太湖磷循環(huán)的生態(tài)動力學模擬研究

謝興勇,祖 維,錢 新 (.淮陰工學院生命科學與化學工程學院,江蘇 淮安 3003；.南京大學環(huán)境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 0093)

太湖磷循環(huán)的生態(tài)動力學模擬研究

謝興勇1*,祖 維1,錢 新2(1.淮陰工學院生命科學與化學工程學院,江蘇 淮安 223003；2.南京大學環(huán)境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210093)

構(gòu)建了太湖水生態(tài)動力學模型(CAEDYM),依據(jù)已有相關研究成果對模型參數(shù)進行了初選,利用2005年的水文、氣象、水質(zhì)等監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行了率定,分析了湖泊水體磷的循環(huán)機制和沉積物內(nèi)源磷的釋放機制.結(jié)果表明,水溫和溶解氧的模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)非常吻合,TP、PO43-和Chl-a的變化趨勢也與實測結(jié)果基本相同.浮游植物優(yōu)勢種的演替模式表現(xiàn)為:冬季隱藻和硅藻占優(yōu)勢,春季綠藻占優(yōu)勢,夏季和秋季藍藻占優(yōu)勢;磷的內(nèi)源釋放對太湖磷循環(huán)影響的模擬結(jié)果表明,在不改變外源輸入的情況下,降低底泥中磷的再懸浮作用能夠有效降低水體中Chl-a的濃度,但對水體中TP及PO43-的影響較小.

太湖；磷循環(huán)；水生態(tài)動力學模型；環(huán)境模擬

根據(jù)經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)的研究,全球80%湖泊的營養(yǎng)受磷的控制,另外10%與磷和氮有直接關系,其余 10%是由氮或其它因素制約[1].因此,磷是造成湖泊水質(zhì)富營養(yǎng)化的關鍵性因素之一.與深水湖泊相比,大型淺水湖泊由于其溫度、流速等理化性質(zhì)分層不明顯,風浪作用對沉積物與水界面的干擾大,更容易擾動湖底沉積物,使水流作用更強,沉積物與水體之間磷的交換作用更充分,沉積物對水體磷的影響更為直接和頻繁[2-3].對于淺水湖泊富營養(yǎng)化研究與治理實踐表明[4],在開展湖泊外源營養(yǎng)鹽控制的基礎上,還要開展湖泊內(nèi)部由于沉積物營養(yǎng)鹽釋放帶來的內(nèi)源負荷控制與生態(tài)修復.

淺水湖泊磷的循環(huán)機制非常復雜,沉積物對水體磷的影響和作用較大.目前比較多的研究工作是有關沉積物中營養(yǎng)鹽的賦存形態(tài)與含量的研究,以及不同環(huán)境下沉積物中營養(yǎng)鹽釋放的實驗室試驗研究[5-7].由于環(huán)境系統(tǒng)龐大復雜,淺水湖泊水質(zhì)變化規(guī)律的野外預測和物理模型方法研究往往要消耗大量的人力和物力,難以廣泛開展.在這種情況下,理論計算方法成為開展湖泊水環(huán)境系統(tǒng)綜合研究的一種重要手段,在水環(huán)境規(guī)劃、管理和研究過程中發(fā)揮著越來越大的作用.

西澳大學水環(huán)境研究中心以質(zhì)量平衡方程為基礎,在綜合考慮了物理遷移擴散、生化反應等因素后,構(gòu)建了水生態(tài)動力學模型 CAEDYM (Computational Aquatic Ecosystem DYnamics Model),從而為計算和模擬湖泊的生態(tài)動力學過程奠定了基礎.該模型不僅全面的反映了C、N、P、Si以及DO的循環(huán)過程,它還可以模擬多種無機懸浮顆粒物和藻類的動力學過程[8],與一維水動力學模型 DYRESM(Dynamic Reservoir Simulation Mode)耦合后可進行關于生物和化學過程的研究,已被多次應用于湖泊及水庫水動力水質(zhì)分析[9-13].

本研究以太湖為對象,利用水生態(tài)模型CAEDYM中的磷循環(huán)理論[8],構(gòu)建了能夠反映藻類生長繁殖的一維水動力水質(zhì)數(shù)學模型,選擇隱藻、硅藻、綠藻、藍藻4種浮游植物作為主要對象,模擬了太湖磷的生態(tài)動力學循環(huán)過程以及磷與浮游植物生長之間的關系,分析了不同藻種的季節(jié)性演替規(guī)律,探討了湖泊內(nèi)源污染控制措施對太湖磷循環(huán)及生態(tài)系統(tǒng)的影響.

1 研究對象

太湖(119°54′N～120°36′N, 30°56′E～31°33′E)正常水面面積 2338.11km2,其南北長 68.5km,東西寬34km.湖岸線總長405km,平均水深1.9m,正常水位下庫容4.43×109m3,換水周期約309d,是典型的大型淺水湖泊.

