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1、1基于数值模拟的湖泊基于数值模拟的湖泊非线性响应识别非线性响应识别2018-10刘刘 永,梁中耀,张晓玲,邹锐,郭怀成永,梁中耀,张晓玲,邹锐,郭怀成北京大学环境科学与工程学院(PKUCESE)云南省高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室第五届中国水环境模型与智能决策研讨会第五届中国水环境模型与智能决策研讨会玉溪玉溪 在大尺度流域分析和模拟的基础上,以半封闭、交换周期长、高敏感的云南高原湖泊群为长期和持续定点研究对象 聚焦聚焦湖泊湖泊富营养化富营养化的驱动机制及流域优化调控决策的驱动机制及流域优化调控决策北京大学流域科学的研究内容北京大学流域科学的研究内容水位调控水位调控(人工人工)复合作用复合
2、作用响应响应-调控调控湖湖泊泊响响应应协同作用流域调控流域调控湖湖泊泊响响应应氮磷氮磷循环底泥交换藻类吸收死亡释放降雨径流源贡献源贡献流域流域调控调控氮磷氮磷循环循环固氮反硝化降雨降雨(自然自然)城镇源农业源水土流失水位波动水位波动 我们的研究关键词:我们的研究关键词:智智能能流流域域管管理理因果响应调控智能流域管理决策的因果关联与输入-输出响应模拟湖泊富营养化时空耦合分异特征与因果响应模拟v 流域决策的不确定性规划模型v 流域智慧型决策之模拟-优化模型方法v 流域智慧型决策之适应性最优演化模型流域-水体因果关联的集成网络构建与模拟流域-水体响应模型参数估值及不确定性分析流域尺度流域尺度科学问
3、题科学问题:v流域流域-水体因果关联响应及优化调控机制水体因果关联响应及优化调控机制v变化环境下的流域水文、水质响应机理v流域生态系统健康及功能维系的驱动机制v流域生物地化循环的关键过程及因果关联v流域恢复的关键途径与适应性优化调控机制系统系统模型模型层次层次1精细精细模拟模拟层次层次2降尺度降尺度机理机理剖析剖析层次层次3重点重点过程过程科学问题科学问题科学问题科学问题研究内容研究内容研究内容研究内容流流域域综综合合决决策策技技术术优优化化集集成成单项集成评估流域负荷削减工程设计参数与效用函数库湖泊内部工程设计参数与效用函数库实验设计与数据收集、示范工程、高精度数值模型v 水体水质、水生态改
4、善效果预评估v 工程技术实施费用-效益综合评估v 流域最佳管理措施的精细化模拟-优化布局流域及湖泊污染控制工程效用-费用函数库实验设计与数据、示范工程、高精度跨尺度模型机机理理过过程程揭揭示示观测模拟机理流域水环境野外观测和遥感监测数据流域-水体生物地化循环关键响应过程观测持久性有机污染物的湖泊多介质环境过程v 高营养负荷下水体稳态转换的阈值与驱动机理v 流域输入与底泥释放的水体响应协同作用机理v 富营养化对持久性有机污染物传递的影响机理水体关键生态过程的驱动因子及机理实验流域生物地化循环关键驱动因子及过程实验持久性有机污染物的湖泊多介质环境行为模拟科学问题科学问题:v技术优化集成途径与水体响
5、应因果关联技术优化集成途径与水体响应因果关联v单项技术处理效率及环境对象响应机理v技术集成的时空尺度优化配置与评估v面向环境对象的技术集成优化途径与水体响应局地尺度局地尺度科学问题科学问题:v流域流域-水体界面关键过程及耦合生态效应水体界面关键过程及耦合生态效应v不同气象、水动力和生境条件下流域-水体界面关键过程v高营养负荷下水体低氧及稳态转换的阈值、关键因素及边界条件v持久性有机污染物的湖泊多介质环境行为局局地地最最优优控控制制过程尺度过程尺度过过程程机机理理验验证证北京大学流域科学的研究内容北京大学流域科学的研究内容1.湖泊恢复的非线性与时滞性特征湖泊恢复的非线性与时滞性特征2.系统弹性与
6、基于模型的扰动分析系统弹性与基于模型的扰动分析3.湖泊响应的非线性与时滞性表征湖泊响应的非线性与时滞性表征报告提纲报告提纲湖泊恢复的非线性和时滞性湖泊恢复的非线性和时滞性特征特征湖泊富营养化控制的成效与挑战湖泊富营养化控制的成效与挑战v问题:问题:过量氮(N)磷(P)输入、水文波动氮磷累积、湖泊富营养化、低氧、水华爆发当前全球性的环境挑战v基础:基础:流域流域营养物质输移过程及湖泊湖泊水质与水生态响应 湖泊对流域水文干扰及营养湖泊对流域水文干扰及营养物质输入的物质输入的响应响应是否敏感是否敏感?如何基于湖泊富营养化响应如何基于湖泊富营养化响应来有效来有效调控调控流域的输入流域的输入?Sinha
