CN102628856A - 一种湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法 - Google Patents
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Abstract
一种湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，首先运用描述统计学方法建立湖泊营养物参照状态；其次运用推断统计学方法建立湖泊营养物参照状态；最后利用古湖沼学重建和流域模型推断方法验证统计学方法建立湖泊营养物参照状态的可靠性和合理性。本发明将调查数据和历史数据的统计分析、古湖沼学重建、模型预测与推断等几种方法有机结合，能有效避免单一方法的不足，对提高可操作性和保证结果准确性有重要的实际意义，从而为确定营养物基准值提供可靠基础。
Description
技术领域
本发明属于水资源保护和水资源管理领域，具体地涉及一种湖泊营养物基准参照状态确定方法。
背景技术
湖泊营养物基准是湖泊富营养化控制标准的理论基础和科学依据。氮、磷等营养物质危害主要在于促进藻类生长而爆发水华，从而导致水生生物死亡和水生态系统破坏，营养物基准基于生态学原理和方法制定，其关键内容是确定参照状态。
参照状态是指受影响最小的状态或认为可达到的最佳状态，为确定随时间推移由人类引起的湖泊变化提供基线。通常采用湖泊没有受人类污染或受人类扰动较小的条件下营养物浓度表示湖泊营养物参照状态。
美国环保局于2000年首先采用统计学方法建立了14个一级湖泊营养物生态分区总磷、总氮、叶绿素a和透明度的参照状态，随后各州开始开展本州的湖泊参照状态和营养物基准制定工作，并开发了一些新的方法；欧洲近几年也开展了不同生态分区湖泊参照状态确定研究，先后建立了总磷和叶绿素a参照状态。
国外在确定湖泊参照状态时常用方法包括调查数据和历史数据的统计分析、古湖沼学重建、模型推断以及专家判断等。其中：
统计学方法充分利用历年实测水质和生物数据，保证适用于大多数湖泊，不易用于监测资料缺乏或污染严重湖区；
模型推断法虽然可用于受人类影响严重的湖泊，但易产生较大偏差，需大量相关数据校准和验证；
古湖沼学重建法利用湖泊沉积物推演湖泊自然营养本底和定量恢复历史时期湖泊营养状态演化序列，亦需要复杂数据分析，不宜用于沉积物受扰动较大的浅水湖泊；
专家判断主观性较强，不可单独使用。对于确定湖泊营养物参照状态，开发一种兼顾各方法优点的组合方法对提高可操作性和保证结果准确性有重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法。
为实现上述目的，本发明提供的湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，运用描述统计学方法建立湖泊营养物参照状态，包括：
(1)筛选参照湖泊，采用参照湖泊法建立湖泊营养物参照状态；或
(2)采用湖泊群体分布法建立湖泊营养物参照状态；或
(3)采用三分法建立湖泊营养物参照状态；
其中，筛选参照湖泊，采用参照湖泊法建立湖泊营养物参照状态包括：
(1)根据湖泊流域土地利用数据和流域图像资料，分析生态分区内湖泊受外界影响水平，筛选参照湖泊，参照湖泊数量应占全体湖泊数量10％以上；
(2)采用Mann-Whitney U检验判断所选参照湖泊是否能够很好地代表全部湖泊；
(3)应具备与参照湖泊有关的可利用的足够数据，如果现有的数据不充分，则需对足够数量的参照湖泊进行采样；
(4)各项基准指标频数分布中选择一个百分点(推荐75％点位)作为参照状态。
采用湖泊群体分布法建立湖泊营养物参照状态是：全体湖泊各项基准指标作频数分布，选择25％点位作为参照状态；如果所有湖泊受到污染，则选择5％点位作为参照状态。
采用三分法建立湖泊营养物参照状态是：将水质最佳的三分之一作为受影响很小的水体，取该样本的中值作为参照状态。
