（农业水土工程专业论文）内蒙古乌梁素海水质动态数值模拟研究.pdf

摘要 湖泊富营养化是当今国际上重大的水环境问题之一，已给湖泊水环境以及湖泊流 域人们的生产生活造成了十分严重的危害。湖泊水环境是一个受多种不确定性因素限 制、参数众多、机理十分复杂的系统，加之，湖泊水动力学方程的非线性性质，很难 得出理论分析解。随着数值计算方法和数值模式的快速发展，计算机性能的不断提高， 数值模拟在水环境科学中得到越来越广泛的研究和应用，已成为研究湖泊、河流、水 库、港口等不同水域流场与水质的重要手段之一。 本文以地处寒早区的内蒙古乌梁素海为研究对象，针对其水浅、草多、藻多、l 司 时又是河套灌区污水承泄体的特殊情况，首先选用灰色一随机风险率方法对入湖水质 浓度风险性进行了分析和计算：其次应用地质统计学理论和a r c g i s 软件的地统计分 析模块对不同水质参数的时空分布特征及变化规律做了分析研究；最后，在深入理解 乌梁素海污染成因及污染机理的基础上，选用e f d c 模型和c e q u a l - i c m 模型联 合模拟了乌梁素海流场和水质变化过程，得出了以下主要结论： ( 1 ) 针对湖泊水环境受随机和灰色双重不确定性因素的影响，将灰色一随机风险率 理论引入到湖泊水质分析中，对乌梁素海入湖断面有机污染超标风险率和各水质浓度 超标的灰色概率区间进行了计算，并绘制了水质参数超过不同浓度值的风险率曲线 结果表明：乌梁素海入湖水质断面遭受着严重的富营养化污染和有机污染；灰色一随 机风险率方法能够直观地反映出在不同水质浓度控制标准下，水质参数污染强度和污 染历时的变异过程，对控制乌梁素海入湖水质浓度并合理制定富营养化 寺理措施具有 一定的参考价值。 ( 2 ) 为揭示不同水质参数在乌梁素海的时空分布特征及变化规律，应用地质统计学 理论和a r c g i s 软件的地统计模块对乌梁素海水质参数进行了k r i g i n g 空间插值。结果 表明：受水生植物不同生长阶段、非冰冻期和冰冻期等因素的影响，乌梁素海水质参 数呈现出不同的时空变异特征；乌梁素海湖区水体受富营养化污染、有机污染、盐化 污染都十分严重。 ( 3 ) 针对乌梁素海生态系统中水体富营养化的现状和特征，选用e f d c 模型和 c e q u a l - i c m 模型联合模拟乌梁素海流场和水质。c e q u a l - i c m 模型以浮游植物生长 动力学为主线，不仅考虑了不同形态营养盐的循环转化过程，还考虑了蓝藻、硅藻和 绿藻的生长动力、新陈代谢、被捕食、沉降等过程，并且模拟了以上两方面的循环转 换过程。 ( 4 ) 应用所建水动力富营养化模型，模拟乌梁素海水动力及水质变化情况，误差分 析表明模拟结果与实测值拟合较好，误差基本在3 0 以内。模型不仅考虑了风速、 国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 6 9 0 0 25 0 6 6 9 0 0 4 蓐：内蒙古自然科学基金重点项目( 2 0 0 7 1 1 0 2 0 6 0 4 ) ：内蒙古自治区 水利厅重点支持项目( 2 0 0 8 0 1 0 5 ) 联合资助 蒸发、辐射等气象因素，更为重要的是考虑了水生植物的分布情况以及它们的密度、 高度、直径等形态指标，结果表明：考虑水生植物分布的水质浓度模拟值与实测值变 化趋势基本一致，未考虑水生植物分布的模拟值未能较好地反映实测值的变化趋势， 可见，湖泊水生植物的分布情况对水质指标影响较大。 嫡) 为进一步确定乌梁素海污染的主要原因，本文应用已建富营养化模型，锁定其 它条件，改变模型边界条件( 入湖水质浓度) 进行模拟计算，结果表明：入湖水质浓 度按v 类标准控制后，其模拟值较实际情况波动小，稳定性好：除溶解氧外，入湖水 质浓度按v 类标准控制后的模拟值均小于实际情况模拟值，且后期模拟结果显示水质 浓度降幅较大；富营养化主控因子氮磷浓度在整个模拟时段内降幅均较大，可见，入 湖污染物质浓度的变化对湖区内污染物质浓度的变化影响显著，且模拟后期更为明显。 因此，控制乌梁素海入湖污染负荷对治理和改善乌梁素海水质具有重要的意义。 