7、,E.Science.2017响应响应调控调控流域流域全球湖泊富营养化的高敏感区域全球湖泊富营养化的高敏感区域流域干扰的湖泊响应机制流域干扰的湖泊响应机制及调控途径及调控途径湖泊是地表重要的自然环境要素,是营湖泊是地表重要的自然环境要素,是营养物质生物地化循环的介质养物质生物地化循环的介质湖泊富营养化控制的成效与挑战湖泊富营养化控制的成效与挑战Science,2007太湖太湖Science,2009:1014-1015;324:724-725;324:722-722 20072007年年20201 17 7年年湖泊富营养化控制的成效与挑战湖泊富营养化控制的成效与挑战 滇池:云贵高原代表性的重(
8、中)度富营养化浅水湖泊:半封闭特性:流入流出 严重的人为干扰 面临挑战:面临挑战:外源控制措施的效果分异性大外源控制措施的效果分异性大优先控制的营养盐?湖泊氮磷循环过程的贡献?氮磷与藻类的相互作用关系?改善非常明显改善非常明显改善较为明显改善较为明显改善不够明显改善不够明显湖泊富营养化控制的成效与挑战湖泊富营养化控制的成效与挑战v总量总量质量:质量:总量减排与湖泊水环境质量总量减排与湖泊水环境质量改善间的关联并不十分明确(非线性)改善间的关联并不十分明确(非线性)v时间时间时间:时间:负荷削减的起止时间负荷削减的起止时间湖体湖体存量减少的起止时间(时滞性)存量减少的起止时间(时滞性)但,流域水
9、环境治理普遍面临的挑战:但,流域水环境治理普遍面临的挑战:“十三五”期间:“十三五”期间:v流域内大的城市污水治理工程规模比流域内大的城市污水治理工程规模比前前2 2个五年计划明显减少个五年计划明显减少v“水十条”等上位政策及公众对流域“水十条”等上位政策及公众对流域水质目标管理的要求在提升水质目标管理的要求在提升如何客观评估湖泊的状态如何客观评估湖泊的状态?如何科学看待治理的成效如何科学看待治理的成效?如何理解湖泊的响应关系如何理解湖泊的响应关系?“水十条水十条”湖泊水质与水生态的进一步改善将更为艰湖泊水质与水生态的进一步改善将更为艰巨,需特别慎重考虑巨,需特别慎重考虑3个层面的问题:个层面
10、的问题:更精细的更精细的流域精准治污流域精准治污决策决策+更深入的更深入的湖泊响应机制湖泊响应机制分析分析+更科学的更科学的动态响应调度动态响应调度管理管理 风险风险:水质目标管理中水质改善预期与实际情况存在较大偏差的可能性 由于流域系统的复杂性,流域管理策略与流域系统响应间存在明显的非线性、时滞性非线性、时滞性特征;流域污染负荷削减并不一定会带来迅速和线性的水质改善效果流域污染减排的问题:流域污染减排的问题:总量减排目标与质量改善的关系不完全对应总量减排目标与质量改善的关系不完全对应Public AwarenessPublic AwarenessTheoretical TimeTheoret
11、ical Time-LagLagMeasured TimeMeasured Time-LagLag不确定性不确定性 风险风险风险:风险:总量控制与水质目标响应总量控制与水质目标响应不对应不对应紧紧迫迫性性前期研究:湖泊的非线性响应(长期效应)前期研究:湖泊的非线性响应(长期效应)0204060801001200.00.20.40.60.81.0Chl a(g/l)流域负荷削减率流域负荷削减率0.00.51.01.52.02.53.00.00.20.40.60.81.0TN(mg/l)TN 负荷削减率负荷削减率0.00.10.20.30.40.50.60.00.20.40.60.81.0TP(m
12、g/l)TP负荷削减率负荷削减率v湖泊水质改善与生态恢复不同步(Carvalho et al.,1995;Carpenter,2009;常锋毅 刘永定,2009;Fernandes et al.,2012)v水质恢复目标与负荷削减的响应关系:水质恢复目标与负荷削减的响应关系:V类标准,54%的削减率;IV类标准,66%的削减率;III类标准,80%的削减率流域负荷削减率与滇池水质的响应关系不不敏敏感感v 滇池水质(滇池水质(TN、TP)、水生态系统()、水生态系统(Chl a)对流域营养物质)对流域营养物质负荷削减的非线性响应特征(相关、但并不同步)负荷削减的非线性响应特征(相关、但并不同步)
