水体富营养化程度分析评价

水体富营养化程度分析评价
水体富营养化(eutrophication)是指在人类活动的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。

提到富营养化，普遍想到的就是营养盐总磷、总氮超标。

诚然，总磷总氮等营养盐是发生富营养化的必要条件。

如果水体中总磷总氮浓度很低，不可能发生富营养化；但是，反之则不然，水体中总磷总氮浓度的升高，并不一定能发生富营养化问题。

富营养化发生发展是由于水体整个环境系统出现失衡，导致某种优势藻类大量繁殖生长的过程。

因此，了解富营养化的发生机理和发生条件，实质上需要了解的是藻类生长繁衍的过程。

尽管对于不同的水域，由于区域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等诸多差异，会出现不同的富营养化表现症状，也即出现不同的优势藻类种群，并连带出现各种不同类型的水生生物种类的失衡。

但是，富营养氧化发生所需的必要条件基本上是一样的，最主要影响因素可以归纳为以下三个方面：（1）总磷、总氮等营养盐相对比较充足；（2）缓慢的水流流态；（3）适宜的温度条件；只有在三方面条件都比较适宜的情况下，才会出现某种优势藻类"疯"长现象，爆发富营养化。

其中的水流流态主要指以流速、水深为要素的水流结构。

一、水体富营养化的主要原因：
水体富营养化的根本原因是营养物质的增加。

一般认为主要是磷，其次是氮，可能还有碳、微量元素或维生素等。

受控生态系统装置和试验湖区的研究结果表明磷是主要“限制因子”。

Vollenweider等关于磷负荷和初级生产关系的研究也表明磷的重要性.在氮磷比低于10: 1时，或在某个季节，氮也可能成为限制因子。

导致富营养化的营养物按其来源可分为点源和非点源(或面源)。

前者是排放集中、位置固定的污染源，也较容易测定:非点源污染是通过地表径流、降水、地下水等进入水体，较难以测定和控制。

二、水体富营养化的监测和评价指标：
常用指标：
水体富营养化的监测和评价指标包括地理、理化、生物等指标，标准也有差异。

一般有: ⑴ Ac/V指标：
Ac——总集水区
V ——胡泊容积
⑵形态土壤指标:
MEI= TDS/Z
TDS(mg/L)——总溶解固体(TotalD issolvedS olid，过滤后把水烤干后的干重)
Z(m)——平均水深
⑶透明度(SD)——(SecchiD epth)较常用的指标
⑷溶解氧(DO)——(DissolvedO xygen)常用指标
⑸营养物质——最重要的指标
主要是氮、磷(包括各种状态)的浓度(mg/L)，有时用“年单位面积负荷”表示。

⑹物理学指标
包括指示种类(蓝藻中几个种类)、种类组成、生物现存量(数量、生物量、叶绿素含量等)、初级生产量、细菌等。

三、水体营养化评价的主要方法：
1、单因子指数评价
单因子评价模型：
根据海水水质标准以及近岸海域环境功能区划分区标准，选择pH值、溶解氧
(DO)、化学需氧量(cOD)、无机氮(DIN)、无机磷(DIP)、叶绿素a(chl—a)为评价因子m]。

具体模式为：
(1)污染程度随浓度增加的因子指数按下式计算：
P i=C i／C oi
式中：Pi为第i项污染物的污染指数；Ci为第i项污染物的实测浓度；Coi为第i项污染物的评价标准。

(2)溶解氧评价指数式：Pi=(Cimax-Ci)／(Cimax-Coi)
式中：Pi为第i项溶解氧的污染指数；Ci为i项溶解氧的实测浓度；Coi为第i项溶解氧的评价标准；Coimax为本次监测中溶解氧的最大值。

(3)pH评价指数式：Pi=(Ci—Coi)／(Coimax-Coi)
式中：Coimax为pH评价标准最高值或最低值；Coi为pH评价标准的最高和最低值的平均值。

当Pi>l时说明污染物在该点位超标。

2、营养指数法评价
营养指数法模型:
综合COD、DIN和DIP的指标而提出的营养指数式，具体参见海洋调查规范口，营养指数式表示为：Ni=(C COD×C DIN×C DIP)／4500。

式中：Ni为营养指数；C COD为化学耗氧量(rag／L)；C DIN为溶解无机氮( g／L)；C DIP为溶解无机磷(tzg／L)；4500为COD、DIN和DIP的三类海水质标准值的乘积。

Ni值>1，即认为水体富营养化，Ni值越高，富营养化程度越严重。

3、集对分析方法评价
水质状况和水体营养化水平是对水体中多项指标进行分析的综合结果，从评价过程和结果来看单项指标和营养指数评价测定结果对反映水体的实际状况都存在一定的不足之处，因为海水富营养化评价问题是一个多因素、多水平耦合作用的复杂系统，是一个不确定系统，所以本文又尝试采用集对分析理论来综合评价海水的富营养化状况。

