CN102565280B - 一种确定湖泊沉积物高氮或磷风险区的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用湖泊水体营养状态及其沉积物氮或磷吸附-解吸实验来确定沉积物中氮或磷的质量分类标准，进而确定湖泊沉积物高氮或磷风险区的方法。具体地，本发明一方面涉及以湖泊沉积物中氮或磷为指标建立湖泊沉积物质量分类标准的方法，该方法包括用富营养化模型确定当水体发生富营养化或严重富营养化时水体中溶解性营养盐含量的阈值，通过吸附-解吸实验求解沉积物氮或磷平衡浓度，然后将沉积物的化学数据与沉积物氮或磷吸附-解吸平衡浓度进行方程拟合，然后将水体发生富营养化或严重富营养化时水体中溶解性营养盐含量的阈值带入方程，建立湖泊沉积物的氮或磷类营养物质质量分类标准，进而确定湖泊沉积物高氮或磷风险区的方法。根据本发明的方法可以有效、方便地对湖泊营养状况进行评估。

Description

一种确定湖泊沉积物高氮或磷风险区的方法

技术领域

本发明涉及一种湖泊沉积物高氮或磷风险区的方法，尤其是一种通过建立湖泊沉积物的氮或磷类营养物质质量分类标准确定湖泊沉积物高氮或磷风险区的方法。

背景技术

湖泊富营养化已成为一个世界性的环境问题。

大量的湖泊富营养化研究表明：湖泊富营养化发生的根本要素是营养盐的超负荷输入。这是一个动态的过程，营养盐的超负荷输入导致浮游植物大量增殖。一方面，水体透明度降低，导致沉水高等植被退化；另一方面，大量的藻类和浮游生物尸体沉入湖底，细菌为分解这些有机残体耗尽湖底的氧气，造成了湖底的缺氧环境。缺氧的环境使各种营养盐，尤其是磷酸盐的矿化减慢，而沉水植物的消亡则使湖底的沉积物长期性的易被风浪扰动而上翻(如西湖的底泥疏浚)，造成营养盐向上覆水体中大量地再释放，从而诱导和促进水华的暴发。

研究还表明：湖泊富营养化问题与湖泊沉积物所造成的内源污染有关，而氮、磷作为湖泊中重要的营养盐元素，其在沉积物中的含量与湖泊的富营养化有着极为密切的关系。但就目前专家学者们对水体中氮、磷危害性所做的研究来看，对沉积物中氮、磷营养物质质量评估及分类研究较少，且主要集中在不同区域营养盐含量对比方面(如有人对东湖及太湖部分湖区沉积物含量及分布进行研究)和已经发生富营养化水体的研究分析上，最重要的是没有引入关于沉积物的氮、磷含量的质量分类标准。由于没有建立有关沉积物的氮、磷营养物质的质量分类标准，使得现有技术对富营养化湖泊氮磷含量的分析不能确切反映湖泊富营养化的真实现状，也难以确切回答何谓“高氮、磷”的问题，更难以根据沉积物中的氮、磷含量对内源性污染水体可能发生的富营养化程度和可能产生的生态风险进行可预见性评估。

因此，提供一种能够准确、有效的分析湖泊沉积物氮或磷的污染状况及确定高氮或磷风险区的方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种建立氮或磷营养物质质量分类标准的方法，以及使用该方法所获得的标准确定湖泊沉积物高氮或磷风险区方法。

本发明的第一方面涉及一种建立湖泊沉积物氮或磷类营养物质质量分类标准的方法，该方法包括以下步骤：

a)采集待分析湖泊的表层沉积物样品多个；

b)以氮或磷含量(mg/kg)为指标，对a)步骤表层沉积物样品分别进行氮或磷含量的测定并对所得数据进行精度、准确度、代表性、完整性、可比较性评估与筛选；

c)选择与待分析湖泊具有相似污染因素的富营养化模型，确定当水体发生富营养化和严重富营养化时水体的氮或磷含量(mg/L)；

d)配制与待分析湖泊污染现状相对应的水体的氮、磷浓度的梯度溶液，并将该溶液与a)步骤所采集的待分析湖泊的表层沉积物样品进行混合，通过吸附-解吸实验求解沉积物与水体达到吸附-解吸平衡时溶液的吸附-解吸平衡浓度以及此时水体的氮或磷含量(mg/L)并对所获得的数据进行质量评估直到满足要求；

