基于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

夏婷婷,尚廣萍

(1.合肥幼兒師范學(xué)校,安徽合肥 230011;2.合肥市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,安徽合肥 230031)

基于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

夏婷婷1,尚廣萍2

(1.合肥幼兒師范學(xué)校,安徽合肥 230011;2.合肥市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,安徽合肥 230031)

目前富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法眾多,但各評(píng)價(jià)方法之間缺乏可比性,不利于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的有效管理和治理。在對(duì)現(xiàn)有湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,提出了適合我國(guó)國(guó)情的基于GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法。該方法是將水質(zhì)評(píng)價(jià)和主要富營(yíng)養(yǎng)化因子評(píng)價(jià)相結(jié)合的綜合的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法,在巢湖西半湖等合肥市湖、庫富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中應(yīng)用表明:該方法不僅可以對(duì)不同湖、庫的富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行比較,而且可以對(duì)同一湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的時(shí)空變化進(jìn)行分析,有利于對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度做出客觀、合理的判斷,進(jìn)一步探討湖泊富營(yíng)養(yǎng)化成因,為治理富營(yíng)養(yǎng)化提供全面、科學(xué)的決策依據(jù)。

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化;環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià);地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);巢湖

目前我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題愈來愈嚴(yán)重,許多湖泊已接近富營(yíng)養(yǎng),有的甚至達(dá)到極富營(yíng)養(yǎng)的程度[1][2]。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理已經(jīng)成為擺在人們面前急待解決的主要環(huán)境問題之一。作為基礎(chǔ)研究課題之一,建立適宜的數(shù)學(xué)模型并準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀況是進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化控制的依據(jù)和前提[1-6,11]。近半個(gè)世紀(jì)來,各國(guó)學(xué)者對(duì)湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)進(jìn)行過深入的探討,提出了多種形式的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法[3-17],如:特征法、參數(shù)法、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、評(píng)分法、生物指標(biāo)評(píng)價(jià)法、遙感技術(shù)、模糊評(píng)價(jià)法等,這些方法各有其特點(diǎn),但由于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)不相同或不完善,導(dǎo)致同一湖泊富營(yíng)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)果也缺乏可比性[3][4]。因此,建立一種科學(xué)的、統(tǒng)一的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法,以便及時(shí)準(zhǔn)確地了解湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀況、全面合理地評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理效果、有針對(duì)性地制定對(duì)策措施,對(duì)減輕湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化、保護(hù)湖泊生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。

1 主要湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法評(píng)述

1.1 特征法

是根據(jù)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的生態(tài)環(huán)境因子的特征來評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的方法。這種方法通常以感官和引起用水障礙程度的分析來確定湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度。無定量描述,不利于進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 參數(shù)法

是根據(jù)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要代表參數(shù)(或因子)來評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的方法。單一參數(shù)評(píng)價(jià)指數(shù)方法雖然簡(jiǎn)單、明確,但結(jié)果與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的真實(shí)狀況尚有差別;多參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)方法效果較好,但需要詳盡的監(jiān)測(cè)資料。

1.3 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

也稱綜合指數(shù)法,目前我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的基本方法主要有卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)、營(yíng)養(yǎng)度指數(shù)法。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法克服了單一因子評(píng)價(jià)富營(yíng)養(yǎng)化的片面性,力圖將單變量的簡(jiǎn)易與多變量綜合判斷的準(zhǔn)確性相結(jié)合。由于不同地區(qū)或不同類型的湖泊,其它參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系存在著差異,因此,不可能建立一組適用于一切地區(qū)和所有類型湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)式。

1.4 評(píng)分法

此方法將湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的貧營(yíng)養(yǎng)-富營(yíng)養(yǎng)采用0-100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)。在同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下,指數(shù)值越高,其營(yíng)養(yǎng)程度越重。該方法操作簡(jiǎn)單,可比性較強(qiáng),是目前湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的主要方法之一。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(yíng)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。

1.5 生物指標(biāo)評(píng)價(jià)法

根據(jù)湖水中水生生物的種類和數(shù)量來評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的方法,主要有優(yōu)勢(shì)種評(píng)價(jià)法和多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)法等[17]。浮游藻類種類和數(shù)量上的變化在一定程度上反映了水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。由于藻類的生長(zhǎng)繁殖受各種環(huán)境因素和營(yíng)養(yǎng)條件的影響,湖泊水域中表現(xiàn)出來的浮游植物種群變化是復(fù)雜的,優(yōu)勢(shì)種與水域營(yíng)養(yǎng)類型有時(shí)一致,有時(shí)不一致。

1.6 遙感技術(shù)

