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《长江中游牛轭湖群湖底地下水排泄及其水环境效应》以长江中游荆江段牛轭湖群为典型研究区，系统研究不同时空尺度上地下水向湖泊排泄的水文过程及其对湖泊富营养化的影响。《长江中游牛轭湖群湖底地下水排泄及其水环境效应》结合现场调查、物探钻探、水位监测、多元环境示踪剂示踪、放射性同位素质量平衡模型、遥感解译等手段，量化不同空间尺度下地下水向湖泊排泄的空间变异性并识别其控制因素，识别年际长时间尺度和月际短时间尺度上地下水向湖泊排泄的时间变异性并揭示其控制机制，评估不同时空尺度下地下水携带营养盐输入及其湖泊水环境效应。《长江中游牛轭湖群湖底地下水排泄及其水环境效应》在理论分析与技术方法上均有所创新，取得的认识可为河湖湿地水资源管理与水质保护提供新的思路与参考。
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目录第1章 地下水排泄在湖泊水量与水质中的研究进展 11.1 背景与意义 11.1.1 研究背景 11.1.2 研究意义 21.2 国内外研究进展 31.2.1 LGD的研究概述 31.2.2 LGD的时空变异性 61.2.3 LGD的表征量化方法 81.2.4 长江中游平原湖泊水资源和水环境的研究进展 121.3 存在的科学问题 131.4 本书研究思路与内容 141.4.1 研究思路 141.4.2 研究内容 14第2章 研究区域与研究方法 162.1 研究区域概况 162.1.1 地理位置 162.1.2 地形地貌 172.1.3 气象水文 182.1.4 地质构造 202.1.5 地层岩性 222.1.6 水文地质 232.2 研究方法 282.2.1 野外样品采集 282.2.2 数据测量、分析与获取 322.2.3 222Rn质量平衡模型 382.2.4 湖水氮磷输入量化 412.2.5 湖沟面补给率 432.2.6 湖泊表面温度反演 432.2.7 数理统计方法 45第3章 牛轭湖群大空间尺度下湖底地下水排泄的空间变异性 493.1 多重证据对LGD的表征 503.1.1 地下水位和湖水位 503.1.2 湖水222Rn活度与野外现象 513.1.3 氢氧同位素 523.1.4 EC和Ca2？ 533.2 222Rn质量平衡模型对湖泊群LGD的量化 563.2.1 222Rn质量平衡模型的源、汇项计算 563.2.2 LGD速率的量化 583.3 多重证据对湖泊群地下水排泄空间变异性的佐证 613.4 222Rn质量平衡模型的参数敏感性分析 623.5 湖泊群地下水排泄空间变异性的影响因素 653.6 本章小结 67第4章 典型牛轭湖小空间尺度下湖底地下水排泄的空间变异性 694.1 湖泊表面温度的解译 704.2 地下水与湖泊表面温度关系的识别 714.3 湖泊表面水体222Rn活度的反演 744.3.1 湖水222Rn活度与湖泊表面温度相关性的分区 744.3.2 湖水222Rn活度与湖泊表面温度的模型构建 764.3.3 基于数学模型的湖水222Rn活度的反演 794.4 LGD的网格化量化 794.4.1 源、汇项的网格化计算 794.4.2 地下水流元的选取 844.4.3 LGD的网格化计算 894.4.4 LGD速率空间分布的刻画 914.5 参数敏感性分析与结果不确定性评估 914.5.1 222Rn质量平衡模型的参数敏感性分析 914.5.2 222Rn质量平衡模型的不确定度计算 934.6 222Rn与湖泊表面温度耦合在LGD空间变异性量化中的限制 944.7 本章小结 95第5章 二十年长时间尺度下牛轭湖群湖底地下水排泄的时间变异性 975.1 湖泊水循环模式识别 995.1.1 天鹅洲和八尺口 1005.1.2 黑瓦屋和上车湾 1025.2 222Rn质量平衡模型对湖泊群LGD的多期次量化 1025.2.1 各年份不同湖泊各类水体的222Rn活度 1025.2.2 LGD速率的计算 1035.3 气象水文对LGD速率预测模型的构建 1065.3.1 LGD速率影响因子的识别 1065.3.2 LGD速率影响因子的计算 1075.3.3 多元线性回归模型的构建 1145.4 LGD速率模拟及不确定性评估 1195.4.1 2000～2022年牛轭湖群LGD速率模拟 1195.4.2 2000～2022年LGD速率的不确定度评估 1265.5 未来LGD速率的趋势预测 