太湖位于長江三角洲的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),長期以來在蓄洪、供水、灌溉、航運、旅游等方面發(fā)揮著重要作用.隨著流域經(jīng)濟的迅速發(fā)展,入湖污染負荷急劇上升,而污染治理工程相對滯后,太湖的水污染和富營養(yǎng)化問題日益嚴重,夏季水華暴發(fā)的范圍越來越大.從2000年以前的梅梁灣、竺山灣及部分湖西區(qū)為主,發(fā)展到2006年的整個西太湖,夏季水華暴發(fā)的面積占太湖總面積的一半以上,且一年中出現(xiàn)水華的時間越來越長,出現(xiàn)的頻率越來越高,微囊藻水華為特征的藻型生態(tài)系統(tǒng)在太湖越來越穩(wěn)定[14-18].

2 水環(huán)境數(shù)學模型

水生態(tài)動力學模型CAEDYM的復雜程度可以由用戶依據(jù)自己的研究目的及基礎數(shù)據(jù)的獲取情況自行設定,該模型最多可以模擬7種浮游植物、5種浮游動物、魚類以及水生植物等等[8].由于沒有足夠的監(jiān)測數(shù)據(jù),本研究僅模擬了磷循環(huán)與浮游植物的動力學過程,并沒有考慮浮游動物、魚類以及水生植物的影響.有研究表明[19-21],太湖全年以隱藻、硅藻、綠藻、藍藻4種藻類的季節(jié)性演替為主,因此,本模型選擇這4種浮游植物開展模擬研究.水質(zhì)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 CAEDYM模擬磷循環(huán)動力學過程示意Fig.1 Schematic representation of the modeled nutrient cycle in CAEDYM

3 結(jié)果與討論

3.1 營養(yǎng)物質(zhì)的模擬結(jié)果

國內(nèi)關于淺水湖泊不同藻種的數(shù)值研究未見文獻報道,在國外,Rmoero 等[22]在對澳大利亞的 2個水庫進行一維和三維生物地球化學模擬時利用CAEDYM構(gòu)建了包含藍藻、綠藻、硅藻3種浮游植物的營養(yǎng)鹽循環(huán)過程.Griffin 等[23]在模擬澳大利亞天鵝河的甲藻暴發(fā)時,分析了浮游動物生長對甲藻、綠藻、隱藻、硅藻4種浮游植物的影響.作者對太湖磷循環(huán)與浮游植物之間的關系進行了探索性研究,在隱藻、硅藻、綠藻、藍藻這 4種浮游植物的參數(shù)選取方面主要參考了上述2篇文獻,并利用2005年太湖實測水質(zhì)數(shù)據(jù)及相應的水文氣象資料進行了率定,使模型計算值與實測值比較達到總體最優(yōu).經(jīng)過率定,藍藻、綠藻、硅藻和隱藻的最大生長速率分別為:1.1,0.8,1.3,0.7d-1;呼吸作用速率分別為:0.07, 0.09,0.14,0.2d-1;光合作用曲線參數(shù)分別為:130, 100,60,60uE/(m2?s);適宜生長溫度分別為:29,28, 20,33℃;磷的半飽和常數(shù)分別為:0.008,0.005, 0.007,0.005mg/L.模型計算結(jié)果如圖2所示.

圖2 水溫、溶解氧、總磷及磷酸鹽的模擬結(jié)果Fig.2 Simulated and observed values for water temperature, DO, TP and PO43-

從圖2的對比結(jié)果來看,水溫和溶解氧的計算結(jié)果與實測值非常吻合,而TP和PO43-的計算結(jié)果與實測值有一定誤差.從變化趨勢來看,模型計算結(jié)果略低于實測數(shù)據(jù),其原因之一可能與太湖監(jiān)測點的位置選取有關.本研究采用的實測數(shù)據(jù)為2005年太湖常規(guī)監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測資料,這些斷面主要分布在太湖的北部,也是太湖富營養(yǎng)化最嚴重的區(qū)域,因此這些點的TP和PO43-平均濃度會低于全湖的平均濃度.另外一個原因可能與建模過程及模型參數(shù)的設置有關,需要用更多的實測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行驗證,這也是我們今后的工作重點.

本研究模擬的磷在沉積物及水體中的生態(tài)動力學循環(huán)主要包括以下幾個過程:溶解態(tài)的有機磷通過礦化作用轉(zhuǎn)化為可濾反應磷、浮游植物對可濾反應磷的生物吸收、沉積物中溶解態(tài)有機磷和可濾反應磷的溶出、顆粒態(tài)有機磷向溶解態(tài)有機磷的分解、浮游植物的死亡與排泄生成的顆粒態(tài)有機磷和溶解態(tài)有機磷、顆粒態(tài)有機磷、顆粒態(tài)無機磷、藻類內(nèi)部磷的沉積、顆粒態(tài)有機磷、顆粒態(tài)無機磷、藻類內(nèi)部磷的再懸浮.