关键词：e f d c 模型：c e q u a l - i c m 模型；富营养化；数值模拟；灰色一随机风险率； a r c g i s m o d e l l i n go fe u t r o p h i cc o n t a m i n a n t sd i s t r i b u t i o na n d d e g r a d a t i o np r o c e s s e si nl a k ew u l i a n g s u h a i a b s tr a c t + a so n eo ft h em a i ng l o b a lw a t e re n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，l a k ee u t r o p h i c a t i o nh a s b e e nc a u s e ds e r i o u s n e g a t i v ee f f e c t sf o rb i o d i v e r s i t y , w e t l a n du t i l i z a t i o n ，a n dh u m a n a c t i v i t i e s l a k ew a t e re n v i r o n m e n ti saw e l lk n o w nc o m p l e xs y s t e mw h i c hi sv a r i e dw i 也 s om a n yr e l a t e df a c t o r sw i t hc o m p l i c a t e db i o l o g i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s m s t h a tu s u a l l yd e e dt ob cg e t t i n gb e t t e ru n d e r s t a n d i n gt h r o u g hn u m e r i c a lm o d e l i n g t h e r e w o u l dh a r d l yb ea b l et oo b t a i na n a l y t i c a ls o l u t i o n sf o rt h en u m e r i c a lm o d e l sd u et o u n c e r t a i n t yp a r a m e t e r sa n dn o n l i n e a rd i f f e r e n t i a le x p r e s s i o n s h o w e v e r , t h el a t e s t d e v e l o p m e n to fi tt e c h n o l o g yc o u l dh e l pt o g e t n u m e r i c a ls o l u t i o n sf o rt h ew a t e r e n v i r o n m e n tr e l a t e dm o d e l s g r e y s t o c h a s t i cr i s km e t h o dw a se m p l o y e df o re n v i r o n m e n tr i s ka n a l y s i si nl a k e w u l a n g s u h a i ，w h i c hi sl o c a t e di nac o l d d r yr e g i o ni ni n n e rm o n g o l i a - 1 1 1 el a k eh a sa n a v e r a g ed e p t ho fa b o u t1 s i nw i t hw i d er a n g es p e c i e so fa q u a t i cp l a n t sa n da l g a e i ta l s o a c t sa st h er e c e i v e ro fa g r i c u l t u r a ld r a i n a g ea n ds e w a g ew a t e rc o l l e c t e df r o ma l lo v e rh e t a o i r r i g a t i o nd i s t r i c t c o u p l e de n v i r o n m e n t a lf l u i dd y n a m i c sc o d e ( e f d c ) a n d c e - q u a l i c mm o d e lw e r ea p p l i e dt oa n a l y z et h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n a n d d e g r a d m i o np r o c e s s e so fe u t r o p h i cc o n t a m i n a n t s ，d u r i n gw h i c hg e o l o g ys t