本发明提供的湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，还可以运用推断统计学方法建立湖泊营养物参照状态，包括：
(1)MEI模型推断总磷和叶绿素a的参照状态；或
(2)经验模型推测叶绿素a和透明度参照状态；
其中，MEI模型推断总磷和叶绿素a的参照状态适用于深水湖泊，为：
(1)利用参照湖泊数据构建MEI-总磷、MEI-叶绿素a的回归模型，其中MEI为湖深-总溶解性固体指数，指总溶解性固体与平均湖深之比，总溶解性固体以碱度或电导率衡量；
(2)将全体湖泊碱度或电导率均值除以全体湖泊平均湖深所得MEI值代入回归模型，计算总磷和叶绿素a浓度，作为参照状态。
经验模型推测叶绿素a和透明度参照状态为：
(1)根据全体湖泊营养盐(氮、磷)-反应变量(叶绿素a和透明度)响应关系，构建回归模型；
(2)以描述统计学方法建立的氮、磷参照状态代入模型计算叶绿素a浓度和透明度，作为参照状态。
本发明提供的湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，运用古湖沼学重建和流域模型推断方法，验证统计学方法建立湖泊参照状态的可靠性和合理性。
古湖沼学方法重建湖泊营养盐演替历史为：
(1)确定沉积物柱芯年代序列；
(2)分析沉积物柱芯中各营养代用指标(如：有机碳、氮、磷、碳氮稳定同位数等)剖面分布特征，结合近代沉积物定年结果，表征湖泊营养状态演替过程；结合流域发展情况，重建近代湖泊历史营养状态的自然演替过程和湖泊生态环境变化。
模型推断方法是将湖泊及所在流域作为一个整体，通过模型模拟流域内营养物的产生、输移过程，结合湖泊水质模型，推求受人类活动影响较小条件下湖泊营养物的背景值作为湖泊营养物参照状态阈值，模型包括：
模型1：流域状况-水质响应对数线性回归模型
(1)统计近年湖泊所在流域内各种土地利用类型所占流域面积的百分比；通过流域内的雨量站记录数据，计算湖泊所在流域内的年降雨量；查找流域所在地的统计年鉴，获得流域内的肥料施用量、工业和生活营养物负荷排放数据；
(2)将湖泊近年的总磷、总氮水质数据作为因变量，自变量取流域的年降雨量、土地利用状况和化肥施用量等，建立对数线性回归模型；
(3)设置流域受人类活动影响小时的自变量值，运用建立的对数线性回归模型推出湖泊营养物参照状态；
(4)基于自助法和三角模糊数技术，分析结果的不确定性，给出湖泊营养物参照状态的置信区间；或
模型2：流域营养物负荷-湖泊水质响应耦合模型
(1)计算流域非点源负荷：溶解态负荷采用基于SCS的流域水文模拟方法计算，颗粒态负荷采用基于USLE的流域土壤侵蚀法计算；流域化肥施用产生的非点源负荷和湖面沉降的非点源负荷根据调查资料估算；
(2)通过收集的流域人口及工业发展数据，计算出流域的营养物点源排放及入湖负荷量，包括城镇生活、工业和规模养殖排放废水中的营养物负荷；
(3)通过湖泊氮磷质量守恒模型，逐年逆推湖泊营养物的历年平均浓度；
(4)以该流域无重大人类活动的年份(由古湖沼学重建结果支持)对应的营养物浓度作为湖泊营养物参照状态阈值；或
模型3：系统动力学模型
(1)以流域-湖泊整体系统为研究对象，根据湖泊营养物来源的特点及输移变化规律，针对流域社会经济系统、流域自然生态系统、湖泊水生态系统分别构建系统动力学模型；
(2)流域-湖泊系统模型校准；
(3)系统情景设定推演湖泊营养物参照状态：根据湖泊水质模型和历年流域营养物入湖量、径流量、取水量数据资料，结合湖泊流域生态健康性综合评价，判断湖泊水体营养物状态受人类影响相对较小的年份，以该年份营养物浓度作为湖泊营养物参照状态阈值。
本发明的优势在于：将调查数据和历史数据的统计分析、古湖沼学重建、模型预测与推断等几种方法有机结合确定湖泊营养物参照状态，能有效避免单一方法的不足，使结果更具科学性，为确定营养物基准值提供可靠基础。
附图说明
图1A为实施例中叶绿素a(chla)与总磷(TP)之间存在的对数线性关系图，图1B为实施例中叶绿素a(chla)与总氮(TN)之间存在的对数线性关系图。
