1.3 湖泊的研究进展

1.3.1 水质评价与生态系统健康研究进展

水环境质量评价就是通过一定的数理方法和其他手段，对水环境的优劣进行定量描述的过程。通过水环境质量评价，弄清区域水环境质量变化发展的规律，为区域水环境功能区划及水环境容量的推算提供科学依据。国内外对水质评价的研究工作源于20世纪60年代，尽管用于水质评价的数学模型很多，但最为常用的主要评价方法有以下几种：

（1）污染指数法。它是最早用于环境质量评价的一种方法，到目前为止，该方法在环境评价中仍广泛应用。该类方法很简单，它的特点在于以水质污染参数的实际浓度和其相应的评价标准浓度的比值作为基本单元，然后利用初等数学运算得出一个综合指标，并以此指数进行分级评价。

（2）分级评分法。该方法适合较粗略的大范围的统一水质评价，但它克服了污染指数法中以水质污染参数的实际浓度和其相应的评价标准浓度的比值来划分水质级别的不合理性。分级评分法是根据划分的水质分级标准，用各污染因子实测值与各等级标准值比较，得出各污染因子得分，最后采用一定的数学方法综合各污染因子得分值，根据总分值确定水质综合评价级别。

（3）数理统计法。该方法可以描述污染物某种浓度的出现概率，以此来揭示出现概率与污染强度之间的关系，能够较完整地反映污染物质的时空变化规律。

（4）模糊数学法。自1965年美国控制论专家L.A.Zadeh提出模糊集合的概念以来，模糊数学得到了前所未有的发展，同时被广泛运用于生产实践中，依据水质污染程度、水质类别、分类界限等问题存在的模糊现象和模糊性，使用“隶属度”的概念来反映客观存在的水质级别界限的模糊性。

（5）灰色系统法。灰色理论是由我国学者邓聚龙教授在研究系统控制的不确定元中首先提出的，他所提出的灰色系统的概念和研究思想已经逐步应用到社会、经济、工程等各个领域中，众多学者将灰色系统思想与本学科研究内容结合进一步开拓其应用领域。所谓灰色系统即是指部分信息已知、部分信息未知或未确知的系统，是一种信息并不完全的系统。灰色评价法也是“加权平均型”的综合评价法，信息利用率和精度都较高。在灰色聚类法基础上，有人提出了灰色关联度法和灰色模式识别模型。这些评价方法一般只考虑水质的平均状况以及极值情况，而对水质的不确定性所带来的最不利情况的影响分析较少，很多评价过程未作风险性评价，概率统计的方法能够考虑随机不确定性的影响，却忽略了随机不确定性中隐含的灰色不确定性。

生态系统健康评价研究是一个比较新的领域，众多学者根据自己的研究提出了许多方法，也有学者认为目前广泛应用在水资源和水环境领域的评价方法在生态系统健康评价中也可借鉴。模糊综合评价法是由实测各评价因子指标对各等级标准的隶属度集，形成隶属度矩阵，再把评价因子的权重集与隶属度矩阵相乘，得到模糊积，获得一个综合评判集，表明评价目标各级标准的隶属程度，反映了评价项目的模糊性。根据隶属度确定的方法，又有模糊聚类法、模糊贴近度法、模糊距离法等。灰色评价法是计算评价指标各因子的实际值与各等级标准的关联度，然后根据关联度大小确定实际值的级别。灰色系统理论进行综合评价的方法主要有灰色聚类法、灰色关联评价法、灰色贴近度分析法、灰色决策评价法等。物元分析法的基本思路是：根据各评价等级标准建立经典域物元矩阵，根据各评价因子的实际值建立节域物元矩阵，然后建立各评价指标对评价等级的关联函数，最后根据其值大小确定评价项目所属的级别。模糊综合评价法、灰色评价法和物元分析法都是将各评价因子对各类别的归属度矩阵与因子权重集相乘，得到一个评判向量，以向量中值最大值对应类别作为评价项目所属类别。

1.3.2 湖泊水体浮游动植物研究进展

国际经济合作与发展组织（OECD）对湖泊富营养化的定义是：水体中由于营养盐（主要是氮、磷）的增加而引起藻类的快速繁殖，从而导致水体溶解氧下降、水质恶化、鱼类及其他水生生物死亡的现象。一般认为，水体形成富营养化的条件是：水体中氮含量大于0.2～0.3mg/L，磷含量大于0.01mg/L，生化需氧量大于10mg/L。浮游藻类在淡水水体中过度聚集的现象称为水华，在海洋中大量出现称为赤潮。丹麦著名生态学家Jorgensen指出浮游藻类是水体富营养化的主体，藻类的生长是富营养化的关键过程，它的生长速度直接影响水质状态。