遙感作為一種新型的湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)手段可進(jìn)行大范圍的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查評(píng)價(jià)[15]?？赏瑫r(shí)完成大范圍的湖泊水體的營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。但只是對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)作出了定性的評(píng)價(jià),遙感圖片的分辨率也影響結(jié)果的精度,天氣的狀況、泥沙等懸浮物、高等水生植物以及湖泊水深等對(duì)圖片質(zhì)量的影響直接影響解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.7 模糊評(píng)價(jià)法

近年來,考慮到湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)所具有的模糊性和灰色性,模糊數(shù)學(xué)和灰色系統(tǒng)理論方法的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注[13]。這些方法比較客觀地反映了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度,但也存在一些問題,如模糊數(shù)學(xué)方法中隸屬函數(shù)的建立具有主觀性,用取小、取大運(yùn)算法則時(shí)會(huì)有信息丟失現(xiàn)象。物元評(píng)價(jià)法針對(duì)不同指標(biāo),需構(gòu)造諸多的函數(shù),且函數(shù)設(shè)計(jì)形式不能規(guī)范,評(píng)價(jià)過程復(fù)雜,計(jì)算量大;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法需用微機(jī)對(duì)不同指標(biāo)和不同指標(biāo)數(shù)目構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)樣本集,分別進(jìn)行訓(xùn)練好后才能使用。

2 基于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法(SWEE)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)及其選取原則

湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化狀況主要取決于湖泊中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的多少。能夠直接、間接指示或影響湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)類型的指標(biāo)有Chla、TN、TP、BOD、COD、SD、SS等,其中,Chla是直接反映藻類現(xiàn)存量的指標(biāo),被稱為“基準(zhǔn)因子”,TN、TP作為藻類增殖的主要限制因子,被稱為“重要因子”。在進(jìn)行湖泊富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)時(shí),Chla、TN、TP是必須強(qiáng)制進(jìn)入評(píng)價(jià)模式的指標(biāo)[1]。根據(jù)我國(guó)湖泊的實(shí)際情況,按照相關(guān)性、可操作性和科學(xué)性相結(jié)合的原則,一般選擇與湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀況直接有關(guān)的Chla、TN、TP、COD、SD等5個(gè)基本參數(shù)作為主要湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的指標(biāo)。SD與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)有關(guān),但主要是與湖泊的懸浮物和藻類生長(zhǎng)繁殖的數(shù)量有關(guān)[2-18],因此,可以不考慮。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于太湖、巢湖、滇池等大型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊,由于研究比較充分,目前均有自己的富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),雖然這些湖泊均以評(píng)分法進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià),但由于各自評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不同,難以進(jìn)行對(duì)比分析。本研究以 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ),構(gòu)筑富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(SWEE),雖然 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》僅對(duì) TP指標(biāo)給出了適于湖泊水質(zhì)的更為嚴(yán)格的水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn),沒有特別給出 TN的湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),但由于湖泊屬于地表水體,而目前對(duì)地表水體所劃分的五類功能類別,已經(jīng)為各界人士廣為認(rèn)知,并且該標(biāo)準(zhǔn)也是真正法律意義上的湖泊水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)。因此,本研究以此為基礎(chǔ)建立以下湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如表1所示:

表1 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)際工作中,地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類、Ⅱ類水體很少發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化,Ⅲ類水體偶爾會(huì)發(fā)生輕度富營(yíng)養(yǎng),中度富營(yíng)養(yǎng)化則主要發(fā)生在Ⅳ類以上水體,而重度富營(yíng)養(yǎng)往往發(fā)生在Ⅴ類和劣Ⅴ類水體;因此本標(biāo)準(zhǔn)將Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值分別作為貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、輕度富營(yíng)養(yǎng)、中度富營(yíng)養(yǎng)和重度富營(yíng)養(yǎng)劃分標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到劣Ⅴ類水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度的區(qū)分,結(jié)合對(duì)目前國(guó)內(nèi)主要富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,本評(píng)價(jià)增加了嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)和極度富營(yíng)養(yǎng)兩個(gè)級(jí)別。因 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中沒有 Chla,本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中 Chla參考 GHZB1-1999《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

2.3 評(píng)價(jià)方法

富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)評(píng)價(jià)指數(shù) SWEE的計(jì)算方法如下:

式中:SWEE為分級(jí)評(píng)價(jià)綜合指數(shù);SWEETP、SWEETN、SWEECOD和 SWEEChla為分級(jí)評(píng)價(jià)單項(xiàng)指數(shù);WTP,WTN,WCOD和WChla為權(quán)重。