a t i s t i c sa n d a r c g i sw e r eu s e dt oa n a l y z et h et e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d v a r i a t i o n so ft h ep a r a m e t e r s t h er e s u l t sc o u l db ec o n c l u d e da s ： ( 1 ) g r e y - s t o c h a s t i cr i s km e t h o dc o u l db eu s e dt og e tm o r ea c c u r a t ee x p l a n a t i o n so n e n v i r o n m e n tr i s k a n a l y s i sf o r l a k ew u l a n g s u h a ia st h el a k ew a t e re n v i r o n m e n t i s i n f l u e n c e db yb o t hr a n d o ma n dg r a yv a r i a b l e s 功er e s u l t ss h o w nt h a tt h ea r e ad e a rt ot h e i n l e ti st h eh e a v i e s tp o l l u t e da r e ai nt e r m so fb o t he u t r o p h i c a t i o na n do r g a n i cp o l l u t i o n n l i sm e t h o dc a l lb e t t e rs i m u l a t et h ev a r i a t i o np r o c e s s e so f e u t r o p h i c a t i o na n ds e n s i t i v i t yo f t h ep a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fc o n t a m i n a n t s ( 2 ) i no r d e rt og e tb e t t e ru n d e r s t a n d i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r a m e t e r s t e m p o r a l a n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o n , g e o l o g ys t a t i s t i c sa n da r c g i sw e r eu s e dt o i n t e r p o l a t ed a t ab a s e do nt h eo b s e r v e dd a t a - n l er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h ep a r a m e t e r s s h o w nd i f f e r e n tv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t h i nd i f f e r e n tg r o w i n gp e r i o d so fa q u a t i cp l a n t s e s p e c i a l l yw h e nt h ew a t e rb o d yw a sc o v e r e db yi c e _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ - - - _ - - - 一 f i n a n c e db ys t a t en a t u r a ls c i e n c ef u n d ( 5 0 5 6 9 0 0 2 、5 0 6 6 9 0 0 4 ) a n di n n e rm o n g o l i an a t u r a ls c i e n c ef u n d ( 2 0 0 7 11 0 2 0 6 0 4 ) a n dt h ek e ys u p p o r tp r o j e c to f w a t e rr e s o u r c e sd e p a r t m e n to fi n n e rm o n g o