CN102053140A - 一种富营养化浅水湖泊生态修复后水质的诊断和评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种富营养化浅水湖泊生态修复后水质的诊断和评价方法，该方法选取对富营养化浅水湖泊生态修复过程中水质改善与稳定重要的两种因子：水体透明度和叶绿素a浓度，综合考虑两种因子间的相互作用，建立富营养化浅水湖泊生态修复后的水质诊断指标——湖泊水质指数(LQI)。LQI可以定量描述富营养化浅水湖泊清水稳态和浊水稳态之间的转换，从而为富营养化浅水湖泊生态修复后的水质提供直观、简捷的诊断方法，也为富营养化浅水湖泊生态修复后的湖泊管理措施的拟定以及后续生态工程方法的选择和应用提供科学合理的参考依据。

Description

一种富营养化浅水湖泊生态修复后水质的诊断和评价方法

技术领域

本发明涉及一种富营养化浅水湖泊生态修复后水质的诊断和评价方法。

背景技术

富营养化是在人类活动的影响下，生物所需的氮、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。富营养化水体的显著特征是浮游植物大量发生，进而造成水质恶化、水体功能下降、水生生物死亡等灾难性后果，它不仅制约了湖泊资源的可利用性，使水体丧失应有的功能，而且使水体生态环境向不利于人类的方向演变，直接影响人类的健康生存与社会经济的持续发展。

影响水体富营养化发生的主要因素包括温度、水流流态和营养盐等。浅水湖泊阳光透过性好，温度适宜，水体流动性差，氮磷等营养盐浓度相对充足，能为水生生物(主要是藻类)大量繁殖提供丰富的物质基础，导致浮游藻类(或大型水生植物)爆发性增殖。因此，浅水湖泊相对于深水湖泊，更容易产生富营养化问题。

湖泊富营养化防治经历了从控制营养盐、直接除藻，到生物调控、生态工程及生态恢复等阶段。利用生态学原理，通过构建受损水体生态系统的生物群落结构，恢复其原有的生物多样性，最大限度地使水体生态系统重新获得正常的物质循环、能量流动功能，提高系统的承载力和自净能力，使整个生态系统实现自我维持、自我演替的良性循环。利用生态工程方法控制外源性营养盐输入和内源性营养盐释放，逐步修复受损的湖泊生态系统，提高水体自净能力，改善水体环境质量并建立健康的湖泊生态系统，是富营养化浅水湖泊治理的最佳出路。

由于藻类的“经验分子式”为C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P。同时，利贝格最小值定律(Leibig law of the minimum)指出：植物生长取决于外界提供给它的所需养料中数量最少的一种。由此，一般认为，氮磷营养盐，尤其是磷，是控制湖泊藻类生长的主要因素，也是湖泊富营养化的主要限制性因子。目前对富营养化浅水湖泊生态修复后水质一般采用的判断指标也是基于磷、氮营养盐、BOD、pH值等理化指标，其中，磷含量大于0.2mg/L即认为湖泊属于劣V类水体，已丧失正常使用功能。实际上，由于富营养化的一个重要标志是藻类的过度生长，而影响藻类生长的物理、化学和生物因素是极为复杂的。因此，不能完全根据水中营养盐浓度来判断水体富营养化程度。已有研究证明，在营养盐负荷超过某一水平时，其他因子而不是营养盐可能成为制约藻类的重要因子(王国祥，濮培民.若干人工调控措施对富营养化湖泊藻类种群的影响.环境科学，1999，20：71-74.)。对总磷与藻类生长相关性的研究结果也显示，对营养盐浓度较低的湖泊(如TP＜0.2mg/L)，藻类生长与总磷有较好的相关性；而对营养盐浓度较高的湖泊(如TP＞0.20mg/L)，藻类生长与营养盐浓度已不存在正相关(Seip，K.L.Phoshporus and nitrogen limitation of algal biomass across trophic gradients.Aquatic Sciences.1999，56：16-28.)。同时，湖泊富营养化属于生态学概念，因此，对富营养化浅水湖泊生态系统初步恢复和重建后的水质通过简单的理化指标进行诊断和评价，存在明显的弊端。而通过透明度、总氮、总磷含量及以叶绿素a、COD为参数对水质进行综合评价的综合营养状态指数法(TLI)过于庞杂，操作周期长，对人员和设备要求高，对水质转换的响应慢，也限制了在富营养化浅水湖泊生态修复后水质的诊断和评价中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种富营养化浅水湖泊生态修复后水质的诊断和评价方法。

