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库湾水质时空动态变化规律及其关键驱动因子

李楠鑫  
【摘要】:水库是解决水资源短缺与时空分布不均的重要手段,其水质安全保障是水资源可持续利用的关键。库湾作为水库的水质敏感区,受到水库水文节律,以及地形、土壤、土地利用等环境背景的双重影响。理解库湾水质对复杂景观背景与水文节律的响应机制,厘清水环境特征和景观背景与库湾水体富营养化之间的关系,评估库湾水体富营养化状态,对于库湾水质预测建模,揭示库湾水质演变规律具有重要的科学意义,能够为水库富营养化防控、水环境质量保障和可持续发展提供可靠的科技支撑。本文选取南水北调中线水源地丹江口水库66个不同景观背景的典型库湾作为研究对象,在丹江口水库大坝加高后的2015~2018年,对其水质进行了监测,采用时空交互分析、K均值聚类、偏最小二乘回归、结构方程模型等方法,围绕库湾汇水区景观背景和水环境对水体富营养化的影响机制,系统研究了库湾水质的时空变异规律,定量评估了水文节律与汇水区景观对库湾水体氮磷的影响,阐明了库湾水体富营养化指标叶绿素a浓度对水环境和汇水区景观背景的响应规律,评估了库湾营养状态,提出相应的防治对策。主要结论如下:(1)库湾水质表现出显著的时空变异。水库大坝加高蓄水后,库湾水质整体随时间逐步好转,氨态氮、硝态氮、总氮、总磷、浊度、叶绿素a等水质指标的平均值在蓄水期高于泄洪期,蓄水期和泄洪期的总氮和总磷浓度均高于0.2 mg·L~(-1)和0.02mg·L~(-1)的富营养化阈值,部分库湾中叶绿素a浓度明显高于5μg·L~(-1)的生态可接受限值。具有更高富营养化与水华风险的库湾在研究期间逐年减少,在空间上越来越多地向城镇附近集中。(2)蓄水期和泄洪期库湾水体总氮和总磷浓度对汇水区景观背景响应规律不同。汇水区土壤可蚀性对库湾水体总氮和总磷浓度都有显著的影响。汇水区坡度,地形起伏度,地形湿度指数,林地面积占比和农田面积占比是库湾水体总氮浓度的主要影响因子。景观形状指数,边界密度,香农多样性指数和草地面积占比则是库湾水体总磷浓度的主要控制因子,此外总磷浓度在蓄水期还受到斑块密度和蔓延度指数的影响,在泄洪期还受到平均斑块面积和最大斑块指数的影响。(3)水化学和养分潜变量对库湾水体叶绿素a浓度具有决定性作用。水化学和养分潜变量对叶绿素a浓度具有显著的正效应,二者的总效应占两个偏最小二乘-结构方程模型的40%以上,在泄洪期尤为明显。土地利用潜变量从源头和运输过程中影响输入库湾的污染负荷,在蓄水期对叶绿素a浓度的正效应更为明显,占叶绿素a浓度相对贡献的30%。复杂的景观斑块形状有助于减少养分向库湾水体的运输,破碎景观对叶绿素a浓度有显著的负效应,在泄洪期尤为明显,占叶绿素a浓度相对贡献的19%。(4)丹江口水库典型库湾水体总体处于中营养状态。部分支流库湾、封闭库湾和具有城镇、农田分布的库湾呈轻度、中度、甚至重度富营养状态,面临着较大的富营养化风险。在此基础上,提出了建设生态清洁小流域、设立库滨带生态屏障、构建水循环与污染阻滞系统、加强丹江口水库库周污染防控、深入开展库湾富营养化与水华防治研究的库湾富营养化防治对策。本文针对库湾是水库水质污染的敏感区这一关键问题,从不同景观背景的典型库湾水质监测着手,结合水库水文节律性研究了库湾水质的时空变异规律,探讨了不同景观背景要素对库湾水质动态变化的贡献,揭示了水质时空变异对库湾景观背景和水文节律的响应机制。结果对于水库水质管理具有重要的实用价值。


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