湖泊富营养化预测和评价的模型进展

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2 绪论
2.1 湖泊富营养化的概念及分类 通常，湖泊水库等水体的富营养化[1]是指湖泊水库等水体接纳过量的氮、磷 等营养物质，使藻类和其它水生生物大量繁殖，水体透明度和溶解氧发生变化， 造成水体水质恶化， 加速湖泊水库等水体的老化，从而使水体的生态系统和水功 能受到损害。 严重的会发生水华和赤潮， 给水资源的利用如： 饮用， 工农业供水， [2] 水产养殖、旅游等带来巨大的压力。另一种定义方法 （Cooke等提出）是由于 过量的营养物质、 有机物质和淤泥的进入，导致的湖泊水库生物产量增加而体积 缩小的过程。该定义除了营养盐以外，还强调了有机物质和底泥的输入。因为有 机物质也可以导致水体体积缩小，溶解氧消耗，并通过矿化作用从沉积物中释放 营养物质；淤泥的输入也可使水体面积缩小，深度降低，并能吸附营养盐和有机 物质沉积到水底部，成为潜在污染源。释放后必然会促进水体生物的大量繁殖， 当水体内大量的植物（沉水植物和漂浮植物）以及大量藻类死亡后，释放的有机 物和营养物会进一步加剧水体的营养程度。 根据水体营养物质的污染程度， 通常分成贫营养、 中营养和富营养三种水平。 实际上， 湖泊水库等水体的富营养化自然条件下也是存在的， 不过进程非常缓慢， 这就是地理学意义上的富营养化。然而一旦水体接受人类活动的影响，这种转变 的速度会大大加快，特别是在平原区域，人口密集，工农业发达，大量污水进入 水体，带入大量的营养物质，极大的加速水体富营养化进程。人们通常所说的富 营养化是指这种在人为条件的影响下，大量营养盐输入湖泊水库，出现水体有生 产能力低的贫营养状态向生产能力高的富营养状态转变的现象。 这种富营养化通 常称为人为富营养化。 水体富营养化的发生也是逐步进行的。水体在营养盐浓度较低，藻类和其它 浮游植物的生物量随着营养盐浓度的增加而相应增加的时期，称为响应阶段，这 类湖泊水库称为响应型水体， 表明富营养化处于发展阶段；当营养盐浓度超过一 定的限度，浮游植物的生产量反而下降或者持平，称为非响应阶段，表明水体的 富营养化过程已趋于极限。此时，营养盐浓度达到饱和，生物生产导致水体内部 溶解氧浓度急剧减少， 限制了生物生产过程。 作为富营养化控制因子的氮、 磷等， 只有在富营养化的响应阶段才起作用。 2.2 国内外水体富营养化污染概况 从上个世纪初以来，社会经济长足发展，人口急剧增长，大量生活污水、工 业污废水未经处理排入湖泊、水库，大大增加了水体中氮、磷营养物质含量。同 时，农业中大量化肥农药的施用，也加快了湖泊、水库等水体富营养化进程。富 营养化不仅使水体丧失应有的功能， 而且使水体生态环境向不利于人类的方向演 变， 最终影响人民生活和社会发展，因而富营养化问题受到了越来越多的国家的 关注和重视。 据联合国环境规划署(UNEP)的一项调查表明， 在全球范围内30%-40%的湖泊、 [3] 水库存在不同程度的富营养化影响 。世界上大部分湖泊、水库像:贝尔加湖、 苏必利湖、马拉维湖、大熊湖、大奴湖等影响较小，水质较好，而在气候干旱地 区，水源以人工和半人工方式蓄积起来的水体，富营养现象十分严重[4]。西班牙
Jone 和Bachmann计算了16个Iowa湖和127个其它湖7-8月份的资料，得出: Log[chla] = log[p] - 1.9 (4-3)
由于各湖泊、 水库所处的位置不同， 各自的光照、 气温等条件也存在着差异， 也导致很多类似的公式的出现，如我国的东湖模型: log[chla] = 1.061og[p] - 0.53 (4-4)