图2为实施例中程海沉积物137Cs活度剖面分布及时标。
图3为实施例中不同年代程海沉积物中TOC含量剖面分布图。
图4A为实施例中采用模型2得到的程海总磷历年浓度推断结果，图4B为实施例中采用模型2得到的程海总氮历年浓度推断结果。
图5A为实施例中采用模型3得到的程海总磷年均浓度值推断结果，图5B为实施例中采用模型3得到的程海总氮年均浓度值推断结果。
具体实施方式
本发明针对目前确定湖泊营养物参照状态的方法，提出一种易于接受的组合方法。
本发明的湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，步骤如下：
1、描述统计学方法建立湖泊营养物参照状态
(1)筛选参照湖泊，采用参照湖泊法建立湖泊营养物参照状态
参照湖泊的定义是未受人类影响或受人类影响非常小且维持最佳用途的湖泊，可代表该地区自然生物学的、物理的和化学的完整性。
①根据湖泊流域土地利用和流域图像资料等分析湖泊受人类影响水平(表1)，筛选参照湖泊并检验其代表性，且其数量应占全体湖泊数量10％以上。
②对参照湖泊各项基准指标作频数分布，选择一个合理的百分点作为参照状态(推荐采用75％点位)。
(2)采用湖泊群体分布法建立湖泊营养物参照状态
该法不涉及对参照湖泊的判定，适用范围广，参照湖泊数量不足时可替代参照湖泊法。湖泊样本为整个生态分区全体湖泊，遭受严重损害的湖泊可排除在样本之外。
①对全体湖泊各项基准指标作频数分布，在高质量端选择一个合理的百分点作为参照状态(推荐采用25％点位)。
②如果几乎所有湖泊受人类影响与污染程度较大，例如高度开发的土地利用地区可降低百分点，如选择5％点位。
(3)采用三分法建立湖泊营养物参照状态
在受人类影响不大的区域，将水质最佳的三分之一作为受影响很小的水体(这在单个指标的数值上有所体现)，取该样本的中值作为参照状态。
2、推断统计学方法建立湖泊营养物参照状态
(1)MEI模型推断总磷和叶绿素a参照状态
湖深-总溶解性固体指数(MEI)是湖水中总溶解性固体(土壤因子)与湖泊平均深度(形态因子)之比，其中总溶解性固体用碱度或电导率衡量。在无人为营养物输入条件下，流域磷输出取决于地质状况，湖水中总磷浓度通常与碱度或电导率存在正相关，与深度呈负相关；MEI与湖泊中鱼类和浮游植物生产力有关。碱度和电导率一般受流域人类活动和湖泊中生物活动影响很小，因此采用参照湖泊数据建立MEI模型，全体湖泊数据用于推测无人为营养物输入条件下总磷和叶绿素a浓度。该法适宜深水湖泊。
MEI＝总溶解性固体(土壤因子)/平均湖深(形态因子)
(2)经验模型推测叶绿素a和透明度参照状态
①对各指标进行相关性分析，根据全体湖泊营养盐(氮、磷)-反应变量(叶绿素a和透明度)响应关系，构建回归模型；
②以描述统计学方法建立的氮、磷参照状态代入模型计算叶绿素a浓度和透明度，作为参照状态。
3、利用古湖沼学法方法，推出湖泊沉积物营养盐演替历史，结合流域模型推断出湖泊历史营养物浓度，验证统计学方法建立湖泊参照状态的可靠性和合理性
(1)古湖沼学方法重建湖泊营养盐演替历史
①确定沉积物柱芯年代序列；
②分析沉积物柱芯中各营养代用指标(如：有机碳、氮、磷、碳氮稳定同位数等)剖面分布特征，结合近代沉积物定年结果，表征湖泊营养状态演替过程；结合流域发展情况，重建近代湖泊历史营养状态的自然演替过程和湖泊生态环境变化。
(2)模型推断方法是指将湖泊及所在流域作为一个整体，通过模型模拟流域内营养物的产生、输移过程，结合湖泊水质模型，推求受人类活动影响较小条件下湖泊营养物的背景值作为湖泊营养物参照状态阈值。供利用的模型有：流域状况-水质响应多元回归模型、流域营养物负荷-湖泊水质响应耦合模型、系统动力学模型。
模型1：流域状况-水质响应多元回归模型
①统计近年湖泊所在流域内各种土地利用类型所占流域面积的百分比；通过流域内的雨量站记录数据，计算湖泊所在流域内的年降雨量；查找流域所在地的统计年鉴，获得流域内的肥料施用量、工业和生活营养物负荷排放数据。