l i a ( 2 0 0 8 0 1 0 5 ) ( 3 ) w a t e rf l o wf i e l da n dt r a n s p o r tp r o c e s s e sw e r es i m u l a t e db yu s i n gc o u p l e de f d c a n dc e q u a l i c m t h eu s eo fc e q u a l - i c mc o u l di n v o l v et h ee f f e c t so f p h y t o p l a n k t o ns u c ha si t sg r o w i n gd y n a m i c s ，m e t a b o l i s m ，p r e y e d ，a n dr e c e i p t e dp r o c e s s e s i tc o u l da l s oc o n s i d e rt h ee f f e c t so fc i r c u l a t i o na n dc o n v e r s a t i o np r o c e s s e sb e t w e e nt h e s p e c i e so fn u t r i e n ts a l t s 。 ( 4 ) h y d r o d y n a m i ce u t r o p h i c a t i o nm o d e lw a s b u i l ta n dt h ee r r o r sw e r el e s st h a n3 0 b e t w e e nt h em o d e l e da n do b s e r v e dd a t a i ts h o u l db em e n t i o n e dt h a tt h em o d e li n v o l v e d t h ee f f e c t so fa sm a n ya sa f f e c t e df a c t o r sl i k em e t e o r o l o g i c a lf a c t o r s ( w i n ds p e e d ， e v a p o r a t i o n ，r a d i a t i o n ) a n da q u a t i cp l a n t sf a c t o r s ( s p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，d e n s i t y , h e i g h t ， d i a m e t e r ) ( 5 ) t h em a j o rf a c t o r so fe u t r o p h i c a t i o nw e r em o d e l e db ym e a n so fo n l yv a r y i n gt h e i n l e tc o n c e n t r a t i o n so fe u t r o p h i ce l e m e n t s 。t h er e s u l t ss h o w nt h a tt h ew a t e rq u a l i t yw i t h i n t h el a k ev a r i e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h ec h a n g eo ft h ei n l e tc o n c e n t r a t i o n so fe u t r o p h i c e l e m e n t s i ti m p l i e st h a tt h ed e g r a d a t i o nc a p a b i l i t yo ft h el a k ei sf a rf r o mt h ei n p u tl o a do f e u t r o p h i cc o n t a m i n a n t s k e yw o r d s ：e f d cc e - q u a z i c m ：e u t r o p h i c a t i o n ；n u m e r i c a ls i r e u l a t i o n ； g r e y s t o c h a s t i cr i s km e t h o d ；a r c g i s d ir e c t e db y ：p r o f l lo h a n g y o u a p pi ic a n tf o rd o c t o rd