化的评价
• 2.2 湖泊生态模型研究综述
• 2.2.1 单一营养盐模型
• 2.2.2 浮游植物生态模型
• 2.2.3 生态动力学模型
• 2.2.4 湖泊生态模型存在问题和发展趋势
• 参考文献
• 第三章 AQUATOX模型系统
• 3.1 AQUATOX模型概述
• 3.1.1 模型简介
• 3.1.2 模型界面简介
• 3.1.3 状态变量
• 3.1.4 参数
• 3.1.5 模型特征
• 3.1.6 系统要求
• 3.2 AQUATOX模型结构解析
• 3.2.1 物理过程模拟
• 3.2.2 生物过程模拟
• 3.2.3 矿化模拟
• 3.2.4 无机沉淀模拟
• 3.2.5 有毒有机化学物模拟
• 3.3 模型的改进
• 3.3.1 模型参数估计方法的改进
• 3.3.2 经验公式的修正
• 3.4 AQUATOX的特点及其应用实例
• 3.4.1 AQUATOX的特点
• 3.4.2 AQUATOX在国内外的应用实例
• 参考文献
• 第四章 淀山湖生态模拟系统的构建
• 4.1 研究区域概况
• 4.1.1 淀山湖研究区域概况
• 4.1.2 淀山湖流域气象特征
• 4.1.3 淀山湖流域水文水系特征
• 4.1.4 淀山湖生态系统概况
• 4.1.5 淀山湖水体富营养化状况
• 4.2 湖泊生态系统的构建
• 4.2.1 研究范围
• 4.2.2 建模与数据
• 4.2.3 模型率定
• 4.2.4 模型验证
• 4.3 营养盐转化和藻类生长机理
• 4.3.1 营养盐转化机理
• 4.3.2 藻类生长机理
• 参考文献
• 第五章 淀山湖蓝藻水华及其控制因子的研究
• 5.1 蓝藻生理特性
• 5.2 淀山湖蓝藻生长各作用
• 5.3 营养盐状况的影响
• 5.3.1 营养盐的影响
• 5.3.2 pH的影响
• 5.4 水动力条件的影响
• 5.4.1 停留时间对藻类生长的影响
• 5.4.2 风速的影响
• 5.5 气候条件的影响
• 5.5.1 水温的影响
• 5.5.2 光强的影响
• 参考文献
• 第六章 淀山湖富营养化控制方案研究
• 6.1 对停留时间的控制
• 6.2 入流负荷的控制
• 6.2.1 削减上游来水负荷和污染源的对比
• 6.2.2 削减氮和磷的对比
• 6.3 生态修复
• 6.3.1 水生植物恢复
• 6.3.2 增殖放流鱼类
• 参考文献
• 第七章 结论及研究展望
• 7.1 结论
• 7.2 研究展望
• 附录一 淀山湖生态模型模拟结果
• 附录二 削减上游来水负荷20%的模拟结果
• 附录三 削减污染源负荷20%的模拟结果
• 附录四 削减N负荷20%的模拟结果
• 附录五 削减P负荷20%的模拟结果
• 附录六 加入水草的模拟结果
• 附录七 加入滤食性鱼类（鳙鱼）的模拟结果
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