e)利用b)步骤所测得满足要求的沉积物化学数据与d)步骤所求解的沉积物氮或磷的吸附-解吸平衡浓度建立有关水体氮或磷含量与沉积物氮或磷含量的拟合方程；

f)若拟合方程的置信度≤90％(或p＞0.10)时，重新拟合建模；若拟合方程的置信度≥90％(或p＜0.10)时，将通过c)步骤所确定的水体营养盐含量代入e)步骤所建立的拟合方程，求解湖泊发生富营养化和严重富营养化时的沉积物氮或磷含量的阈值，即水体刚发生富营养化时沉积物的氮或磷的阈值效应含量和水体发生严重富营养化时沉积物的氮或磷的可能效应含量；

g)根据f)步骤所求出的沉积物氮或磷含量的阈值建立湖泊沉积物氮或磷营养物质质量分类标准。

本发明的第二方面是提供一种利用第一方法所获得的标准确定沉积物氮或磷高风险区的方法，该方法除上述步骤a)～g)外还包括以下步骤：

h)将步骤b)所测得的沉积物氮或磷含量与步骤g)所建立的沉积物质量分类标准进行比较，确定待分析湖泊及区域的沉积物是否存在富营养风险以及沉积物氮或磷的营养风险程度，即当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量低于步骤g)所述标准的阈值效应含量时，该区域的沉积物处于氮或磷的低风险状态；当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量高于步骤g)所确定的阈值效应含量但低于所述的可能效应含量时，该区域的沉积物处于氮或磷高风险状态；当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量高于步骤g)所确定的可能效应含量时，该区域的沉积物处于氮或磷极高风险状态。

为获得更好的技术效果，本发明还可分别对上述两个发明方法作出如下其中之一或多个技术改进(不包括本领域技术人员可直接毫无疑义的排除的不能成立的矛盾组合)。

步骤a)所述表层沉积物是表层1～20cm的沉积物，其中步骤a)所述表层沉积物是表层1～20cm的沉积物，优选是表层1～10cm、1～15cm，约10cm、或约15cm的沉积物。

步骤a)所述表层沉积物是在基本上不扰动沉积物的情况下取样的；

步骤a)所述表层沉积物是利用低扰动柱状采样器进行取样的；

步骤b)所述氮指标可是总氮、氨氮、硝氮中的一种或多种；磷指标可是总磷、易解吸磷中的一种或多种，但鉴于在上覆水体与沉积物的交换过程中氮素主要以氨氮的形式存在、磷素主要以易解吸磷的形式存在，因此氮指标可优选为氨氮或总氮，磷的指标可优选为易解吸磷和总磷含量；相应的，步骤c)所述水体中氮营养盐阈值可优选为氨氮或总氮的阈值，磷营养盐阈值可优选为易解吸磷或总磷的阈值。

步骤c)所述富营养化模型优选修正的卡森指数法(TSI_M)。目前我国湖泊富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法(卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数(TSI_M)、综合营养状态指数(TLI))、营养度指数法和评分法，各个方法都有各自的优缺点。而为了找出作为湖泊重要营养盐元素的氮或磷营养物质各个单因子的浓度阈值，我们优选修正的营养状态指数(TSI_M)，其中关于氮、磷的公式分别为：

TSI_M(TP)＝10(9.436+1.6241nTP)...........................(1)

TSI_M(TN)＝10(5.453+1.6941nTN)...........................(2)

当TSI_M为50认为是富营养化的界限，当TSI_M≥70时，认定为严重富营养化，故水体发生富营养化及严重富营养化时水体中营养盐含量阈值，即氮为0.31mg/L和1.2mg/L，磷为0.023mg/L和0.11mg/L，本发明在一个实施方案中，以氮为指标，含氮量≥0.31mg/L是水体发生富营养化时水体中营养盐含量的阈值、含氮量≥1.2mg/L是水体发生严重富营养化时水体中营养盐含量的阈值；在另一个实施方案中，以磷为指标，含磷量≥0.023mg/L是水体发生富营养化时水体中营养盐含量的阈值、含磷量≥0.11mg/L是水体发生严重富营养化时水体中营养盐含量的阈值；

步骤d)所述梯度溶液中的氮或磷各自独立地分别是所述湖泊现状水体中氮或磷的含量的大约0.01～50倍，优选是大约0.02～10倍、大约0.02～5倍或大约0.02～2.5倍；

