東北地理所在寒區(qū)湖泊新污染物全季節(jié)污染模擬與風(fēng)險預(yù)測方面取得進展
隨著對寒區(qū)湖泊研究的不斷深入,污染物在冰封期表現(xiàn)出的特異性行為已引起學(xué)界關(guān)注。然而,目前多數(shù)寒區(qū)湖泊的污染物模擬模型研究仍以非冰封期為主,因此補全污染物在寒區(qū)湖泊的全季節(jié)連續(xù)模擬具有重要意義。東北地理所水環(huán)境健康與模擬學(xué)科組基于前期對抗生素和多環(huán)芳烴兩類污染物在寒區(qū)湖泊全季節(jié)的環(huán)境機理研究,在查干湖創(chuàng)新性的構(gòu)建了全季節(jié)的水動力-新污染物耦合模型,補全了模型的冰封模塊,首次精準刻畫新污染物在寒區(qū)湖泊的全季節(jié)連續(xù)性時空動態(tài),探究其季節(jié)性驅(qū)動機制并預(yù)測其潛在風(fēng)險。
研究團隊選取了兩種代表性污染物,基于其環(huán)境行為特征,運用Delft 3D軟件平臺,自主研發(fā)冰封模塊和新污染物模塊,構(gòu)建寒區(qū)湖泊全季節(jié)水動力-新污染物耦合模型。基于查干湖實際污染現(xiàn)狀設(shè)計了差異化情景模擬,分別為:外源污染負荷削減;減少內(nèi)源污染釋放;引水調(diào)控方案改變。通過三類措施的情景模擬,探究查干湖污染治理的有效路徑,以及污染物是否存在風(fēng)險躍遷的潛在危害。

圖1 寒區(qū)湖泊全季節(jié)水動力-污染物耦合建模框架
該模型對污染物濃度模擬的 Kling-Gupta 效率(KGE)均超過 0.5。系統(tǒng)模擬與數(shù)據(jù)分析表明:
(1)湖泊引水并非簡單稀釋,經(jīng)“早期擾動、中期異質(zhì)和長期穩(wěn)定”三階段,湖流被重構(gòu),沉積物減少,最終實現(xiàn)全湖污染物風(fēng)險減半。
(2)底泥清淤能快速削減沉積物中的易釋放污染庫,但效率隨清淤深度增加而遞減。外源削減在秋季輸入高峰效果更顯著。
(3)沉積物有機碳吸附能力穩(wěn)定,可有效緩沖污染物風(fēng)險。但當外源輸入超過其吸附飽和容量(約45倍基線),沉積物將由“匯”轉(zhuǎn)為“源”。
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圖2 引水調(diào)控早期抗生素風(fēng)險指數(shù)的空間分布與基準情況對比
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圖3 引水調(diào)控中期抗生素風(fēng)險指數(shù)的空間分布與基準情況對比

圖4 引水調(diào)控后期抗生素風(fēng)險指數(shù)的空間分布與基準情況對比

圖5 內(nèi)外源削減下湖泊內(nèi)部污染物濃度變化
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圖6 外部負荷倍數(shù)增加下NAP的相對風(fēng)險
本研究是針對寒區(qū)湖泊全季節(jié)水動力-新污染物耦合模型的構(gòu)建與創(chuàng)新性實踐,研究結(jié)果為查干湖等寒區(qū)湖泊的污染控制和工程規(guī)劃提供了科學(xué)支持,同時也為全球季節(jié)性冰封湖泊中新興污染物的污染研究和管理提供了方法學(xué)參考。
相關(guān)研究成果發(fā)表于國際知名期刊Water Research(中國科學(xué)院一區(qū)TOP,IF=12.4),由水環(huán)境健康與模擬學(xué)科組的碩士研究生李杰(第一作者)、張敬杰研究員(通訊作者)以及特別研究助理鞠含俞(通訊作者)等共同完成。研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目(42471089)、國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作與交流項目(4231101419)、吉林省國際科技合作項目(20240402026GH)及吉林省青年人才托舉工程(QT202330)的資助。
論文信息如下:
Jie Li, Peixin Wang, Lili Jiang, Hanyu Ju*, Xuemei Liu, Guangxin Zhang, Erik de Goede, Jingjie Zhang*. Ice-Covered Lakes, Hidden Threats: Seasonal Fate and Risks of Antibiotics and PAHs. Water Research, 2025
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