鄒 銳，吳 楨，趙 磊，陳異暉，余艷紅，劉 永??

（1：云南高原湖泊流域污染過(guò)程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650034）（2：北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871）（3：Tetra Tech，Inc.10306 Eaton Place，Ste 340，F(xiàn)airfax，VA 22030，USA）

湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽通量平衡的三維數(shù)值模擬?

鄒 銳1，3，吳 楨2，趙 磊1，陳異暉1，余艷紅1，劉 永2??

（1：云南高原湖泊流域污染過(guò)程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650034）
（2：北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871）
（3：Tetra Tech，Inc.10306 Eaton Place，Ste 340，F(xiàn)airfax，VA 22030，USA）

湖泊氮、磷通量是表征湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)，也是探究湖泊富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)制的重要途徑.通過(guò)氮、磷通量的計(jì)算和質(zhì)量平衡關(guān)系的分析，可以識(shí)別出在湖泊富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中起關(guān)鍵作用的過(guò)程.以三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型為計(jì)算平臺(tái)，模擬湖泊水動(dòng)力、水質(zhì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并以模擬結(jié)果為基礎(chǔ)核算湖泊氮、磷循環(huán)通量及其在氮、磷循環(huán)整體中的貢獻(xiàn)，識(shí)別湖泊氮、磷循環(huán)關(guān)鍵源匯過(guò)程的變化規(guī)律.滇池是我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的代表，同時(shí)其半封閉特性為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)提供了更為穩(wěn)定的環(huán)境，以滇池為案例，基于前期校正和驗(yàn)證過(guò)的滇池水動(dòng)力-水質(zhì)模型來(lái)分析循環(huán)通量計(jì)算方法的適用性.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究年度內(nèi)滇池外?？偟哪昕傒斎肓浚òㄍ庠春蛢?nèi)源）為7620.92 t，總輸出量（包括出流、反硝化和沉降）為7637.31 t；總磷的年總輸入量為（包括外源和內(nèi)源）450.23 t，總輸出量（包括出流和沉降）為429.57 t，其中陸域輸入是最主要的氮、磷輸入途徑，而反硝化和沉降則是主要的輸出過(guò)程.相較于傳統(tǒng)的質(zhì)量平衡方法，通過(guò)三維模型計(jì)算所得的營(yíng)養(yǎng)鹽通量平衡結(jié)果能更好地揭示湖體內(nèi)所發(fā)生的氮、磷轉(zhuǎn)化過(guò)程.

營(yíng)養(yǎng)鹽；通量；質(zhì)量平衡；三維模型；滇池

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是水環(huán)境領(lǐng)域面臨的突出問(wèn)題［1-4］.為有效預(yù)防、控制和治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外圍繞其成因、危害以及控制和管理等方面開(kāi)展了大量的研究［5-10］，其中成因分析是有效治理的基礎(chǔ).研究表明，氮（N）、磷（P）是湖泊生態(tài)系統(tǒng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，正常的氮、磷平衡是維持湖泊健康的必要條件；但大量氮、磷的流入和累積會(huì)改變湖泊內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽的通量平衡，增加富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)［11-13］.因此對(duì)湖泊恢復(fù)而言，開(kāi)展湖泊氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)和通量平衡研究就顯得尤為重要［9，14-15］.具體而言，氮、磷的過(guò)量輸入會(huì)導(dǎo)致湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)發(fā)生改變，藻類大量生長(zhǎng)、消亡，影響水體的理化條件并進(jìn)一步改變氮、磷的內(nèi)部循環(huán)過(guò)程，增加湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)［16］.研究表明，隨著湖泊外源污染負(fù)荷的削減，湖泊底質(zhì)內(nèi)源釋放對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)也逐漸突顯出來(lái)［17］.氮、磷的內(nèi)源釋放和內(nèi)部循環(huán)會(huì)使湖泊在大量削減外源負(fù)荷后，也繼續(xù)維持長(zhǎng)時(shí)間的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，阻礙湖泊修復(fù).研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于部分富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊，內(nèi)源負(fù)荷可以占到總?cè)牒?fù)荷量的50%以上［18］.同時(shí)，一些富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的修復(fù)過(guò)程表明：在有效控制外源負(fù)荷的前提下，仍需要10～20年才能使湖泊的生態(tài)功能得到明顯的恢復(fù)［19］.因此，通過(guò)對(duì)湖泊氮、磷循環(huán)通量的追蹤，可分析湖體中所發(fā)生的氮、磷遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，識(shí)別不同氮、磷循環(huán)過(guò)程的響應(yīng)機(jī)制，加深對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程及機(jī)理的認(rèn)知.機(jī)理模型是研究湖泊富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程和營(yíng)養(yǎng)鹽通量平衡的理想手段［20-21］，通過(guò)對(duì)水體中與富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)機(jī)理過(guò)程的模擬，為制定更為細(xì)致和準(zhǔn)確的治理方案提供科學(xué)依據(jù).在模型的應(yīng)用中，簡(jiǎn)單機(jī)理模型過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)重要營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)程的刻畫(huà)；而復(fù)雜的三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型研究則大多關(guān)注于模型的性能及其不確定性，對(duì)氮、磷循環(huán)過(guò)程的關(guān)注較少［22］.