e g r e e ：lix in g ( a g r i c u l t u r a lw a t e ra n ds o i le n g i n e e r i n g ) ( c o l l e g eo f w a t e rr e s o u r c e s a n dc i v i le n g i n e e r i n g ，i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i v y ，h u h h o t ，0 1 0 0 1 8 tc h i n a ) 插图和附表清单 图1中国湖区分布示意图2 图2 论文技术路线图2 2 图3 乌梁素海地理位置2 3 图42 0 0 6 年4 月 2 0 0 8 年1 0 月大气压日均变化过程2 5 图52 0 0 6 年4 月2 0 0 8 年1 0 月大气温度日均变化过程2 5 图62 0 0 6 年4 月 2 0 0 8 年1 0 月相对湿度日均变化过程2 5 图7 2 0 0 6 年4 月- - 2 0 0 8 年l o 月降雨与蒸发日均变化过程2 6 图82 0 0 6 年4 月 2 0 0 8 年1 0 月太阳辐射日均变化过程2 6 图92 0 0 6 年4 月 2 0 0 8 年1 0 月风速风向日均变化过程2 6 图1 0巴彦淖尔市河套灌区灌排系统2 7 图1 1乌梁素海水质监测点布设2 8 图1 22 0 0 6 年水质风险率动态3 9 图132 0 0 7 年水质风险率动态3 9 图1 42 0 0 6 年入湖断面水质参数超过不同浓度值的风险率图4 3 图1 52 0 0 7 年入湖断面水质参数超过不同浓度值的风险率图4 3 图1 62 0 0 8 年入湖断面水质参数超过不同浓度值的风险率图4 4 图1 7 乌梁素海总氮时空分布结果4 8 图18 乌梁素海总磷时空分布结果- 4 9 图1 9 乌梁素海叶绿素时空分布结果5 0 图2 0 乌梁素海c o d 时空分布结果5 l 图2 1乌梁素海b o d 5 时空分布结果5 2 图2 2 乌梁素海电导率时空分布结果5 3 图2 3e f d c 模型结构框架图。5 8 图2 4e f d c 模型水质模块结构示意图5 9 图2 5 垂向。坐标转化示意图6 0 图2 6自由表面中心交错网格示意图6 4 图2 7c e - q u a l 。i c m 模型结构图6 9 图2 8 浮游植物与水生生物的生长动力学变量关系7 0 图2 9 模拟碳循环过程示意图7 5 图3 0 模拟氮循环过程示意图7 7 图31模拟磷循环过程示意图7 8 图3 2 模拟氧循环过程示意图8 0 图3 32 0 0 6 年4 月 - 2 0 0 8 年1 0 月入湖流量日均变化过程8 4 l 乞 互 屯 支 & z & 争 m n 屹 b m 巧 m 掩 侉 加 扒 砣 抖 筋 拍 勰 如 钉 砣 弘 图3 42 0 0 6 年4 月- 2 0 0 8 年1 0 月入湖总磷变化过程8 5 图3 52 0 0 6 年4 月 2 0 0 8 年1 0 月入湖总氮变化过程8 5 图3 62 0 0 6 年4 月- 2 0 0 8 年1 0 月入湖c o d 变化过程8 6 图3 72 0 0 6 年4 月 2 0 0 8 年1 0 月入湖电导率变化过程8 6 图3 8锯齿法与斜对角法边界拟合对比图8 7 图3 9 平面网格标志示意图8 8 图4 0乌梁素海遥感影像图及网格剖分8 8 图4 1 水生植物对总氮模拟结果的影响9 6 图4 2 水生植物对氨氮模拟结果的影响9 6 图4 3 水生植物对硝态氮模拟结果的影响9 6 图4 4 水生植物对总磷模拟结果的影响9 7 图4 5水生植物对叶绿素a 模拟结果的影响9 7 图4 6 水生植物对b o d 5 模拟结果的影响9 7 图4 7 水生植物对c o d 模拟结果的影响9 8 图4 8 水生植物对d o 模拟结果的影响9 8 图4 9 控制入湖水质对总氮模拟结果的影响1 0 4 图5 0 控制入湖水质对氨氮模拟结果的影响1 0 4 图5 1 控制入湖水质对硝态氮模拟结果的影响1 0 4 图5 2 控制入湖水质对总磷模拟结果的影响1 0 5 图5 3 控制入湖水质对叶绿素a 模拟结果的影响1 0 5 图5 4 控制入湖水质对b o d 5 模拟结果的影响1 0 5 图5 5 控制入湖水质对c o d 模拟结果的影响1 0 6 图5 6 控制入湖水质对d o 模拟结果的影响t 0 6 表l我国湖泊按面积级别分类统计1 表2 中国不同区域湖泊水资源特征。2 表3中国内陆区与外流区湖泊水资源比较3 表4 我国主要中型湖泊的营养状态。