湖泊水体呈富营养化状态时，主要表现为浮游藻类大量繁殖，生物量增加明显，水华发生的频率增加，持续的时间较长；浮游藻类的种类向多样性发展，富营养型种类增多，清水型物种减少。当水体富营养化状况有所改善时，浮游藻类的群落结构也会随之发生相应的变化，表现为浮游藻类的数量减少，生物多样性指数及物种丰富度增加，发生水华的频率降低。湖泊的富营养化与浮游藻类群落也密切相关，其结构特征及优势种的变化趋势可以预测水体富营养化的程度。Carmichael等研究认为，浮游藻类优势种群中，蓝藻比例的升高是湖泊人为富营养化发展的一个标志。湖泊富营养化初期，星杆藻等藻类为优势种，再进一步富营养化时，绿藻和蓝藻大量出现。

我国湖泊富营养化现象非常普遍，研究表明，我国目前有66%以上的湖泊、水库处于富营养化的水平，其中重富营养和超富营养的占22%。根据国家环保部2009年调查资料显示，在监测营养状态的26个湖泊、水库中，处于富营养状态的占46.2%。根据2006年中国环境状况公报表明，在27个国控重点湖（库）中，除兴凯湖满足Ⅱ类水质之外，洱海、昆明湖满足Ⅲ类水质，镜波湖为Ⅳ类水质，其余湖泊均为Ⅴ类以上水质。其中，太湖和滇池为劣Ⅴ类，主要污染指标为总氮和总磷。与湖泊相比，水库水质普遍较好，富营养化程度较轻。太湖、巢湖、滇池等大型淡水湖泊都出现过大规模水华的报道，且频繁发生蓝藻水华，已处于重度富营养化。太湖20世纪60年代平均氮含量为0.05mg/L，到90年代平均氮浓度上升至2.31mg/L，增加了46倍。滇池90%的水域被水葫芦覆盖，水体已发黑发臭。可见我国湖泊、水库的富营养化已成为一个非常重要的环境问题。

水体富营养化评价是评估水体富营养化发展过程中某一阶段的营养状况，主要目的是通过调查水体富营养化的代表性指标，判断水体的营养程度，了解其富营养化进程、预测其发展趋势，为水质管理及富营养化防治提供依据。影响富营养化状态的主要因子包括物理、化学、生物等环境要素，进行全面、综合的评价才能客观地反映出水体的富营养化程度。浮游藻类评价水体富营养化的评价方法有多样性生物指数法、指示生物法。指示生物法又包括污水系统生物法、优势种群法、生物指数法和现存量法。

1.3.3 湖泊冰封期污染物分布特征及规律的研究现状

目前，水体富营养化污染日益严重，国内外的学者对此也开展了大量的研究，但是这些研究主要是集中在非冰封条件下进行的，而对于湖泊低温及冰封条件下营养盐分布规律的研究较为薄弱。同时，冰封条件下的氮、磷和重金属的研究仅限于底泥和水体中，而对于水体和冰体中营养元素的存在形式及对于富营养化潜在影响的研究较少。

1.3.3.1 湖冰的物理化学性质

1.湖泊的结冰过程

湖泊的结冰过程通常是指从水体内出现冰晶到最终形成冰盖的过程。湖泊的结冰过程是一个从敞开水域到部分甚至全水域为冰覆盖的过程。湖泊结冰的条件是水体被冷却，水温小于等于0℃，此条件的产生主要来自于水体的失热。

湖泊总是先在表层达到过冷状态。这时，如果风平浪静，湖面就能迅速结冰，有时一夜之间形成封冻全湖的冰壳。湖面结冰，首先是在水面上形成很小的片状冰晶。片状冰晶多平卧水面，在生长过程中呈星形或树枝形，因为这种形状有利于散发结晶时释放出来的潜热。平卧水面的冰片生长得最迅速，它的边缘温度梯度最大，因而向四面八方迅递扩张，这就减少了其他直立或斜立水面的生长中的冰片进一步生长的机会。从结晶的观点来看，平卧水面的冰片，基面与水面平行，它的主晶轴与水面垂直。由于上述原因，主晶轴与水面垂直的冰片比其他冰晶处于有利的地位，因而不断淘汰其他冰晶，占有主导地位。这种冰晶呈柱状彼此平行，就像成捆的蜡烛一样，因此也称为蜡烛冰。蜡烛冰是湖冰的特点，也是一切静水结冰的共同特点。