3.2 浮游植物的模擬結(jié)果

圖3所示的是Chl-a和各浮游植物的模擬結(jié)果.由圖3a可知,Chl-a的變化趨勢與實測的結(jié)果相似,120d前的模擬結(jié)果略低于實測值,而 240d后的模擬結(jié)果略高于實測值.太湖浮游植物優(yōu)勢種的演替格式基本為:冬季硅藻和隱藻占優(yōu)勢,春季綠藻占優(yōu)勢,夏季和秋季藍藻占優(yōu)勢.

圖3 Chl-a和浮游植物的模擬結(jié)果Fig.3 Simulated results for Chl-a and phytoplankton species

3.3 磷的內(nèi)源釋放對太湖磷循環(huán)的影響

利用上述一維數(shù)學模型分析了底泥再懸浮對太湖水體磷循環(huán)及浮游植物的影響,在模型中的處理方法是降低湖泊底泥中磷的濃度,根據(jù)削減量的不同,對比分析了0%、25%、50%、75%和90% 5種情形.圖4所示的是各種情景下太湖TP、PO43-、Chl-a的模擬結(jié)果,由圖4可知,降低磷的內(nèi)源釋放對湖區(qū)TP及PO43-的改善效果并不明顯,但對 Chl-a的影響較大,當?shù)啄嘀辛椎南鳒p量達到 50%以上時,水中的 Chl-a濃度明顯下降.

圖4 內(nèi)源釋放對太湖TP, PO43-及Chl-a影響的模擬結(jié)果(年均值)Fig.4 Simulated effects of reduced internal phosphorus loading on TP, PO43-, and Chl-a

4 結(jié)論

4.1 從模型的計算結(jié)果來看,水溫和溶解氧的模擬值與實測值非常吻合,TP和 PO43-的模擬結(jié)果也反映了其在太湖的長期變化趨勢.Chl-a的變化趨勢與實測的結(jié)果相似,浮游植物優(yōu)勢種的演替模式基本為:冬季隱藻和硅藻占優(yōu)勢,春季綠藻占優(yōu)勢,夏季和秋季藍藻占優(yōu)勢,與相關研究成果基本一致,表明水質(zhì)模型具有一定的實用性,能夠為淺水湖泊磷循環(huán)的模擬及夏季藻類暴發(fā)的預測預警研究提供借鑒.

4.2 從太湖底泥磷內(nèi)源釋放的模擬結(jié)果來看,減弱底泥中磷的再懸浮作用能夠降低水體中Chl-a的濃度,但對TP和PO43-的影響較小.這說明豐富的外源匯入仍是目前太湖富營養(yǎng)化的主要來源,而底泥再懸浮作用對太湖藻類的生成繁殖有重要的影響.

4.3 本研究構(gòu)建的模型僅能反映湖泊水體各指標的整體變化,不能反映其在不同湖區(qū)的空間變化規(guī)律,需要構(gòu)建三維模型作進一步研究.另外,受實測數(shù)據(jù)的限制,本模型沒有考慮浮游動物、魚類及大型水生植物的影響,給模擬結(jié)果帶來了一定的誤差,需要在今后的工作中進一步完善.

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Numerical study on the ecological dynamics of phosphorus circle in Taihu Lake.

XIE Xing-yong1*, ZU Wei1, QIAN Xin2(1.College of Life Science and Chemical Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223003, China；2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, Nanjing University, Nanjing 210093, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：858～862

The one-dimensional CAEDYM model was used to study the principle of ecological dynamics of phosphorus circle in Taihu Lake. The cycling mechanisms of phosphorus, the release mechanisms of internal loading in sediments and the action of algae in shallow lake were studied by CAEDYM model. The parameters of the model were calibrated by the monitoring data of 2005. The simulated results showed good agreement with observed data for water temperature and dissolved oxygen in 2005. Total phosphorus (TP), PO4and Chl-a also followed the observed seasonal patterns. The simulated seasonal succession of dominant phytoplankton species was as follows: diatoms dominate in winter, chlorophytes dominate in spring, and cyanobacteria dominate in summer and autumn. Simulations of scenarios with a reduced internal phosphorus loading showed that a substantial reduction (＞50%) of internal phosphorus loading can decrease the concentration of Chl-a, and the changes of TP and PO4 were not significant. This finding indicated that the external phosphorus loading plays an important role in the eutrophication of Taihu Lake.

X143

A

1000-6923(2011)05-0858-05

Key works：Taihu Lake；phosphorus circle；CAEDYM；simulation

2010-09-25

國家自然科學基金資助項目(41001032)

* 責任作者, 博士, xiexingyong@163.com

謝興勇(1980-),男,山東泗水人,博士,主要從事環(huán)境模擬、GIS等領域的研究.發(fā)表論文4篇.