水文季节性节律与植物生长节律协同驱动下鄱阳湖氮磷输移规律研究

Lake is the most active link in the global hydrologic cycle. Under complex conditions, the change of eco-hydrological process of lake resulted in a series of evolution effects of water resources, water environment and water ecology. Therefore, it has great significance on revealing the evolution mechanism of eco-hydrological process of lake in changing environment. Taking Poyang Lake as a research area, with comprehensive technical means such as prototype monitoring, mathematical modeling and numerical modeling, this study try to explore the mutual response and feedback mechanism between the water resources cycle process and plant growth rhythm and hydrological seasonal rhythm. By constructing a coupling model of hydrology dynamic and water environment applicable to the characteristics of Poyang Lake, integrating intelligence algorithm with parallel theory to realize efficient solution and identifying the key influencing factors of driving mechanism, proposing the spatial and temporal distribution law of roughness factor and coupling expression of nitrogen and phosphorus transporting collaborative driven by hydrological seasonal rhythm and plant growth rhythm, clarifying the transporting law of nitrogen and phosphorus in large shallow water lake under complex conditions, and providing scientific theory and technical support for protection of healthy water cycle, regulation of nitrogen and phosphorus transporting and development of optimal control strategy.

湖泊是全球水文循环中最活跃的环节，复杂条件下湖泊生态水文过程的变化，导致水资源、水环境、水生态产生一系列的演变效应。因此，对揭示变化环境下湖泊水文生态过程演变机理具有重要意义。本项目以鄱阳湖为研究对象，结合原型监测、数学模型和数值模拟等综合技术手段，探究水环境循环过程与植物生长节律及水文季节性节律之间的相互响应与反馈机制。通过构建适宜于鄱阳湖特性的水文动力与水环境耦合模型，融合智能算法与并行理论进行高效求解，辨识驱动机制的关键影响因子，研究水文季节性节律与植物生长节律协同驱动下的糙率时空分布规律及氮磷输移耦合表达，阐明复杂条件下大型流动水体浅水湖泊的氮磷输移规律，为保护鄱阳湖健康水循环、氮磷输移的调节及最优控制策略的制定提供科学理论与技术支撑。

本项目以鄱阳湖作为通江型季节性大型浅水湖泊的代表对象，探求其在水文季节性节律与湿地植物生长节律协同驱动下的氮磷输移规律，具体如下：. （1）构建鄱阳湖水流数值与水环境耦合模型. 鄱阳湖的水文过程具有一定的不确定性和反复性，需要探究面向水陆边界急剧变化、地形复杂、水流流态多样、水草丰富、上下边界变化等特性的鄱阳湖水文水动力过程；基于Godunov型有限体积法，构建了解决湖域地形的概化、网格的划分、计算格式和谐性的保证、时间和空间二阶精度的实现、动边界的处理以及水量守恒等难点的鄱阳湖水流数值模型；提出了氮磷输移的动力学耦合表达式。. （2）变化条件下鄱阳湖水文动力过程与氮磷输移规律研究. 综合考虑水文季节性节律与植物生长节律的协同驱动，对湖流及氮磷输移时空特征响应进行模拟与分析：1）基于河相和湖相的不同湖流特征，可以得到：涨水情形下，总磷和总氮浓度较高区域主要分布在①抚河入湖处（青岚湖）、乐安河、信江和共青城南部水域；②赣江南支、中支、北支前缘三角洲地区；③撮箕湖及其进入主湖区的水域。退水情形下，入江水道总氮、总磷浓度较高。2）以2016、2005、2006年分别作为丰、平、枯的代表典型年，以9月至次年3月作为模拟分析时段，以预测的2030年各流域不同污染源入湖负荷作为上边界条件，对两种情景（情景1：江湖连通自然节律驱动；情景2：人类活动影响下）进行模拟，可以得到：从时间上来看，总磷、总氮浓度在9月~12月略低于次年1月~2月；从空间上来看，在东南部湖域和入江水道，总磷、总氮浓度较高，易发生富营养化。. 本项目相关研究结论可为流动水体大型浅水湖泊健康水循环、氮磷输移的调节、最优控制策略的制定提供可靠有效的参考依据。