13、揭示:揭示:湖泊的水质、水生态响应与流域负荷湖泊的水质、水生态响应与流域负荷削减间存在削减间存在非线性非线性关系关系表征:表征:氮磷循环以藻类为纽带的协同效应氮磷循环以藻类为纽带的协同效应 滇池底泥释放是流域源外最重要的输入途径 反硝化:滇池最主要的氮去除途径(50%)滇池季节性限制的原因:营养盐截留过程的高营养盐截留过程的高N:PN:P(15.515.5)高时空分辨率和高精度(任一时间、任一点位)通量数据机制揭示机制揭示湖泊氮磷循环与藻类的复杂关联湖泊氮磷循环与藻类的复杂关联单独削减氮单独削减氮/磷负磷负荷对磷循环均有较荷对磷循环均有较大影响,大影响,效果不同效果不同在复杂的湖泊内部循环影响
14、下,在复杂的湖泊内部循环影响下,湖泊对流域负荷削减的长短期响应?湖泊对流域负荷削减的长短期响应?(部分回答部分回答)湖泊响应定量评估方法的研究进展湖泊响应定量评估方法的研究进展 监测监测需要收集长期监测数据无法将水质变化对应于负荷削减无法反映其它因素的影响 水质模型水质模型-情景分析情景分析水质模型:非线性和时滞性特征定量化负荷削减效应(理想结果)特定时段负荷削减效应特定时段负荷削减效应(动态性动态性)评估或预测污染防治措施的效果评估或预测污染防治措施的效果、决策参考、决策参考如何定量评估特定时段的外源负如何定量评估特定时段的外源负荷削减对湖体水质改善的效应荷削减对湖体水质改善的效应(长、短期
15、效应)(长、短期效应)?时段时段负荷负荷基准情景基准情景削减情景削减情景(a)情景设定情景设定(b)水质响应水质响应IIIIII时段时段水质水质IIIIII基准情景基准情景削减情景削减情景系统弹性与基于数值模拟的系统弹性与基于数值模拟的扰动分析扰动分析扰动分析方法的步骤扰动分析方法的步骤时间时间负荷负荷基准情景基准情景扰动情景扰动情景时间时间水质水质(存量存量)基准情景基准情景扰动情景扰动情景时间时间情景情景差异差异(a)情景设定情景设定(c)水质响应水质响应(d)扰动效应扰动效应水质水质(存量存量)(b)建立水质模型建立水质模型水质模型水质模型负荷输入负荷输入输出输出水质状态水质状态(存量存
16、量)生态系统弹性:生态系统弹性:生态系统 定量模拟 扰动 扰动情景 扰动与稳态差异 基准与扰动情景差异 扰动 定量评估负荷削减的长、短期效应ab:回归斜率回归斜率d:回归残差标准差回归残差标准差ca:抵抗力b:弹性c:恢复力d:时间稳定性时间时间状态变量状态变量初始状态(Hillebrand et al.2017,Ecology Letters)基于模型的扰动分析法:基于模型的扰动分析法:通量指标界定通量指标界定湖泊系统湖泊系统ItOtSt(污染物存量)湖泊系统湖泊系统I=0O(a)(b)Srt=Sbt(-1)I 表观输入率:湖体表观输入率:湖体输入减少输入减少/流域流域负荷减少负荷减少 表观
17、效应率:湖体表观效应率:湖体存量减少存量减少/流域流域负荷减少负荷减少 表观循环率:湖体表观循环率:湖体各通量减少各通量减少/流流域负荷减少域负荷减少()1111tttttbrIILLL=()1111ttttttbrIOSLLL=()111111tttttttbrIOIOLLL=+=滇池水质模型构建与通量核算滇池水质模型构建与通量核算 研究对象:研究对象:云南滇池云南滇池 三维水动力三维水动力-水质模型水质模型:IIWND-LR 时间步长:时间步长:小时 垂向6层,每层664个网格 22个状态变量 边界条件:边界条件:外部负荷、温度、风速、大气沉降等(1)Algae group 1(Bc)(1
18、2)Labile particulate organic nitrogen(LPON)(2)Algae group 2(Bd)(13)Dissolved organic nitrogen(DON)(3)Algae group 3(Bg)(14)Ammonia nitrogen(NH4)(4)Refractory particulate organic carbon(RPOC)(15)Nitrate nitrogen(NO3)(5)Labile particulate organic carbon(LPOC)(16)Particulate biogenic silica(SU)(6)Dissol
19、ved organic carbon(DOC)(17)Dissolved available silica(SA)(7)Refractory particulate organic phosphorus(RPOP)(18)Chemical oxygen demand(COD)(8)Labile particulate organic phosphorus(LPOP)(19)Dissolved oxygen(DO)(9)Dissolved organic phosphorus(DOP)(20)Total active metal(TAM)(10)Total phosphate(PO4t)(21)
