3、劉永-基于數值模擬的湖泊水質水生態非線性響應行為識別（40頁）.pdf

1、1基于數值模擬的湖泊基于數值模擬的湖泊非線性響應識別非線性響應識別2018-10劉劉 永，梁中耀，張曉玲，鄒銳，郭懷成永，梁中耀，張曉玲，鄒銳，郭懷成北京大學環境科學與工程學院（PKUCESE）云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室第五屆中國水環境模型與智能決策研討會第五屆中國水環境模型與智能決策研討會玉溪玉溪 在大尺度流域分析和模擬的基礎上，以半封閉、交換周期長、高敏感的云南高原湖泊群為長期和持續定點研究對象 聚焦聚焦湖泊湖泊富營養化富營養化的驅動機制及流域優化調控決策的驅動機制及流域優化調控決策北京大學流域科學的研究內容北京大學流域科學的研究內容水位調控水位調控（人工人工）復合作用復合

2、作用響應響應-調控調控湖湖泊泊響響應應協同作用流域調控流域調控湖湖泊泊響響應應氮磷氮磷循環底泥交換藻類吸收死亡釋放降雨徑流源貢獻源貢獻流域流域調控調控氮磷氮磷循環循環固氮反硝化降雨降雨（自然自然）城鎮源農業源水土流失水位波動水位波動 我們的研究關鍵詞：我們的研究關鍵詞：智智能能流流域域管管理理因果響應調控智能流域管理決策的因果關聯與輸入-輸出響應模擬湖泊富營養化時空耦合分異特征與因果響應模擬v 流域決策的不確定性規劃模型v 流域智慧型決策之模擬-優化模型方法v 流域智慧型決策之適應性最優演化模型流域-水體因果關聯的集成網絡構建與模擬流域-水體響應模型參數估值及不確定性分析流域尺度流域尺度科學問

3、題科學問題：v流域流域-水體因果關聯響應及優化調控機制水體因果關聯響應及優化調控機制v變化環境下的流域水文、水質響應機理v流域生態系統健康及功能維系的驅動機制v流域生物地化循環的關鍵過程及因果關聯v流域恢復的關鍵途徑與適應性優化調控機制系統系統模型模型層次層次1精細精細模擬模擬層次層次2降尺度降尺度機理機理剖析剖析層次層次3重點重點過程過程科學問題科學問題科學問題科學問題研究內容研究內容研究內容研究內容流流域域綜綜合合決決策策技技術術優優化化集集成成單項集成評估流域負荷削減工程設計參數與效用函數庫湖泊內部工程設計參數與效用函數庫實驗設計與數據收集、示范工程、高精度數值模型v 水體水質、水生態改

4、善效果預評估v 工程技術實施費用-效益綜合評估v 流域最佳管理措施的精細化模擬-優化布局流域及湖泊污染控制工程效用-費用函數庫實驗設計與數據、示范工程、高精度跨尺度模型機機理理過過程程揭揭示示觀測模擬機理流域水環境野外觀測和遙感監測數據流域-水體生物地化循環關鍵響應過程觀測持久性有機污染物的湖泊多介質環境過程v 高營養負荷下水體穩態轉換的閾值與驅動機理v 流域輸入與底泥釋放的水體響應協同作用機理v 富營養化對持久性有機污染物傳遞的影響機理水體關鍵生態過程的驅動因子及機理實驗流域生物地化循環關鍵驅動因子及過程實驗持久性有機污染物的湖泊多介質環境行為模擬科學問題科學問題：v技術優化集成途徑與水體響