在計(jì)算過程中,首先根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將參數(shù)濃度值轉(zhuǎn)換為評(píng)分值,監(jiān)測(cè)值處于分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所列數(shù)值兩者中間,則采用相鄰兩點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插求出各單項(xiàng)指標(biāo)的富營(yíng)養(yǎng)化單項(xiàng)指數(shù);然后按照各指標(biāo)間的權(quán)重,求出富營(yíng)養(yǎng)綜合指數(shù)(權(quán)重可用污染指標(biāo)的等標(biāo)污染負(fù)荷比確定,也可用均一化比例);在本文中權(quán)重 WTP, WTN,WCOD和WChla均按照1/4計(jì)算。

3 應(yīng)用實(shí)例

位于合肥市的巢湖西半湖、董鋪水庫、大房郢水庫共有11個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn),合肥市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站每月進(jìn)行一次例行監(jiān)測(cè)。將基于 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(SWEE),在巢湖西半湖等合肥市湖、庫的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中應(yīng)用如下:

2009年合肥市湖、庫主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果年均值見表2。

表2 2009年度合肥市湖、庫水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

對(duì)照表1的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),從水質(zhì)評(píng)價(jià)來看:2009年合肥市董鋪水庫兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和大房郢水庫三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)可滿足 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求,巢湖西半湖六個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)不能滿足Ⅲ類要求,其中 206、207、208為 Ⅴ類而 203、204、205為劣Ⅴ類。按照表1湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與公式(1)的SWEE的計(jì)算方法,2009年合肥市湖、庫各監(jiān)測(cè)點(diǎn)富營(yíng)養(yǎng)化綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 2009年合肥市湖、庫富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果表

由表3可知:董鋪水庫兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)富營(yíng)養(yǎng)化綜合指數(shù)均小于50,為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài);大房郢水庫三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)50<綜合指數(shù)SWEE≤60,均為輕度富營(yíng)養(yǎng);巢湖西半湖203、204、205即南淝河入湖區(qū)、十五里河入湖區(qū)和塘西SWEE大于70,處于重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),而206、207、208即派河入湖區(qū)、新河入湖區(qū)和西半湖湖心60

4 結(jié)論

湖泊生態(tài)系統(tǒng)千差萬別,進(jìn)行湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)時(shí),要結(jié)合理化監(jiān)測(cè)資料選擇適合的評(píng)價(jià)方法,進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià),才能得到滿意的評(píng)價(jià)結(jié)果。本文提出基于 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)評(píng)價(jià)方法將地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)與富營(yíng)養(yǎng)化相結(jié)合,構(gòu)建的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)物理意義明確、原理直觀;評(píng)價(jià)過程簡(jiǎn)單明了、可操作性強(qiáng),為不熟悉數(shù)學(xué)模型的規(guī)劃人員和決策者提供了定量工具;評(píng)價(jià)結(jié)果客觀、準(zhǔn)確,并具有可比性和通用性,可以用來判斷湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展趨勢(shì),便于推廣、應(yīng)用。

該方法可用于湖泊不同時(shí)空富營(yíng)養(yǎng)化狀況的對(duì)比,得出湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的變化趨勢(shì),也可用于不同湖泊之間富營(yíng)養(yǎng)化狀況對(duì)比,能更全面客觀地反映湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水平及其變化特征。為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的治理、保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

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Lake Eutrophication Evaluation Based on“Environmental Quality Standards for Surface Water”——the Case for Chaohu Lake

XIA Ting-ting1,SHAN G Guang-ping2
(1.Hef ei Childhood Education N ormal School,Hef ei230011,China;
2.Hef ei Environmental Monitoring Center Station,Hef ei230031,China)

There are different kinds of method for the evaluation of lake’s eutrophication.But the results from these evaluation methods can’t be compared.And it is difficult to give a reasonable evaluation for the effective treatment and management of lake eutrophication.Through analyze and assessment the existing evaluation method,on the basis of"Environmental Quality Standards for Surface Water",this paper put forward a comprehensive evaluation method.This method combine water quality assessment and eutrophication index assessment.It has been applied in lakes and reservoirs evaluation in Hefei City(including western Chaohu lake).The results show it can not only compare the eutrophication degree of different lakes,but also can analyze the spatial and temporal variation for a special lake.It is a reasonable evaluation method for lake eutrophication.It can be used to analyse the causes of eutrophication and provide scientific and overall base for decision-making.

lake eutrophication;evaluation of environmental quality;environmental quality standards for surface water;Chaohu lake

P426.613

A

1009-9735(2010)05-0098-04

2010-08-14

安徽省發(fā)展與改革委員會(huì)項(xiàng)目(20090610)。

夏婷婷(1963-),女,安徽合肥人,合肥幼兒師范學(xué)校高級(jí)教師,研究方向:地理教學(xué);尚廣萍(1963-),女,安徽全椒人,合肥市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站高級(jí)工程師,博士,研究方向:環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)。