Гидродинамическое и качественное моделирование воды озера Янзунхай на юго-западе Китая с использованием двумерной модели CE-QUAL-W2

Почему история этого озера важна

Во многих озёрах мира незаметно накапливаются избыточные питательные вещества от ферм, населённых пунктов и промышленности. Этот процесс, приводящий к помутнению воды и росту водорослей, угрожает питьевым запасам, рыбному промыслу и туризму. На юго‑западе Китая озеро Янзунхай — одно из таких уязвимых «плато‑озёр», расположенное на большой высоте и обеспечивающее водой и средствами к существованию прилегающие сообщества. В этом исследовании использована мощная компьютерная модель, чтобы понять, как вода перемещается по озеру, как распространяется и накапливается загрязнение, и насколько необходимо сократить сбросы, чтобы восстановить озеро до более здорового состояния.

Длинное узкое озеро под давлением

Озеро Янзунхай простирается более чем на 12 километров, но всего на несколько километров в ширину, из‑за чего ведёт себя как длинная узкая система река‑озеро. Оно расположено высоко на Юньнаньском плато, где разрежённый воздух, сильное солнечное излучение и прохладная вода приводят к иным процессам по сравнению с низменными озёрами. Озеро получает сток с окружающих сельскохозяйственных угодий, населённых пунктов и мелкой промышленности, а также от нескольких рек, приносящих азот, фосфор и органические вещества. Эти вещества могут стимулировать рост водорослей, ухудшать прозрачность воды и снижать содержание кислорода, причиняя вред рыбе и другим водным организмам. Власти Китая классифицируют качество воды по нескольким классам, и Янзунхай испытывает трудности с соблюдением более жёсткого класса II, предназначенного для защиты питьевой воды и рекреации.

Использование цифрового двойника озера

Чтобы распутать эту сложную систему, исследователи создали «цифровой двойник» Янзунхая с помощью инструмента CE-QUAL-W2 — двумерной компьютерной модели, предназначенной для длинных стратифицированных озёр и водохранилищ. Они разделили озеро на тысячи мелких ячеек по длине и глубине и снабдили модель подробными данными о речных притоках, осадках, испарении, водоотборе и местной погоде. Также были введены измерения ключевых загрязнителей за период 2016–2018 годов. Модель затем по дням рассчитывала изменения уровней воды, температурную стратификацию от тёплой поверхности до холодных глубин и перемещение с реакциями питательных веществ и водорослей внутри озера.

Что модель показала о поведении озера

Смоделированное озеро хорошо совпадало с наблюдаемыми уровнями воды и достаточно точно воспроизводило поверхностные температуры, включая сезонную картину сильной стратификации летом и полного перемешивания зимой. В тёплые месяцы формируется резкая температурная граница примерно на 12–20 метрах ниже поверхности, действующая как крышка, препятствующая перемешиванию глубоких вод наверх. В условиях стратификации азот, фосфор и органические вещества накапливаются вблизи поверхности, особенно у основных речных впадин на северном и южном берегах. Водоросли процветают, что отражается в росте концентраций хлорофилла-a, а прозрачность воды уменьшается. Напротив, глубокие воды остаются прохладнее и более стабильными, с ограниченным прямым воздействием свежих поступлений загрязнений с водосбора.

Откуда приходит загрязнение

Отслеживая притоки от каждой реки и береговой зоны, модель показала, что более 70 процентов поступающего в Янзунхай питательного и органического загрязнения имеет внешнее происхождение, причём доминируют две реки, стекающие с интенсивно обрабатываемых и застроенных территорий. В течение исследуемого периода суммарные азот, фосфор и показатели органического загрязнения нередко превышали допустимые пределы даже для более либерального класса III, особенно в периоды сильной летней стратификации. Хотя модель явно не имитировала высвобождение питательных веществ из донных отложений, картина высоких внешних нагрузок и накопления в приповерхностном слое указывает на впадающие реки как на основных виновников, тогда как внутреннее перераспределение играет второстепенную, но всё же значимую роль.

Сколько очистки достаточно?

Затем команда использовала модель как испытательную площадку для управленческих вариантов. Они провели серию сценариев «что если», поэтапно сокращая внешние нагрузки азота, фосфора и органических веществ шагами по 10 процентов, чтобы посмотреть, как отреагируют концентрации в озере. Результаты показывают, что для достижения средних норм класса II Янзунхай требуется ежегодное сокращение суммарного азота примерно на 43 процента, суммарного фосфора на 26 процентов и органического загрязнения на 10 процентов. Для соблюдения более жёстких целевых показателей верхних процентилей сокращения должны быть ещё глубже — вплоть до половины по азоту и около трети по фосфору. Взаимосвязь не является линейной: после определённого порога дополнительные уменьшения дают меньшие заметные улучшения, поскольку запасённое загрязнение и внутренний цикл продолжают подпитывать систему.

Что это означает для людей и политики

Для лиц, принимающих решения, исследование переводит сложную физику и химию озера в чёткие числовые цели. Оно показывает, что простого сокращения удобрений или модернизации нескольких сбросов сточных вод будет недостаточно; требуются значительные и длительные сокращения по всему водосбору в сочетании с будущими усилиями по лучшему пониманию и ограничению высвобождения питательных веществ из донных отложений. В то же время работа подчёркивает ценность и границы моделирования: CE-QUAL-W2 может надёжно направлять политику для длинных узких плато‑озёр, но более качественные данные о погоде, притоках и процессах в донных отложениях улучшат точность прогнозов. Для сообществ, зависящих от Янзунхая и подобных озёр, эти выводы предлагают реалистичную дорожную карту по восстановлению более прозрачной воды, здоровых экосистем и безопасных водных ресурсов в условиях растущих нагрузок.

Цитирование: Tang, C., Wang, J., Zhao, L. et al. Hydrodynamic and water quality simulation of Yangzonghai Lake, Southwest China, using the two-dimensional CE-QUAL-W2 model. Sci Rep 16, 12521 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42817-0

Ключевые слова: эвтрофикация озёр, загрязнение питательными веществами, моделирование качества воды, плато-озёра, управление водосборным бассейном