步骤d)所述吸附-解吸平衡浓度是在吸附-解吸过程达到平衡，水体中的营养盐(例如氮或磷)含量达到稳定时的浓度；

步骤d)所述吸附-解吸实验是本领域技术人员公知的试验方法，例如但不限于：沉积物氨氮吸附热力学实验、无机磷吸附热力学实验、静态释放实验；

步骤d)所述“对所获得的数据进行质量评估直到满足要求”，其评估方法可对数据进行精度、准确度、代表性、完整性、可比较性进行评估；

步骤e)中，置信度的含义数理统计中的区间估计法，即估计值与总体参数在一定允许的误差范围以内，其相应的概率有多大，这个相应的概率称作置信度；

步骤e)、g)步骤：当所述待分析湖泊为太湖且以氨氮、总氮含量为指标时，根据e)步骤所获得的拟合方程为：

y₁＝40.33x+35.38................................................(1)

y₂＝499.65x+627.85.............................................(2)

式中：

y₁为沉积物中氨氮含量，mg/kg；

y₂为沉积物中总氮含量，mg/kg；

x为沉积物氨氮吸附-解吸平衡浓度，mg/L，但由于在吸附解吸过程中氮的交换主要以氨氮为主，因此有关拟合方程中的总氮的平衡浓度可采用氨氮的平衡浓度代入。

由上述拟合方程及卡森指数(TSIM)法建立的营养模型确定的氮、磷阈值可求得所述太湖沉积物中氨氮、总氮的阈值效应含量(TEC，即水体刚发生富营养化时沉积物中营养盐含量)分别为48mg/kg，783mg/kg；可能效应含量(PEC，即水体发生富营养化时沉积物中营养盐含量)为84mg/kg，1227mg/kg。

本发明的技术效果在于：通过对沉积物的总氮或总磷或氨氮等氮、磷常规监测指标与沉积物吸附解吸平衡点进行数据拟合，将沉积物中常规监测指标与水体中营养盐含量联系到一起，建立了与水体营养状态相对应的沉积物氮磷分类标准。而由于该标准的采用，为高氮、磷沉积物生态风险评估及界定提供依据，因此本申请所给出的湖泊沉积物氮或磷营养物质质量分类标准及确定高氮或磷风险区的方法能够确切反映湖泊营养状态的真实现状，同时也能够确切回答何谓“高氮、磷”的问题，最重要的是能够根据沉积物中的氮、磷含量对内源性污染水体可能发生的富营养化程度和可能产生的生态风险进行可预见性评估，从而大大避免了高氮、磷沉积物工程措施(如环保疏浚)边界界定的盲目性。

附图说明：

图1是本发明方法步骤示意图。

图2是确定吸附-解吸平衡点的方法示意图，图中横坐标C₀表示溶液中氮或磷浓度；EC₀表示溶液中氮或磷的平衡浓度。

图3是以太湖为例所获得的沉积物总氮质量分类图。

具体实施方式

1、本发明的总体思路及所适用的对象

本申请所提出的两个发明方法不但适用于某一湖泊的整体分析，还适用于某一湖泊的某一水域分析，本申请尤其适用于大型浅水湖泊的分析，如太湖、巢湖及滇池等。

本申请所用的“湖泊”概念理解为相对封闭、水流缓慢的水体。

本申请包括二项发明方法：

1)一种建立湖泊沉积物氮或磷质量分类标准的方法，其包括以下步骤：

a)采集待分析湖泊的表层沉积物样品多个；

b)以氮或磷含量(mg/kg)为指标，对a)步骤表层沉积物样品分别进行氮或磷含量的测定并对所得数据进行精度、准确度、代表性、完整性、可比较性评估与筛选；

c)选择与待分析湖泊具有相似污染因素的富营养化模型，确定当水体发生富营养化和严重富营养化时水体的氮或磷含量(mg/L)；

d)配制与待分析湖泊污染现状相对应的水体的氮、磷浓度的梯度溶液，并将该溶液与a)步骤所采集的待分析湖泊的表层沉积物样品进行混合，通过吸附-解吸实验求解沉积物与水体达到吸附-解吸平衡时溶液的吸附-解吸平衡浓度以及此时水体的氮或磷含量(mg/L)并对所获得的数据进行质量评估直到满足要求；

e)利用b)步骤所测得满足要求的沉积物化学数据与d)步骤所求解的沉积物氮或磷在吸附-解吸平衡浓度建立有关水体氮或磷含量与沉积物氮或磷含量的拟合方程；

f)若拟合方程的置信度≤90％(p＞0.10)时，需要重新拟合建模；若拟合方程的置信度≥90％(p＜0.10)时，将通过c)步骤所确定的水体营养盐含量代入e)步骤所建立的拟合方程，求解湖泊发生富营养化和严重富营养化时的沉积物氮或磷含量的阈值，即水体刚发生富营养化时沉积物的氮或磷的阈值效应含量和水体发生严重富营养化时沉积物的氮或磷的可能效应含量；

