寒区湖泊冰封期氮磷区域空间分布特性及其冰-水界面迁移转化研究

寒旱区湖泊冰封期长，冰层厚，污染物质的区域空间分布及冰水界面间的迁移转化必定有其特殊性，这是我国北方寒区湖泊不同于南方的典型特征。本项目以内蒙古乌梁素海为研究对象，充分利用湖泊水环境及其区域水文、气象因素长期定位的监测资料，进行冰冻期湖泊氮磷区域空间分布特性及冰-水界面迁移转化研究。具体进行乌梁素海水环境在冰封期与非冰封期底泥、上覆水体与冰冻层的物理、化学、生物环境现状及富营养化特征分析、对比与预测，总结冰封期湖泊水环境背景与富营养化特征；揭示乌梁素海水环境中沉积物-水层-冰冻层三个连续体系中氮磷数量、形态的区域空间变化、分布特性；实现湖泊冻、融过程中水层-冰层界面氮磷的迁移转化机制模拟；阐明寒旱区湖泊冻融过程对湖泊富营养化和水华防治的利与弊，给出寒旱区湖泊富营养化和水华防治的分时段、分层、分区域治理建议，研究对于寒旱区湖泊水污染治理与水环境保护具有重要意义。

本项目获得资助后，严格按照计划实施，根据经验及乌梁素海的实际情况，在湖泊及其进出水口布设冰封期和非冰封期水质监测及取样点，开展了乌梁素海湖泊环境背景变化过程与富营养化特征分析，冻、融过程中水层—冰层界面氮磷的迁移转化机制野外试验池模拟研究，营养盐在冰体中分布规律及融化过程中释放规律的室内模拟，乌梁素海湖泊水环境分期评价及湖泊结冰过程中冰下水环境质量计算。目前已经完成各项研究工作。主要成果及结论为：（1）运用地质统计学理论结合ArcGIS软件的地统计模块对乌梁素海水体中的氮、磷营养元素进行了克里金空间插值，时空分布结果表明：依据水生植物的不同生长阶段、冰冻期和非冰冻期等因素的影响，乌梁素海水体中的氮磷呈现不同的时空变异特征。进一步对湖泊沉积物中总氮、形态氮（硝氮、氨氮）、总磷进行定量分析并总结其水平和垂直方向的分布特征。（2）通过采集冰生长过程中不同冰厚度、不同位置的冰样和水样，分析其污染物的含量，探讨结冰过程中污染物的迁移机理。分析不同采样时间的上、中、下层冰及冰-水界面水、中层水、水-沉积物界面水中各形态氮、磷的时空变化曲线，探讨其在冰生长过程中的迁移机理。绘制了TDS分布轮廓线，定性和定量地阐述结冰过程中TDS在冰-水-沉积物体系间的迁移机理和过程。（3）营养盐在冰体中分布规律及融化过程中释放规律的室内模拟得出：结冰前水体中的营养盐浓度越大，冰体中的营养盐就越大，且表现出由表层到底层先减小后增大的趋势。在结冰的过程中，冰封后水中的营养盐浓度超出冰封前数倍。结冰温度影响营养盐分布特征。结冰前水样营养盐浓度不影响冰体融化过程中营养盐释放曲线的总体趋势。环境温度及结冰前水样的pH对各营养盐的释放量有一定的影响。（4）运用分形理论对乌梁素海湖泊结冰前、后的富营养化状态进行了评价，以探讨结冰过程的环境效应。结果表明，乌梁素海湖泊各采样点结冰前水体、结冰后冰体和水体的富营养状态分别为富营养、富营养和重富营养；结冰过程使得湖泊水体的富营养状态加重，而部分低营养状态的水被保存在冰体中。（5）由于结冰过程中平衡分凝系数的不确定性，采用加权马尔可夫链对结冰过程中冰下水体TDS浓度进行预测。其预测精度较高，能够满足预测的要求，可为环保部门提前制定水环境保护措施提供数据参考。