湖面冰盖按其构造可分为四种，即结晶透明冰盖、粒状浮冰冰盖、夹层冰盖和饼状冰盖。结晶透明冰盖基本上由蜡烛冰组成；粒状冰盖是碎冰块冻结成的，色白而不透明；夹层冰盖成因比较复杂，各个冰层有本身的特点，记录着夹层冰盖在整个冰冻时期的演变历史；饼状冰盖是由冰饼组成的，微风推动破碎的薄冰，在波浪作用下形成铁饼大小的冰饼，进一步冻结就形成饼状冰盖。

2.影响湖水结冰的因素

结冰过程是一种固-液相变过程，已经得到学者的广泛关注。结冰过程主要可以分为两个阶段：一是冰核的形成阶段，湖水达到过冷状态时，此时会形成自发长大的冰核，结冰过程开始；二是新相生长阶段，此时冰核长大成为冰晶。湖水的结冰过程受诸多因素影响，如溶液的初温、结冰温度、溶液浓度和结晶时间等。此外，水流状态、晶体表面几何特性、表面积等物理特性、外加作用力等也会对水结冰也有一定的影响。

（1）温度。温度决定冷却速率，从而影响单位冰体体积内的晶核数量、冰晶结构和冰晶粒径。温度过低时，溶液需较大的面积来释放潜热，此时大部分冰晶呈枝状结构生长，并会不断产生新的分枝，分枝末端的缝隙很容易俘获杂质，从而影响污染物在冰-水之间的分配。因此，过低的冷冻温度难以保证冰晶的质量。但是，如冷冻温度不够低，溶液因达不到过冷状态而无法结晶。因此，冷冻温度必须低于冰的成核温度。各种溶液都存在着与之相对应的有效冷冻温度范围和最佳冷冻温度范围。

（2）溶液初温。哈尔滨工业大学的于涛和马军两位研究者通过对空间站尿液的冷冻实验分析表明，对尿液进行预冷不仅可以缩短结冰时间，而且能够提高冰晶的纯度，但是预冷温度不宜太低，否则会因结晶速度过快反而降低冰晶的纯度。

（3）溶液浓度。在相同的温度条件下，高浓度的溶液中潜在较多的晶核，晶核之间相互碰撞的频率和能量增多，二次成核的几率增加，冰晶生长速度加快，固-液界面的稳定性降低，冰晶的纯度下降。

（4）结冰时间。在溶液结冰初期，新生颗粒冰晶尚未来得及捕获更多杂质，冰晶较纯；溶液内生成薄片状枝晶后，不稳定的冰晶形态将会导致冰晶纯度的降低；随着冷冻时间的增加，层状冰会承担更多的杂质，减少了杂质被悬浮冰捕获的机会，冰晶内杂质含量与溶液浓度成正比关系。

3.湖冰的融化

冰晶的融化机理虽然仍是一个尚未解决的问题，但随着人们认识的提高和科学技术的发展，冰晶的融化过程愈来愈为世界各国地区所重视，在近40年来取得了重大进展，它的研究内容包括了基本理论及其应用。比较有代表性的是Knight的研究，他指出冰晶的融化主要取决于晶体的初始类型，他将冰晶融化概括为两种基本方式：①形状类似硬杆的冰晶，融化水趋向于聚束成一个或几个水滴，且为最小表面积；②在平板状冰晶上，融化水形成全部覆盖在板上的光滑圆面。

1.3.3.2 湖冰生消过程的研究现状

1.湖冰生消过程的研究现状

湖冰的物理特性及其与全球气候变化的关系是目前湖冰研究的热点，并且取得了一定的成果。早在1891年，Stefan就得出了以下冰生长的计算模式（国内学者称之为斯蒂芬公式）