4 表5 水质模型的适用范围比较l8 表6 水质模型的功能比较1 8 表7 地表水环境质量标准基本项目标准限值4 0 表82 0 0 6 年入湖断面各水质分布参数计算结果4 l 表92 0 0 7 年入湖断面各水质分布参数计算结果4 1 表1 02 0 0 8 年入湖断面各水质分布参数计算结果4 l 表112 0 0 6 年入湖口断面水质参数超标灰色随机风险率计算结果4 2 弘 弱 弘 强 ” 柏 叭 铊 奶 钳 钙 钻 钉 铝 的 熨 钇 弱 弘 铃 弱 弱 ” 们 配 酪 “ ：会 酪 酊 表1 22 0 0 7 年入湖口断面水质参数超标灰色随机风险率计算结果4 2 表1 32 0 0 8 年入湖口断面水质参数超标灰色随机风险率计算结果一4 2 表1 4 乌梁素海水质模型主要输入输出文件b 9 表1 5 流速模拟结果及误差9 0 表1 6 模型参数对水质指标的敏感度分析9 2 表1 7 模型主要参数率定结果9 4 表1 8 水生植物对总氮模拟结果误差的影响。9 9 表1 9 水生植物对氨氮模拟结果误差的影响9 9 表2 0 水生植物对硝态氮模拟结果误差的影响1 0 0 表2 l水生植物对总磷模拟结果误差的影响1 0 0 表2 2 水生植物对叶绿素a 模拟结果误差的影响1 0 1 表2 3 水生植物对b o d 5 模拟结果误差的影响。1 0 1 表2 4 水生植物对c o d 模拟结果误差的影响1 0 2 表2 5 水生植物对d o 模拟结果误差的影响10 2 醯 毋 饥 住 乃 弭 俗 ；2 他 矜 鲫 趴 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：垄墨 日期： 丝2 篁鱼塑 导师指导研究生学位论文的承诺 本人承诺：我的研究生蔓兰：所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相 指导教师签名： 日 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：一李兴指导教师签名： 耋妙 l 内蒙古农业大学博士学位论文 1 l 绪论 水环境保护和治理是2 1 世纪人类可持续发展战略的焦点问题，湖泊是最重要的水 资源之一，是湖泊流域生态系统健康发展的物质基础，是国民经济迅速发展的重要保 障。随着社会进步与人口增长，大量农田排水、工业废水和生活污水被排入湖泊，造 成湖泊富营养化等一系列的环境问题，不仅给流域人民发展水产养殖、灌溉、旅游等 第三产业带来重大经济损失，而且还会直接影响到淡水资源的调节与利用，给人类活 动和身心健康造成巨大损害。同时，湖泊的自然、经济、社会等功能也是实现人与自 然和谐发展的后盾。因此，湖泊水环境的规划、治理和保护已成为我国亟待解决的重 大环境问题之一。 1 。1 选题背景 水一生命之源，是人类赖以生存与发展的命脉，是人类所需多种资源中最为重要 的自然资源，是可持续发展的基础和条件，是质和量的有机整体，随着世界经济的迅 猛发展、人口的快速增长，以及工农业生产力的提高，自2 0 世纪7 0 年代以来，世界 上许多国家相继出现了水资源危机。我国也正面临着水资源污染和短缺的严峻形势， 湖泊、河流、水库等地表水体的富营养化问题更为严重。 地球上各种形态的水体总共约有1 3 6 x1 0 1 0 亿m 3 ，其中海洋储量达1 3 2 1 0 1 0 亿m 3 ，占全球总储量的9 7 2 4 ，而陆地上的各种水体为3 7 5 0 6 万亿m 3 ，仅占全球 水体储量的2 7 6 。陆地水储量中，两极冰盖和高山冰川又占7 7 3 ，为2 9 0 0 0 万亿 一。对人类生产和生活有利用意义的水资源为河流、湖泊及浅层地下水，全球这部分 水量约为3 8 8 3 万亿m 3 ，约为总淡水量的o 1 。我国水资源总量为2 8 万亿m 3 ，居 世界第六位，但入均占有量仅为世界人均占有量的1 4 。可见我国水资源并不丰富， 更由于地区分布不均，年内分配不同、年际变化大，加之水体污染严重，大大降低了 水资源的可利用率。成为全球1 3 个人均水资源最为贫乏的国家之一。 湖泊水资源在国民经济和社会可持续发展中具有举足轻重的作用，我国有2 万 表1我国湖泊按面积级别分类统计 t a b l e lc l a s s i f i c a t i o no fl a k eo na r e ai nc h i n a 2 内蒙古乌粱素海水质动态数值模拟研究 多个湖泊分布较广，现有面积大于1o 耐的天然湖泊2 7 5 9 个，台计面积达9 1 0 1 96 3 k m 2 ：大于1 0 0k m 2 有6 5 6 个，合计面积8 5 2 5 69 4h n 2 。总贮水量约7 0 7 7 x1 0 。