②将湖泊近年的总磷、总氮水质数据作为因变量，自变量取流域的年降雨量、土地利用状况和化肥施用量等，建立对数线性回归模型。
③设置流域受人类活动影响小时的自变量值，运用建立的统计模型，推出湖泊营养物参照状态。
④基于自助法和三角模糊数技术，分析结果的不确定性，给出湖泊营养物参照状态的置信区间。
模型2：流域营养物负荷-湖泊水质响应耦合模型
①计算流域非点源负荷。溶解态负荷采用基于SCS的流域水文模拟方法计算，颗粒态负荷采用基于USLE的流域土壤侵蚀法计算；流域化肥施用产生的非点源负荷和湖面沉降的非点源负荷根据调查资料估算。
②通过收集的流域人口及工业发展数据，计算出流域的营养物点源排放及入湖负荷量，包括城镇生活、工业和规模养殖排放废水中的营养物负荷。
③通过湖泊氮磷质量守恒模型，逐年逆推湖泊营养物的历年平均浓度。
④以该流域无重大人类活动的年份(由古湖沼学重建结果支持)对应的营养物浓度作为湖泊营养物参照状态阈值。
模型3：系统动力学模型
①以流域-湖泊整体系统为研究对象，根据湖泊营养物来源的特点及输移变化规律，针对流域社会经济系统、流域自然生态系统、湖泊水生态系统分别构建系统动力学模型。
②流域-湖泊系统模型校准。
③系统情景设定推演湖泊营养物参照状态。根据湖泊水质模型和历年流域营养物入湖量、径流量、取水量等数据资料，结合湖泊流域生态健康性综合评价，判断湖泊水体营养物状态受人类影响相对较小的年份，以该年份营养物浓度作为湖泊营养物参照状态阈值。
换言之，本发明提供的湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，步骤如下：
1、描述统计学方法建立湖泊营养物参照状态
(1)筛选参照湖泊，采用参照湖泊法建立湖泊营养物参照状态
①根据湖泊流域土地利用数据和流域图像资料，分析生态分区内湖泊受外界影响水平，筛选参照湖泊(表1)。
②采用Mann-Whitney U检验判断所选参照湖泊是否能够很好地代表全部湖泊。
③参照湖泊数量应占全体湖泊数量10％以上。为合理描述参照状态的特征，必须具备可利用的与参照湖泊有关的足够数据。如果现有的数据不充分，则必须对足够数量的参照湖泊进行采样。
④各项基准指标频数分布(按水质从高到低的顺序分别排列)中选择一个合理的百分点作为参照状态(推荐采用75％点位)。
(2)采用湖泊群体分布法建立湖泊营养物参照状态
①对全体湖泊各项基准指标作频数分布，在高质量端选择一个合理的百分点作为参照状态(推荐采用25％点位)。
②如果几乎所有湖泊受人类影响与污染程度较大，例如高度开发的土地利用地区可降低百分点，如选择5％点位。
(3)采用三分法建立湖泊营养物参照状态
在受人类影响不大的区域，将水质最佳的三分之一作为受影响很小的水体(这在单个指标的数值上有所体现)，取该样本的中值作为参照状态。
2、推断统计学方法建立湖泊营养物参照状态
(1)MEI模型推断总磷和叶绿素a参照状态(适用于深水湖泊)
①利用参照湖泊数据构建MEI-总磷、MEI-叶绿素a的回归模型，其中MEI为湖深-总溶解性固体指数，为总溶解性固体与平均湖深之比，总溶解性固体以碱度或电导率衡量；
②将全体湖泊碱度或电导率均值除以全体湖泊平均湖深所得MEI值代入回归模型，计算总磷和叶绿素a浓度，作为参照状态。
(2)经验模型推测叶绿素a和透明度参照状态
①对各指标进行Pearson相关性分析，根据全体湖泊营养盐(氮、磷)-反应变量(叶绿素a和透明度)响应关系，构建回归模型；
②以描述统计学方法建立的氮、磷参照状态代入模型计算叶绿素a浓度和透明度，作为参照状态。
3、利用古湖沼学法方法，推出湖泊沉积物营养盐演替历史，结合流域模型推断出湖泊历史营养物浓度，验证统计学方法建立湖泊参照状态的可靠性和合理性
(1)古湖沼学方法重建湖泊营养盐演替历史
①确定沉积物柱芯年代序列；
②分析沉积物柱芯中各营养代用指标(如：有机碳、氮、磷、碳氮稳定同位数等)剖面分布特征，结合近代沉积物定年结果，表征湖泊营养状态演替过程；结合流域发展情况，重建近代湖泊历史营养状态的自然演替过程和湖泊生态环境变化。