本文基于以EFDC為內(nèi)核的三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型（IWIND-LR），開(kāi)發(fā)了利用數(shù)值積分的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽通量與存量計(jì)算方法，并以滇池外海為例開(kāi)展應(yīng)用研究.滇池（24°40′～25°02′N，102°36′～102°47′E）是我國(guó)重點(diǎn)治理的“三湖”之一，湖面面積為306.3 km2，湖體體積為15.6×108m3，平均水深4.4 m，流域面積2920 km2［23］.由于流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，滇池從1980s開(kāi)始出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，目前呈重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；外海水質(zhì)在V～劣V類之間波動(dòng)，且呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的趨勢(shì)［24］.本文基于前期經(jīng)過(guò)校正和驗(yàn)證的滇池三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型［23］，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)開(kāi)展氮、磷的內(nèi)部循環(huán)過(guò)程通量研究，分析滇池水質(zhì)和藻類生物量的變化過(guò)程，識(shí)別不同氮、磷循環(huán)過(guò)程對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)，為滇池富營(yíng)養(yǎng)化治理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 模型構(gòu)建

式中，C為水質(zhì)狀態(tài)變量濃度，u、v、w分別為x、y、z方向的速度矢量，Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向的湍流擴(kuò)散系數(shù)，Sc為每單位體積內(nèi)部和外部的源和匯.在一階動(dòng)力學(xué)中，存在以下關(guān)系：

式中，k為動(dòng)力學(xué)速率，R為由于外部負(fù)荷和內(nèi)部反應(yīng)引起的源匯項(xiàng).

在前期的滇池三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型［23］構(gòu)建中，將滇池外海水體劃分為垂向6層，每層664個(gè)水平網(wǎng)格（尺度為634±148 m）（圖1），主要模擬的狀態(tài)變量為水溫、溶解氧、藻類中氮磷含量、顆粒態(tài)有機(jī)氮磷濃度、溶解態(tài)有機(jī)氮磷濃度、磷酸鹽濃度、硝態(tài)氮濃度、氨氮濃度等.模型的邊界條件主要包括入湖支流的流量、溫度、水質(zhì)、沉積床初始條件以及與時(shí)間相關(guān)的氣象條件和大氣邊界數(shù)據(jù)［23］，其中大氣濕沉降條件為磷酸鹽濃度0.04 mg／L，硝態(tài)氮濃度0.70 mg／L.模型底泥模塊初始條件為：活性有機(jī)磷、有機(jī)氮和有機(jī)碳底泥體積濃度分別為23±15.3、103.2±13.8和741±176.5 g／m3.

