利用热红外遥感技术、222Rn和18O方法，评估一个大型浅层冰盖湖泊的地下水排放量及其相关的营养物质负荷

《Journal of Hydrology》：Assessing groundwater discharge and associated nutrient loads in a large shallow ice-covered lake using thermal infrared remote sensing, 222Rn, and 18O

地下水径流与营养盐输入机制研究在查干湖冰封期采用卫星热红外遥感结合222Rn和δ18O同位素示踪技术，建立改进的多层质量平衡模型，揭示分层水体对LGD量算的影响，量化得到13.0×10^5 m3/d的LGD通量，发现低温环境下传统土柱平衡试验导致9.7%的LGD估算偏差，并证实地下水磷输入对湖泊富营养化的缓解作用。

　　湖水与地下水的交换（Lacustrine Groundwater Discharge, LGD）是湖泊系统中水循环的重要组成部分，同时也是污染物迁移的主要路径之一。在冰封湖泊中，LGD的量化对于理解湖泊生态系统的物质流动和水体质量变化具有重要意义。传统的LGD量化方法主要依赖于环境示踪剂的均质质量平衡模型，但这种方法忽略了湖泊水体中示踪剂的垂直分层现象，从而导致结果出现偏差。因此，本研究通过改进的多层质量平衡模型，结合卫星热红外遥感技术，对LGD及其相关的营养物质输入进行了更精确的分析。

冰封湖泊在冬季受到冰层覆盖的影响，湖水与外界的热交换受到限制，水体内部的物理、化学和生物过程呈现出显著的垂直分异。这种分异在冰封期尤为明显，因为冰层隔绝了湖水与风的直接接触，使得湖水处于相对静止的状态。而在开放水域时期，风力扰动通常会导致湖水的充分混合。然而，在冰封湖泊中，由于冰层的存在，湖水的垂直分层特征可能被进一步强化，从而影响示踪剂的分布和迁移路径。因此，准确地量化LGD不仅需要考虑湖水与地下水之间的物质交换，还需要充分考虑湖泊水体的垂直结构。

本研究以中国东北平原最大的湖泊之一——查干湖为例，对LGD及其相关的营养物质输入进行了系统分析。查干湖位于吉林省中部—西部松嫩平原，是嫩江与乌伦河交汇形成的湖泊，总面积约为372平方公里。该湖水深在1.5至3.0米之间，平均深度为1.6米，最大深度可达4米，总蓄水量约为4.6×10?立方米。查干湖所在的区域属于冲积—湖泊平原，地势海拔通常在129至140米之间。由于该地区气候为温带大陆性季风气候，冬季寒冷且漫长，冰封期对湖泊水体的结构和功能产生了重要影响。

在冰封期，湖水与地下水的交换过程受到冰层的物理屏障作用，使得湖水与地下水之间的相互作用变得复杂。湖水与地下水的温度差异、化学成分和同位素特征在冰封期表现出显著的垂直分层。例如，湖水的平均温度为0.6°C，而地下水的平均温度为8.1°C，两者之间存在约7.5°C的温差。这种温差为识别地下水排放区提供了重要的线索。同时，湖水和地下水的pH值范围在7.44至10.45之间，湖水的pH值略高于地下水，表明湖水在冰封期可能受到更多的碱性物质输入。

在研究中，采用了热红外遥感技术来识别地下水排放区。热红外遥感能够通过分析湖面温度异常，对大范围的地下水排放区进行定位。这种方法在冰封湖泊中尤为适用，因为冰层的存在使得湖面温度与湖水内部温度的差异更加明显。此外，研究还结合了环境示踪剂如氡（Rn）和氧同位素（δ1?O）的数据，构建了多层质量平衡模型，以更精确地量化LGD及其相关的营养物质输入。与传统的均质模型相比，多层模型能够更好地反映湖水内部的垂直结构，从而提高LGD量化的准确性。

通过多层模型的分析，研究发现，查干湖的LGD量为13.0×10?立方米/天，比传统均质模型的估算结果提高了约7.7%。同时，研究还发现，传统的沉积物平衡实验在常温条件下低估了冰封期沉积物扩散通量，导致LGD估算出现约9.7%的误差。这表明，在冰封湖泊中，采用常温下的沉积物平衡实验进行LGD量化可能并不准确，需要结合实际的水温条件进行修正。

此外，研究还发现，地下水中的氮磷比（N:P）相对较低，但在冰封湖泊中，地下水的输入对湖泊的总磷（TP）含量有显著贡献。这种磷的输入可能缓解湖泊中的磷限制，从而促进藻类的繁殖。这表明，地下水不仅是湖泊水体的重要来源，也是湖泊生态系统中营养物质输入的重要途径。因此，对地下水排放的准确量化对于理解湖泊富营养化机制和制定有效的管理策略具有重要意义。

在冰封湖泊中，由于水温较低，地下水中的示踪剂如Rn的溶解度受到显著影响。研究发现，当温度从5°C上升至25°C时，Rn的溶解度下降了约45.2%。这种温度依赖性的变化在沉积物平衡实验中对Rn的活动水平产生了重要影响，可能导致对沉积物扩散通量的低估，从而影响LGD的量化结果。因此，在冰封湖泊中进行Rn质量平衡模型的分析时，必须考虑温度对Rn溶解度的影响，以确保结果的准确性。

本研究通过结合热红外遥感、Rn和δ1?O的多层质量平衡模型，对查干湖的LGD及其相关的营养物质输入进行了系统分析。研究结果表明，多层模型在冰封湖泊中能够更准确地量化LGD，并减少估算误差。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的总磷含量有重要贡献，可能促进藻类的繁殖。这些发现不仅提高了对冰封湖泊中LGD量化的准确性，也为湖泊富营养化机制的研究提供了新的视角。

