自主机器人湖泊剖面测量揭示溶解氧与沉积物通量的空间异质性

这篇研究通过自主水面机器人(ASV)对褐煤矿坑湖进行高分辨率三维水质监测，揭示了溶解氧(DO)分布和沉积物释放通量的空间异质性。研究创新性地结合移动机器人平台与多参数探头，在自然和人工曝气(AER)条件下量化了底层水体氧耗动态，为湖泊管理提供了关键数据支撑。

　　

材料与方法

研究选取德国中部褐煤矿坑形成的Runstedt湖（最大深度32m）作为研究对象，该湖底部沉积着工业废料，采用三台曝气装置(AER1-3)进行季节性增氧。创新性采用"MARF-FG"型自主水面机器人(ASV)搭载多参数探头(Manta +35B)，在34个网格点记录水温、DO、pH、叶绿素a(Chl a)、浊度和电导率(EC)的垂直剖面数据，分辨率达0.5-3m。通过体积加权平均DO浓度(DO_hypo)和氧消耗率(J(z))计算模型，结合克里金空间插值分析三维分布特征。

溶解氧空间分布

监测数据显示金属层(6-13m)存在DO最大值(16.2mg/L)，而底层(>16m)呈现明显空间异质性。7月曝气前，湖心区30m深处出现缺氧(<0.1mg/L)，而近岸区域DO较高。体积加权计算显示DO_hypo从5月至7月持续下降，西部监测点(MP1)消耗速率(0.017g O₂ m^-3 d^-1)低于东部(MP3达0.031g O₂ m^-3 d^-1)，这与叶绿素a西低东高的分布模式相关。6mg/L等值线深度在湖心达27-28m，较近岸浅5m，曝气后该等值线抬升至16-24m，显示增氧效果的空间梯度。

沉积物-水界面过程

底层5m水柱呈现显著梯度变化：DO以0.40mg/L·m速率向沉积物递减，EC则增加1.0μS/cm·m，二者呈强负相关(τ=-0.68)。7月湖心区EC梯度最大(6.2μS/cm·m)，对应硫酸盐(SO₄^2-)浓度差达36mg/L，反映硫化氢(H₂S)氧化过程。pH梯度(-0.03m^-1)与DO消耗正相关，证实还原物质(F_red)的氧化消耗。曝气后(10月)，底层DO升高至3.4mg/L，EC梯度减弱至0-1μS/cm·m，显示沉积物离子释放受抑制。

技术应用价值

相比传统单点监测，ASV数据揭示：

1. 1.

   湖心区沉积物氧需求(J_A)达0.44g O₂ m^-2 d^-1，是近岸区域的1.3倍

2. 2.

   曝气使底层缺氧体积缩小47%，但金属层DO最大值减弱

3. 3.

   电导率空间变异系数从7月的62%降至10月的18%

   研究证实移动机器人可捕捉传统方法易忽略的微尺度过程，为湖泊修复提供精准管理依据。