1.2 營(yíng)養(yǎng)鹽存量與通量核算

全湖氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽各組分的存量和通量計(jì)算模塊是通過(guò)與三維水質(zhì)模型方程耦合，并與水動(dòng)力-水質(zhì)模型采用相同離散化分辨率進(jìn)行數(shù)值積分得到的.各組分存量考慮水質(zhì)組分的時(shí)空分異性，各相關(guān)狀態(tài)變量的存量通過(guò)對(duì)全湖所有網(wǎng)格進(jìn)行積分獲取：

圖1 滇池三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型的平面網(wǎng)格劃分［23］Fig.1 Grid division of IWIND-LR of Lake Dianchi

式中，M為i組分的存量，c為湖體中i組分的濃度.氮元素各組分存量考慮：藻類活體氮存量（algaeN）、顆粒有機(jī)氮存量（PON）、溶解態(tài)有機(jī)氮存量（DON）、氨氮存量（NH3）、硝酸鹽存量（NO-3）；磷元素各組分存量考慮：藻類活體磷存量（algaeP）、顆粒有機(jī)磷存量（POP）、溶解態(tài)有機(jī)磷存量（DOP）、正磷酸鹽存量（PO4）.

各氮、磷循環(huán)過(guò)程通量通過(guò)對(duì)全湖所有網(wǎng)格進(jìn)行積分獲取，氮循環(huán)各個(gè)過(guò)程通量考慮以下過(guò)程：①流域輸入（包括藻類活體氮入湖量、顆粒有機(jī)氮入湖量、溶解態(tài)有機(jī)氮入湖量、氨氮入湖量、硝酸鹽／亞硝酸鹽氮入湖量）；②大氣沉降（包括硝酸鹽氮沉降）；③出流（包括藻類活體氮出湖量、顆粒有機(jī)氮出湖量、溶解態(tài)有機(jī)氮出湖量、氨氮出湖量、硝酸鹽／亞硝酸鹽出湖量）；④內(nèi)源（包括氨氮底泥交換通量、硝酸鹽氮底泥交換通量）；⑤沉降（包括藻類活體氮沉降量和顆粒有機(jī)氮沉降量）；⑥反硝化過(guò)程和固氮.磷循環(huán)各個(gè)過(guò)程通量考慮以下過(guò)程：①流域輸入（包括藻類活體磷入湖量、顆粒有機(jī)磷入湖量、溶解態(tài)有機(jī)磷入湖量、正磷酸鹽入湖量）；②大氣沉降（包括正磷酸鹽沉降組分）；③出流（包括藻類活體磷出湖量、顆粒有機(jī)磷出湖量、溶解態(tài)有機(jī)磷出湖量、正磷酸鹽出湖量）；④內(nèi)源（包括正磷酸鹽底泥交換通量）；⑤沉降（包括藻類活體磷沉降量、顆粒有機(jī)磷沉降量、正磷酸鹽沉降量）.上述過(guò)程的主要通量計(jì)算方程如下：

②詠物言志類。據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，《卜算子》中雖沒(méi)有寫盡繁花，但所寫之花的種類也不在少數(shù)，達(dá)11種之多。其中，寫梅的作品便有37首，其中姜夔有詠梅八首。另直接標(biāo)有“詠梅”題目者，有陸游與朱淑真。在我國(guó)的傳統(tǒng)文化中，梅的凌寒獨(dú)放、堅(jiān)守本心為眾多讀書(shū)人所敬仰。陸游的《詠梅》即是如此，上闋寫盡梅花遭受的苦難，下闋借梅花吐露自己心中的愁緒——“無(wú)意苦爭(zhēng)春”。

流域輸入通量：

累積大氣沉降通量：

累積出流通量：

累積底泥-水體通量：

累積沉降通量：

累積反硝化通量：

累積固氮量：

式中，Q為入湖流量（m3／d），C為每條入湖河流中i組分的濃度（g／m3），Dd為干沉降（g／（m2·d）），Dw為濕沉降（g／（m2·d）），q為出流流量（m3／d），c為出流中i組分的濃度（g／m3），F(xiàn)b為i組分的底泥釋放速率（（g／（m2·d）），F(xiàn)s為i組分的沉降速率（g／（m2·d）），F(xiàn)dn為反硝化速率（g／（m3·d）），F(xiàn)Nfix為固氮速率（g／（m3·d））.需要注意的是，根據(jù)以上方程計(jì)算的氮、磷循環(huán)通量結(jié)果并不是瞬時(shí)通量結(jié)果，而是累積通量結(jié)果.為計(jì)算湖泊氮、磷循環(huán)通量和存量，模型以相同條件連續(xù)運(yùn)行5年以達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，取第5年結(jié)果計(jì)算湖泊氮、磷循環(huán)通量及存量.