20、Fecal coliform bacteria(FCB)(11)Refractory particulate organic nitrogen(RPON)(22)Macrophyte/periphyton(Bm)i123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 304700000009990000000000000000000047460000009555555590000000000000004645000000955555559000000000000000454400000095555555900
21、00000000000004443000000955555559900000000000000434200000095555555599999990000000042455555555555990000000455555555555555990000004039000000995555555555555559900000393800000009955555555555555599000038370000000095555555555555555999903736000000009555555555555555555590363500000000955
22、55555555555555555903534000000009955555555555555555590343300000000095555555555555555559933320000000009555555555555555555593235555555555555555555930955555555555555555559302900000000095555555555555555555929280000000009555555555555555559992827000000000955555555555555559900272600000
23、0000955555555555555559000262500000000995555555555555555900025240000000095555555555555555590002423000000009555555555555555559000232200000000955555555555555559900022255555555555555590000295555555555555559900002055555555555555590000055555555555555555900000181
24、79555555555555555555555599000005555555555599999900000055555555559900000000000555555555990000000000005555555559900000000000055555555990000000000000555555559000000000000005555555590000000000000055555599000000000000
25、00989945555555555590000000000000008795555555555555900000000000000076955555555555559000000000000000659555555555555590000000000000005495555555555555900000000000000043955555555555599000000000000000329955599555559900000000000000002999000000000000000001ji123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