式中：H_i为冰厚度；k_i为冰的热传导系数；ρ_i为冰密度；L_i为冰的融解潜热；T₀是表面温度；T_f是冰底温度，也就是水体的冻结温度。

湖冰的热传导系数主要依赖于冰温度，Yen等给出了以下淡水冰热传导系数关于温度的函数

其中冰温T_i的单位是K。

从国内的发展来看，有关湖泊 （水库）冰生消过程的研究是在近些年，伴随着寒冷地区水利工程，特别是寒冷地区湖泊 （水库）建设的发展，该项研究也取得了一定的进展。肖建民等于2004年根据对位于黑龙江省的胜利水库冬季冰盖10多年的观测资料，在充分考虑冰盖与大气、水之间的热交换过程以及水温变化对冰层厚度影响等因素的基础上，建立了用于描述水库冰盖生长的一维数值模型并给出了模型的求解方法。与传统模型相比，此模型考虑了更多的影响因素，其计算结果更符合实际，模拟精度也有了较大的提高。同时还探讨了冰盖消融阶段冰压力沿深度的变化规律、累积日平均气温与冰层厚度的关系以及开库方式与积温的关系等。贾青等以黑龙江红旗泡水库1988—2008年的冰情观测资料为基础，并结合安达气象站自1952年以来的气象资料，进行了统计分析。运用Zubov模型建立了该地区负积温与冰厚度之间的统计关系，确定了该水库历年以来的最大冰厚，并运用P Ⅲ型曲线推算了不同重现期的最大冰厚 （图1.7），解决了寒区水库内关于不同重现期最大冰厚的问题。同时也讨论了水库开库时间与正积温的关系等，为寒区工程中需要的最大冰厚值提供了理论依据。

图1.7 确定不同重现期冰厚度的P-Ⅲ型曲线

总之，对于湖冰生消过程的数值模式而言，制约其发展的瓶颈不在于模式结构，而在于数值算法的优化和物理过程或具体参数的参数化方案优化，它们能够从物理本质上改善数值计算的精度。

2.湖冰生态的研究现状

从目前已经公开的文献来看，冰体生态的研究主要集中于对海冰的研究，特别是对于海冰的排盐效应及其对海洋生态影响方面取得了很大的进展。而有关湖冰生态方面的研究无论从研究时间和研究深度上看都远远滞后于海冰生态的研究，只是近年来，由于湖冰作为气候变化的指示因素得到认可，而湖冰对湖泊生态系统的影响也越来越得到重视。有关湖冰生态方面的研究主要集中在湖泊冰封期污染物特别是营养元素的分布及其生态效应，以及污染物在湖泊冻融过程中的污染特征。

从国内来看，目前也只有少量关于湖冰生态方面的研究。姜慧琴通过对乌梁素海水进行室内冷冻实验，探求营养盐在室内冻、融过程中在冰体和水体间的分布规律，结果表明，在结冰的过程中，水中营养盐的浓度超出冰体中的数倍，冻结温度和原水的营养盐浓度，都会对结冰后冰体中营养盐浓度浓度产生影响；冰体融化过程中总磷在酸、碱性条件下的释放量较大，在中性条件下较小；总氮的释放量受pH值的影响不明显；而DIP和DTP在酸性条件下的释放量较大，在中性和碱性条件下释放量较小，且其释放规律具有滞后性；亚硝酸氮在酸性条件下的释放量较大，而硝酸氮在碱性的条件下释放量较大。

从国外的发展来看，加拿大、芬兰、美国和澳大利亚等国的研究者在湖冰生态方面取得了较大的成果。早在1985年Welch通过对冬季南极湖泊的研究，探讨了湖泊冰封期水体交换对湖泊生态的影响，1987年他通过对Saqvaqjuac湖泊的研究，进一步指出了冰、雪的覆盖对冰封期湖泊热量和光交换的影响，进而对湖泊生态系统产生的影响。Catalan于1992年以高山湖泊为研究对象，揭示了溶解态和颗粒态污染物在湖泊冰封期的演变规律。Matti Leppäranta 和 Pekka Kosloff以芬兰南部Pääjärvi湖1993—1999年的观测资料为基础，分析了电导率、pH值、悬浮物等在冰体和水体中的分布特征，指出上述污染物指标在冰体中的数值是水体中的10%～20%。Claude Belzile等通过对位于北纬46°～80°间的湖泊和河流的研究，指出可溶性有机碳和有色可溶有机物在结冰过程中，均被排斥至水体中，排斥系数介于1.4到114之间，这比对无机物的排斥系数高很多；通过对湖冰的同步荧光分析表明，被捕获在冰体中的污染物大都是结构简单、分子量小的物质，这种排斥效应将会对冰封期湖泊水体中的生态系统特别是对微生物作用明显。Roger和 Gregory于2004—2007年通过对位于加拿大西北部的Tailings湖的气象和环境指标现场观测指出，湖泊结冰过程中约有99%的盐被排斥至冰下水体中，湖冰的排盐效应在不同季节对湖泊的环流造成了不同的影响，并且这种影响同样发生在其他位于相同纬度的湖泊中。

