乌梁素海冰盖特征及其对营养盐运移过程的影响研究

发布时间：2020-04-02 21:44

【摘要】：季节性冰盖是我国北方湖泊重要的物候特征。相比于夏季,冰盖的存在改变了湖泊的物理特征和化学特征,进而改变了湖泊冬季生态条件。在富营养化浅水湖泊中,伴随冰盖生长污染物由冰层向冰下水层迁移,造成湖泊液态水体积减少及水层污染物富集,对冬季湖泊水环境状态产生显著影响。在冬季浅水湖泊中,冰盖结构及冰厚很大程度上决定了冬季湖泊水环境与外界的物质能量交换过程及其内部营养盐运移过程。冰封期累积于冰下的营养盐在非冰封期将向上覆水体释放,具有引发春季“水华”爆发的风险。然而,目前关于覆冰条件对富营养化浅水湖泊水环境的影响尚不明确。随着全球气候变暖,尤其在极地和北方高纬度地区,冬季冰盖的生长和消融、冰-水能量交换、湖泊冰封期环境、极地生态系统等方面的问题等越来越受到关注。基于此,本研究通过原位实验及室内模拟实验对我国北方典型季节性冰封湖泊(乌梁素海)冰盖的结构特征、冰盖生长过程中营养盐及污染物的运移规律、冰封期与非冰封期湖泊与大气间的热能交换过程进行研究,利用HIGHTSI模型及度日法经验模型对研究区多年冰厚进行估算并对冰下水体污染物负荷进行了定量研究,以期为湖泊冰封期研究、水环境保护及富营养化控制提供理论依据。基于本文的研究主要得出以下结论:(1)通过对乌梁素海进行全年水环境原位调查实验发现,乌梁素海水体营养盐及污染物具有显著的季节性分布特征,冬季冰下水体的氮(N,冰封期TN均值为9.07 mg/L)、磷(P,TP均值为0.61 mg/L)和化学需氧量(COD_(Cr),均值为131.3 mg/L)都远高于其他季节,且冰封期N、P及COD_(Cr)的空间分布特征与冰盖厚度呈正相关关系。冰下水体溶解氧随水深减小而降低,致使湖泊冰下大部分区域处于缺氧状况。(2)对湖泊冰封期水环境调查结果显示,冰盖中的污染物沿冰厚方向上呈C型或I型分布,但总体较纯净(TN平均含量为1.006 mg/L,TP平均含量为0.163 mg/L,COD_(Cr)含量为32.2 mg/L),冰盖形成过程中其中大部分营养盐向冰下水体迁移,初始浓度及冰冻温度是影响冰层营养盐含量的主要影响因素,且随着初始浓度的升高和冰冻温度的降低,冰层营养盐增多,冰-水分配系数减小。(3)对沉积物的调查表明,乌梁素海沉积物中营养盐含量具有明显的季节性变化特征,且在冰封期,沉积物为湖泊营养盐的“汇”,当冰盖融化,气温和外界扰动增加的条件下,沉积物则成为湖泊营养盐的“源”,其高浓度营养盐负荷将在冰盖融化季节扩散进入上覆水体,具有引发春季“水华”爆发的风险。(4)为了提高湖冰微结构特征信息提取效率,采用高分辨率数码相机采集冰切片图片及偏光镜下图像,基于MATLAB图像分析工具结合医学细胞识别技术对冰层气泡信息和冰层晶体信息进行提取,通过探索和尝试获得成功批量提取冰晶体和气泡信息的方法。(5)通过对乌梁素海湖泊冰盖冰芯物理结构及污染物浓度分布分析得出:冰盖中冰晶体形式主要是柱状晶体,说明冰盖以热力生长为主;冰盖晶体C-轴主要呈现随机分布,因此,冰盖总体上为各向同性材料。冰盖结构在垂向上呈现表层冰晶体颗粒较小,气泡和污染物含量较多的特征;冰盖中间层晶体以柱状冰为主,晶体颗粒较大,气泡和污染物含量较少;冰盖底层的晶体颗粒较大,气泡尺寸较大且成层状分布,污染物含量较多。(6)根据冰盖晶体结构分析及冰层营养盐及污染物分布分析得出,冰盖结构决定了污染物在冰生长过程中从冰层向冰下水体迁移的特征,通过冰盖密度及气泡含量与污染物的面相关分析得出了冰芯密度及气泡分布与总磷(TP),总氮(TN)及有机污染物(COD_(Cr))间的多元回归方程,经检验,方程合理,能够较好地反映污染物含量与密度及气泡含量间的负相关关系。(7)以2012年和2013年作为典型年,对乌梁素海年内热能收支情况及各热能分量进行了估算,结果显示,乌梁素海每年约有280天处于吸收热能的状态,太阳辐射能较高,湖泊年内热能收支状况在冰封期与非冰封期呈现出较大差异,且春季的太阳辐射增加速度是影响冰盖融化速度的重要因素;2012年和2013年的年平均净太阳辐射通量分别为210 W/m~2和179 W/m~2,长波辐射通量的变化区间分别为-68~81 W/m~2和-71~139 W/m~2,冰封期净热通量平均值分别为-48.6 W/m~2和-43.5W/m~2,非冰封期平均值分别为318.9 W/m~2和269.8 W/m~2。(8)最后,采用度日法经验模型和HIGHTSI模型对乌梁素海多年冰厚及冰盖生消过程进行估算,与实测值对比可知,两者在冰生长过程中都能给出较准确的冰厚估算结果,但在冰盖消融期HIGHTSI模型的结果更准确,度日法经验模型的冰厚估算结果偏高,冰封期估算结果与实际情况有较大出入。(9)将冰厚估算模型与不同控制条件下冰-水分配规律进行耦合,建立非动力条件下冰封期水环境营养盐负荷估算模型,对冰盖生长消融过程中冰下水环境营养盐浓度进行实时预测,为冰封污染治理提供理论依据。综上所述,冰封期对富营养化浅水湖泊的生态过程具有重要影响,从机理上明确冰盖生长与消融过程对湖泊环境的影响效应,为研究寒旱区水环境污染控制与治理措施提供理论依据。
【图文】：

晶格,氢原子,水分子

[29]。在自然状态下，水是唯一能以气、液、固三种相态存在可以不间断地发生。水的物理性使得它既是地球表面能量及生物体生命正常进行的必要条件。其中，水最不同寻常的物式—冰的密度小于他的液态时的密度[30]。这一重要特征造就泊、河流和海洋的表面。如果像大多数液体一样，固态密度层将被完全固结，温带及极地的水生生命体将难以存活[31]。现的特别的物理、化学特性质取决于水分子在各相态下特殊的，水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的，是一种坚固-O-H 的键角为 104.5°，从氢原子的中心到氧原子的中心大约是极与氢原子的正极结合，氢原子的不对称位置，，使水分子成偶极结构使得水分子以四面体构型存在且能够从 4 个方向与使它具有了一些奇异的宏观物理、化学特征，例如水是一个绝中的营养盐可以被动植物吸收；水在 3.94℃时密度最大，0℃时以漂浮在湖水表面，从而保护有机体避开严冬；水的比热较）能够有效缓和气温变化，使有机体生活在较稳定而温暖的

路线图,研究技术,路线,内蒙古农业大学

本文研究技术路线
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X524;P343.6

【参考文献】