2 研究結(jié)果

2.1 模型校驗(yàn)

模型校驗(yàn)是水質(zhì)模型構(gòu)建的核心步驟，目的是推算合理的參數(shù)化方案以實(shí)現(xiàn)模型對(duì)實(shí)際湖體過(guò)程的再現(xiàn)［25］.滇池模型的校驗(yàn)分2個(gè)步驟：水動(dòng)力模型的校驗(yàn)、水質(zhì)模型校驗(yàn)；其中水動(dòng)力模型以水位和溫度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)模型校驗(yàn)以滇池外海8個(gè)國(guó)家常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要校準(zhǔn)溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、NH3-N、葉綠素a（Chl.a）濃度等.由于本文采用的是前期經(jīng)過(guò)校正和驗(yàn)證的模型，限于篇幅，其校正和驗(yàn)證在此不再贅述，具體結(jié)果請(qǐng)參閱相關(guān)文獻(xiàn)［23］.由校正和驗(yàn)證結(jié)果可知［23］，TN、TP和Chl.a的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，RMSE分別為0.619、0.064和0.040 mg／L，模型能夠較為真實(shí)反映湖體物理、化學(xué)和生物過(guò)程的變化.校核后的模型參數(shù)取值如下：水體最大硝化反應(yīng)速率為0.05 d-1，參照溫度是25℃，溫度效應(yīng)系數(shù)為0.045；反硝化速率為0.06 d-1；有機(jī)氮礦化速率為0.05 d-1，有機(jī)磷礦化速率為0.04 d-1，有機(jī)碳為0.06 d-1，礦化速率溫度修正系數(shù)為0.069；顆粒營(yíng)養(yǎng)鹽沉降速率為0.1 m／d；藍(lán)藻、硅藻和綠藻生長(zhǎng)速率分別為1.35、2.5和1.9 d-1.底泥通量采用底泥成巖模塊計(jì)算，主要參數(shù)為：G1類有機(jī)物降解速率為0.015 d-1，G2類為0.001 d-1，G3類為0，溫度修正系數(shù)為1.09；底泥硝化最佳反應(yīng)速率為0.09 d-1.

2.2 滇池營(yíng)養(yǎng)鹽通量存量平衡核算

在模型校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)滇池不同形態(tài)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的存量及主要源匯過(guò)程的通量進(jìn)行計(jì)算（圖2）.由結(jié)果可知，氨氮、硝態(tài)氮和有機(jī)氮之間存在明顯的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系和季節(jié)特征；磷酸鹽是磷元素各個(gè)組分中存量最大的組分，呈現(xiàn)明顯的夏季增加、冬季減少的趨勢(shì).氮、磷的底泥釋放也存在明顯的季節(jié)變化，其釋放通量都表現(xiàn)為夏季較大、冬季較低的規(guī)律，其中氨氮和磷酸鹽在冬季為負(fù)值，即底泥的吸收過(guò)程.反硝化的季節(jié)特征與其他過(guò)程不同，7月之前的反硝化通量明顯小于之后的反硝化通量.

2.3 關(guān)鍵源匯過(guò)程識(shí)別

表1匯總了2003年滇池湖體氮、磷循環(huán)各個(gè)過(guò)程通量的年均值，以TN和TP計(jì)，滇池TN的年總輸入量為7620.92 t，總輸出量為7637.31 t；TP的年總輸入量為450.23 t，總輸出量為429.57 t.對(duì)于氮而言，貢獻(xiàn)最大的源過(guò)程是陸域流入過(guò)程，占總流入的67.76%，其次是底泥釋放過(guò)程，氨氮和硝態(tài)氮共占29.04%，大氣沉降和固氮作用共占3.2%.氮的去除過(guò)程則主要為反硝化和沉降，共占總?cè)コ康?5.5%，其中反硝化48.99%，沉降為46.51%.對(duì)于磷而言，陸域流入過(guò)程占總流入量的79.77%，其次是磷酸鹽底泥釋放作用，為18.3%.磷去除則主要為沉降作用，其中顆粒態(tài)磷沉降占62.77%，藻類沉降占27.87%.