g)根据f)步骤所求出的沉积物氮或磷含量的阈值建立湖泊沉积物氮或磷营养物质质量分类标准。

2)一种采用上述方法获得的标准确定湖泊沉积物高氮或磷风险区的方法，其除上述a)-g)步骤外还包括以下步骤：

h)将步骤b)所测得的沉积物氮或磷含量与步骤g)所建立的沉积物质量分类标准进行比较，确定待分析湖泊及区域的沉积物是否存在维持富营养风险以及沉积物氮或磷的营养风险程度，即当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量低于步骤g)所述标准的阈值效应含量时，该处的沉积物处于氮或磷的低风险状态；当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量高于步骤g)所确定的阈值效应含量但低于所述的可能效应含量时，该处的沉积物处于氮或磷高风险状态，能够维持湖泊水体的富营养状态；当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量高于步骤g)所确定的可能效应含量时，该处的沉积物处于氮或磷极高风险状态，能够维持湖泊水体的严重富营养状态。

本申请上述两发明方法共同的发明点在于通过建立沉积物吸附-解吸平衡浓度与沉积物中氮或磷的营养盐含量的拟合方程，结合水体富营养化评估模型推导出水体达到富营养及严重富营养化的营养盐浓度阈值，求解水体达到富营养化及严重富营养化时沉积物中氮、磷质量以此建立湖泊沉积物氮、磷分类标准并利用该标准确定高氮或磷风险区。总体的思路见图1：

如图1所示，首先根据情况确定研究指标，本发明优选以氮为指标或以磷为指标，如步骤1所示。然后对待考察湖泊水底的沉积物进行样品采集和处理，如步骤2所示。

然后，分两方面进行实验，即，一方面对沉积物样品进行化学指标的测定(步骤3所示)，然后对所得沉积物的化学数据进行处理(步骤4所示)；另一方面，进行吸附-解吸实例(步骤5所示)，由该吸附-解吸实例确定吸附-解吸平衡点(步骤6所示)。

然后对以上沉积物的化学数据与吸附-解吸平衡点进行质量评估(步骤7所示)。如果该评估结果未达到预期要求，则对产生的问题进行识别并重新进行计划(步骤8所示)；如果该评估结果达到预期要求，则建立拟合方程(步骤9所示)，在p＞0.10也即置信度≤90％的情况下重新拟合建模(步骤10所示)；反之，当p＜0.10也即置信度≥90％时，代入参数求解(步骤11所示)，最后对所得结果进行验证和专家评估(步骤12所示)。根据以上操作可以完成本发明第一方面或者第二方面的方法。

2、具体实施方式阐述

下面以太湖为例结合附图具体阐述本发明的实施方案以及其所具有的技术效果。

1)实施例一：建立湖泊沉积物氮或磷质量分类标准的方法

a)采集待分析湖泊的表层沉积物样品多个。

以我国富营养化较为严重的湖泊-太湖为例，进行沉积物样品的采集，需注意的是对富营养化严重的湖区应适当加密，如选取100个采样点作为样本。样品采集后最好及时处理，一般选用冷冻干燥。

为获得更好的研究结果，最好利用低扰动柱状采样器采集，且最好是选取湖泊底泥表层1-20cm左右的沉积物，以10cm左右为最佳采集区。

b以氨氮、总氮含量(mg/kg)为指标，对a步骤表层沉积物样品分别进行氨氮、总氮含量的测定并对所得数据进行精度、准确度、代表性、完整性、可比较性评估与筛选。

这里的“氮”是指各种含氮成分的总称，其可以是总氮、氨氮、硝氮，本实例优选采用氨氮、总氮含量(mg/kg)为指标。当然，上述方法不局限于氮指标，也可以是磷类营养物质。本文中“磷”是指各种含磷成分的总称，其可以是总磷、易解吸磷。由于沉积物中氮、磷形态众多，考虑到指标的代表性及数据的可得性以及项目要求，推荐以总氮、氨氮、总磷、易解吸磷中的一种或多种为为优选指标。进一步的，考虑到在上覆水体与沉积物的交换过程中氮素主要以氨氮的形式存在、磷素主要以易解吸磷的形式存在，氨氮、易解吸磷含量为氮、磷指标的最优选指标。