实现本发明的技术方案是：

本发明提供的富营养化浅水湖泊生态修复后水质的诊断和评价方法，包括以下步骤：

步骤一、采用赛氏盘法测定水体透明度，具体方法参见《水和废水监测分析方法(第四版)》(北京：中国环境科学出版社，2002)，水体透明度用Tsd表示；

步骤二、采用90％乙醇提取法测定水体叶绿素a浓度，具体方法参见《淡水浮游生物研究方法》(北京：科学出版社，1995)，水体叶绿素a浓度用Chla表示；

步骤三、将步骤一和步骤二测得的结果代入以下计算公式：

$\mathrm{LQI}=\frac{\mathrm{Chla}}{T_{\mathrm{sd}}}$

其中：

LQI代表湖泊水质指数；

Chla代表叶绿素a浓度，单位mg/m³；

T_sd代表湖泊水体透明度(以Secchi disc法表示)，单位m；

步骤四、根据步骤三计算得到的湖泊水质指数LQI的结果值，参照以下评价标准对浅水湖泊生态修复后的水质进行诊断和评价：

当LQI值小于15.0时，表明富营养化浅水湖泊经生态修复后处在以草型湖泊为主的清水稳态，水质清澈；

当LQI值大于100时，表明富营养化浅水湖泊经生态修复后由于自然或人为扰动等诱因，重新又返回以藻型湖泊为主的浊水稳态，水质浑浊；

当LQI值介于15.0-100范围时，表明生态修复后的富营养化浅水湖泊处在草型湖泊和藻型湖泊两种交替稳态的中间状态，即不稳定状态，在内部和外在因素干扰下，随时可能转化成为其中的一种稳态。

本发明选取对富营养化浅水湖泊生态修复过程中水质改善与稳定重要的两种因子：水体透明度和叶绿素a浓度，综合考虑两种因子间的相互作用，建立富营养化浅水湖泊生态修复后的水质诊断指标——湖泊水质指数(LQI)。

富营养化浅水湖泊生态修复后能否保持清水状态，很大程度上依赖于恢复的水生高等植物，尤其是沉水植物的恢复和发展。这是因为，水生植物和浮游藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者。水生植物个体大、生命周期长、吸收和储存营养盐的能力强，能很好地抑制浮游藻类的生长，维持水体长期稳定于清澈状态。湖泊水质指数(LQI)选取的参数较好地反映了浅水湖泊生态系统中水生植物和浮游藻类之间相互影响、相互制约的关系。水下光照条件是直接影响沉水植物生长的关键因素。湖泊透明度高，光补偿深度可以满足沉水植物的生长所需，有效抑制浮游藻类的繁衍和滋生，降低叶绿素a含量，使湖泊维持清水稳态；透明度过低，水下光照强度低，低于植物光补偿深度后，沉水植物光合作用受阻，多样性下降甚至消失，湖泊维持清水稳态的缓冲功能被削弱，容易回复至生态修复前藻型富营养化浊水状态，反映为叶绿素a含量激增。同时，表征浮游藻类生物量的叶绿素a含量对生态修复后的富营养化浅水湖泊水质也有重要影响：叶绿素a含量低，水体透明度高，光线穿透能力强，能够为沉水植物生长和发展创造良好的水下光照条件，从而有效抑制浮游藻类生长，维持湖泊的清水状态；叶绿素a含量高，导致水体透明度下降，导致湖泊很可能重新恢复治理前的富营养化状态。而且，透明度与叶绿素a含量的测定简便、快捷，无需昂贵的分析设备和庞杂的测试流程，对操作人员素质要求也不高，可以在短时间内得到量化结果。

由此，LQI可以定量描述富营养化浅水湖泊清水稳态和浊水稳态之间的转换，从而为富营养化浅水湖泊生态修复后的水质提供直观、简捷的诊断方法，也为富营养化浅水湖泊生态修复后的湖泊管理措施的拟定以及后续生态工程方法的选择和应用提供科学合理的参考依据。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

以下步骤诊断和评价富营养化浅水湖泊生态修复后的水质：

步骤一、采用赛氏盘法测定水体透明度，具体方法参见《水和废水监测分析方法(第四版)》(北京：中国环境科学出版社，2002)，水体透明度用Tsd表示；

步骤二、采用90％乙醇提取法测定水体叶绿素a浓度，具体方法参见淡水浮游生物研究方法(北京：科学出版社，1995)，水体叶绿素a浓度用Chla表示；

步骤三、将步骤一和步骤二测得的结果代入以下计算公式：

$\mathrm{LQI}=\frac{\mathrm{Chla}}{T_{\mathrm{sd}}}$

其中：

LQI代表湖泊水质指数；

Chla代表叶绿素a浓度，单位mg/m³；

T_sd代表湖泊水体透明度(以Secchi disc法表示)，单位m。

步骤四、根据步骤三计算得到的湖泊水质指数LQI的结果值，参照以下评价标准对浅水湖泊生态修复后的水质进行诊断和评价：

当LQI值小于15.0时，表明富营养化浅水湖泊经生态修复后处在以草型湖泊为主的清水稳态，水质清澈；

当LQI值大于100时，表明富营养化浅水湖泊经生态修复后由于自然或人为扰动等诱因，重新又返回以藻型湖泊为主的浊水稳态，水质浑浊；

当LQI值介于15.0-100范围时，表明生态修复后的富营养化浅水湖泊处在草型湖泊和藻型湖泊两种交替稳态的中间状态，即不稳定状态，在内部和外在因素干扰下，随时可能转化成为其中的一种稳态。