圖2 氮存量（a）、磷存量（b）、氮底泥釋放速率（c）、磷酸鹽底泥釋放速率（d）和反硝化速率（e）變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of N amount（a），P amount（b）sediment release flux of N（c）sediment release flux of P（d）and denitrification flux（e）

3 討論

3.1 數(shù)值模擬與基于監(jiān)測(cè)的通量核算結(jié)果的差異

首先需要明確的是本文中的營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量平衡關(guān)系是基于三維復(fù)雜水動(dòng)力-水質(zhì)模型的模擬結(jié)果，是對(duì)全湖所有網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值積分所得到的.這不同于一般的營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量平衡分析方法，一般意義上的營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量分析方法是基于有限的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的，在空間上并不能做到與三維模型模擬結(jié)果一樣細(xì)致，這也就導(dǎo)致2種方法所計(jì)算的營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量平衡會(huì)有一定的差異［22］.雖然營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量平衡分析在更大的程度上是一種估算，并不要求觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間水平和垂直分布，但對(duì)于面積較大或深度較大的湖泊而言，會(huì)造成結(jié)果的明顯偏差.而如果借助于三維復(fù)雜水質(zhì)模型，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)全湖各個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行積分后再計(jì)算營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量平衡關(guān)系就會(huì)避免不必要的偏差.以滇池為例，根據(jù)對(duì)8個(gè)湖體常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，計(jì)算滇池TP存量為231.4 t，TN存量為3076 t；而通過(guò)水動(dòng)力-水質(zhì)模型計(jì)算可知，滇池的TP和TN存量分別為350.2和2525.4 t，二者之間均有較大的差異，計(jì)算結(jié)果TP偏高、TN略低.由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法可知，所檢測(cè)的樣品均取自水面下0.5 m，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要表征的是表層水體的水質(zhì)狀態(tài).對(duì)于滇池而言，特別是磷元素，其主要來(lái)源之一是底泥中磷酸鹽的釋放，這會(huì)造成湖體磷酸鹽形成自下而上的濃度梯度［26-28］.這種湖體垂向濃度梯度的存在會(huì)導(dǎo)致在只用表層水質(zhì)數(shù)據(jù)估算營(yíng)養(yǎng)鹽通量平衡時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)性誤差（圖3）.除此之外，考慮到湖泊復(fù)雜的水動(dòng)力條件以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的分布并不能完全代表全湖的空間差異，這也會(huì)在估算時(shí)造成一定的誤差.相比而言，基于三維水質(zhì)模型的營(yíng)養(yǎng)鹽通量平衡計(jì)算則會(huì)涉及到全湖所有已劃分的網(wǎng)格，在模型已校準(zhǔn)的情況下，比傳統(tǒng)的估算方法更為精確，且能提供更為詳細(xì)的通量結(jié)果.

圖3 滇池B6站點(diǎn)不同深度的磷酸鹽和氨氮濃度變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trends of phosphate and ammonia concentrations with different depths at site B6 in Lake Dianchi

表1 滇池氮、磷年存量和通量的平衡關(guān)系Tab.1 N and P storage and cycling fluxes in Lake Dianchi