进行完氨氮、总氮含量的测定后，为提高本发明的技术效果，对所得数据还需进行精度、准确度、代表性、完整性、可比较性质量评估。所谓精度是指，在规定的类似条件下，同一个特性的各个测定值是相互吻合的；准确度是指测定值与合格参考值或真实值吻合的程度，用于衡量系统偏差；代表性是指，样本数据对某取样点或环境状况的测量特征和参数变化的准确精确的反映程度；完整性是指，参考正常条件下应该取得的有用数据量，在测量系统中实际获取的有用数据量；可比较性是一个定性参数。为了比较测定结果，样本的采集、处理和分析都必须保持一致性。由于精度、准确度、代表性、完整性、可比较性这些要求均为本领域技术人员所熟知的实验数据处理要求，其具体操作方式本申请就不再赘述。

c、选择与待分析湖泊具有相似污染因素的富营养化模型，确定当水体发生富营养化和严重富营养化时水体的氮含量(mg/L)。

目前我国湖泊富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法(卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数(TSI_M)、综合营养状态指数(TLI))、营养度指数法和评分法，各个方法都有各自的优缺点。而为了找出氮或磷各个单因子的浓度阈值，本实例优先选用修正的营养状态指数(TSI_M)，其关于氮、磷的公式分别为：

TSI_M(TP)＝10(9.436+1.6241nTP)...........................(3)

TSI_M(TN)＝10(5.453+1.6941nTN)...........................(4)

当TSI_M为50认为是湖泊发生富营养化的界限，当TSI_M≥70时，认定为严重富营养化，故水体发生富营养化及严重富营养化时水体中营养盐含量阈值，即氮为0.31mg/L和1.2mg/L。

由于本实施仅针对氮指标，因此仅采用上述公式(3)确定当水体发生富营养化和严重富营养化时水体的氮含量(mg/L)。同理，若以磷为指标，采用上述公式(4)确定当水体发生富营养化和严重富营养化时水体的磷含量(mg/L)为0.023mg/L和0.11mg/L。

d)配制与待分析湖泊污染现状相对应的水体的梯度溶液，并将该溶液与a)步骤所采集的待分析湖泊的表层沉积物样品进行混合，通过吸附-解吸实验求解沉积物与水体达到吸附-解吸平衡时溶液中的氨氮、总氮的吸附-解吸平衡浓度(mg/L)，并对所获得的数据进行质量评估直到满足要求；

上述步骤中：

d)步骤梯度溶液的配置原则一般选取湖泊现状水体中氮或磷的含量的大约0.01～50倍，优选是大约0.02～10倍、大约0.02～5倍、或大约0.02～2.5倍。

步骤d)所述吸附-解吸平衡浓度是在吸附-解吸过程达到平衡，水体中的营养盐(例如氮或磷)含量达到稳定时的浓度；

步骤d)所述吸附-解吸实验是本领域技术人员公知的试验方法，例如但不限于：沉积物氨氮吸附热力学实验、无机磷吸附热力学实验、静态释放实验，优选氨氮或无机磷吸附热力学实验。

步骤d)所述“对所获得的数据进行质量评估直到满足要求”，其评估方法可对数据进行精度、准确度、代表性、完整性、可比较性进行评估。

该步骤的具体操作方法推荐如下：

根据现有情况下太湖水体中氮、磷污染现状，判定富营养化阈值浓度，配置并设定与湖泊现状水体中氮磷含量相对应的氮浓度梯度溶液，如水体中氨氮浓度最大为2mg/L，则用氯化铵分别配置氮的系列浓度：0mg/L、0.15mg/L、0.2mg/L、0.5mg/L、1mg/L、1.5mg/L、2mg/L、4mg/L、8mg/L。按水土比100∶1加入沉积物和不同浓度的氨氮溶液。在25℃下恒温振荡2h，离心(10000rpm，10min)，取上清液过0.45μm纤维滤膜后用纳氏试剂法测定氨氮浓度。以上处理设3个平行，相对误差小于5％。