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为更好的描述营养物质在水体内的空间分布， 更好的反映水体内部各区域的 营养状态，利用对流和扩散方程，将浓度场和流场耦合，得出学多营养物质的时 空分布的新模型[17] [18]，但在我国应用很少。 水体富营养化的发生受各种因素的影响，水域不同，富营养化发生的决定因 子和影响因子就不同， 其研究预测模型也就不尽相同。只有对具体的水体富营养 化发生机理、影响因素进行深入认识，选取得模型才会更精确。在对我国水体进 行研究时， 应针对我国不同的湖泊水库的具体水文情况， 可选取其中的合适模型。 3.2 富营养化评价 3.2.1 评价的目的及意义 富营养化评价是根据水的使用功能，按照一定的评价因子、质量标准和评价 方法，对湖泊水库富营养化发展过程中某一状态进行定量或定性描述[19] [20]。它 是水质科学管理的基本手段， 也是人类认识水环境的重要途径。其主要目的是通 过对某一具体的湖泊或水库的代表性指标的调查， 判断该水体所处的富营养化进 程以及其发展趋势，为湖泊水库的水质管理及富营养化控制提供科学的依据。 3.2.2 评价的基本步骤 (1)确定评价的目的 进行富营养化的评价目的是多种多样的，如进行水质规划、水质管理等。评 价的目的不同，则评价参数、标准、方法就不会相同，具体水域具体分析。 (2)监测点和监测数据的有效化 进行富营养化评价， 要根据水体评价的目的， 选择合适的监测点和监测指标， 使其最大程度上的代表要评价的水体，并对所取得的数据进行适当的统计处理， 使数据的有效性和代表性提高。 所以，监测数据的精确性和统计方法的合理性是 决定评价精度的重要条件。 (3)确定评价的标准 评价标准是根据评价目的决定的， 不同的水质要求采用不同的水质评价标准。 (4)建立有效的评价方法 目前水质评价的方法有两大类:定性描述评价法、定量计算评价法。前者主 要是针对某些如色、味、臭等难于定量化的感官性的指标的评价，后者主要针对 能定量表示指标的评价，应用最多的是指数评价法。 3.2.3 评价模型进展概况 多年来， 针对具体水域， 各国科学家通过对各种导致其发生富营养化的限制 因子和影响因子进行研究，提出了各种不同的评价方法，像:特征法、参数法、
这些模型受具体水体的实际水文限制，在其它的水域的适用性低，并且研究 所需数据较多，计算过程复杂，应用不广泛。 b.质量平衡模型(箱式模型) 为更好的描述水体内的污染物总量变化，开发了质量平衡模型(单或多层箱 式模型)[6] [7] [8]。该类模型是基于动态的物质守恒基础，相对统计模型有很大的 时间和空间信息，具有更好的指导作用。绝大部分水体富营养化控制因子为磷， 所以模型大多以水体中磷元素的各种物理化学变化为基础进行虑水体的分层状况和水体的对流和扩 散情况， 虽然单层箱体模型(Vollenweider模型)简单考虑因素较少，但经多次使 用，证明可靠实用性强，应用比较广泛。近年来，各国科学家寻找模型参数与湖
目录
摘要 1 引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.1 2.2 湖泊富营养化的概念及分类„„„„„„„„„„ 国内外水体富营养化污染概况„„„„„„„„
3 湖泊富营养化的研究内容„„„„„„„„„„„„ 3.1 富营养化预测„„„„„„„„„„ 3.1.1 预测的目的及内容„„„„„„ 3.1.2 预测模型进展概况„„„„„„ 3.2 富营养化评价„„„„„„„„ 3.2.1 评价的目的及意义„„„„„„„„„ 3.2.2 评价的基本步骤„„„„„„„„„„ 3.2.3 评价模型进展概况„„„„„„„„ 3.3 湖泊富营养化模型„„„„„„„„„„ 3.3.1 评分模型„„„„ 3.3.2 营养状态指数模型„„„„ 3.3.3 改进的营养状态指数模型„„„„„„ 3.3.4 生物多样性评价„„„„ 3.3.5 灰色理论评价模型„„„„„„„„ 3.3.6 浮游植物与营养盐相关模型„„„„„„„„„„ 3.3.7 生态动力学模型„„„„„„ 4 结论及展望„„„„„„„„„„„„„„ 4.1 结论„„„„„„„„„„ 4.2 展望„„„„„„„„„„„„ 参考文献„„„„„„„„„„