3.2 滇池氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽存量變化

對(duì)湖體內(nèi)氮、磷元素的存量分析可知，不同形態(tài)的氮或磷在時(shí)間和通量上的變化趨勢(shì)各異，具體表現(xiàn)在：

①氨氮和硝態(tài)氮的變化趨勢(shì)不同步.在春季，溶解氧濃度相對(duì)較高，隨著氨氮濃度的降低，硝態(tài)氮濃度經(jīng)歷了先升高后降低的過(guò)程，這主要是因?yàn)樵谟醒醐h(huán)境下氨氮通過(guò)硝化作用可以生成硝態(tài)氮.而夏季由于藻類的大量生長(zhǎng)甚至暴發(fā)，水體中溶解氧濃度降低，硝態(tài)氮會(huì)通過(guò)反硝化作用生成氮?dú)庖莩龊w［29-30］.在7月中下旬藻類暴發(fā)后，反硝化作用顯著增強(qiáng)（圖2e），同時(shí)缺氧環(huán)境也抑制了硝化作用，促進(jìn)了底泥釋放氨氮的過(guò)程，所以硝態(tài)氮在夏季保持較低濃度，而氨氮由于底泥釋放作用和藻類吸收的共同作用會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng).秋、冬季則由于藻類生物量降低，水體溶解氧濃度升高會(huì)使水體內(nèi)氨氮和硝態(tài)氮濃度逐漸升高.

②水體中顆粒態(tài)有機(jī)氮和溶解態(tài)有機(jī)氮濃度比例在1∶5左右，且變化趨勢(shì)大致相同，這符合湖沼學(xué)基本定律中的描述［31］.但是有機(jī)氮和氨氮隨時(shí)間的變化趨勢(shì)差異非常明顯，這表明有機(jī)氮的礦化過(guò)程受水體DO、pH和微生物活性的影響較大，有明顯的季節(jié)變化，主要表現(xiàn)為春、冬季礦化速率較高，夏季礦化速率較低.夏季氨氮的來(lái)源主要為外源輸入和內(nèi)源底泥釋放，多種因素的共同作用導(dǎo)致了滇池水體氨氮濃度隨季節(jié)的復(fù)雜變化趨勢(shì)［32-33］.

3.3 氮、磷內(nèi)源釋放的貢獻(xiàn)及變化

湖體內(nèi)氮、磷底泥釋放和沉降通量是研究關(guān)注的重點(diǎn).氨氮和磷酸鹽的底泥釋放過(guò)程有明顯的季節(jié)特征，夏季表現(xiàn)為釋放，冬季則會(huì)表現(xiàn)為吸收.造成這種現(xiàn)象的主要因素除風(fēng)力擾動(dòng)外，最為主要的是底泥氧化還原條件的改變.在缺氧條件下，底泥對(duì)氨氮和磷酸鹽的吸附效率降低，從而促進(jìn)了氨氮和磷酸鹽的底泥釋放作用［17，27，34］.綜合考慮顆粒態(tài)有機(jī)氮的沉降和氨氮、硝態(tài)氮的底泥釋放作用可得出，氮的水體-底泥界面交換過(guò)程對(duì)氮循環(huán)總體的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為釋放，釋放量為237.6 t／a.而磷的水體-底泥界面交換過(guò)程與氮不同，該過(guò)程對(duì)磷循環(huán)總體的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為沉降，沉降量為173.9 t／a.但需要注意的是，底泥磷酸鹽的釋放隨季節(jié)變化非常大，在藻類暴發(fā)期間表現(xiàn)為強(qiáng)烈的釋放作用，日最大值已達(dá)到24.2 t／d，是湖體中磷酸鹽的主要來(lái)源之一［35-36］.對(duì)比之前針對(duì)滇池底泥氮、磷內(nèi)源釋放的研究發(fā)現(xiàn)，利用模擬實(shí)驗(yàn)的方法計(jì)算氨氮底泥釋放量約為1394.1～6542.2 t／a，磷酸鹽的底泥釋放量約為74.9～380.2 t／a；本文模型結(jié)果中氮、磷的底泥釋放量分別為2213.05和82.39 t／a，模型結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果范圍基本吻合［37-38］.氮、磷元素間的上述差異主要與其化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，磷循環(huán)屬于沉積態(tài)循環(huán)，其沉降到湖底的磷會(huì)經(jīng)過(guò)沉積成巖過(guò)程被永久的埋藏在湖底；而氮的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)活潑，其沉降到湖底的主要為有機(jī)殘?bào)w，經(jīng)微生物分解后會(huì)主要以氨氮的形式再次釋放到水體，使湖體氮濃度維持在較高的水平.通過(guò)對(duì)滇池氮、磷元素化學(xué)性質(zhì)以及關(guān)鍵源匯過(guò)程通量的分析，可以為滇池富營(yíng)養(yǎng)化的治理提供理論和決策支持.