本实施例若以磷为指标，操作方法都大同小异。如，当以活性磷为指标时，d)步骤的操作方式是：在水体中溶解性活性磷最大为0.2mg/L，可选取浓度梯度中最大浓度为0.8mg/L，如用磷酸二氢钾配制磷的溶液，所得的系列浓度可为：0mg/L、0.01mg/L、0.02mg/L、0.025mg/L、0.05mg/L、0.1mg/L、0.2mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L。按水土比100∶1加入沉积物和不同浓度的含磷溶液。

e)利用b)步骤所测得的沉积物化学数据与d步骤所求解的沉积物氮的吸附-解吸平衡点建立有关水体氮含量与沉积物氮含量的拟合方程。

如，本实施例太湖以氨氮、总氮为指标得出的太湖沉积物中氨氮、总氮与吸附-解吸平衡点拟合方程，见表1所示。

表1沉积物中氨氮、总氮与吸附-解吸平衡浓度的拟合方程

式中：y₁为沉积物中氨氮含量，mg/kg；

y₂为沉积物中总氮含量，mg/kg；

x为沉积物氨氮吸附-解吸平衡浓度mg/L，但由于在吸附-解吸过程中，氮的交换主要以氨氮为主，因此有关总氮拟合方程中的总氮平衡浓度可采用氨氮的平衡浓度。

R为相关系数；n为样本数目；

所谓相关系数为表示y₁与x两个变量间相互的直线关系，并判断其密切程度的常用的参数；y₁与x不是比例关系，初始函数应该为y＝kx+b，叫回归分析，是处理两个及两个以上变量间线性依存关系的统计方法，仅代表依存变化数量关系，可把k赋予一个单位L/kg。

f)若拟合方程的置信度≤90％(p＞0.10)时，说明拟合方程没有意义，需要重新拟合方程；若置信度≥90％(p＜0.10)时，将通过c)步骤所确定的水体营养盐含量代入e)步骤所建立的拟合方程，求湖泊发生富营养状态和严重富营养状态时的沉积物氮或磷含量的阈值，即水体刚发生富营养化时沉积物的氮或磷的阈值效应含量和水体发生严重富营养化时沉积物的氮或磷的可能效应含量。

要注意的是，为保证实验结果的真实有效性，保证在置信度≥90％(p＜0.10)时进行参数代入。

如，将c)步骤所获得的湖泊发生富营养化及严重富营养化时的水体营养盐含量阈值，即氮为0.31mg/L和1.2mg/L代入表1的公式中即得到太湖沉积物中氨氮、总氮的阈值效应含量(TEC，即水体刚发生富营养化时沉积物中营养盐含量)和可能效应含量(PEC，水体发生严重富营养化时沉积物中营养盐含量)。

g)根据f)步骤所求出的沉积物氮含量的阈值范围建立湖泊沉积物氮质量分类标准。

由上述拟合方程及卡森指数(TSIM)法建立的营养模型确定的氮、磷的阈值可求得所述太湖沉积物中氨氮、总氮的阈值效应含量(TEC，即水体刚发生富营养化时沉积物中营养盐含量)分别为48mg/kg、783mg/kg；可能效应含量(PEC，即水体发生严重富营养化时沉积物种营养盐含量)为84mg/kg，1227mg/kg。

由此，本实例最终所建立的质量分类标准见表2。

表2太湖沉积物氨氮、总氮质量分类标准

注：沉积物中总氮、氨氮含量为干重计(mg/kg)。

2)实施例二——利用实施例一所述方法获得的标准确定湖泊高氮或磷风险区的方法：

在实施例一的步骤g)后，还设有一步骤h)，即将步骤b)所测得的沉积物氮含量与步骤g)所建立的沉积物质量分类标准进行比较，确定待分析湖泊及区域的沉积物是否存在富营养风险以及评估沉积物氮的营养风险程度，即当步骤b)所测得的沉积物的氮含量低于步骤g)所述标准的阈值效应含量时，该区域沉积物处于氮的低风险状态；当步骤b)所测得的沉积物的氮含量高于步骤g)所确定的阈值效应含量但低于所述的可能效应含量时，该区域沉积物处于氮高风险状态，能够维持湖泊水体的富营养状态；当步骤b)所测得的沉积物的氮含量高于步骤g)所确定的的可能效应含量时，该区域沉积物处于氮极高风险状态，能够维持湖泊水体的严重富营养状态。

从图3中可见，以氮为指标，图中白色区域表示总氮含量为0～783mg/kg，表示根据本发明方法判断太湖的该区域为氮的低风险区；图中灰色区域表示总氮含量为783～1227mg/kg，表示根据本发明方法判断该处沉积物处于氮的高风险状态；图中黑色区域表示总氮含量大于1227mg/kg，根据本发明方法判断该处沉积物处于氮极高风险状态。从图中可见，太湖的中心部分呈氮的低风险，而太湖的大分部区域呈氮高风险状态，太湖的东南边缘和西北边缘有两片呈东北-西南走向的长条区域呈氮极高风险状态。