1265.6 本章小结 129第6章 季节性短时间尺度下典型湖泊湖底地下水排泄的时间变异性 1306.1 LGD时间变异性的定性表征 1316.1.1 地下水位和湖泊水位 1316.1.2 氢氧同位素 1336.1.3 222Rn活度 1356.2 LGD时间变异性的量化 1366.3 降水和蒸发对LGD速率季节性变化的控制 1416.3.1 降水和蒸发与LGD速率的关系 1416.3.2 降水和蒸发与LGD速率季节性变化的关系 1436.4 本章小结 145第7章 不同时空尺度下牛轭湖群湖底地下水排泄携带营养盐负荷及其水环境效应 1477.1 大空间尺度下牛轭湖群LGD携带营养盐负荷的空间变异性 1477.1.1 牛轭湖群LGD携带氮磷负荷的量化及其空间变异性 1477.1.2 LGD携带氮磷的空间差异性对牛轭湖群水环境的影响 1507.2 小空间尺度下典型牛轭湖区LGD携带营养盐负荷的空间变异性 1527.2.1 典型牛轭湖LGD携带氮磷负荷的量化及其空间变异性 1527.2.2 LGD携带氮磷的空间变异性对湖泊水环境的影响 1567.3 二十年长时间尺度下牛轭湖群LGD携带营养盐负荷的时间变异性 1597.3.1 年际尺度下LGD向牛轭湖群输入氮磷负荷的量化 1597.3.2 LGD携带氮磷的年际变异性对牛轭湖群水环境的影响 1617.4 季节性时间尺度下典型牛轭湖区LGD携带营养盐负荷的时间变异性 1637.4.1 月际尺度下LGD向典型牛轭湖输入氮磷负荷的量化 1637.4.2 LGD携带氮磷的季节性变化对湖泊水环境的影响 1687.5 本章小结 171参考文献 173
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第1章地下水排泄在湖泊水量与水质中的研究进展 1.1背景与意义 1.1.1研究背景 湖泊作为一种重要的陆地湿地生态系统，具有调节流域水资源、净化污染物及提供生物栖息地等功能（Cheng，2020;Vincon-Leite and Casenave，2019;Likens，2010;Adrian et al.，2009;Karlsson et al.，2009;Zedler and Kercher，2005;Schindler and Scheuerell，2002;Rogers and Dreiss，1995）。由于过量的氮（N）、磷（P）输入（秦伯强等，2013），湖泊富营养化已成为当前全球普遍存在且十分严重的生态环境问题（Pan et al，2023;Qin et al，2023;Bhagowati and Ahamad，2019），不仅导致水生生态系统失衡，还直接威胁供水安全。在全球范围内，约63%的湖泊处于富营养化状态（Wang et al，2018）。通常认为，湖泊中高负荷的氮、磷主要源于人类活动污染的河流沟渠等点源输入或农业活动的面源输入。然而，地下水与湖泊是一个统一的系统，当地下水位高于湖泊水位时，地下水会向湖泊排泄，称为湖底地下水排泄（lacustrine groundwater discharge，LGD）。LGD不仅向湖泊输入水量，还向湖泊输入氮磷。相对于营养盐向湖泊的点源和面源输入，地下水难以直接观测，因此LGD携带的营养盐输入对湖泊富营养化的影响长期以来被严重忽视（Rosenberry and Winter，2009）。 随着近年来研究技术方法的不断更新与发展，地下水在湖泊水均衡和营养盐均衡中的贡献逐渐开始受到关注（Lew and owski et al，2024，2013;Shi et al.，2022;Vystavna et al.，2021;Rosenberry et al，2015;Stets et al.，2010）。研究发现，在入湖河流较少的湖泊，地下水对湖泊水量和营养盐均衡的作用十分重要（Knights et al，2017;Ozen et al，2010;Robertson et al.，2005）。在高寒区和干旱区，LGD在湖泊水量与营养盐均衡中甚至占据着主导作用。在湿润区，LGD对湖泊水量均衡的贡献可能不如高寒区和干旱区，但由于地下水携带的营养盐浓度往往很高，可使地下水输入的营养盐通量较高而对湖泊环境产生威胁（Lew and owski et al，2015;Meinikmann et al.，2015;Jarosiewicz and Witek，2014）。