3.冷冻浓缩机理在水处理中的应用研究进展

自然冷冻净水法是在冷冻浓缩机理的基础上发展起来的一种新的水处理方法，该方法的研究已经有了较长的历史，最早被应用于医药领域、浓缩产品和食品保鲜，随后在水处理领域和海水淡化领域受到有关学者的关注，但由于技术上的原因，没有得到长足的发展。然而，自然冷冻法不仅可以处理许多含有毒有机物和重金属的而生物法无法处理的废水，并且整个处理过程都在低温下运行，对设备和构筑物的腐蚀性小，可以使用廉价材料建造以节省投资，因此特别适合有恶臭、易挥发、有危险气体散发的工业有机废水处理。如将冷冻浓缩机理用于废水处理，不仅可以拓展自然冷能利用和水环境治理的新途径，而且可以缓解水资源短缺的问题。另外，我国大部分地区都是大陆性气候，昼夜气温变化大，自然冷能有很好的应用潜力，在冷能源方面有得天独厚的地理优势。因此近年来，冷冻浓缩机理在水处理领域的应用再度引起人们的重视。

A.Rodriguez等对含有不同浓度的硝酸盐和磷酸盐废水进行冷冻净化处理，结果表明冷冻过程对这两种污染物的去除率均可达99%以上。陈智晖等用冷冻法处理含有Cl^-为10³～1.5×10⁴mg/L的钻井废水和模拟废水，Cl^-去除率可达90%左右；而即使对Cl^-含量高达1.75×10⁵mg/L的气田水，该方法也具有一定的净化效果。其他研究还表明冷冻法还可以有效分离去除水中 K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、等无机离子。此外，水中的碳水化合物、表面活性剂、有机酸、苯酚等有机化合物也可通过冷冻法分离去除。

于涛等从最佳制冷温度、污染物去除率、最高水回收率和能耗四个方面探讨了冷冻浓缩工艺。通过冷冻分离试验，确定了该工艺最佳冷冻温度，考察了污染物的去除率；通过差示扫描量热实验确定了废水玻璃化转变温度和冷冻净化工艺最高水回收率。结果表明，最佳冷冻温度为低于废水凝固点5～7℃；对浓度为3%的溶液，可由冷冻分离提取97.75%的水分；仅通过单级冷冻即可去除废水中97%以上的氨氮、有机物和93%以上的盐；冷冻净化工艺水处理效果较好、水回收率较高、能耗低，在水处理领域有很大的应用潜力。

王双合等对甘肃渭河、祖厉河流域的苦咸水进行冷冻淡化实验，结果表明，冷冻浓缩法对该地区苦咸水中的超标离子有很好的去除效果，仅通过单级冷冻即可去除50%以上的离子，冷冻温度越低去除效率越高。对矿化度小于5000mg/L的苦咸水，在-15℃温度下，经过单级冷冻净化就能使水质基本达到饮用水的标准。

郝利娜等通过室内冷冻实验，分析了冷冻法对生活污水中有机物和NH₃-N的去除效果。实验结果表明：冷冻净化法能去除水中80%左右的COD和90%左右NH₃-N。

Silke Lemmer等通过对含有苯乙烯和环氧丙烷的废水进行了冷冻-焚烧处理实验。结果表明，废水经过冷冻净化处理后COD的去除率可达到99%以上，冰融水可回用于后续工艺，浓缩液可通过焚烧处置。冷冻-焚烧处理工艺和蒸发-焚烧、湿空气氧化-生物处理等工艺相比，处理效率提高，耗能减少。

Turtoi D等研究了冷冻净水法对高Cr³⁺含量的制革废水的净化效果，表明尽管部分冰融水含有痕量的Cr³⁺，但仍可用于皮革浸泡和冲洗，或用于浸酸工艺的预处理。而通过调节浓缩液的酸碱度，并投加所需的辅助铬液，可以重新用于制革。