26、 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30j-9 -1 垂向垂向(m)滇池水质模型构建与通量核算滇池水质模型构建与通量核算扰动分析的情景设计扰动分析的情景设计 比较比较基准情景基准情景与持续与持续1 1年年削减削减80%80%负荷的扰动情景负荷的扰动情景分析响应的非线分析响应的非线性和时滞性性和时滞性 比较比较不同削减强度情景的扰动效应曲线不同削减强度情景的扰动效应曲线探究削减强度对效应非线性探究削减强度对效应非线性和时滞性的影响和时滞性的影响 比较比较协同削减与分开削减情景的扰动效应曲线协同削减与分开削减情景的扰动效应曲线探究协同削减的影响探究协同削减的影响 对比对比
27、TNTN和和TPTP的扰动效应曲线的扰动效应曲线探究二者效应的差异探究二者效应的差异情景类别情景类别情景设置情景设置基准情景基准情景重复使用基准年的入湖负荷,运行3240天(趋势已稳定)削减强度削减强度情景情景8个情景,TN和TP各4个削减情景,分别对第一年负荷削减20%、40%、60%、80%,其余时间的负荷削减基准情景一致,其它边界条件与基准情景一致协同削减协同削减情景情景4个情景,分别同时对TN和TP第一年负荷削减20%、40%、60%、80%,其余时间的负荷削减基准情景一致,其它边界条件与基准情景一致湖泊响应的非线性与时滞性湖泊响应的非线性与时滞性表征表征基准情景结果基准情景结果入湖负
28、荷特征变化入湖负荷特征变化 TN:年内波动小,点源主导 TP:年内波动大,雨季初期的降雨造成大量负荷入湖010203040TN(吨)(a)01002003000.00.51.01.5TP(吨)时间(d)(b)降雨的初始冲刷效应降雨的初始冲刷效应基准情景结果基准情景结果湖体湖体N N、P P存量的时间存量的时间趋势趋势 增长趋势(累积效应)年内波动明显 TP年内相对波动大2000300040005000(a)TN(吨)200400600800(b)TP(吨)时间(年)N N存量存量=外源输入通量外源输入通量+内源释放内源释放通量通量-去除过程通量(沉去除过程通量(沉降与反硝
29、化)降与反硝化)-输出通量输出通量底泥底泥水体水体大气大气藻类等生物藻类等生物氮磷元素氮磷元素氧化还原氧化还原转化转化协同效应协同效应大气沉降大气沉降固氮固氮流入流入流出流出底泥释放底泥释放沉降沉降反硝化反硝化基准情景结果基准情景结果季节性波动季节性波动(以第6年为例)TN:春夏高,秋冬低(原因:藻类吸收和沉降)TP:春夏低,秋冬高(原因:底层耗氧、底泥释放)不同组分:互补特征TNTP0.00.20.40.60.81.00100200300归一化存量时间(d)Algae_NPONDONNH3-NNO3-N01002003000.00.10.20.30.40.50.6比例(a)时间(d)Alga
30、e_PPOPDOPPO4-P0100200300(b)时间(d)响应的非线性表征响应的非线性表征 扰动效应曲线:扰动效应曲线:外源负荷削减80%、持续1年04008001200(a)TN(吨)01020304050(b)TP(吨)时间(年)外源输外源输入入沉降沉降 释放释放负荷削减的效应负荷削减的效应逐步消失逐步消失负荷削减效应负荷削减效应降低、但长期存在降低、但长期存在基准情景存量-扰动情景存量响应的非线性表征响应的非线性表征 TN、TP的表观通量指数(的表观通量指数(N N、P P对负荷削减的差异性对负荷削减的差异性)8.6%77.6%154.4%(2)TP表观效应率
31、表观效应率(3)TN表观循环率表观循环率(1)TN表观输入率表观输入率0.00.51.01.52.0时间(d)TNTPTNTPTNTP2000019 TNTN扰动效应曲线闭合扰动效应曲线闭合表观输入率和表观循环率趋向为定值、表观效应率趋表观输入率和表观循环率趋向为定值、表观效应率趋0 0 TPTP扰动效应曲线不闭合扰动效应曲线不闭合表观输入率和表观循环率增长,表观效应率均值表观输入率和表观循环率增长,表观效应率均值8.6%8.6%表观效应率全部时刻均表观效应率全部时刻均1 释放释放通量:释放通量:释放 沉降沉降削减结束后,效果相
32、削减结束后,效果相似,但过程不一致似,但过程不一致促进了过程的促进了过程的活跃程度活跃程度表观输入率和表观循环率增加表观输入率和表观循环率增加协同削减促进湖体营养盐各过程协同削减促进湖体营养盐各过程的活跃程度的活跃程度湖体存量更低湖体存量稍高表观输入率表观输入率表观效应率表观效应率表观循环率表观循环率响应的时滞性表征响应的时滞性表征5TP(吨)23456789时间(年)TPTP存量(存量(t/dt/d)基准情景与扰动情景的差值基准情景与扰动情景的差值营养盐 ts(天)tm(天)em(吨)te(天)tc(天)TN 10 366 1179 777-TP 12 259 44-1