然而，由于湿润区湖泊水量较为丰富，地下水对湖泊水量与营养盐均衡的贡献更易被忽视，因此，目前对湿润区LGD的研究整体上较为薄弱。此外，湖泊群由多个*立的湖泊组成，其生态功能相比于单个湖泊更为重要，但目前对湿润区湖泊群LGD的研究尚未涉及。对湿润区湖泊群开展LGD研究，将有助于重新认识湖泊群水量和营养盐均衡，从而更有效地管理和保护湖泊生态系统的健康和稳定。 受地形地貌、气象水文、地质、水文地质以及地下水营养盐浓度等因素的影响，LGD及其携带营养盐通量往往呈现出高度的空间变异性（Wallace et al.，2020;Hare et al.，2017;Tecklenburg and Blume，2017;Meinikmann et al.，2015;Rosenberry et al.，2015;Blume et al.，2013）；受气候变化与人类活动的影响，LGD及其携带营养盐通量也会表现出强烈的时间变异性（Xiong et al.，2023;Rosenberry，2015;Sebok et al.，2013）。LGD及其携带营养盐通量时空变异性的定量化表征是当前地下水-湖泊相互作用研究领域的一大挑战，而这正是预测湖泊水环境状况并采取有效措施进行管理和调控的关键（Kazmierczak et al.，2020）。在区域湖泊群的空间尺度上，地形地貌、气象水文、水文地质、湖泊集水区面积及湖泊水深等因素的差异，可能导致湖泊群内不同湖泊之间的LGD存在差异，进而导致湖泊群内不同湖泊的水环境状况不同。在同一湖泊内，由于湖床渗透性、地形地貌、含水层性质等因素的空间差异，LGD也会呈现显著的空间变异性，进而影响湖泊水质的空间差异。然而，湖泊群和单个湖泊尺度上空间变异性的表征、量化及其控制因素识别一直是LGD研究中的一大难点，相关研究十分薄弱。在气候变化和人类活动的影响下，LGD会出现长时间序列（年际）的变异性和短时间序列（月际）的变异性。LGD随时间的变化控制着LGD携带营养盐输入的动态变化，刻画LGD的时间变异性是准确评估LGD对湖泊水量和营养盐动态收支平衡的重要前提。然而，无论是长时间序列还是短时间序列的LGD时间变异性，目前的研究都十分薄弱。 长江中游区域湖泊广泛分布，尤以江汉平原为甚（崔军丽，2021;邓宏兵，2004）。区内湖泊在农业灌溉、居民供水、洪涝灾害防范和生物多样性维持等方面发挥着重要作用。长江中游牛轭湖群是长江流域的重要湿地生态系统，分布着江豚和麋鹿等***自然保护区。加强对长江中游牛轭湖群的水资源管理对长江中游的水资源、水环境和水生态保护具有重要意义，因此对其水量均衡和营养盐均衡的准确认识十分关键。然而，以往对该区域的研究主要侧重野生动植物保护、土地利用类型、地下水水质及湖底沉积物重金属污染等方面，而对湖泊水循环和营养盐均衡的研究十分薄弱。此外，区内地形地貌、气象水文和水文地质等条件极为相似，湖泊的水文特征几乎只受长江调控，且近年来长江大保护工作的实施有效削减了人类活动导致的营养盐输入，是研究LGD及其营养盐输入时空变异性的极佳场地。 针对上述问题，本书以长江中游牛轭湖群为研究对象，量化不同空间尺度下LGD的空间变异性并识别其控制因素，识别年际长时间尺度和月际短时间尺度上LGD的时间变异性并揭示其控制机制，最终评估不同时空尺度下LGD携带营养盐输入及其水环境效应。 1.1.2研究意义 湖泊富营养化已成为当前全球普遍存在且十分严重的生态环境问题，不仅导致水生生态系统失衡，还直接威胁供水安全。从地下水的视角对湖泊水量和营养盐均衡进行研究能够对湖泊的水量和营养盐平衡有更全面且深入的认识。本书对长江中游牛轭湖群进行LGD及携带营养盐负荷的量化研究，旨在识别湖泊群尺度和单个湖泊尺度下LGD的空间变化特征及主控因素，为湖泊营养盐来源确定关键靶区；揭示年际尺度和月际尺度下LGD的时间变化规律及影响因子，为湖泊营养盐来源确定关键时段；评估地下水携带的营养盐负荷对湖泊的营养盐贡献及水环境效应，为湖泊水资源的管理与水环境的保护提供更有力的理论支撑。 本书研究具有重要的理论意义和实际意义。 理论意义：以长江中游牛轭湖群为例，开展湿润区典型湖泊的LGD及其携带营养盐通量研究，并识别不同时空尺度下LGD的时空变化特征及其控制机制，可丰富与LGD相关的湖泊水循环理论和认识。 实际意义：从地下水的角度出发，研究LGD对牛轭湖群营养盐均衡的贡献及其水环境效应，可提升对江汉湖群水循环和营养盐循环的认识，为湖泊富营养化治理提供理论支撑，为长江中游乃至长江流域的水资源管理和水环境保护提供科学支撑，服务于流域水安全与生态健康。 