水体富营养化趋势模型构建

水体富营养化趋势模型构建

1概述

淡水系统富营养化的定义:“富营养化水体中营养盐的增加，刺激水生初级生产力的提高，并在情况严重时引起看得见的藻华、藻沫及底栖藻类的加速生长，以及水下和漂浮的大型植物大量繁殖的过程”。美国专家组提出了一个更为详细的定义：“富营养化是指水体中有机物、特别是藻类的加速生产。它通常是由排入水体的营养盐通量的增加造成的。藻类加速生产的结果可产生一系列的效果，包括有害和有毒藻华、溶解氧耗尽和水下植被丧失。这些效果是互相关联的，并通常被认为对水质和生态系统健康具有负面影响”。2004年又对富营养化的定义进行了进一步地完善：“富营养化是由于营养盐输入的增加而使水体的生产力增加的一个自然过程。营养盐的输入是一个自然过程，但近几十年来各种人类活动大大增加了营养盐的输入，并通常被认为对水质、生态系统健康和人类利用具有负面影响。环境管理应关注的是人为增加的那部分营养盐对环境是有害的”。本定义不仅强调了人类活动对富营养化的影响，而且强调了除了营养盐的通量外，营养盐组成的改变也将对富营养化产生影响；全面地指出了富营养化产生的负面效应，并提出了环境管理需要关注的利害关系和重点。这是迄今关于富营养化的最为全面和恰切的定义。

2背景

随着我国工农业的迅速发展和城市化进程，工业废水和生活污水的排放，水体流域的开发活动加剧，加之人们环保意识的淡薄等导致水体的富营养化趋势日益严重，给人们的生活带来极大的损失和危害。水体富营养化的根本原因是营养物质的增加。其污染来源主要包括外源及内源性污染的输入及自然环境的改变也是引起富营养化的主要原因之一。从水产养殖来说，富营养化意味着水肥、饲料丰富，有其有利的方面。但从环境保护角度来看，富营养化会给水和水体的利用带来多方面的问题。

（1）供水方面

富营养化后、藻类、特别是大型群体藻类的大量生长，使水厂在过滤水时效率降低。如东湖水厂，原来滤池12h反冲洗一次，现缩短至2-3h，冲洗水量最高

可达出水量的20%。增加新的处理装置，又使成本提高且同时还影响水质。许多形成“水华”的藻类能产生不好的气味。

（2）旅游方面

藻类的大量生长，使水的透明度下降，水色不好，有臭味等，从而使水体的旅游价值降低或消失，这是国外对富营养化问题感到危害严重的一个主要方面。我国的一些有名的风景游览湖泊，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、长春南湖等也都已面临这样一个问题。营养化严重后也带来了水的卫生学指标的下降。（3）渔业方面

水体富营养化对渔业有有利的方面，如提高水域的初级生产力，从而使一些渔业品种的产量增加。但也同样有不利的方面，富营养化引起的缺氧常使鱼类大批死亡。

（4）其他方面

不少蓝藻在某种条件下能产生毒素。澳大利亚、南非、美国等曾报道因藻毒引起家畜、家禽、水鸟等的大批死亡事件。赤潮藻类产生的贝毒可直接危害人类生命。

3评价模型的意义

运用数学模型描述营养盐和能量的流动以及对生物生长的影响，掌握水体内部的物理、化学生物过程，阐明湖泊富营养化的机理；或者通过经验关系定量评估某种人为措施的实施对水体富营养状态的改变及相应水质改善的有效程度。这就是建立数学模型以预测富营养化预测的主要目的。数学模型的价值在于其具有预测能力，能用于水质变化趋势的预测，因此具有广泛的应用。

4富营养化评价模型

4.1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及综合评价法。

4.2评价模型的发展

4.2.1第一代富营养化评价模型

第1代沿岸富营养化概念模型示意图（Cloern,2001 ）

4.2.2第二代富营养化模型

当代（第2代）河口及沿岸富营养化概念模型示意图（Cloern,2001）

4.2.3富营养化评价模型现状

（1）单项指标法

(a)物理参数法:透明度、水色、照度等；

(b)化学参数法:溶解氧、N、P、COD；

(c)生物学参数法:藻类现存量或叶绿素、浮游植物种数、多样性指数、藻类增殖能力等。

（2）综合指数法

(a)营养状态质量法

NQI=(C COD/C CODs)+(C TN/C TNs)+(C TP/C TPs)+(C Chl-a/C Chl-as)

式中C CODs、C TNs、C TPs、C Chl-as分别为COD、TN、TP、Chl-a的评价标准值；

C COD、C TN、C TP、C Chl-a分别为COD、TN、TP、Chl-a的实测浓度。

NQI值大于3为富营养水平，在2-3之间为中营养水平，小于2为贫营养水平。

(b)富营养化指数法，有的地方也称为营养状态指数法

E=(COD×DIN×DIP)×106/4500

式中要素单位均为mg/dm3。E大于等于1即为富营养化。

（3）潜在性富营养化评价法

上述方法中均未考虑营养盐比值(如N/P)对富营养化的贡献。提出了潜在性富营养化的概念，并在此基础上提出一种新的富营养化分级标准及相应的评价模式。即根据DIN 、DIP 含量和N/P 比值对富营养化类型进行分类和分级。

根据Redfield 值，即C:N:P=106:16:1。根据N ：P 值大小，参照生物培养实验结果，将N ：P>30划为磷限制，N ：P<8划为氮限制。对每一种营养盐限制区，再依据氮或磷含量及N ：P 值细分。如对于磷限制，DIN 含量介于14.28～21.41μmol /dm 3之间时，称为磷限制中度营养水平；DIN 含量大于2l.41μmol /dm 3时．又以N ：P=60为界划分为磷中等限制潜在性富营养和磷限制潜在性富营养水平。

根据上述划分原则，提出分类分级的富营养化评价模式。

<4

>1.45

--

氮限制潜在性富营养

ⅥN

4~8>1.45--氮中等限制潜在性富营养

ⅤN <80.97~1.45--氮限制中度营养

ⅣN >60-->21.41

磷限制潜在性富营养ⅥP 30~60-->21.41磷中等限制潜在性富营养

ⅤP >30--14.28~21.41

磷限制中度营养

ⅣP 8~30>1.45>21.41富营养

Ⅲ8~300.97~1.4514.28~21.41

中度营养Ⅱ

8~30<0.97<14.28贫营养ⅠN:P

PO 43--P (μmol/dm )

DIN (μmol/dm )

营养级级别营养级别的划分原则

（4）综合评价法(Comprehensive Procedure)

根据透明度、叶绿素a 、总磷、COD Mn 等单项指标间的相关性建立的综合指标。

TSIM(Chl-a)=10×(2.46+ln(Chl-a)/ln2.5), TSIM(SD)=10×(2.46+(3.69-1.53×ln(SD))/ln 2.5), TSIM(TP)=10×(2.46+(6.71+1.15×ln(TP))/ln 2.5), TSIM(TN)=10×(2.46+(3.93+1.35×ln(TN))/ln 2.5), TSIM(COD Mn )=10×(2.46+(1.50+1.36×ln(CODMn))/ln 2.5),