(2)模型推断方法是指将湖泊及所在流域作为一个整体，通过模型模拟流域内营养物的产生、输移过程，结合湖泊水质模型，推求受人类活动影响较小条件下湖泊营养物的背景值作为湖泊营养物参照状态阈值，模型包括：
模型1：流域状况-水质响应多元回归模型
①统计近年湖泊所在流域内各种土地利用类型所占流域面积的百分比；通过流域内的雨量站记录数据，计算湖泊所在流域内的年降雨量；查找流域所在地的统计年鉴，获得流域内的肥料施用量、工业和生活营养物负荷排放数据。
②将湖泊近年的总磷、总氮水质数据作为因变量，自变量取流域的年降雨量、土地利用状况和化肥施用量等，建立对数线性回归模型。
③设置流域受人类活动影响小时的自变量值，运用建立的统计模型，推出湖泊营养物参照状态。
④基于自助法和三角模糊数技术，分析结果的不确定性，给出湖泊营养物参照状态的置信区间。
模型2：流域营养物负荷-湖泊水质响应耦合模型
①计算流域非点源负荷。溶解态负荷采用基于SCS的流域水文模拟方法计算，颗粒态负荷采用基于USLE的流域土壤侵蚀法计算；流域化肥施用产生的非点源负荷和湖面沉降的非点源负荷根据调查资料估算。
②通过收集的流域人口及工业发展数据，计算出流域的营养物点源排放及入湖负荷量，包括城镇生活、工业和规模养殖排放废水中的营养物负荷。
③通过湖泊氮磷质量守恒模型，逐年逆推湖泊营养物的历年平均浓度。
④以该流域无重大人类活动的年份(由古湖沼学重建结果支持)对应的营养物浓度作为湖泊营养物参照状态阈值。
模型3：系统动力学模型
①以流域-湖泊整体系统为研究对象，根据湖泊营养物来源的特点及输移变化规律，针对流域社会经济系统、流域自然生态系统、湖泊水生态系统分别构建系统动力学模型。
②流域-湖泊系统模型校准。
③系统情景设定推演湖泊营养物参照状态。根据湖泊水质模型和历年流域营养物入湖量、径流量、取水量等数据资料，结合湖泊流域生态健康性综合评价，判断湖泊水体营养物状态受人类影响相对较小的年份，以该年份营养物浓度作为湖泊营养物参照状态阈值。
实施例
以云贵高原湖区为例进一步说明本发明的具体实施方式，根据收集的云贵湖区54个湖泊和水库近年(1988-2010)大量监测数据，确定云贵湖区湖泊总磷、总氮、叶绿素a的参照状态。
1、描述统计学方法建立云贵湖区湖泊营养物参照状态
(1)根据参照湖泊筛选条件(表1)，筛选出9个湖泊为参照湖泊。经Mann-Whitney U检验，参照湖泊和非参照湖泊在水生形态和物理化学参数方面总体上无明显差别(p＞0.05)，说明参照湖泊代表性良好。
(2)利用参照湖泊2000-2010年数据做频数分析，其75％点位对应值作为参照状态(结果见表2)。
(3)利用全体湖泊2000-2010年数据做频数分析，其25％点位对应值作为参照状态(结果见表2)。
(4)选择全体湖泊2000-2010年数据中最佳的三分之一，其中值作为参照状态(结果见表2)。
2、推断统计学方法建立云贵湖区湖泊营养物参照状态
(1)利用参照湖泊1988-2010年数据，MEI取电导率与平均湖深之比值，分别构建MEI与总磷、叶绿素a的回归模型(表3)；计算湖区MEI时，平均湖深取深水湖泊平均值23.4m，电导率取平均值277.9μS·cm-1(中值为263.5μS·cm-1)，带入模型，得出无人为干扰状况下湖泊总磷和叶绿素a浓度分别为0.01mg·L-1和3.2mg·m-3(表2)。
(2)利用全体湖泊1988-2010年数据，经Pearson相关性分析，叶绿素a与总磷、总氮均具显著相关性(分别如图1A和图1B所示)；利用湖区内各湖泊年均值建立预测叶绿素a浓度的3个经验模型(表4)；以描述统计学方法建立的总磷参照状态值(0.01mg·L-1)和总氮参照状态值(0.18-0.20mg·L-1)代入模型计算叶绿素a参照状态(结果见表4)。
3、古湖沼学重建和模型推断方法验证云贵湖区湖泊营养物参照状态(以程海和邛海两个湖泊分别作为研究对象)
