【摘要】：湖泊是最重要的淡水資源之一,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到極為重要的作用。作為我國(guó)八大淡水湖之一的烏梁素海湖泊,是全球范圍內(nèi)半荒漠地區(qū)極為少見的具有很高生態(tài)效益的大型多功能湖泊。但是由于近年來氣候變化和人類活動(dòng)的干擾,使得烏梁素海污染日益嚴(yán)重,引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注,并開展了大量的研究。但這些研究大都在湖泊非冰封期進(jìn)行的,而烏梁素海地處高緯度地區(qū),冰封時(shí)間長(zhǎng),其污染特征必將有別于其他湖泊。該研究以烏梁素海為研究對(duì)象,緊扣烏梁素海冰封期長(zhǎng)的特點(diǎn),在對(duì)湖泊結(jié)冰過程中氣象、水文等要素觀測(cè)的基礎(chǔ)上,研究湖泊結(jié)冰過程中污染物的遷移機(jī)理、效應(yīng)及其在牧區(qū)飲水安全中的應(yīng)用,得出如下結(jié)論： (1)研制了用于現(xiàn)場(chǎng)采集冰芯、水樣和沉積物的成套儀器和室內(nèi)模擬裝置。在綜合現(xiàn)有的采樣方法的基礎(chǔ)上,論述該套儀器的適應(yīng)性和可行性：冰芯采集器采樣方便,解決了進(jìn)口采樣器價(jià)格昂貴的“瓶頸”問題；水樣和沉積物采集器配合冰芯采集器使用,可以采集湖泊冰-水界面等各部位的水樣和無擾動(dòng)的柱狀沉積物。 (2)通過分析野外觀測(cè)數(shù)據(jù)可知：氣溫對(duì)冰下水溫的影響不明顯,而冰溫隨著氣溫的升高也有較明顯的升高,且其隨著冰層深度的增加溫度逐漸升高；運(yùn)用朱波夫半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅磉_(dá)式FDD=0.002T2.0.2251T可以較好地描述負(fù)累積溫度和冰厚度間的關(guān)系；湖冰生長(zhǎng)期冰密度變化不明顯,在消融期,冰密度隨深度的增加有增大的趨勢(shì)；隨著冰的生長(zhǎng),冰體的層理結(jié)構(gòu)逐漸變化；湖面水深及冰厚有呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)為0.53；烏梁素海冰封期冰下水體幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。 (3)通過采集冰生長(zhǎng)過程中不同冰厚度不同位置的冰樣和水樣,分析其污染物的含量,從結(jié)晶學(xué)理論和熱力學(xué)理論角度探討各結(jié)冰過程中污染物的遷移機(jī)理。 繪制了TDS分布輪廓線,定性和定量地闡述結(jié)冰過程中TDS在冰-水-沉積物體系間的遷移機(jī)理和過程。結(jié)果表明,在冰生長(zhǎng)過程,約有80%的TDS由冰層遷移至水層；在冰層內(nèi)部,TDS的遷移只發(fā)生在冰的生長(zhǎng)初期,而后幾乎不再遷移：湖冰中TDS的含量隨著冰厚度的增加而降低,兩者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系；在冰下水體內(nèi)部,在濃度差的作用下,TDS由冰-水界面向水體遷移直至達(dá)到平衡：在水和沉積物之間,約有60440950kg(約為冰水遷移量的16.78%)的TDS由水體遷移至沉積物；冰-水界面和水-沉積物界面TDS的遷移通量與冰生長(zhǎng)率之間呈較好的線性正相關(guān)關(guān)系。 通過繪制pH值的輪廓線研究了結(jié)冰過程中pH值的變化。結(jié)果表明,由于碳酸鹽體系對(duì)水體PH值得緩沖作用,導(dǎo)致在冰生長(zhǎng)過程中pH值并沒有明顯的變化規(guī)律,即不能用湖冰的排TDS機(jī)理來解釋pH值的變化。 通過分析不同采樣時(shí)間的上、中、下層冰及冰-水界面水、中層水、水-沉積物界面水中各形態(tài)氮、磷、葉綠素a, COD和BOD5的時(shí)空變化曲線,探討各污染物在冰生長(zhǎng)過程中的遷移機(jī)理。