1.2国内外研究进展 1.2.1LGD的研究概述 1.LGD的概念及研究进展 LGD是地下水与湖水之间的一种交换模式，是指在地下水位高于湖水位时，在水头差的作用下地下水向与地下含水层有水力联系的湖泊排泄的过程（王焰新等，2022）。地下水向湖泊排泄不仅向湖泊输入水量，同时也会输入地下水中的氮磷。对于湖泊而言，其水量和氮磷源汇关系见图1.1。 LGD的研究*早可以追溯到20世纪60年代，主要关注数学理论推导（Bindeman，1961）。由于LGD的隐蔽性、探测技术限制以及不同领域关注重点不统一等问题，早期的研究对LGD关注较少。直到20世纪90年代初，随着各类探测技术的发展，尤其是稳定氢氧同位素和电导率的应用，开始出现了少量LGD领域的研究，但主要关注小型湖泊较为简单的水量问题（Harvey et al.，2020;Space et al，1991;Frape and Patterson，1981）。20世纪90年代末，放射性氢（222Rn）同位素*次用于LGD的量化研究（Corbett et al，1997），为21世纪以来的广泛应用奠定了基础。伴随着湖泊富营养化问题，LGD相关的研究于2010年后逐渐成为水资源水环境领域的研究热点（Dugan et al，2012;Holman et al，2010），并于2015年后，相关研究数量呈现爆发性增长（图1.2和图1.3）。时至今日，LGD一直是水资源与水环境领域的研究热点。 尽管全球范围内对LGD的研究实例越来越多，但是不同国家之间的研究程度差异很大。LGD研究在欧美等发达国家率先开展，因此其在欧美地区的研究程度较高，而在其他区域研究程度相对较低。例如，在北美地区，相关研究在美国的西部高原（Gurrieri and Furniss，2004）、佛罗里达半岛（Dimova et al.，2013）、阿拉斯加北极寒冷区以及加拿大等地区（Dabrowski et al.，2020;Kidmose et al.，2013;Schmidt et al.，2010）已有开展；在欧洲，相关研究主要集中在德国和丹麦等国家（Petermann et al.，2018;Meinikmann et al.，2015）；也有少部分研究于东南亚、非洲等地开展（Kebede et al.，2019;Burnett et al，2017）。在国内，关于LGD的研究成果在2015年之后才陆续被报道，研究区域多为青藏高原、西北内陆盆地、沙漠及半干旱地区的湖泊（Gu et al.，2024;Ren et al.，2024;何炳毅，2022;Kong et al.，2019;Luo et al.，2018，2016）。近年来，在长江中下游区域的鄱阳湖、洞庭湖和太湖（Shi et al.，2022;Sun et al.，2021b;Liao et al.，2018），淮河流域的云龙湖、洪泽湖和采煤沉陷湖（Jiang et al.，2023;Xiong et al.，2023;Yang et al.，2020）以及广西喀斯特地区湿地（李煜鑫，2023），相继开展了不同程度的LGD研究。在全球已开展LGD研究的近100个湖泊中，其LGD速率呈现出高度差异，范围跨越2个数量级，其中，LGD速率小于5cm/d的约占82%，LGD强度大于10cm/d的约占14%（王焰新等，2022）。 2.LGD输入营养盐与湖泊水环境 地下水除了向湖泊输入水量之外，地下水中携带的营养盐也会随该过程进入湖泊而成为湖泊营养盐的一个重要来源（Lew and owski et al.，2015;Rosenberry et al.，2015）。随地下水进入湖泊的氮、磷会使湖泊营养程度加剧，促进藻类和水生生物的生长，湖泊水质恶化，导致水生生物的稳定性和多样性降低。地下水对湖泊营养盐均衡的贡献取决于LGD速率和地下水营养盐浓度。大量研究表明，LGD对湖泊的营养盐均衡有着重要贡献（Knights et al，2017;Ozen et al.，2010;Robertson et al.，2005）。例如，在德国阿伦德塞（Arendsee）湖，LGD输入的磷负荷占总入湖负荷的50%以上（Meinikmann et al，2015）；我国太湖LGD输入的氮负荷占外源输入的68.2%，输入的磷负荷占外源输入的63.2%（Shi et al.，2022）。即使LGD
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