5、應因果關聯技術優化集成途徑與水體響應因果關聯v單項技術處理效率及環境對象響應機理v技術集成的時空尺度優化配置與評估v面向環境對象的技術集成優化途徑與水體響應局地尺度局地尺度科學問題科學問題：v流域流域-水體界面關鍵過程及耦合生態效應水體界面關鍵過程及耦合生態效應v不同氣象、水動力和生境條件下流域-水體界面關鍵過程v高營養負荷下水體低氧及穩態轉換的閾值、關鍵因素及邊界條件v持久性有機污染物的湖泊多介質環境行為局局地地最最優優控控制制過程尺度過程尺度過過程程機機理理驗驗證證北京大學流域科學的研究內容北京大學流域科學的研究內容1.湖泊恢復的非線性與時滯性特征湖泊恢復的非線性與時滯性特征2.系統彈性與

6、基于模型的擾動分析系統彈性與基于模型的擾動分析3.湖泊響應的非線性與時滯性表征湖泊響應的非線性與時滯性表征報告提綱報告提綱湖泊恢復的非線性和時滯性湖泊恢復的非線性和時滯性特征特征湖泊富營養化控制的成效與挑戰湖泊富營養化控制的成效與挑戰v問題：問題：過量氮(N)磷(P)輸入、水文波動氮磷累積、湖泊富營養化、低氧、水華爆發當前全球性的環境挑戰v基礎：基礎：流域流域營養物質輸移過程及湖泊湖泊水質與水生態響應 湖泊對流域水文干擾及營養湖泊對流域水文干擾及營養物質輸入的物質輸入的響應響應是否敏感是否敏感？如何基于湖泊富營養化響應如何基于湖泊富營養化響應來有效來有效調控調控流域的輸入流域的輸入？Sinha

7、,E.Science.2017響應響應調控調控流域流域全球湖泊富營養化的高敏感區域全球湖泊富營養化的高敏感區域流域干擾的湖泊響應機制流域干擾的湖泊響應機制及調控途徑及調控途徑湖泊是地表重要的自然環境要素，是營湖泊是地表重要的自然環境要素，是營養物質生物地化循環的介質養物質生物地化循環的介質湖泊富營養化控制的成效與挑戰湖泊富營養化控制的成效與挑戰Science,2007太湖太湖Science,2009:1014-1015;324:724-725;324:722-722 20072007年年20201 17 7年年湖泊富營養化控制的成效與挑戰湖泊富營養化控制的成效與挑戰 滇池：云貴高原代表性的重（

8、中）度富營養化淺水湖泊：半封閉特性：流入流出 嚴重的人為干擾 面臨挑戰：面臨挑戰：外源控制措施的效果分異性大外源控制措施的效果分異性大優先控制的營養鹽？湖泊氮磷循環過程的貢獻？氮磷與藻類的相互作用關系？改善非常明顯改善非常明顯改善較為明顯改善較為明顯改善不夠明顯改善不夠明顯湖泊富營養化控制的成效與挑戰湖泊富營養化控制的成效與挑戰v總量總量質量：質量：總量減排與湖泊水環境質量總量減排與湖泊水環境質量改善間的關聯并不十分明確（非線性）改善間的關聯并不十分明確（非線性）v時間時間時間：時間：負荷削減的起止時間負荷削減的起止時間湖體湖體存量減少的起止時間（時滯性）存量減少的起止時間（時滯性）但，流域水

9、環境治理普遍面臨的挑戰：但，流域水環境治理普遍面臨的挑戰：“十三五”期間：“十三五”期間：v流域內大的城市污水治理工程規模比流域內大的城市污水治理工程規模比前前2 2個五年計劃明顯減少個五年計劃明顯減少v“水十條”等上位政策及公眾對流域“水十條”等上位政策及公眾對流域水質目標管理的要求在提升水質目標管理的要求在提升如何客觀評估湖泊的狀態如何客觀評估湖泊的狀態?如何科學看待治理的成效如何科學看待治理的成效?如何理解湖泊的響應關系如何理解湖泊的響應關系?“水十條水十條”湖泊水質與水生態的進一步改善將更為艱湖泊水質與水生態的進一步改善將更為艱巨，需特別慎重考慮巨，需特別慎重考慮3個層面的問題：個層面