实施例2

本发明以武汉市科技攻关项目《湖泊污染生物操纵治理和诊断关键技术及其工程应用》为依托，以紫阳湖水体为研究对象，通过一系列生物操纵和诊断技术集成，使水质改善，恢复水生态系统自净能力，应用本发明对紫阳湖生态修复后的水质进行诊断和评价，为紫阳湖生态修复后的湖泊管理措施的拟定以及后续生态工程方法的选择和应用提供科学合理的参考依据。

紫阳湖位于湖北省武汉市武昌区，湖泊面积15.46hm²，汇水面积306hm²，湖岸线长2.65km，湖泊容积12.37万m³。其水体水质改善与生态修复工程处理工艺为：柔性生物膜接触氧化池+人工湿地+水生植被+水生动物，工程于2008年6月底完工并开始试运行，水生态修复工程主要包括以下工程：截污工程、水生植被构建与水生态系统恢复、人工湿地建设、湖水循环曝气工程、高活性生物膜净水工程等。

根据对紫阳湖水质连续监测显示，紫阳湖水体水质和富营养化程度随着生态修复工程的运行逐渐好转。根据分析比较，采用综合营养状态指数法(TLI)对紫阳湖进行富营养化评价(表1)。

表1紫阳湖LQI与TLI随时间变化趋势表

注：采样和水质分析时间为同一天，每次采样采集12的平行样品。

TLI采用0-100的一系列连续数字对湖泊(水库)营养状态进行分级：TLI＜30，贫营养；30≤TLI≤50中营养；TLI＞50，富营养；50＜TLI≤60，轻度富营养；60＜TLI≤70，中度富营养；TLI＞70，重度富营养。生态修复工程竣工前紫阳湖水体富营养化严重，TLI＞60，属于中度度富营养；竣工后，TLI降低至35左右，为中营养状况，紫阳湖水体富营养现状逐渐缓和。2008年6月，由于气温较高，藻类爆发，紫阳湖LQI值＞100，紫阳湖为以藻型湖泊为主的浊水稳态，水质浑浊；随着生态修复工程的进行，紫阳湖LQI值整体呈下降趋势，2009年7月后，LQI值稳定在15.0以下，生态修复工程效果明显，紫阳湖经生态修复后转化为以草型湖泊为主的清水稳态，水质清澈。通过透明度、总氮、总磷含量及以叶绿素a、COD、为参数对水质进行综合评价的综合营养状态指数(TLI)往往过于庞杂，操作周期长，对人员和设备要求高，对水质转换的响应慢，也限制了在富营养化浅水湖泊生态修复后水质诊断中的应用。相关性分析表明，LQI与TLI相关性极显著(p＜0.01，2-tailed)，相关系数R＝0.840，评价结果一致，表明LQI指数可以代替TLI方法。透明度与叶绿素a含量的测定简便、快捷，无需昂贵的分析设备和庞杂的测试流程，对操作人员素质要求也不高，可以在短时间内得到量化结果。同时，LQI可以定量描述浅水湖泊清水稳态和浊水稳态之间的转换，从而为富营养化浅水湖泊生态修复后的水质提供直观、简捷的诊断方法，也为富营养化浅水湖泊生态修复后的湖泊管理措施的拟定以及后续生态工程方法的选择和应用提供科学合理的参考依据。

Claims (1)

1.一种富营养化浅水湖泊生态修复后水质的诊断和评价方法，包括以下步骤：

步骤一、采用赛氏盘法测定水体透明度，水体透明度用Tsd表示；

步骤二、采用90％乙醇提取法测定水体叶绿素a浓度，水体叶绿素a浓度用Chla表示；

步骤三、将步骤一和步骤二测得的结果代入以下计算公式：

$\mathrm{LQI}=\frac{\mathrm{Chla}}{T_{\mathrm{sd}}}$

其中：

LQI代表湖泊水质指数；

Chla代表叶绿素a浓度，单位mg/m³；

T_sd代表湖泊水体透明度(以Secchi disc法表示)，单位m。

步骤四、根据步骤三计算得到的湖泊水质指数LQI的结果值，参照以下评价标准对浅水湖泊生态修复后的水质进行诊断和评价：

当LQI值小于15.0时，表明富营养化浅水湖泊经生态修复后处在以草型湖泊为主的清水稳态，水质清澈；

当LQI值大于100时，表明富营养化浅水湖泊经生态修复后由于自然或人为扰动等诱因，重新又返回以藻型湖泊为主的浊水稳态，水质浑浊；

当LQI值介于15.0-100范围时，表明生态修复后的富营养化浅水湖泊处在草型湖泊和藻型湖泊两种交替稳态的中间状态，即不稳定状态，在内部和外在因素干扰下，随时可能转化成为其中的一种稳态。