m 3 ， 其中淡水贮量2 2 4 9 x 1 0 8 n 1 3 ，约占我国陆地淡水资源量的8 ，具体见我国湖泊按面 积级别统计结果( 见表1 ) ”1 。 我国幅员辽阔，湖泊水资源广 泛分布，从东部沿海平原到西部高 原，无论是堀润区、干旱区、沙漠 地带，都有天然湖泊分布，具有明 显的区域特性，根据我国自然环境 复杂特性和湖泊水资源基本特征将 湖泊分为五大湖区，分别是东北平 原与山地湖区、蒙新高原湖区、青 藏高原湖区、东部平原湖区和云贵 高原湖区( 图i ) ，这五犬湖区几乎 包台了全国所有湖泊，由于各湖区 的地理条件、气候条件及水文地质 圈1 中目湖区分布i 意婚 f i gi 丁h ed i s t r i b u t i o no f l a k c h i n a 表2 中目f 目宦域瑚洎水赍源特征 湖区湖泊个甓面罂湖泊成田 水资源基本特征 ( 1o k m 1f k m 。) 东部平原区湖泊 蒙新高原区湖泊 云贵高原区湖泊 6 01 1 9 94 青藏高原区湖泊 东北平原山地湖泊 黧藏篓麓孽 离i 篡薹雾紧 嚣篙慧麓i i i 内蒙古农业大学博士学位论文 3 等条件的差异导致各湖区湖泊水资源具有明显的区域性特征( 见表2 ) 。根据内外流 湖区，我国湖泊分布，大致以大兴安岭一阴山一贺兰山一祁连山一昆仑山一唐古拉山 一冈底斯山一线为界，此线东南为外流湖泊，以淡水湖为主，线西北为内陆湖区，以 咸水湖为主，由于水资源量及补给排出方式的差异，使得内陆湖区和外流湖区水资源 存在显著差异( 见表3 ) 嘲。 表3中国内陆区与外流区湖泊水资源比较 t a b l e 3 c o m p a r i s o no fw a t e r r e s o u r c e sb e t w e e ni n t e r i o ra n de x t e r i o rl a k e si nc h i n a 湖泊水资源在社会经济可持续发展和生态环境系统保护中占有重要地位，随着我 国工农业的迅速发展和城市化进程的加快，加之人们对环境保护的意识淡薄，以牺牲 环境为代价肆意掠夺财富的行为无处不在，在这样的前提下，我国湖泊水资源陆续出 现了水体富营养化、水质污染、湖泊淤积、萎缩与剧减、湖泊咸化、湖泊流域生态系 统恶化等一系列环境问题，主要表现在：首先，湖泊水资源污染问题日益突出，在湖 泊富营养化污染、有机污染和盐化污染中，以富营养化污染和藻类水华最为严重，近 年来，滇池部分水域水华每年持续时间长达1 0 个月之久，巢湖、太湖部分水域也长时 间爆发水华事件，云南洱海在1 9 9 6 年爆发了大面积水华，持续时间长达1 个月。我国 中型湖泊的氮磷已接近或超过富营养化发生浓度，部分水体已达到严重富营养化水平 ( 见表4 ) m 。这些足可以看出我国湖泊已经普遍遭受富营养化问题，水体富营养化 及藻类水华不仅造成水功能障碍，影响饮用水源供水、工农业用水、养殖、景观旅游， 更重要的是藻类水华产生的毒素及其衍生物，对人体健康和生存、繁衍存在着严重的 危害，因此，控制湖泊富营养化及其藻类水华灾害是中国最紧迫的重大环境问题。其 次，湖泊面积萎缩、水量锐减是我国湖泊水资源又一个突出的问题，主要原因是：气 候干旱，降水稀少，蒸发强烈，湖泊水量收支不平衡，水土流失导致泥沙淤积，人工 围垦等原因造成的，以我国西北部湖泊最为严重。最后，湖泊流域生态系统仍在恶化， 突出表现为湖区越来越多的直立式护岸破坏了波浪形态，加大冲蚀和掏蚀强度，破坏 了湖滨带与浅水区水中植物的生长条件。另外，西北干旱区湖泊由于湖泊萎缩、地f 水位下降，周围湖滨平原的草场退化，土地沙化加快，如艾比湖周围1 9 5 8 年的沙溟 面积是1 6 1 8 8 0 k m 2 ，1 9 7 8 年增加到2 4 1 5 6 0 k m 2 ，一些湖泊干涸则直接形成荒漠景观， 如艾丁湖、玛纳斯湖、居延海等嘲。 4 内蒙古乌梁素海水质动态数值模拟研究 注：* s d 为水体透明度。单位为m 内蒙古属典型的中温带季风气候，具有降水量少而不匀、寒暑变化剧烈的显著特 点。降水量受地形和海洋远近的影响，自东向谣由5 0 0 r a m 递减为5 0 r a m 左右。蒸发量 则相反，自西向东由3 0 0 0 m m 递减到1 0 0 0 m n l 左右。自治区内除东北部分地区外都属于 干旱半干旱区，其境内湖泊均属于五大湖区中内流区的蒙新高原湖区，区内有大小湖 泊1 0 0 0 多个，其中湖泊水面面积大于l o k m 2 的有5 0 余个。由于内蒙古特殊的自然地 理环境，湖泊生态系统的脆弱性较全国尤为突出，内蒙古湖泊分布构成一个北东一南 西向的湖群带，主要分布在年降水量2 0 0 - - - 4 0 0 m m 之间的呼伦贝尔高原、西辽河平原、 锡林郭勒高原、乌兰察布高原和丘陵区、河套平原和鄂尔多斯高原等广大地区。