10、的問題：更精細的更精細的流域精準治污流域精準治污決策決策+更深入的更深入的湖泊響應機制湖泊響應機制分析分析+更科學的更科學的動態響應調度動態響應調度管理管理 風險風險:水質目標管理中水質改善預期與實際情況存在較大偏差的可能性 由于流域系統的復雜性，流域管理策略與流域系統響應間存在明顯的非線性、時滯性非線性、時滯性特征；流域污染負荷削減并不一定會帶來迅速和線性的水質改善效果流域污染減排的問題：流域污染減排的問題：總量減排目標與質量改善的關系不完全對應總量減排目標與質量改善的關系不完全對應Public AwarenessPublic AwarenessTheoretical TimeTheoret

11、ical Time-LagLagMeasured TimeMeasured Time-LagLag不確定性不確定性 風險風險風險：風險：總量控制與水質目標響應總量控制與水質目標響應不對應不對應緊緊迫迫性性前期研究：湖泊的非線性響應（長期效應）前期研究：湖泊的非線性響應（長期效應）0204060801001200.00.20.40.60.81.0Chl a(g/l)流域負荷削減率流域負荷削減率0.00.51.01.52.02.53.00.00.20.40.60.81.0TN(mg/l)TN 負荷削減率負荷削減率0.00.10.20.30.40.50.60.00.20.40.60.81.0TP(m

12、g/l)TP負荷削減率負荷削減率v湖泊水質改善與生態恢復不同步（Carvalho et al.,1995;Carpenter,2009;常鋒毅 劉永定，2009；Fernandes et al.,2012）v水質恢復目標與負荷削減的響應關系：水質恢復目標與負荷削減的響應關系：V類標準，54%的削減率；IV類標準，66%的削減率；III類標準，80%的削減率流域負荷削減率與滇池水質的響應關系不不敏敏感感v 滇池水質（滇池水質（TN、TP）、水生態系統（）、水生態系統（Chl a）對流域營養物質）對流域營養物質負荷削減的非線性響應特征（相關、但并不同步）負荷削減的非線性響應特征（相關、但并不同步）

13、揭示：揭示：湖泊的水質、水生態響應與流域負荷湖泊的水質、水生態響應與流域負荷削減間存在削減間存在非線性非線性關系關系表征：表征：氮磷循環以藻類為紐帶的協同效應氮磷循環以藻類為紐帶的協同效應 滇池底泥釋放是流域源外最重要的輸入途徑 反硝化：滇池最主要的氮去除途徑（50%）滇池季節性限制的原因：營養鹽截留過程的高營養鹽截留過程的高N:PN:P（15.515.5）高時空分辨率和高精度（任一時間、任一點位）通量數據機制揭示機制揭示湖泊氮磷循環與藻類的復雜關聯湖泊氮磷循環與藻類的復雜關聯單獨削減氮單獨削減氮/磷負磷負荷對磷循環均有較荷對磷循環均有較大影響，大影響，效果不同效果不同在復雜的湖泊內部循環影響

14、下，在復雜的湖泊內部循環影響下，湖泊對流域負荷削減的長短期響應？湖泊對流域負荷削減的長短期響應？(部分回答部分回答)湖泊響應定量評估方法的研究進展湖泊響應定量評估方法的研究進展 監測監測需要收集長期監測數據無法將水質變化對應于負荷削減無法反映其它因素的影響 水質模型水質模型-情景分析情景分析水質模型：非線性和時滯性特征定量化負荷削減效應(理想結果)特定時段負荷削減效應特定時段負荷削減效應(動態性動態性)評估或預測污染防治措施的效果評估或預測污染防治措施的效果、決策參考、決策參考如何定量評估特定時段的外源負如何定量評估特定時段的外源負荷削減對湖體水質改善的效應荷削減對湖體水質改善的效應（長、短期

