湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)綜合評價方法研究

湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)綜合評價方法研究

湖泊富營養(yǎng)化是指湖泊水體在自然因素和人類活動的影響下，在湖泊水體中投入大量營養(yǎng)鹽，改變湖泊的生態(tài)狀況。自然界的湖泊隨著自然環(huán)境條件的變遷,有其自身發(fā)生、發(fā)展、衰老和消亡的必然過程,由湖泊形成初始階段的貧營養(yǎng)逐漸向富營養(yǎng)過渡,直至最后消亡。在自然狀態(tài)下,湖泊的這種演變過程是極為緩慢的,往往需要幾千年,甚至更長的時間才能完成。但在人類活動的影響下,這種演化過程大大加快,富營養(yǎng)化引起的環(huán)境問題日益嚴重。因此有必要建立一種科學、統(tǒng)一的評價方法,以便加強對湖泊的管理,保護湖泊生態(tài)環(huán)境。湖泊富營養(yǎng)化評價,就是通過與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)有關的一系列指標及指標間的相互關系,對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)作出準確的判斷。目前我國湖泊富營養(yǎng)化評價的基本方法主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數法(卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(TSI)、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(TLI))、營養(yǎng)度指數法和評分法。1湖泊富營養(yǎng)化的不同評估方法1.1養(yǎng)分狀況指數的形成1.1.1卡爾森指數sd卡爾森指數是美國科學家卡爾森在1977年提出來的,這一評價方法克服了單一因子評價富營養(yǎng)化的片面性,而是綜合各項參數,力圖將單變量的簡易與多變量綜合判斷的準確性相結合?？柹笖凳且院该鞫?SD)為基準的營養(yǎng)狀態(tài)評價指數。其表達式為:式中:TSI為卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數;SD為湖水透明度值(m);chla為湖水中葉綠素a含量(mg/m3);TP為湖水中總磷濃度(mg/m3)。1.1.2tsim的營養(yǎng)狀態(tài)指數為了彌補卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數的不足,日本的相崎守弘等人提出了修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(TSIM),即以葉綠素a濃度為基準的營養(yǎng)狀態(tài)指數?；竟饺缦?1.1.3營養(yǎng)狀態(tài)指數與chla式中,TLI(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數;TLI(j)代表第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數;Wj為第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數的相關權重。以chla作為基準參數,則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式為:rij為第j種參數與基準參數chla的相關系數;m為評價參數的個數。中國湖泊的chla與其它參數之間的相關關系rij及r2ij見表1。營養(yǎng)狀態(tài)指數計算式:1.2湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)綜合評價法通過分析國內外現有湖泊營養(yǎng)化評價模式,進行了反復的理論探索和實踐驗證,將層次分析法(AHP)和主成分分析法(PCA)相結合,提出湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)綜合評價方法,即層次分析-主成分分析營養(yǎng)度指數法。綜合營養(yǎng)度的計算公式為:式中,TLIC為湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的綜合營養(yǎng)度;TLIj為第j個因子的分營養(yǎng)度;Wj為第j個因子的“綜合權”。Cjx為第j個因子的監(jiān)測值(平均值、豐季均值或最大值);Cjmin和Cjmax分別是第j個因子相應于營養(yǎng)度為0和100時的濃度值。1.3湖泊營養(yǎng)程度評價mi評分值利用湖泊藻類生長旺季的葉綠素a(湖水中藻類生長高峰值前后三個月的平均值)與相應期間TP、TN、CODMn、SD的相關關系,確定評分值,從而判斷湖泊營養(yǎng)程度。評分模式:式中,M為湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評分指數值;Mi為i個評價參數的評分值;n為評價參數的個數。2評價方法及標準不統(tǒng)一在實際工作中,以上幾種方法都被采用,因而在我國湖泊富營養(yǎng)化評價過程中存在以下問題:(1)對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的劃分比較混亂,描述方法不一;(2)湖泊富營養(yǎng)化評價方法及指標各不相同;(3)分級評價標準差別很大。這些問題導致同一湖泊富營養(yǎng)化的評價結果差別很大,不同湖泊之間的評價結果缺乏可比性。因此,統(tǒng)一湖泊富營養(yǎng)化評價指標、方法和分級標準是十分必要的。按照相關性、可操作性、簡潔性和科學性相結合的原則,從影響湖泊富營養(yǎng)化的眾多因子中選取葉綠素a(chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(CODMn)等五項指標作為湖泊富營養(yǎng)化評價的統(tǒng)一指標。3計算結果及分析我們應用綜合營養(yǎng)指數(TLI)、評分指數(M)和主成分分析營養(yǎng)度法(AHP-PCA)對太湖2001年1月~8月湖泊富營養(yǎng)化狀況進行了評價分析。最終選取綜合營養(yǎng)指數(TLI)作為湖泊富營養(yǎng)化評價方法,計算結果見表2及圖1。從表中數據和圖形可看出,不同方法的評價結果有所差別,但相關性較好。在驗算中發(fā)現營養(yǎng)度指數法計算步驟繁瑣、耗時長,不如綜合營養(yǎng)指數法簡便易行;而評分法在實際應用過程中,如果某一參數的評分值明顯低于(或高于)其他參數的評分值,表明該參數的變化除了受富營養(yǎng)化的影響外,其他因子對該參數的影響亦較大,故該參數應刪除,往往刪除的參數受人為因素的干擾較多,影響結果的準確性。因此,選取綜合營養(yǎng)指數法做為評價湖泊富營養(yǎng)化的統(tǒng)一方法是可行的。4富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)的測定為了說明湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)情況,采用0~100的一系列連續(xù)數字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進行分級:貧營養(yǎng)(Oligotropher)中營養(yǎng)(Mesotropher)