33、069 起始起始最大最大最大最大(量量)结束结束转折点转折点04008001200(a)TN(吨)01020304050(b)TP(吨)时间(年)t tmm:基准情景与扰动情景营养盐存量差异最大的点,该点的湖体存量差异记为e emm 以0.05em作为t ts s和t te e的判断依据,即选择从第1天开始最先达到0.05em的时刻作为ts 考虑到负荷削减之后扰动曲线的波动性,以tm之后最先达到0.05em且其后效应值均小于0.05em的时刻作为t te e 对于具有季节性周期的扰动曲线,采用STL方法对扰动效应曲线进行分析,获得扰动曲线的趋势项,并对te或t tc c进
34、行识别响应的时滞性表征响应的时滞性表征 削减强度的影响削减强度的影响影影响响不不显显著著营养盐 削减强度 ts(天)tm(天)em(吨)te(天)tc(天)TN 80%10 366 1179 777-60%10 366 880 778-40%11 366 597 780-20%11 366 307 782-TP 80%12 259 44-996 60%12 259 32-996 40%11 239 21-996 20%11 239 11-996 负荷削减强度变化不影响扰动效应曲线的形状负荷削减强度变化不影响扰动效应曲线的形状对各个时对各个时滞时间点影响不显著滞时间点影响不显著响应的时滞性表征响
35、应的时滞性表征 协同削减的影响协同削减的影响 削减强度 ts(天)tm(天)em(吨)te(天)tc(天)TN 80%11 366 1265 2704-60%11 366 945 2704-40%11 366 635 2703-20%11 366 322 2708-TP 80%12 292 45-1066 60%12 294 35-996 40%13 294 24-996 20%13 294 12-996 延长延长协同削减会延长协同削减会延长TNTN负荷削减产生效果的时间负荷削减产生效果的时间响应过程的复合作用响应过程的复合作用N N存量存量=外源输入通量外源输入通量+内源释放通量内源释放通量
36、-去除过程通量(沉去除过程通量(沉降与反硝化)降与反硝化)-输出通量输出通量 存量是多种通量过程的复合表现结果 内源通量、输出通量对负荷削减的响应较微弱 N存量对负荷削减的响应主要取决于外源通量与去除过程通量 去除过程中反硝化过程占主导;反硝化通量与外源输入(负荷削减)有较好的正相关关系瞬时(天)瞬时(天)N存量(存量(t)内源通量内源通量(t/d)外源通量外源通量(t/d)输出通量输出通量(t/d)去除通量去除通量(t/d)沉降沉降(t/d)反硝化反硝化(t/d)基准-20%削减306.570.134.88-0.01-1.60-0.53-1.07基准-40%削减595.16-0.049.60
37、-0.01-3.34-0.93-2.41基准-60%削减878.54-0.1514.31-0.01-4.94-1.32-3.62基准-80%削减1177.110.1319.02-0.01-6.78-1.86-4.93干扰干扰1 1年后的年后的N N存量与通量的响应情况:存量与通量的响应情况:滇池分析结果总结滇池分析结果总结 特定时段负荷削减将在何时引起何种程度水质改善?TN负荷持续1年削减80%:从第10天开始产生显著效果,第366天达到最大效应,相对于基准情景湖泊TN存量减少了1179t,直到第777天负荷削减效果消失;负荷削减实际上导致的负荷输入减少率为77.6%,54.4%的负荷经过1次
38、循环离开湖体 非线性特征:非线性特征:水质对负荷削减具有非线性响应特征,但长短期表现形式不同;协同削减对N、P的效应不同(对N的影响大于P)响应的时滞性特征:响应的时滞性特征:水质对负荷削减存在明显的时滞性特征,负荷削减的效果在削减结束后仍存在;负荷削减强度对响应时滞性的影响很小;协同削减使得TN削减的效果延长滇池分析结果总结滇池分析结果总结N N、P P对负荷削减具有不同的响应特征对负荷削减具有不同的响应特征 长短期效应差异:TN负荷削减对湖体TN存量的效果在负荷削减结束后的几年内消失,而TP的效果则持续 当负荷削减结束后,基准情景和扰动情景的边界条件相同,二者存在差异的为变量的初始条件,可