1.3.4 湖泊水体沉积物污染研究现状

目前我国学者对于南方湖泊，如巢湖、太湖、滇池、东湖等湖泊沉积物污染方面进行了一定的研究，为其他湖泊的研究与治理提供了理论基础。随着工农业的迅速发展，我国大江大河的污染状况逐渐严重，治理问题也变得紧迫起来。近年，针对不同地域不同特征的河流污染研究工作已经取得了一定成果，例如，对于流经城市（镇）的河流污染状况及来源的研究提供了环境污染资料；对流经矿区的河流污染程度的探讨为矿区水环境治理提供了依据。除此之外，珠江、苏州河、细河、淮河、黄河等河流（支流）沉积物污染状况也开展了相关研究工作。国外对于此方面的研究开展得较早，发展迅速。研究主要涉及以下几个方面：海洋沉积物污染状况评价分析，为受污染海洋的治理奠定基础；河流沉积物污染特性研究，指出沉积物是水环境中重金属的源汇项；探讨沉积物沉积年代对其特性影响；湖泊沉积物污染评价，并对从动力学角度进行机理分析。

沉积物重金属污染研究逐渐成为水体沉积物研究的热点，主要研究内容有重金属与有机物质的相关性，重金属来源以及评价，不同水体沉积物中重金属分布特征及污染情况以及重金属有效性。另外，湖泊底泥中污染物含量、污染物在底泥沉积物-水界面的传输及其影响因素、底泥对污染物的吸附和解吸机理以及关于沉积物质量基准等方面都开展了相关的研究并取得了显著的成果。

1.3.5 湖泊水体沉积物重金属研究进展

目前，国内对于一些高原湖泊和大湖泊进行了底泥重金属的研究。浙江千岛湖底沉积物中Cd、Zn、Hg的自然富集系数大于正常值的2倍，呈现Cd、Zn、Hg污染迹象，其原因为新安江水库的建设。江西鄱阳湖底泥中Fe、Mn、Cd、Hg、Zn均高于正常土壤的背景值，特别是Cu，底泥平均富集系数可达正常值的20～70倍，而Pb、Zn的富集系数分别为正常值的6～17倍和2～8倍。泸沽湖和洱海分别处于云南和四川交界处，前者基本上未受人类活动影响，后者受人类活动影响严重，两个湖泊中某些重金属元素在底泥中分布基本上与人类活动呈正比，在Fe、Mn、Cu、Ni、Cd、Pb等金属元素中，只有Cu在泸沽湖底泥中相对较高，其余元素均是洱海高。微山湖底泥重金属Mg、Mn、Fe、Pb、Zn含量随着地区煤矿开采和工业废水排入量的增加而升高，进而影响整个微山湖流域水质。南四湖是山东省最大的浅水型湖泊，主要污染物是Cr、Hg、As，入湖河口底泥中Cr、Hg、As的污染负荷比大于湖内，其中又以Cr污染最重。

目前我国对于河流沉积物中的重金属污染评价的研究较多，其中贾振邦的研究成果较为突出。他们使用了不同的方法评价了太子河本溪段的重金属污状况。其结果表明，河道沉积物中重金属污染较严重，主要污染因子为Cu，其次是Pb，其污染来源于合金总厂和有机化学厂。另外，他们还对柴河进行了评价，其主要来源为铅锌矿，污染程度为Cd>Pb>Hg>Zn，目前Cu和Cr尚未造成污染。同时，他们还分别对香港河流和洋涌河、茅洲河、东宝河沉积物中重金属污染也进行了评价，效果较好。

中国科学院生态环境研究中心使用潜在生态危害指数法对乐安江的沉积物重金属进行了评价，其污染程度属于严重，超标指标为Cu、Zn和Pb，乐安江沽口-香屯河段的Cu污染严重，戴村河段受到Zn、Cu和Pb等重金属的共同污染，虎山-蔡家湾河段污染程度较轻，属于中等或轻度重金属污染，整个乐安江的沉积物具有潜在生态危害性。

1.3.6 湖泊水文模拟的研究进展

定量估算气候变化对水文和水资源的影响，可以从科学上认识大气圈、水圈及生物圈间的相互作用机理，提高气候变异与气候变化的预测精度，也可以从实践上回答其对洪水、干旱频次及强度的影响以及对水量和水质的可能影响，为领导决策和水资源管理提供科学依据，因而气候变化对区域水资源影响的研究已经得到国内外的普遍关注。