15、效應）（長、短期效應）？時段時段負荷負荷基準情景基準情景削減情景削減情景(a)情景設定情景設定(b)水質響應水質響應IIIIII時段時段水質水質IIIIII基準情景基準情景削減情景削減情景系統彈性與基于數值模擬的系統彈性與基于數值模擬的擾動分析擾動分析擾動分析方法的步驟擾動分析方法的步驟時間時間負荷負荷基準情景基準情景擾動情景擾動情景時間時間水質水質(存量存量)基準情景基準情景擾動情景擾動情景時間時間情景情景差異差異(a)情景設定情景設定(c)水質響應水質響應(d)擾動效應擾動效應水質水質(存量存量)(b)建立水質模型建立水質模型水質模型水質模型負荷輸入負荷輸入輸出輸出水質狀態水質狀態(存量存

16、量)生態系統彈性：生態系統彈性：生態系統 定量模擬 擾動 擾動情景 擾動與穩態差異 基準與擾動情景差異 擾動 定量評估負荷削減的長、短期效應ab:回歸斜率回歸斜率d:回歸殘差標準差回歸殘差標準差ca:抵抗力b:彈性c:恢復力d:時間穩定性時間時間狀態變量狀態變量初始狀態(Hillebrand et al.2017,Ecology Letters)基于模型的擾動分析法：基于模型的擾動分析法：通量指標界定通量指標界定湖泊系統湖泊系統ItOtSt(污染物存量)湖泊系統湖泊系統I=0O(a)(b)Srt=Sbt(-1)I 表觀輸入率：湖體表觀輸入率：湖體輸入減少輸入減少/流域流域負荷減少負荷減少 表觀

17、效應率：湖體表觀效應率：湖體存量減少存量減少/流域流域負荷減少負荷減少 表觀循環率：湖體表觀循環率：湖體各通量減少各通量減少/流流域負荷減少域負荷減少()1111tttttbrIILLL=()1111ttttttbrIOSLLL=()111111tttttttbrIOIOLLL=+=滇池水質模型構建與通量核算滇池水質模型構建與通量核算 研究對象：研究對象：云南滇池云南滇池 三維水動力三維水動力-水質模型水質模型:IIWND-LR 時間步長：時間步長：小時 垂向6層，每層664個網格 22個狀態變量 邊界條件：邊界條件：外部負荷、溫度、風速、大氣沉降等(1)Algae group 1(Bc)(1

18、2)Labile particulate organic nitrogen(LPON)(2)Algae group 2(Bd)(13)Dissolved organic nitrogen(DON)(3)Algae group 3(Bg)(14)Ammonia nitrogen(NH4)(4)Refractory particulate organic carbon(RPOC)(15)Nitrate nitrogen(NO3)(5)Labile particulate organic carbon(LPOC)(16)Particulate biogenic silica(SU)(6)Dissol

19、ved organic carbon(DOC)(17)Dissolved available silica(SA)(7)Refractory particulate organic phosphorus(RPOP)(18)Chemical oxygen demand(COD)(8)Labile particulate organic phosphorus(LPOP)(19)Dissolved oxygen(DO)(9)Dissolved organic phosphorus(DOP)(20)Total active metal(TAM)(10)Total phosphate(PO4t)(21)

20、Fecal coliform bacteria(FCB)(11)Refractory particulate organic nitrogen(RPON)(22)Macrophyte/periphyton(Bm)i123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 304700000009990000000000000000000047460000009555555590000000000000004645000000955555559000000000000000454400000095555555900

21、000000000000044430000009555555599000000000000004342000000955555555999999900000000424100000095555555555555599000000041400000009555555555555555990000004039000000995555555555555559900000393800000009955555555555555599000038370000000095555555555555555999903736000000009555555555555555555590363500000000955

22、555555555555555559035340000000099555555555555555555903433000000000955555555555555555599333200000000095555555555555555555932310000000009555555555555555555593130000000000955555555555555555559302900000000095555555555555555555929280000000009555555555555555559992827000000000955555555555555559900272600000