集对分析法模型：
集对分析是我国学者赵克勤于1989年提出的解决不确定性问题的系统分析方法，并用一个能充分体现其思想的确定不确定式子u=a+bi+cj来统一地描述各种不确定性。

u=a+bi+cj,u这里称为联系度，a为同一度，b为差异不确定度，c为对立度，根据集对分析理论，同一度、对力度是相对确定的，而差异度则相对不确定。

i为差异度系数，在[一1，1]中取值，j为对立系数，运算时恒取一1。

当污染因子处于级别范围内时，则认为是同一，联系度为1；若污染因子处于相隔的级别中，则认为是对立，联系度为一1；若污染因子处于相邻的评价级别中，(1)Si(0)=0时，污染因子处于一级(I)时
(3)污染因子出于三级(Ⅲ)时
(4)污染因子出于四级(IV)时
(5)污染因子处于五级(V)时
式中Si(O)是各污染因子一级(I)评价标准的下限；Si(1)、Si(2)、Si(3)、Si(4)、Si(5)分别为各污染因子评价级别的限值；x为污染因子的实测指标；Ui1、Ui2、Ui3、Ui4、Ui5、Ui6分别为各测点污染因子对各评价标准的联系度。

由上述方法求得各个指标的联系度后，由求得平均联系度，式中uj 表示五种污染因子对于第j个级别的平均联系度。

若，则水体富营养化评价结果为P级。

四、富营养化治理的主要方法：
早期的治理主要局限于对各种污染源的控制，如污染企业从湖滨撤出，对生活污水和工业废水进行处理后排放等。

这些方法被证明是不足以使富营养化湖泊得到有效治理的，因此目前对湖泊富营养化的治理方法还包括对藻类水华的直接控制和对内源污染的控制，以及对湖泊进行的各种生态修复。

主要的措施包括：
1、物理学方法
这类方法主要采用物理或机械方法来降低水体中的营养物浓度，从而达到降低水体富营养化程度的目的。

包括：
1）底泥疏浚底泥常被认为是内源污染的主要来源之一。

长期的富营养化，导致大量营养物质沉积于湖泊底部，因此疏浚底泥，是控制内源营养物释放的重要手段。

国内在进行、西湖、太湖、滇池等湖泊的治理中都采用了该方法。

2）引水稀释或换水直接引入洁净的江水来稀释甚至更换部分湖水，达到稀释营养物浓度的目的，使湖泊富营养化得到控制。

如杭州西湖引钱塘江入湖，使水质在短时期内即得到了较好的改善。

该方法目前在国内也被普遍采用（如上海的苏州河治理、江苏的太湖等），主要优点是收效快，但该方法治标不治本。

在没有大的理想水源的地方无法采用（如滇池）。

3）泥沙覆盖法该方法主要用于对藻类水华的控制，而不是对富营养化的治理。

即在暴发水华的水体大量喷洒泥浆水，用泥沙吸附营养物，使藻类沉降并覆盖藻类，达到澄清水质的目的。

4）遮光法国内也有研究单位提出采用覆盖水体的方法，来降低水体的光照，从而达到控制藻类水华发生的目的。

该方法，对湖泊的可应用性较低。

2、化学方法
这类方法主要用于控制富营养化湖泊中的藻类水华，而非富营养化本身。

这些方法主要是利用各种化学药物杀灭藻类，常用的化学试剂是硫酸铜。

该方法不适合大规模使用，而且容易产生新的生态问题，不宜推广。

3、生物学或生态学方法
主要包括：
1）利用浮游动物（枝角类）来控制藻类。

即国外被称作生物操纵法。

国内也有采用的。

利
用的枝角类主要是大型溞，也有利用其他枝角类如秀体溞、象鼻溞等。

2）利用鲢鳙控制藻类。

国内被称为非经典生物操纵。

鲢鳙是我国特产鱼类，因此该方法为我国的主要方法。

实践证明，对控制藻类水华具有明显效果，甚至在一定程度上降低湖泊的富营养化程。

3）水生植被修复。

恢复浅水型湖泊的水生植被。

这也是目前国内较常用的一种方法。

主要在湖泊沿岸带种植多种挺水植物、浮叶植物和沉水植物。

利用植物对营养盐的吸收来降低湖泊的富营养化程度。

该方法的主要局限主要包括：富营养化湖泊底质较差，对植物生长极其不利；冬天低水温季节，植物生长缓慢，甚至停止生长，从而对污水处理能力丧失。

4）微生物法包括两种方法：①利用各种微生态制剂，加速对各种有机物的分解，达到改善湖泊底质的目的，该方法在养殖水体中得到了广泛应用，在湖泊治理中的应用还不多；②采用藻类病毒，来杀灭水华藻类，目前该方法尚处于实验室研究阶段。