4 結(jié)論

以IWIND-LR為計(jì)算平臺(tái)，核算了滇池外海氮、磷循環(huán)通量及其在氮、磷循環(huán)整體中的貢獻(xiàn).研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)三維數(shù)值模型計(jì)算湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽存量和關(guān)鍵過(guò)程通量以及質(zhì)量平衡關(guān)系相較于傳統(tǒng)的質(zhì)量平衡方法更為詳細(xì)，且可計(jì)算反硝化、底泥釋放等很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定的過(guò)程.其中，對(duì)于2003年滇池TN的年總輸入量為7620.92 t，總輸出量為7637.31 t；TP的年總輸入量為450.23 t，總輸出量為429.57 t.沉降和反硝化則是主要的氮、磷去除途徑，反硝化占總氮去除量的48.99%，沉降占總磷去除量的62.77%.必須注意的是，上述的結(jié)果并不能推廣為滇池長(zhǎng)期的趨勢(shì).今后的研究將集中在2個(gè)方面：①通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)模型所涉及的關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)進(jìn)行測(cè)定和核實(shí)，減少模型結(jié)果的不確定性和可能存在的異參同效；②對(duì)滇池進(jìn)行更長(zhǎng)期的模擬，分析不同水文氣象條件和流域負(fù)荷條件下的營(yíng)養(yǎng)鹽平衡和通量，為滇池富營(yíng)養(yǎng)化控制提供更扎實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持.

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Nutrient cycling flux of Lake Dianchi：A three-dimensional water quality modelling approach

ZOU Rui1，3，WU Zhen2，ZHAO Lei1，CHEN Yihui1，YU Yanhong1＆LIU Yong2??
（1：Yunnan Key Laboratory ofPollution Process and Management ofPlateau Lake-Watershed，Kunming 650034，P.R.China）
（2：College ofEnvironmental Science and Engineering，The Key Laboratory ofWater and Sediment SciencesMinistry ofEducation，Peking University，Beijing 100871，P.R.China）
（3：Tetra Tech，Inc.10306 Eaton Place，Ste 340，F(xiàn)airfax，VA 22030，USA）

Nutrient cycling flux in lakes is an important indicator tomeasure the lake trophic state aswell as an essential approach to explore eutrophicationmechanisms.Key processes of nutrient cycling can be identified by calculating nutrient cycling fluxes and mass balance analysis.In this study，IWIND-LR，a 3D hydrodynamic and water qualitymodel，was used to simulate nutrient cycling of lakes in this study.The nutrient cycling fluxeswere calculated based on themodel results to define the contributions and patterns of nutrient sourceand sink processes.Lake Dianchi in the Yunnan Plateau isone of themostseverely polluted lakes in China. It is a semi-closed lake and provides a stable environment for research.Themodel results demonstrated that，IWIND-LR performed well in Lake Dianchi.The input and output of total nitrogen in Lake Dianchiwas 7620.92 t and 7637.31 t respectively in 2003；while 450.23 t and 429.57 t for total phosphorus.The exogenous loading contributedmostof the inputof nitrogen and phosphorus，while denitrification and sedimentation were themajor outputs of Lake Dianchi.

Nutrient cycling；flux；mass balance；Three-Dimensional Modeling；Lake Dianchi

DOI 10.18307／2017.0405

?2017 by Journal of Lake Sciences

?國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目（2015CB458900）和云南省高原湖泊流域污染過(guò)程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)基金（2015）聯(lián)合資助.2016-03-25收稿；2016-10-12收修改稿.鄒銳（1968～），男，博士，研究員；E-mail：rz5q2008＠gmail.com.

??通信作者；E-mail：yongliu＠pku.edu.cn.