3、技术效果说明

通过对沉积物的总氮或总磷或氨氮等氮、磷常规监测指标与沉积物吸附解吸平衡浓度进行数据拟合，将沉积物中常规监测指标与水体中营养盐含量联系到一起，建立了与水体富营养化相对应的沉积物氮或磷分类标准。而由于该标准的采用，为高氮、磷沉积物生态风险评估及界定提供依据。也使得本发明不同于现有技术，即是从控制富营养化湖泊沉积物中氮、磷营养盐含量出发，将沉积物中营养盐含量与上覆水中营养盐含量结合起来，尤其与发生湖泊富营养的浓度阈值有机的结合起来，为高氮、磷沉积物生态风险评估及界定提供依据，同时可避免高氮、磷沉积物环保疏浚边界界定的盲目性，可节约一定的成本。本发明可结合经验累积频率法进行验证及美国水质基准中营养盐基准确定方法来验证。如发明人曾采用经验累积频率法对全太湖1220个表层样品总氮的监测结果进行验证分析，发现本发明总氮的阈值效应含量(TEC)为787mg/kg，累积频率为25.6％，与根据营养物密度分布曲线设定相应基准推荐值的概率(25％)基本吻合，从而证明本发明的真实性与普适性。

4、本申请中相关概念的解释：

本发明所引述的所有文献，它们的全部内容通过引用并入本文，并且如果这些文献所表达的含义与本发明不一致时，以本发明的表述为准。此外，本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义，即便如此，本发明仍然希望在此对这些术语和短语作更详尽的说明和解释，提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。

本发明所述的术语“氮”、“磷”如未另有指明，“氮”是指各种含氮成分的总称，其可以是总氮、氨氮、硝氮，本实例优选采用氨氮、总氮含量(mg/kg)为指标。“磷”是指各种含磷成分的总称，其可以是总磷、易解吸磷。由于沉积物中氮、磷形态众多，考虑到指标的代表性及数据的可得性以及项目要求，推荐以总氮、氨氮、总磷、易解吸磷中的一种或多种为优选指标。进一步的，考虑到上覆水体与沉积物的交换过程中氮素主要以氨氮的形式存在、磷素主要以易解吸磷的形式存在，氨氮、易解吸磷含量为氮、磷指标的最优选指标。

如本文所述的，术语“溶解性营养盐”，或称为“可溶性营养盐”是指使用本发明所述方法可以测定的水溶性对营养盐，例如所有包含磷元素的可溶于水的盐类统称；或者例如所有包含氮元素的可溶于水的盐类统称。

置信度：置信度也称为可靠度，或置信水平、置信系数，即在抽样对总体参数作出估计时，由于样本的随机性，其结论总是不确定的。因此，采用一种概率的陈述方法，也就是数理统计中的区间估计法，即估计值与总体参数在一定允许的误差范围以内，其相应的概率有多大，这个相应的概率称作置信度。

P表示一种概率，一种在原假设为真的前提下出现观察样本以及更极端情况的概率，其与置信度的关系是：置信度＝(1-P)＊100％

本发明所述的术语“吸附/解吸平衡浓度”，即吸附解吸平衡点，是指沉积物对溶液中各形态氮或各形态磷的净吸附量或净释放量为零时，溶液中该种形态氮或磷的浓度。如当氮或磷指标为氨氮或无机磷时，其吸附/解吸平衡浓度即沉积物对溶液中氨氮或无机磷的净吸附量或净释放量为零时，溶液中氨氮或无机磷的浓度。

本发明所述术语“可能效应含量”，即“PEC”，是指沉积物中的化学物质浓度，超出这个浓度可能造成生物损害，本方案中指水体发生严重富营养化时，沉积物中营养盐的临界值。

本发明所述术语“阈值效应含量”，即“TEC”，是指沉积物中的化学物质浓度，低于这个浓度就不太可能造成生物损害，本方案中指水体不会发生富营养化时，沉积物中营养盐的临界值。

在本发明的任一方面，其中任意两个实施方案之间所具有的特征可以相互组合，只要它们不会相互矛盾，当然在相互之间组合时，必要的话可对相应特征作适当修饰。虽然本发明以太湖为指标示例性地说明了本发明，然而，本领域技术人员可以根据发明内容对某一湖泊的整体或部分进行分析，本申请尤其适用于大型浅水湖泊的分析，如太湖、巢湖及滇池等，分别对其建立相应的沉积物中氮或磷的质量分类标准，进而确定湖泊沉积物高氮或磷风险区域。

