寒区湖泊冰封期营养物质冰水多介质环境过程及对富营养化影响效应研究

Because of long icebound season and large thickness ice in cold region lakes, the pollutants has been discharged from the ice layer and concentrated in water layer. With melting process in following year, pollutants will return to the up-layer and spread to the entire lake. Therefore, the concentration of water layer's pollution under the ice cover is high, and the water is another new endogenous besides sediment. Grasping the nutrients environmental processes of Ice-water multimedia can not be ignored for the study of lake's eutrophication mechanism. In this study, the Inner Mongolia Wuliangsuhai Lake is taken as the study area. First of all, the spatial distribution of various forms of nitrogen and phosphorus in the ice-water environment is studied under the conditions of the lake environmental background characteristics. Base on this, establish and couple fugacity model of nutrients environmental processes of Ice-water multimedia and migration flux equation of various forms of nitrogen and phosphorus by citing energy states theory " The movement of substance was from high energy to the low" . In order to clarify the mechanisms of environmental processes of Ice-water multimedia ,comprehensively extract the main driven factors of migration and transformation of nutrients. Finally, it reveal the nutrient release in the freezing and thawing process, quantify the effects of eutrophication, and provide a scientific theory for improving eutrophic lake with regional characteristics in inland cold region lakes.

寒区湖泊冰封期长，冰层厚度大，污染物质在结冰过程中被排出并浓缩于冰下的水层中，随着翌年融化过程又重新向上迁移转化，进而回到整个湖体中。这样，冰封状态中的冰下水层相当于除底泥层之外的又一污染内源，因此掌握营养物质在冰水多介质中的环境过程，对研究湖泊富营养化机理不容忽略。本项目以内蒙古乌梁素海为研究区域，首先，进行湖泊环境背景特征条件下各形态氮磷在冰、水环境中的空间分布规律研究；然后在此基础上，建立营养物质在冰水多介质环境过程的逸度模型。进一步引用能态理论"物质由能量高处向能量低处运动"，建立冰、水介质中势梯度作用下各形态氮磷的迁移通量方程，并将其耦合于逸度模型中，综合提取驱使营养物质迁移转化的主控因子，从而明确其在冰水多介质中环境过程的机制；最后，揭示冻融过程中营养物质释放规律，量化寒区冻融作用对湖泊富营养化影响效应，为内陆寒区湖泊具有地区特点的富营养化治理方法制定提供科学依据。

寒区湖泊冰封期覆冰条件下的环境特征对于湖泊保护与治理具有重大意义。本项目获得资助后，严格按照计划实施，开展研究内容有：①冰封期湖泊营养物质空间分异规律分析；②冻融过程中污染物在冰-水介质中的分布的模拟与影响因素分析；③冰封期湖泊冰盖组构特征对污染物分布的影响机制；④营养物质在冰、水介质的分配、迁移环境过程研究；⑤冻融作用对湖泊营养物质迁移特征及富营养化影响效应研究。已经完成各项研究工作，得出相关结论为：①乌梁素海冰封期总氮、总磷在冰下水体的浓度均大于冰体中浓度，总氮分配系数均小于总磷。浅水湖泊冰盖主要以热力学生长为主，冰层营养盐污染物浓度呈现出近C形分布并与冰密度呈负相关关系。②冰盖污染物浓度垂向分布与冰体结构特征具有较好相关关系，结合入湖水量、水质、冰厚值及建立的多元回归模型，预测了冰盖在生长过程中冰下水环境的水质状况。③不同初始浓度、不同环境温度下各物质的分配系数K的差异都显著（P<0.05），总氮、总磷初始浓度、环境温度对其在冰-水介质中的分布有重要的影响。④结冰过程中物质由冰体迁移进入冰下水体，还会与沉积物发生物质交换，打破物质在沉积物-水体间的动态平衡，促使污染物的沉积或释放。⑤以气温资料为基础，采用度日法生长经验模型对湖泊平整冰盖进行计算，结果与冰封期取样点的最大冰厚结果较接近，可以用于研究区最大冰厚的预测。⑥模拟分析得出2007-2014年冰封期气温回升日期提前，冰盖厚度有减小趋势，其中2008年和2012年冰封期时间最长，冰下水层营养盐浓缩严重，为当年春季发生“水华”事件提供了物质条件，浅水湖泊冰盖对营养盐分布的影响不可忽视，预测冰厚值能描述冰封期冰下营养盐浓度变化趋势。⑦计算冻融过程中营养物质的迁移通量，得出乌梁素海冻结过程中由冰体向冰下水体排出的TP约为3.38×105t，TN约为1.28×106t。项目研究意义在于把握寒区湖泊冻融规律基础上，加强对冰下水环境的治理，对于冰封期湖泊环境治理能达到事半功倍的效果。