23、000095555555555555555900026250000000099555555555555555590002524000000009555555555555555559000242300000000955555555555555555900023220000000095555555555555555990002221000000009555555555555555590000212000000099955555555555555599000020190000009555555555555555559000001918999999955555555555555555900000181

24、795555555555555555555555990000017169555555555555555559999990000001615955555555555555559900000000000151495555555555555559900000000000014139555555555555555990000000000001312955555555555555990000000000000121195555555555555590000000000000011109555555555555559000000000000001099935555555555599000000000000

25、0098994555555555559000000000000000879555555555555590000000000000007695555555555555900000000000000065955555555555559000000000000000549555555555555590000000000000004395555555555559900000000000000032995559955555990000000000000000210999999999999000000000000000001ji123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

26、 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30j-9 -1 垂向垂向(m)滇池水質模型構建與通量核算滇池水質模型構建與通量核算擾動分析的情景設計擾動分析的情景設計 比較比較基準情景基準情景與持續與持續1 1年年削減削減80%80%負荷的擾動情景負荷的擾動情景分析響應的非線分析響應的非線性和時滯性性和時滯性 比較比較不同削減強度情景的擾動效應曲線不同削減強度情景的擾動效應曲線探究削減強度對效應非線性探究削減強度對效應非線性和時滯性的影響和時滯性的影響 比較比較協同削減與分開削減情景的擾動效應曲線協同削減與分開削減情景的擾動效應曲線探究協同削減的影響探究協同削減的影響 對比對比

27、TNTN和和TPTP的擾動效應曲線的擾動效應曲線探究二者效應的差異探究二者效應的差異情景類別情景類別情景設置情景設置基準情景基準情景重復使用基準年的入湖負荷，運行3240天(趨勢已穩定)削減強度削減強度情景情景8個情景，TN和TP各4個削減情景，分別對第一年負荷削減20%、40%、60%、80%，其余時間的負荷削減基準情景一致，其它邊界條件與基準情景一致協同削減協同削減情景情景4個情景，分別同時對TN和TP第一年負荷削減20%、40%、60%、80%，其余時間的負荷削減基準情景一致，其它邊界條件與基準情景一致湖泊響應的非線性與時滯性湖泊響應的非線性與時滯性表征表征基準情景結果基準情景結果入湖負

28、荷特征變化入湖負荷特征變化 TN：年內波動小，點源主導 TP：年內波動大，雨季初期的降雨造成大量負荷入湖010203040TN(噸)(a)01002003000.00.51.01.5TP(噸)時間(d)(b)降雨的初始沖刷效應降雨的初始沖刷效應基準情景結果基準情景結果湖體湖體N N、P P存量的時間存量的時間趨勢趨勢 增長趨勢（累積效應）年內波動明顯 TP年內相對波動大2000300040005000(a)TN(噸)200400600800(b)TP(噸)12345678910時間(年)N N存量存量=外源輸入通量外源輸入通量+內源釋放內源釋放通量通量-去除過程通量（沉去除過程通量（沉降與反硝

29、化）降與反硝化）-輸出通量輸出通量底泥底泥水體水體大氣大氣藻類等生物藻類等生物氮磷元素氮磷元素氧化還原氧化還原轉化轉化協同效應協同效應大氣沉降大氣沉降固氮固氮流入流入流出流出底泥釋放底泥釋放沉降沉降反硝化反硝化基準情景結果基準情景結果季節性波動季節性波動(以第6年為例)TN:春夏高，秋冬低(原因：藻類吸收和沉降)TP:春夏低，秋冬高(原因：底層耗氧、底泥釋放)不同組分：互補特征TNTP0.00.20.40.60.81.00100200300歸一化存量時間(d)Algae_NPONDONNH3-NNO3-N01002003000.00.10.20.30.40.50.6比例(a)時間(d)Alga