气候变化对水文、水资源影响的研究方法中包括两方面内容：一是选择未来气候情景；二是建立水文、水资源的专业模型。

1.3.6.1 气候预测

气候变化情景是建立在一系列科学假设基础之上的，对未来气候状态时间、空间分布形式的合理描述。虽然气候模拟已取得了相当的成就，但还存在着不少缺陷。目前还没有一个模式能包括各种气候组成部分以及它们之间存在着的种种相互作用。

我国短期气候预测的对象主要是月和季尺度的降水量和气温，特别是关系我国国民经济的汛期降水量的预测，一直是我国气象工作者的重要研究课题。近年来，尽管气候动力模式研究取得显著的进步，但是，使用动力模式作短期气候预测还在试验中，大量在业务中使用仍然是以统计方法为主。

全球气候模式（GCM）是当前研究气候变化机制以及进行气候预估的重要手段之一，由于GCM的水平分辨率在几百公里以上，主要反映大尺度、长时间的气候特征，难以细致地描述区域地形特征、陆面物理过程以及其他因子对区域气候变化的强迫和影响，另外由于计算机运算能力的限制及中小尺度物理过程需要更细致的参数化，使得GCM对区域气候的模拟还存有很大的局限性和不确定性。因此，利用全球气候系统模式预估未来各种排放情景下的区域气候响应时，需要引进降尺度（downscaling）方法。降尺度方法能够有效地弥补GCM分辨率不足的问题，从而大大改善气候模式对区域气候的模拟效果。降尺度方法主要包括动力降尺度和统计降尺度两种，其基本思路是将GCM输出的全球大尺度气候信息转化到区域尺度上的气候变化信息。另外，高分辨率的区域气候模式（RCM）被认为是获取局地气候变化信息有效的动力降尺度方法，研究表明，大部分RCM模拟的大尺度气候平均态与驱动它的全球模式有较好的一致性，但模拟的中尺度细节变化却有较大的改善。RCM较高的分辨率以及对中小尺度过程较完善的参数化方案，使得RCM能够模拟出更为合理的区域性强迫作用，如地形、河流、湖泊、城市建筑等，得到许多GCM难以分辨的区域温度、降水及土壤水分的变化特征，以弥补GCM的不足。

区域气候模式首先是由 Dickinson 和 Giorgi发展起来并应用到气候模拟中。目前，大部分区域气候模式是在美国国家大气研究中心（NCAR）与美国宾州大学（PSU）联合创建的中尺度天气模式MM4或MM5基础上发展起来的。随着计算机技术的飞速发展，区域气候模式也逐步发展并得到广泛应用，主要包括美国国家大气研究中心（NCAR）的区域气候模式RegCM系列；英国气象局Hadley中心的PRECIS；美国科罗拉多州立大学（CUS）的区域天气模式RAMS；德国马普气象研究所的区域气候模式REMO；日本的MRI以及澳大利亚的DARLAM等。

气候比拟法是从地质年代变化过程的记录中，如从树木年轮、花粉沉积、植物种类、河湖泥沙沉积以及冰核中化学同位素的比例寻找依据，重建气温、降水等气候因子的变化过程。例如，Budyko等通过对古气候资料和未来温室效应的气候进行类比以推测大气CO₂加倍后的气候状况。近代仪器观测的数据也可用来作为未来气候变化的依据。Wigley根据英格兰和威尔士的降水记录，分析计算洪涝和干旱极值出现的频率和变化规律。许多水文学者使用一些假定的气候变化情景，以此为依据来分析探讨流域水文、水资源对气候变化的响应。

对未来气候变化的预测具有相当的困难和不确定性。在这种情况下，关于哪一个情景是最好的问题仍然得不到答案。既不能因GCM目前的结果甚至还不能准确地模拟当前的平均气候状况就否定应用GCM的输出结果，也不能因为假定方法的局限性而削弱用各种假定的气候情景进行水文敏感性分析的价值。

当气候变化情景确定后，便可以应用流域水文模型耦合气候情景分析未来流域水量变化，因此选择具有一定精度且能够描述水文过程的水文模型十分关键。

1.3.6.2 水文模型

近年来，不同学者已经建立了多种水文模型，并在水文预报、水文计算和径流模拟等领域得到广泛应用。用于估算气候变化影响的水文模型，目前主要有四种，即统计回归模型、水量平衡模型、概念性水文模型以及分布式水文模型，发展的趋势是从集总式的概念性模型向分布式水文模型发展。