39、见TN存量对初始值是较为不敏感、而TP对此较为敏感 无论负荷削减强度和负荷削减分配如何变化,单独削减TN时表观输入率趋于77.6%,表观效应率趋于0,表观循环率趋于154.4%;TP的表观输入率和表观循环率则呈现上升趋势,表观效应率均值为8.6%讨论:湖泊生态系统的弹性讨论:湖泊生态系统的弹性 湖泊系统:湖体&底质 弹性:湖体营养盐存量变化对外源营养盐负荷变化的抗性 定量化:湖体营养盐存量变化和外源营养盐负荷变化具有相同量纲,可以用比例定量化湖泊系统弹性 系统弹性:非线性非线性+时滞性时滞性 系统弹性:底质弹性+湖体弹性 系统弹性:输入弹性+输出弹性湖泊系统湖泊系统(湖体湖体&底泥底泥)I I
40、-i I+iPP-P+OO-O+Q0Q1Q2弹性弹性 非线性非线性:Q0-Q1 i;Q2-Q0 i 湖体营养盐存量湖体营养盐存量讨论:湖泊生态系统的弹性讨论:湖泊生态系统的弹性 衡量指标(建议)衡量指标(建议)不够科学:仅比较内外源的负荷贡献比不够科学:仅比较内外源的负荷贡献比 湖泊生态系统弹性:内源贡献随外源变化而湖泊生态系统弹性:内源贡献随外源变化而变化变化 某一特定时刻或者时段内内源负荷的贡献比某一特定时刻或者时段内内源负荷的贡献比不能作为衡量湖泊内源重要性的唯一指标不能作为衡量湖泊内源重要性的唯一指标 当弹性很大时,即便某一特定时刻内源贡献当弹性很大时,即便某一特定时刻内源贡献比例小也
41、不能忽视内源的重要性比例小也不能忽视内源的重要性指标 表达式 含义 表观输入率 t 1t 时段湖体输入过程通量(含外源负荷输入)的减少量占负荷削减量的百分比,1-t即为除去外源负荷的输入过程通量的增加量占负荷削减量的百分比(以输入以输入增加的形式弥补的负荷百分比增加的形式弥补的负荷百分比)。特别的,T表示负荷削减时段的;te表示直到负荷削减效应移除时的;当 t te时 t=te。t表示湖泊系统的输入弹性,t值越高弹性越低 表观输出率 t=t-t 1t 时段湖体各个输出过程通量的减少量占负荷削减量的百分比(以输出减少的以输出减少的形式弥补的负荷百分比形式弥补的负荷百分比)。特别的,T表示负荷削减
42、时段的;te表示直到负荷削减效应移除时的;当 t te时 t=te=te。t表示湖泊系统的输出弹性,t值越高弹性越高 表观效用率 t 1t 时段湖体净输入的减少量占负荷削减量的百分比,1-t即为除去外源负荷的净输入过程通量的增加量占负荷削减量的百分比(以输入增加和输出减少的形以输入增加和输出减少的形式弥补的负荷百分比式弥补的负荷百分比)。特别的,T表示负荷削减时段的;te表示直到负荷削减效应移除时的;当 t te时 t=te=0。t表示湖泊系统的效应弹性,t值越高弹性越低 始效时间 ts 负荷削减对湖体营养盐存量产生明显效应的时刻 恢复时间 tr=te-tm 负荷削减对湖体营养盐存量产生最大效
43、应到恢复到效应完全移除所需的时间 恢复速率 r=em/(te-tm)负荷削减对湖体营养盐存量产生最大效应到恢复到效应完全移除的速率 缓冲力 b=1-Ss/L 采用 T 时的扰动分析法,Ss表示基准情景和扰动情景的营养盐存量在稳态时的差异,L 表示负荷削减的差异 讨论:湖泊生态系统的弹性讨论:湖泊生态系统的弹性 采用扰动分析法定量评估过去特定时段污染防治措施的效应,预测未来特定时段污染防治措施的效应,为湖泊富营养化防治提供有用信息 将湖体和底泥视为一个整体,在判定内源负荷重要性时,应考虑湖泊系统的弹性;尤其是当内源贡献比例较小,但湖泊系统弹性较大时,不能忽略内源的重要性时段时段负荷负荷扰动情景扰
44、动情景基准情景基准情景(a)情景设定情景设定(b)水质响应水质响应IIIIII时段时段水质水质IIIIII基准情景基准情景扰动情景扰动情景扰动扰动湖泊系统弹性 内源贡献 防治策略 大 大 控制内源 大 小 控制内源和外源 小 大 控制内源 小 小 控制外源 基于弹性的湖泊治理:基于弹性的湖泊治理:湖泊水质恢复是一个长期的过程,与流域负荷削减间存在非线性和时滞性湖泊氮磷循环在长短期、多过程耦合作用下呈复杂的长短期效应演变特征将湖泊水体过程与内源过程作为分析弹性的整体方可确立有效的治理对策结论结论致谢:致谢:国家973计划青年科学家专题项目(2015CB458900)滇池流域水污染控制工程评估及精准治污决策系统研究国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07102-006)北京大学北京大学 2018 2018 40敬请批评指正!敬请批评指正!谢谢!谢谢!E-mail:Yhttp:/www.pkuwsl.org