30、e_PPOPDOPPO4-P0100200300(b)時間(d)響應的非線性表征響應的非線性表征 擾動效應曲線：擾動效應曲線：外源負荷削減80%、持續1年04008001200(a)TN(噸)01020304050(b)TP(噸)12345678910時間(年)外源輸外源輸入入沉降沉降 釋放釋放負荷削減的效應負荷削減的效應逐步消失逐步消失負荷削減效應負荷削減效應降低、但長期存在降低、但長期存在基準情景存量-擾動情景存量響應的非線性表征響應的非線性表征 TN、TP的表觀通量指數（的表觀通量指數（N N、P P對負荷削減的差異性對負荷削減的差異性）8.6%77.6%154.4%(2)TP表觀效應率

31、表觀效應率(3)TN表觀循環率表觀循環率(1)TN表觀輸入率表觀輸入率0.00.51.01.52.0時間(d)TNTPTNTPTNTP2010201120122013201420152016201720182019 TNTN擾動效應曲線閉合擾動效應曲線閉合表觀輸入率和表觀循環率趨向為定值、表觀效應率趨表觀輸入率和表觀循環率趨向為定值、表觀效應率趨0 0 TPTP擾動效應曲線不閉合擾動效應曲線不閉合表觀輸入率和表觀循環率增長，表觀效應率均值表觀輸入率和表觀循環率增長，表觀效應率均值8.6%8.6%表觀效應率全部時刻均表觀效應率全部時刻均1 釋放釋放通量：釋放通量：釋放 沉降沉降削減結束后，效果相

32、削減結束后，效果相似，但過程不一致似，但過程不一致促進了過程的促進了過程的活躍程度活躍程度表觀輸入率和表觀循環率增加表觀輸入率和表觀循環率增加協同削減促進湖體營養鹽各過程協同削減促進湖體營養鹽各過程的活躍程度的活躍程度湖體存量更低湖體存量稍高表觀輸入率表觀輸入率表觀效應率表觀效應率表觀循環率表觀循環率響應的時滯性表征響應的時滯性表征101520253035TP(噸)23456789時間(年)TPTP存量（存量（t/dt/d）基準情景與擾動情景的差值基準情景與擾動情景的差值營養鹽 ts(天)tm(天)em(噸)te(天)tc(天)TN 10 366 1179 777-TP 12 259 44-1

33、069 起始起始最大最大最大最大(量量)結束結束轉折點轉折點04008001200(a)TN(噸)01020304050(b)TP(噸)12345678910時間(年)t tmm：基準情景與擾動情景營養鹽存量差異最大的點，該點的湖體存量差異記為e emm 以0.05em作為t ts s和t te e的判斷依據，即選擇從第1天開始最先達到0.05em的時刻作為ts 考慮到負荷削減之后擾動曲線的波動性，以tm之后最先達到0.05em且其后效應值均小于0.05em的時刻作為t te e 對于具有季節性周期的擾動曲線，采用STL方法對擾動效應曲線進行分析，獲得擾動曲線的趨勢項，并對te或t tc c進

34、行識別響應的時滯性表征響應的時滯性表征 削減強度的影響削減強度的影響影影響響不不顯顯著著營養鹽 削減強度 ts(天)tm(天)em(噸)te(天)tc(天)TN 80%10 366 1179 777-60%10 366 880 778-40%11 366 597 780-20%11 366 307 782-TP 80%12 259 44-996 60%12 259 32-996 40%11 239 21-996 20%11 239 11-996 負荷削減強度變化不影響擾動效應曲線的形狀負荷削減強度變化不影響擾動效應曲線的形狀對各個時對各個時滯時間點影響不顯著滯時間點影響不顯著響應的時滯性表征響

35、應的時滯性表征 協同削減的影響協同削減的影響 削減強度 ts(天)tm(天)em(噸)te(天)tc(天)TN 80%11 366 1265 2704-60%11 366 945 2704-40%11 366 635 2703-20%11 366 322 2708-TP 80%12 292 45-1066 60%12 294 35-996 40%13 294 24-996 20%13 294 12-996 延長延長協同削減會延長協同削減會延長TNTN負荷削減產生效果的時間負荷削減產生效果的時間響應過程的復合作用響應過程的復合作用N N存量存量=外源輸入通量外源輸入通量+內源釋放通量內源釋放通量