結(jié)果表明：冰生長(zhǎng)過程對(duì)各污染物有不同的排斥效應(yīng),冰下污染物的濃度隨著冰厚的增加而升高。冰下水體中TN、NO3-、NO2-、NH4+的濃度分別是對(duì)應(yīng)冰體中的2.06、1.77、1.26、2.35倍；冰-水界面水中各形態(tài)氮的含量高于中層水、水-沉積物界面水中的,而中層水和水-沉積物界面水中各形態(tài)氮的含量相差不大；上層冰體各形態(tài)氮的含量高于中、下層冰體的,兩者的差值隨著冰厚的增加而減小,表明各形態(tài)氮在冰體內(nèi)部發(fā)生了遷移。冰下水體中TP、DTP、PO43-的濃度分別是對(duì)應(yīng)冰體中的1.50、1.57、1.82倍。冰下水體中葉綠素a的濃度是對(duì)應(yīng)冰體中的1.64倍；冰-水界面水中葉綠素a的含量明顯高于中層水、水-沉積物界面水中的；冰體中葉綠素a與TN、TP的變化并沒有明顯規(guī)律,而水體中三者變化規(guī)律基本一致。 湖冰對(duì)有機(jī)物的排斥效應(yīng)明顯高于其對(duì)無機(jī)物的。冰下水體中COD是其對(duì)應(yīng)冰體中的3.13倍：中層冰的COD均值略高于上、下層冰體的,水體的沉淀作用使得水體中的COD由上至下逐漸升高。冰下水體中BOD5是其對(duì)應(yīng)冰體中的3.24倍；下層冰的BOD5均值略高于上、中層冰體的,水-沉積物界面水的BOD5高于中層和水-沉積物界面水的。冰下水體的PBOD5/PCOD高于冰融水的,表明冰下水體的可生化性較高；不同采樣時(shí)間和不同采樣位置上COD與BOD5均呈較好的正相關(guān)關(guān)系。 (4)運(yùn)用分形理論對(duì)烏梁素海湖泊結(jié)冰前、后的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià),以探討結(jié)冰過程的環(huán)境效應(yīng)。結(jié)果表明,烏梁素海湖泊各采樣點(diǎn)結(jié)冰前水體、結(jié)冰后冰體和水體的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分別為富營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)和重富營(yíng)養(yǎng)；結(jié)冰過程使得湖泊水體的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)加重,而部分低營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水被凍結(jié)在冰體中。針對(duì)湖泊冰封期的污染特征提出了可行的底泥疏浚、冷凍濃縮等湖泊富營(yíng)養(yǎng)修復(fù)對(duì)策。 由于結(jié)冰過程中平衡分凝系數(shù)的不確定性,采用加權(quán)馬爾可夫鏈對(duì)結(jié)冰過程中冰下水體的TDS濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)。其預(yù)測(cè)精度較高,能夠滿足預(yù)測(cè)的要求,可為環(huán)保部門提前制定水環(huán)境保護(hù)措施提供數(shù)據(jù)參考。 (5)針對(duì)我國(guó)牧區(qū)存在的飲水安全隱患及牧區(qū)豐富的自然冷能、太陽(yáng)能和風(fēng)能的優(yōu)勢(shì)條件,提出將結(jié)冰過程中污染物的遷移機(jī)理應(yīng)用到牧區(qū)飲水中的構(gòu)想,設(shè)計(jì)了牧區(qū)飲用水的處理流程,并在考察室內(nèi)模擬方法可行性的基礎(chǔ)上,對(duì)流程中的冰厚、冷凍溫度、受冷面積與水深比、種冰的加入及冷凍級(jí)數(shù)等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。這可為保障牧區(qū)飲用水安全提供思路和參考。
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：X131.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2631362