虽然本发明以氮为指标示例性地说明了本发明，然而，本领域技术人员根据本发明公开容易理解和实施以磷为指标的实施方案。本发明的上述详细说明的示例是用于说明本发明。本发明的精神和范围要归于权利要求书。

Claims (9)

1.一种确定湖泊沉积物氮或磷风险区的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a)采集待分析湖泊的表层沉积物样品多个；

b)以氮或磷含量，单位为mg/kg，为指标，对a)步骤表层沉积物样品分别进行氮或磷含量的测定并对所得数据进行精度、准确度、代表性、完整性、可比较性评估与筛选；

c)选择与待分析湖泊具有相似污染因素的富营养化模型，确定当水体发生富营养化和严重富营养化时水体的氮或磷含量，单位为mg/L；

d)配制与待分析湖泊污染现状相对应的水体的氮、磷浓度的梯度溶液，并将该溶液与a)步骤所采集的待分析湖泊的表层沉积物样品进行混合，通过吸附-解吸实验求解沉积物与水体达到平衡时氮或磷吸附-解吸平衡浓度，单位为mg/L，并对所获得的数据进行质量评估直到满足要求；

e)利用b)步骤所测得满足要求的氮或磷含量与d)步骤所求解的氮或磷吸附-解吸平衡浓度，建立氮或磷吸附-解吸平衡浓度与沉积物氮或磷含量的拟合方程；

f)若拟合方程的置信度≤90％(p＞0.10)时，需要重新拟合建模；若拟合方程的置信度≥90％(p＜0.10)时，将通过c)步骤所确定的水体的氮或磷含量代入e)步骤所建立的拟合方程，求解湖泊发生富营养化和严重富营养化时的沉积物氮或磷含量的阈值，即水体刚发生富营养化时沉积物的氮或磷的阈值效应含量和水体发生严重富营养化时沉积物的氮或磷的可能效应含量；

g)将步骤b)所测得的沉积物氮或磷含量与步骤f)所确定的湖泊发生富营养化和严重富营养化时的沉积物氮或磷含量的阈值进行比较，确定待分析湖泊及区域的沉积物是否存在维持富营养风险以及沉积物氮或磷的营养风险程度，即当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量低于步骤f)所确定的阈值效应含量时，该处的沉积物处于氮或磷的低风险状态；当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量高于步骤f)所确定的阈值效应含量但低于所确定的可能效应含量时，该处的沉积物处于氮或磷高风险状态，能够维持湖泊水体的富营养状态；当步骤b)所测得的沉积物的氮或磷含量高于步骤f)所确定的可能效应含量时，该处的沉积物处于氮或磷极高风险状态，能够维持湖泊水体的严重富营养状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氮优选为总氮或氨氮；所述磷优选为总磷或易解吸磷。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a)所述表层沉积物是待分析湖泊沉积物表层1-20cm左右的沉积物。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤d)所述梯度溶液中的氮、磷浓度各自独立地分别是待分析湖泊水体中氮、磷含量的0.01～50倍。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤c)所述营养模型采用卡森指数(TSI_M)法建立，该营养模型关于氮、磷的公式分别为：

TSI_M(TP)＝10(9.436+1.6241n TP)

TSI_M(TN)＝10(5.453+1.6941n TN)

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：TSI_M为50认定为湖泊发生富营养化的界限，TSI_M≥70时认定为严重富营养化，据此可算出水体发生富营养化及严重富营养化时水体中氮含量阈值和磷含量阈值，即氮为0.31mg/L和1.2mg/L，磷为0.023mg/L和0.11mg/L。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤a)所述表层沉积物是利用低扰动柱状采样器进行取样的。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当所述待分析湖泊为太湖且以氨氮、总氮含量为指标时，根据e)步骤所获得的拟合方程为：

y₁＝40.33x₁+35.38

y₂＝499.65x₂+627.85

式中：

y₁为沉积物中氨氮含量，mg/kg；

x₁为沉积物氨氮的吸附-解吸平衡浓度，mg/L；

y₂为沉积物中总氮含量，mg/kg；

x₂为沉积物总氮的吸附-解吸平衡浓度，mg/L。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：利用权利要求6所述氮含量和磷含量阈值及权利要求8所述拟合方程求太湖沉积物中氨氮、总氮的阈值效应含量分别为48mg/kg，783mg/kg；可能效应含量为84mg/kg，1227mg/kg。