查干湖作为中国十大淡水湖之一，其生态环境对于周边地区的土地退化、盐碱化和生态屏障作用具有重要意义。周边的农业灌溉区面积约为2400平方公里，这些区域的高强度施肥行为导致了地下水的严重污染，并加剧了湖泊的富营养化问题。因此，准确地量化LGD及其相关的营养物质输入，对于制定有效的生态管理和水资源保护策略具有关键作用。

研究采用的多层质量平衡模型能够更好地反映湖水内部的垂直结构，从而提高LGD量化的准确性。此外，研究还通过沉积物平衡实验分析了温度对Rn溶解度的影响，发现温度的升高会导致Rn溶解度的显著下降，进而影响LGD的估算结果。因此，在冰封湖泊中进行Rn质量平衡模型的分析时，必须结合实际的水温条件，以确保结果的准确性。

通过本研究的分析，可以更全面地理解冰封湖泊中LGD的形成机制及其对湖泊生态系统的影响。研究结果表明，地下水不仅是湖泊水体的重要来源，也是湖泊富营养化的重要因素。因此，对地下水排放的准确量化对于湖泊生态系统的可持续管理和水资源保护具有重要意义。此外，研究还为其他冰封湖泊的LGD量化提供了参考，有助于推动相关研究的发展。

本研究的成果不仅有助于提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性，还为湖泊富营养化机制的研究提供了新的视角。通过结合热红外遥感、Rn和δ1?O的多层质量平衡模型，可以更全面地分析湖泊水体与地下水之间的相互作用。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的营养物质含量有重要影响，这为制定有效的生态管理和水资源保护策略提供了科学依据。

此外，本研究还强调了在冰封湖泊中进行LGD量化时，需要充分考虑水体的垂直结构和温度变化对示踪剂的影响。这表明，在未来的相关研究中，应采用更精确的模型和方法，以提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的富营养化具有重要影响，这为其他湖泊的富营养化防治提供了参考。

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本研究的成果不仅有助于提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性，还为湖泊富营养化机制的研究提供了新的视角。通过结合热红外遥感、Rn和δ1?O的多层质量平衡模型，可以更全面地分析湖泊水体与地下水之间的相互作用。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的营养物质含量有重要影响，这为制定有效的生态管理和水资源保护策略提供了科学依据。

此外，本研究还强调了在冰封湖泊中进行LGD量化时，需要充分考虑水体的垂直结构和温度变化对示踪剂的影响。这表明，在未来的相关研究中，应采用更精确的模型和方法，以提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的富营养化具有重要影响，这为其他湖泊的富营养化防治提供了参考。

通过本研究的分析，可以更深入地理解冰封湖泊中LGD的形成机制及其对湖泊生态系统的影响。研究结果表明，地下水不仅是湖泊水体的重要来源，也是湖泊富营养化的重要因素。因此，对地下水排放的准确量化对于湖水生态系统的可持续管理和水资源保护具有重要意义。此外，研究还为其他冰封湖泊的LGD量化提供了参考，有助于推动相关研究的发展。

本研究的成果不仅有助于提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性，还为湖泊富营养化机制的研究提供了新的视角。通过结合热红外遥感、Rn和δ1?O的多层质量平衡模型，可以更全面地分析湖泊水体与地下水之间的相互作用。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的营养物质含量有重要影响，这为制定有效的生态管理和水资源保护策略提供了科学依据。

此外，本研究还强调了在冰封湖泊中进行LGD量化时，需要充分考虑水体的垂直结构和温度变化对示踪剂的影响。这表明，在未来的相关研究中，应采用更精确的模型和方法，以提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的富营养化具有重要影响，这为其他湖泊的富营养化防治提供了参考。

通过本研究的分析，可以更深入地理解冰封湖泊中LGD的形成机制及其对湖泊生态系统的影响。研究结果表明，地下水不仅是湖泊水体的重要来源，也是湖泊富营养化的重要因素。因此，对地下水排放的准确量化对于湖水生态系统的可持续管理和水资源保护具有重要意义。此外，研究还为其他冰封湖泊的LGD量化提供了参考，有助于推动相关研究的发展。

本研究的成果不仅有助于提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性，还为湖泊富营养化机制的研究提供了新的视角。通过结合热红外遥感、Rn和δ1?O的多层质量平衡模型，可以更全面地分析湖泊水体与地下水之间的相互作用。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的营养物质含量有重要影响，这为制定有效的生态管理和水资源保护策略提供了科学依据。

此外，本研究还强调了在冰封湖泊中进行LGD量化时，需要充分考虑水体的垂直结构和温度变化对示踪剂的影响。这表明，在未来的相关研究中，应采用更精确的模型和方法，以提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的富营养化具有重要影响，这为其他湖泊的富营养化防治提供了参考。

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此外，本研究还强调了在冰封湖泊中进行LGD量化时，需要充分考虑水体的垂直结构和温度变化对示踪剂的影响。这表明，在未来的相关研究中，应采用更精确的模型和方法，以提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的富营养化具有重要影响，这为其他湖泊的富营养化防治提供了参考。

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此外，本研究还强调了在冰封湖泊中进行LGD量化时，需要充分考虑水体的垂直结构和温度变化对示踪剂的影响。这表明，在未来的相关研究中，应采用更精确的模型和方法，以提高对冰封湖泊中LGD量化的准确性。同时，研究还发现，地下水的输入对湖泊的富营养化具有重要影响，这为其他湖泊的富营养化防治提供了参考。

通过本研究的分析，可以更深入地理解冰封湖泊中LGD的形成机制及其对湖泊生态系统的影响。研究结果表明，地下水不仅是湖泊