它们 所处位置远离海洋，降水少，气候干旱，水蚀作用微弱。乌拉山、狼山北侧的巴彦淖 尔高原以及贺兰山西侧的阿拉善等地区，由于地处干旱和荒漠的气候带，气候极度干 燥，年平均降水量均小于2 0 0 m m ，阿拉善高原在5 0 m m 以下，这些地区不但水蚀作用 非常微弱，河网极少，仅个别地区干旱景观的内陆湖泊零星分布，大部分地区出现大 面积的无湖区。此外，在降水较多、河网较发育的嫩江右岸、西辽河上游等少数地区， 由于水蚀作用相对强烈，河网较多，因而湖泊分布极少。内蒙古湖泊的特征主要表现 为湖面小、湖水浅、淡水湖少、盐湖多等特征。目前，多数湖泊受到不同程度富营养 化的危害，如乌梁素海、居延海、哈素海、岱海、黄旗海、达里诺尔、科尔沁沼泽地 区、呼伦湖自然保护区等旧。 内蒙古著名湖泊主要有：呼伦湖也称呼伦池、达赉潮，是中国四大淡水湖之一， 是中国第五大湖，也是内蒙古第一大湖，湖内有克鲁伦河、鸟尔逊河水流入，最大面 内蒙古农业大学博士学位论文 5 积曾达至j j 2 3 3 9 k m 2 ，平均水深为l o m ，蓄水量为1 3 8 5 亿m 3 ，一直为被誉为呼伦贝尔草 原的“母亲湖 ，也是中国北部地区重要的生态屏障，从1 9 9 9 - - 2 0 0 6 年这7 年间，由 于自然、人为破坏等因素，呼伦湖补水量逐年减少，水域面积萎缩4 4 0 k m 2 ，水位下降 2 6 6 m ，蓄水量减少4 5 5 亿m 3 ，分别下降1 8 8 、2 6 6 和3 2 8 5 。由于呼伦湖生态 环境受到严重影响，导致水质恶化，湖中的细鳞鱼、蒙古红幽、哲罗等名贵鱼类已相 继灭绝。中蒙两国共有的贝尔湖发源于大兴安岭南部达尔滨湖，呈椭圆形状，长 4 0 k m ，宽2 0 k m ，面积6 0 8 7 8 k m 2 ，它大部分在蒙古国境内，仅西北部的4 0 2 6 k i n 2 为我 国所有。达来诺尔湖属于内蒙古高原干旱区的封闭性湖泊，位于内蒙古赤峰市克什 克腾旗西部，湖面积约2 2 8 k m 2 ，湖面海拔1 2 2 6 m - - 1 2 2 8 m ，平均深度6 7 m ，最大深度 1 3 m ，储水量约1 6 亿m 3 。从2 0 0 0 年以来，达来诺尔湖水质连续数年为劣v 类，污染程 度较重。污染指标中p h 、生化需氧量和高锰酸盐指数均超过v 类标准。此外，湖水 含盐量缓慢升高。达来诺尔湖地处干旱半干旱高原地区，年降水量不足4 0 0 m m ，年蒸 发量却大于1 5 0 0 m m 。同所有高原内陆湖泊一样，由于蒸发量大于补给量，达来诺尔 湖正经历着漫长的由“淡水一半咸水一咸水一盐湖”的演变过程，湖水面积也在不断 缩减。查干诺尔湖具有干旱、风大、寒冷的气候特征。属巴音河流域内陆河闭流体 系，是锡林郭勒地区重要的水产基地。查干诺尔属于我国北方干旱寒冷地区典型的草 原湖泊，湖泊东西长2 2 k m ，南北宽5 k m ，平均水深2 5 m ，平均降雨量为2 4 5 m m ，平 均蒸发量为1 9 5 6 9 m m ，相当于降雨量的8 倍。因此，湖泊具有明显的干旱区湖泊的盐 碱化特性。查干诺尔湖泊由东西湖组成，两湖之间由自然形成的粘土坝分割，西湖最 大水域面积7 7 3 3 k i n 2 ，为咸水湖，而且由于补给不足已经成为季节性盐碱干湖，水质 盐碱化已无生物生存的环境，大量的盐碱粉尘在大风的夹带下经常会形成盐碱尘暴。 这些盐碱粉尘还被大风搬到了京津及东亚地区：东湖稳定水面积2 8 6 7 k i n 2 ，平均水深 2 m 为淡水湖，蓄水量5 7 3 4 万m 3 。由于近年来的连续干旱及人类活动和全球气候变化 等多种原因的影响，湖泊水质严重恶化，湖泊面积不断萎缩，1 5 年前的湖水面积达 2 3 7 k m 2 ，水深4 - - - 5 m ；至1 9 9 8 年湖面缩减到1 0 9 9 3 k m z ，其中西湖7 6 k m 2 ，东湖3 3 k m 2 ， 至2 0 0 1 年，由于东湖承包给个人，堵死泄水闸，造成西湖干涸。并且造成湖周围几百 平方公里范围内的生态环境不断恶化，草场严重退化。黄旗海里不规则三角形， 东西长约2 0 k m ，南北宽6 9 k m ，湖水面积约ll o k m z 。平均水深3 5 m ，最深处约l o m ， 蓄水量5 亿多m 3 。湖水补给主要来源于霸王河、泉玉林河、磨子山河等1 9 条河沟。 湖盆封闭，无泄水路，湖水消耗于蒸发，水呈碱性。近3 0 年，由于建库蓄水等原 因，进湖水量大减，加之集宁市的污水排放，水质变差，鱼类骤减。岱海形状 呈长椭圆形，为南西西一北东东走向，高程9 8 7 8 7 m 、最大深度1 6 0 5 m 、平均深度 7 4 1 m 、水域面