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泊水文条件的相互关系， 对该模型进行改进，得出另外几种常用的湖水总磷浓度 模型[13] [14]，常见的见下表4-1:
以上模型没有考虑到水体和底泥的磷交换以及水体分层等情况， 对于监测资 料较为全面的水体， 其应用的局限性就很明显。 由此， Larsen,Welch, Lorenzen, Lung, Steven等人对Vollenweider公式进行修改，开发出一系列模型(表4-2) [9] [10] [11] [12] ，已经成功应用于世界各地水体。
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的800座水库中，至少有1/3的湖泊处于重富营养化状态，在南美、南非、墨西哥 以及其它一些地方均有水体重富营养化的报道。加拿大湖泊众多，发生富营养化 的水体主要集中在南部人口稠密的地区。美国环保总局在1972-1974年期间对全 国大多数湖泊、水库进行一次大规模的、全面的调查和监测。结果表明，在调查 的574个湖泊和水库中， 按营养状态分类有77.8%水体属于富营养化，贫营养水体 仅占4.5，其它17. 7%的为中营养水体。这次调查结果使美国政府对富营养化问 题更加关心和重视。进入90年代以后，水质富营养化问题变得尤为严重，在欧洲 统计的96个湖泊水库当中仅有19个处于贫营养状态，80%的水已经处于富营养化 状态，美国五大湖中伊利湖和安大略湖己经处于富营养化状态，形势十分严峻。 亚洲湖泊污染比欧洲湖泊严重， 仅日本的琵琶湖、台湾的日月潭和韩国的八堂湖 污染较轻，其余湖泊一特别是东南亚发展中国家的湖泊污染较重[5]。亚洲大部分 尤其是南部水体的氮磷浓度偏高，受当地适宜的气候条件影响，存在着富营养化 的隐患。综上所述，近年来世界各地湖泊水库的富营养化污染严重，并且有逐年 加剧趋势，在人口密集，经济发达的地方表现尤为明显，水体富营养化已经成为 全球关注的重大环境问题之一。 近20年来，我国湖泊水库的富营养化污染状况发展相当迅速，形势严峻，湖 泊、水库富营养化已是一个突出的环境问题。多年来的调查结果表明，富营养化 湖泊的个数占调查湖泊总数的比例由20世纪70年代末一80年代后期的54%上升到 90年代初期的61%， 至20世纪90年代末期已经达到77%。在26个国家重点控制的湖 泊中， 氮、 磷含量严重超标， 水质大多低于五类水水质， 相当一部分(像东平湖、 巢湖、太湖、洪泽湖、玄武湖、西湖、滇池等)己经发生水华[4]. 80年代后期至 今， 长江中下游大部分湖泊己经呈现出中营养或中富营养以上水平，并且有进一 步加剧趋势。 水库富营养化也相对严重， 全国39个大中小型水库的调查结果表明， 处于富营养化状态的水库个数和库容分别占调查水库的30.8%和11.2%， 处于中营 养状态的水库占调查水库个数的43.6%和83.1%。 总体来说， 水库的水质是良好的， 但是濒临城市的水库已经出现富营养化现象，像北京的官厅水库、天津的于桥水 库、石河子的蘑菇水库等。同时，我国水体的营养化分布区域不同，我国东部和 南部水域富营养化程度较高，分布较广，而在东北、蒙新和青藏高原地区，水体 的营养水平相对较低。 总体来说，湖泊、水库环境非常脆弱，水体富营养化有进一步加剧的势头。 尽管人们对水体富营养化的发生机理还不太明了， 但是一些湖泊水体的富营养化 治理工作己经初见成效，如:在中国滇池、巢湖的富营养化治理己经有成功的经 验。 3 湖泊富营养化的研究内容 3.1 富营养化预测 3.1.1 预测的目的及内容 湖泊、 水库富营养化通常是由其生态系统在各种内部和外部因子综合作用下 发生的生物化学反应引起。任何一个水体特定的生态系统，总存在生态因子(生 物量、 水质参数)与内、 外部变量(水量、 营养盐和能量的输入)之间的响应关系。 通过适当的数学模型描述这种响应的影响， 从而推断出在外部变量改变时湖库富