1.水量平衡模型

水量平衡是全面研究某一地区在一定时间段内水资源的补给量、储存量和消耗量之间数量转化关系的平衡计算，理论基础是质量守恒原理。最早于20世纪40—50年代由Thornthwaite（1948）和Mather（1955）发展起来的。到20世纪末，为了满足生态研究、干旱分析、气候变化以及人类活动影响评价等不同目的，研究者相继提出许多不同结构和假设的水量平衡模型。在过去的30年里，水量平衡模型的理论和应用水平进一步得到了提升。

水量平衡模型简单实用，被广泛应用于水资源管理，特别是水库规划设计和运行调度、流域中长期水文模拟、水资源供需分析以及气候变化对大尺度区域水资源影响评估等方面。

2.分布式水文模型

分布式水文模型是依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间变化规律。地下水-地表水耦合模型是分布式水文模型中的一种，在国外起步和发展都较早，而在国内发展较晚，但是速度很快。

（1）耦合模型分类及存在的问题。根据不同的标准，耦合模型有着不同的分类。根据研究对象的侧重点，耦合模型可分为地表水模型包容地下水模块型、地下水模型包容地表水模块型、地表水和地下水模型双向兼容型。根据地表水和地下水模型的耦合计算方法可分为分离型、相关分析型、线性入渗/（排泄）型、线性水库型和达西定律型五类。根据模型耦合方式的不同，可分为松散耦合型、半松散耦合型和紧密耦合型，也可分为边界条件型、交换量型、水文分割型。按模型的求解方法分类，可分为水均衡法模型、解析模型、数值模型。

现有的地表水-地下水耦合模型存在以下几方面的问题：①一些耦合模型在耦合机制的处理上存在过多的假设或简化，造成耦合模型失真；②一些耦合模型仅是针对某个地区或者某个特定问题，不具有普遍适用性；③多数耦合模型对数据种类及数量要求高，存在一些缺乏物理意义的参数，参数的率定和运行耗时较大，对计算机要求高；④多数模型用大小固定不变矩形网格刻画流域各水文系统特征，不能充分反映河岸及地势变化剧烈地区的水文特征。

（2）典型模型介绍。SWATMOD模型耦合了美国农业部农业研究局开发的半分布式水文学模型SWAT和美国地质调差局开发的MODFLOW模型。SWATMOD模型将从陆地水文学角度建立的概念性水文模型和从水文地质学角度建立的地下水动力学模型相结合，能够更充分地利用水文气象和水文地质资料，而且耦合模型可以在两类模型中取长补短，例如，SWAT本身含有对地下水的描述，但并不能较准确反映河流与含水层之间的相互关系以及地下水抽水井的分布，用MODFLOW取代SWAT地下水模块就能很好地解决这些问题。SWAT也能为MODFLOW提供更加准确的蒸发量和散发量、入渗补给量等的空间分布信息。

HydroGeosphere软件是由加拿大Waterloo大学、Laval大学和Hydrogeologic公司联合研制开发的地下水-地表水耦合模拟软件。HydroGeosphere软件包括两部分，即地下水模块（FRAC3DVS）和地表水模块（MODHMS），它能够全面耦合的模拟赋存于孔隙介质、裂隙介质、双重联系介质中的地下水、地表水的水流运动，溶质运移和热量传递的三维过程。HydroGeosphere软件通过有限元法或有限差分法求解耦合的数学模型，具有先进的迭代技术和强大的计算功能，能够方便设置合适的时间段以及输出选项，还具有强大的三维可视化功能。

HydroGeosphere软件在饱和、非饱和区域对地表水、地下水进行了完全的耦合，利用有限元对研究区内的水流方程同时求解，有效地提高了模型对整个水文系统的代表性。同时，模型内部还计算流域内每个时间步长，每个节点处地表水、地下水的交换速率。另外，在确定的蒸发区域内，实际的蒸散发过程作为节点土壤水分的函数在每个时间点进行了计算。在同一个模型内耦合蒸散发过程、地表水、地下水水流计算，虽然增加了模型的复杂程度，但是提高了预测结果的可靠程度，同样也增加了参数识别所需要的观测数据。由于同时使用地表水、地下水的观测数据识别参数，使得参数的范围比较容易控制，并且降低了水量平衡项计算的不确定性，特别是地表水、地下水之间的相互关系。