因为藻类病毒的释放存在新的生态风险，其生态安全问题值得关注。

此外，国内也有将几种方法综合应用的，如有单位利用明矾先对藻类进行物理沉降，再放养鲢鳙对藻类进行控制，收到了良好的效果。

还有如南京地理所在对无锡马山自来水原水的处理时，利用物理过滤作用和生物作用，先利用筛网和其他材料在太湖形成一个双层围隔，在围隔中间还投放鱼类、螺类、蚌类和水葫芦等，利用筛网的物理过滤和生物的吸收作用等综合作用，达到对藻类的过滤和改善原水质量的目的。

水体富营养化程度评价实验设计
一、实验目的
1、掌握总磷、叶绿素－a的测定原理和方法。

2、运用环境监测、环境微生物及环境评价等课程知识，综合分析和评价水体的富营养化状况，并初步提出治理水体富营养化的方案。

二、实验器材
1．仪器或器皿
（1）真空泵及叶绿素a过滤装置。

（2）分光光度计。

（3）高压灭菌锅。

（4）离心机。

（5）比色管、移液管等。

（6）具塞小试管、玻璃纤维滤膜等。

2．试剂
(1) 磷酸盐标准溶液(10μg/mL)。

(2) 过硫酸钾5%（总磷消解）。

(3) 钼酸盐溶液。

(4) 10％抗坏血酸溶液。

(5) 丙酮:水＝（9:1）溶液。

(6) 1％碳酸镁悬液。

三、实验项目、原理及步骤
1．总磷的测定
（1）原理
在酸性水样中加入强氧化性物质过硫酸钾，将各种形态的磷转化成磷酸根离子。

然后用
钼酸铵和酒石酸锑钾与之反应，生成磷钼锑杂多酸，再用还原剂抗坏血酸把它还原，则变成蓝色络合物，通常称磷钼蓝。

（2）步骤
1）标准曲线的绘制：
① 吸取磷标准系列溶液（0.00、0.50、1.00、3.00、5.00、10.00、15.00 mL ）。

② 定容：加蒸馏水定容至50mL
③ 显色：加入1mL10％抗坏血酸溶液，混匀。

30s 后加2mL 钼酸盐溶液充分混匀，放置
15 min 。

④ 测量：以试剂空白作参比，用1cm 比色皿，于波长700nm 处测定吸光度。

2）水样处理步骤：
① 水样的消解：取适量水样于50mL 具塞管，加5mL 过硫酸钾，盖塞包纱布于高压灭菌
锅中消解30min 。

② 冷至室温后加蒸馏水稀释至50mL 。

③ 显色及测量等步骤与标准曲线的绘制相同。

3）结果处理：
磷含量的计算：P ＝mp/V
式中，P 为水中磷的含量，mg/L ；
mp 为标准曲线上查得的磷含量，μg ； V 为测定时吸取水样的体积，mL 。

2．叶绿素-a 的测定 （1）原理
叶绿素是植物光合作用中的重要光合色素。

通过测定水中的叶绿素-a 的含量，可估计该水体绿色植物存在量。

将色素用丙酮萃取，便可以测得叶绿素－a 的含量。

（2）实验过程
实验过程包括装置连接、抽滤、 提取、离心、测吸光度等环节。

① 装置连接：
按要求连接好真空泵、真空罐及过滤漏斗等抽滤装置。

② 抽滤：
将0.45μm 纤维滤膜平整地夹在漏斗装置内。

取500ml 水样抽滤，当水样还剩约10mL 时，加入5 ～8滴碳酸镁悬液。

水样抽完后，继续抽1～2分钟，减少滤膜上的水分。

③ 提取：
将滤纸放入小研钵内，加2 ～3mL 丙酮液研磨后移入离心管并用丙酮液冲洗2次，每次2 ～3mL ，均移入离心管中，最后，加丙酮液至10mL ，塞紧瓶塞，并在4℃下暗处放置18～24h 。

④ 离心：
如有浑浊，在3500r/min 转速下离心10分钟。

⑤ 测吸光度：
将萃取液倒入1cm 比色皿并加盖，以90％丙酮液为参比，分别在测定663nm 、645nm 、630nm 和750nm 波长下的吸光度。

（3）结果处理
萃取液中叶绿素－a 的浓度（µg/L ）： ρa 萃(µg/L)＝
11.64(A663-A750)-2.16(A645-A750)+0.1(A630-A750) 水样中叶绿素a 为： 水样
丙酮
萃a 水样
a V
b V ρ)/(⨯⨯=L g μρ
式中：
ρa 萃—样品萃取液中叶绿素a的浓度, µg/L；
V萃—体积分数为90％丙酮萃取液体积，mL；
V水样—过滤水样的体积，L；
b——比色皿宽度，cm。

四、思考题
1.水体中氮、磷的主要来源有哪些？
2.被测水体的富营养化状况如何？
3.根据测定结果，查阅相关资料，并提出初步的治理富营养化的方案。