36、-去除過程通量（沉去除過程通量（沉降與反硝化）降與反硝化）-輸出通量輸出通量 存量是多種通量過程的復合表現結果 內源通量、輸出通量對負荷削減的響應較微弱 N存量對負荷削減的響應主要取決于外源通量與去除過程通量 去除過程中反硝化過程占主導；反硝化通量與外源輸入（負荷削減）有較好的正相關關系瞬時（天）瞬時（天）N存量（存量（t）內源通量內源通量（t/d）外源通量外源通量（t/d）輸出通量輸出通量（t/d）去除通量去除通量（t/d）沉降沉降（t/d）反硝化反硝化（t/d）基準-20%削減306.570.134.88-0.01-1.60-0.53-1.07基準-40%削減595.16-0.049.60

37、-0.01-3.34-0.93-2.41基準-60%削減878.54-0.1514.31-0.01-4.94-1.32-3.62基準-80%削減1177.110.1319.02-0.01-6.78-1.86-4.93干擾干擾1 1年后的年后的N N存量與通量的響應情況：存量與通量的響應情況：滇池分析結果總結滇池分析結果總結 特定時段負荷削減將在何時引起何種程度水質改善？TN負荷持續1年削減80%：從第10天開始產生顯著效果，第366天達到最大效應，相對于基準情景湖泊TN存量減少了1179t，直到第777天負荷削減效果消失；負荷削減實際上導致的負荷輸入減少率為77.6%，54.4%的負荷經過1次

38、循環離開湖體 非線性特征：非線性特征：水質對負荷削減具有非線性響應特征，但長短期表現形式不同；協同削減對N、P的效應不同（對N的影響大于P）響應的時滯性特征：響應的時滯性特征：水質對負荷削減存在明顯的時滯性特征，負荷削減的效果在削減結束后仍存在；負荷削減強度對響應時滯性的影響很??；協同削減使得TN削減的效果延長滇池分析結果總結滇池分析結果總結N N、P P對負荷削減具有不同的響應特征對負荷削減具有不同的響應特征 長短期效應差異：TN負荷削減對湖體TN存量的效果在負荷削減結束后的幾年內消失，而TP的效果則持續 當負荷削減結束后，基準情景和擾動情景的邊界條件相同，二者存在差異的為變量的初始條件，可

39、見TN存量對初始值是較為不敏感、而TP對此較為敏感 無論負荷削減強度和負荷削減分配如何變化，單獨削減TN時表觀輸入率趨于77.6%，表觀效應率趨于0，表觀循環率趨于154.4%；TP的表觀輸入率和表觀循環率則呈現上升趨勢，表觀效應率均值為8.6%討論：湖泊生態系統的彈性討論：湖泊生態系統的彈性 湖泊系統：湖體&底質 彈性：湖體營養鹽存量變化對外源營養鹽負荷變化的抗性 定量化：湖體營養鹽存量變化和外源營養鹽負荷變化具有相同量綱，可以用比例定量化湖泊系統彈性 系統彈性：非線性非線性+時滯性時滯性 系統彈性：底質彈性+湖體彈性 系統彈性：輸入彈性+輸出彈性湖泊系統湖泊系統(湖體湖體&底泥底泥)I I

40、-i I+iPP-P+OO-O+Q0Q1Q2彈性彈性 非線性非線性：Q0-Q1 i；Q2-Q0 i 湖體營養鹽存量湖體營養鹽存量討論：湖泊生態系統的彈性討論：湖泊生態系統的彈性 衡量指標（建議）衡量指標（建議）不夠科學：僅比較內外源的負荷貢獻比不夠科學：僅比較內外源的負荷貢獻比 湖泊生態系統彈性：內源貢獻隨外源變化而湖泊生態系統彈性：內源貢獻隨外源變化而變化變化 某一特定時刻或者時段內內源負荷的貢獻比某一特定時刻或者時段內內源負荷的貢獻比不能作為衡量湖泊內源重要性的唯一指標不能作為衡量湖泊內源重要性的唯一指標 當彈性很大時，即便某一特定時刻內源貢獻當彈性很大時，即便某一特定時刻內源貢獻比例小也

