湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法研究

湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)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(dòng)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(shí)間才能完成。但在人類活動(dòng)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(yán)重。因此有必要建立一種科學(xué)、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法,以便加強(qiáng)對(duì)湖泊的管理,保護(hù)湖泊生態(tài)環(huán)境。湖泊富營養(yǎng)化評(píng)價(jià),就是通過與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)的一系列指標(biāo)及指標(biāo)間的相互關(guān)系,對(duì)湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)作出準(zhǔn)確的判斷。目前我國湖泊富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)的基本方法主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI))、營養(yǎng)度指數(shù)法和評(píng)分法。1湖泊富營養(yǎng)化的不同評(píng)估方法1.1養(yǎng)分狀況指數(shù)的形成1.1.1卡爾森指數(shù)sd卡爾森指數(shù)是美國科學(xué)家卡爾森在1977年提出來的,這一評(píng)價(jià)方法克服了單一因子評(píng)價(jià)富營養(yǎng)化的片面性,而是綜合各項(xiàng)參數(shù),力圖將單變量的簡易與多變量綜合判斷的準(zhǔn)確性相結(jié)合?？柹笖?shù)是以湖水透明度(SD)為基準(zhǔn)的營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)。其表達(dá)式為:式中:TSI為卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);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(shù)為了彌補(bǔ)卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)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(shù)(TSIM),即以葉綠素a濃度為基準(zhǔn)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)?；竟饺缦?1.1.3營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與chla式中,TLI(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);TLI(j)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。以chla作為基準(zhǔn)參數(shù),則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為:rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù);m為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。中國湖泊的chla與其它參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij及r2ij見表1。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算式:1.2湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)法通過分析國內(nèi)外現(xiàn)有湖泊營養(yǎng)化評(píng)價(jià)模式,進(jìn)行了反復(fù)的理論探索和實(shí)踐驗(yàn)證,將層次分析法(AHP)和主成分分析法(PCA)相結(jié)合,提出湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法,即層次分析-主成分分析營養(yǎng)度指數(shù)法。綜合營養(yǎng)度的計(jì)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(gè)因子的分營養(yǎng)度;Wj為第j個(gè)因子的“綜合權(quán)”。Cjx為第j個(gè)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(gè)因子相應(yīng)于營養(yǎng)度為0和100時(shí)的濃度值。1.3湖泊營養(yǎng)程度評(píng)價(jià)mi評(píng)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(gè)月的平均值)與相應(yīng)期間TP、TN、CODMn、SD的相關(guān)關(guān)系,確定評(píng)分值,從而判斷湖泊營養(yǎng)程度。評(píng)分模式:式中,M為湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)分指數(shù)值;Mi為i個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的評(píng)分值;n為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。2評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一在實(shí)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(píng)價(jià)過程中存在以下問題:(1)對(duì)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(píng)價(jià)方法及指標(biāo)各不相同;(3)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)差別很大。這些問題導(dǎo)致同一湖泊富營養(yǎng)化的評(píng)價(jià)結(jié)果差別很大,不同湖泊之間的評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏可比性。因此,統(tǒng)一湖泊富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)、方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。按照相關(guān)性、可操作性、簡潔性和科學(xué)性相結(jié)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(shù)(CODMn)等五項(xiàng)指標(biāo)作為湖泊富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)的統(tǒng)一指標(biāo)。3計(jì)算結(jié)果及分析我們應(yīng)用綜合營養(yǎng)指數(shù)(TLI)、評(píng)分指數(shù)(M)和主成分分析營養(yǎng)度法(AHP-PCA)對(duì)太湖2001年1月~8月湖泊富營養(yǎng)化狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。最終選取綜合營養(yǎng)指數(shù)(TLI)作為湖泊富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法,計(jì)算結(jié)果見表2及圖1。從表中數(shù)據(jù)和圖形可看出,不同方法的評(píng)價(jià)結(jié)果有所差別,但相關(guān)性較好。在驗(yàn)算中發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)度指數(shù)法計(jì)算步驟繁瑣、耗時(shí)長,不如綜合營養(yǎng)指數(shù)法簡便易行;而評(píng)分法在實(shí)際應(yīng)用過程中,如果某一參數(shù)的評(píng)分值明顯低于(或高于)其他參數(shù)的評(píng)分值,表明該參數(shù)的變化除了受富營養(yǎng)化的影響外,其他因子對(duì)該參數(shù)的影響亦較大,故該參數(shù)應(yīng)刪除,往往刪除的參數(shù)受人為因素的干擾較多,影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,選取綜合營養(yǎng)指數(shù)法做為評(píng)價(jià)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(shù)字對(duì)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí):貧營養(yǎng)(Oligotropher)中營養(yǎng)(Mesotropher)