41、不能忽視內源的重要性比例小也不能忽視內源的重要性指標 表達式 含義 表觀輸入率 t 1t 時段湖體輸入過程通量(含外源負荷輸入)的減少量占負荷削減量的百分比，1-t即為除去外源負荷的輸入過程通量的增加量占負荷削減量的百分比(以輸入以輸入增加的形式彌補的負荷百分比增加的形式彌補的負荷百分比)。特別的，T表示負荷削減時段的；te表示直到負荷削減效應移除時的；當 t te時 t=te。t表示湖泊系統的輸入彈性，t值越高彈性越低 表觀輸出率 t=t-t 1t 時段湖體各個輸出過程通量的減少量占負荷削減量的百分比(以輸出減少的以輸出減少的形式彌補的負荷百分比形式彌補的負荷百分比)。特別的，T表示負荷削減

42、時段的；te表示直到負荷削減效應移除時的；當 t te時 t=te=te。t表示湖泊系統的輸出彈性，t值越高彈性越高 表觀效用率 t 1t 時段湖體凈輸入的減少量占負荷削減量的百分比，1-t即為除去外源負荷的凈輸入過程通量的增加量占負荷削減量的百分比(以輸入增加和輸出減少的形以輸入增加和輸出減少的形式彌補的負荷百分比式彌補的負荷百分比)。特別的，T表示負荷削減時段的；te表示直到負荷削減效應移除時的；當 t te時 t=te=0。t表示湖泊系統的效應彈性，t值越高彈性越低 始效時間 ts 負荷削減對湖體營養鹽存量產生明顯效應的時刻 恢復時間 tr=te-tm 負荷削減對湖體營養鹽存量產生最大效

43、應到恢復到效應完全移除所需的時間 恢復速率 r=em/(te-tm)負荷削減對湖體營養鹽存量產生最大效應到恢復到效應完全移除的速率 緩沖力 b=1-Ss/L 采用 T 時的擾動分析法，Ss表示基準情景和擾動情景的營養鹽存量在穩態時的差異，L 表示負荷削減的差異 討論：湖泊生態系統的彈性討論：湖泊生態系統的彈性 采用擾動分析法定量評估過去特定時段污染防治措施的效應，預測未來特定時段污染防治措施的效應，為湖泊富營養化防治提供有用信息 將湖體和底泥視為一個整體，在判定內源負荷重要性時，應考慮湖泊系統的彈性；尤其是當內源貢獻比例較小，但湖泊系統彈性較大時，不能忽略內源的重要性時段時段負荷負荷擾動情景擾

44、動情景基準情景基準情景(a)情景設定情景設定(b)水質響應水質響應IIIIII時段時段水質水質IIIIII基準情景基準情景擾動情景擾動情景擾動擾動湖泊系統彈性 內源貢獻 防治策略 大 大 控制內源 大 小 控制內源和外源 小 大 控制內源 小 小 控制外源 基于彈性的湖泊治理：基于彈性的湖泊治理：湖泊水質恢復是一個長期的過程，與流域負荷削減間存在非線性和時滯性湖泊氮磷循環在長短期、多過程耦合作用下呈復雜的長短期效應演變特征將湖泊水體過程與內源過程作為分析彈性的整體方可確立有效的治理對策結論結論致謝：致謝：國家973計劃青年科學家專題項目（2015CB458900）滇池流域水污染控制工程評估及精準治污決策系統研究國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07102-006）北京大學北京大學 2018 2018 40敬請批評指正！敬請批評指正！謝謝！謝謝！E-mail:Yhttp:/www.pkuwsl.org