(1)古湖沼学重建程海营养状态演替历史
1)程海沉积物柱芯中137Cs活度分布及以沉积物累积速率计算的定年结果如图2所示。
2)利用程海沉积剖面中TOC、N、P、δ13C和δ15N等地球化学指标，重建程海在1952-2009年湖泊生产力和营养状态的变化(例如图3)，反映近60年来程海的自然变化和人类活动的影响过程。
在1980s末期之前约40年间，程海沉积物中TOC、N和C/N等相对比较稳定，湖泊生产力较为稳定，表明在此期间，流域人类活动未对湖泊的营养状态和演替过程产生显著影响，程海处于自然演化状态；从1980s末期开始，沉积物中TOC、N和P的浓度迅速增大以及C/P和N/P增大，表明湖泊生产力和营养负荷发生了巨大改变，这是由于1980s末和1990s初开始，螺旋藻养殖业发展和仙人河改道引水工程，使大量含有机质和营养盐的废水被排入程海。
(2)基于流域营养物负荷-湖泊水质响应耦合模型
1)基于SCS的分布式流域水文模拟，得流域逐日地表径流，结合流域土壤的总氮、总磷含量，计算程海流域逐年的溶解态氮、磷负荷及不同土地利用的溶解态氮、磷浓度；
据USLE，得程海流域逐年流域土壤侵蚀，计算程海流域逐年的颗粒态氮、磷负荷及各种途径入湖的总磷、总氮负荷。
2)利用现有2002-2009年程海逐年总磷、总氮平均浓度，结合同期流域入湖的非点源负荷、湖面大气沉降和流域点源负荷，基于湖泊质量守恒原理，计算该时段总磷和总氮的年净沉降速率；推导近年来程海水质的演替(逆推1960-2001年、顺推2010年)总磷浓度(如图4A所示)和总氮浓度(如图4B所示)，与调查数据或其它文献计算结果接近，说明建立的推断湖泊营养物年均浓度模型具有较高精度和可信度。
从1960年至1970s中期，湖泊总磷和总氮浓度保持相对稳定，与(1)分析结论一致，将1960-1975年平均值作为程海营养物参照状态阈值水平(结果见表5)。
(3)系统动力学模型
1)构建系统模型(流域自然生态系统模型、流域社会经济系统模型、湖泊水体营养物子系统模型，图略)，通过量纲一致性检验和参数率定与优化进行校准。
2)对流域总人口、流域农业人口、工业GDP及湖泊螺旋藻生产情况和总磷流域负荷进行反演；重点分析计算各年份在不同水文气象条件下(1951-2009年来水情况)湖泊营养物的浓度年均值，计算获得湖泊各年湖泊营养物浓度(总磷浓度如图5A所示，总氮浓度如图5B所示)。程海流域基本以1980s中期为明显分界，1951年至1984年期间，营养物基本处于较低且平稳的浓度水平，1985年以后呈现明显上升趋势，以1985年的浓度水平作为程海营养物参照状态阈值(结果见表5)。
(4)操作同(1)、(2)和(3)，邛海湖泊营养物参照状态阈值可取20世纪50年代初期水平，具体值见表6。
4、综上，经专家讨论决定，可以确定云贵湖区湖泊营养物参照状态为：总磷0.01mg·L-1、总氮0.2mg·L-1、叶绿素a2mg·m-3。
表1参照湖泊标准
表2统计学方法建立的云贵湖区湖泊营养物参照状态
表3推断总磷和叶绿素a的MEI模型(方程中TP单位为μg·L-1)
表4推断叶绿素a的经验模型(方程中TP和TN单位为μg·L-1)
表5程海营养物参照状态验证结果
表6邛海营养物参照状态验证结果
Claims (10)
1.一种湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，运用描述统计学方法建立湖泊营养物参照状态，包括：
(1)筛选参照湖泊，采用参照湖泊法建立湖泊营养物参照状态；或
(2)采用湖泊群体分布法建立湖泊营养物参照状态；或
(3)采用三分法建立湖泊营养物参照状态。
2.根据权利要求1所述运用描述统计学方法建立湖泊营养物参照状态，其中，筛选参照湖泊，采用参照湖泊法建立湖泊营养物参照状态包括：
(1)根据湖泊流域土地利用数据和流域图像资料，分析生态分区内湖泊受外界影响水平，筛选参照湖泊，参照湖泊数量应占全体湖泊数量10％以上；
(2)采用Mann-Whitney U检验判断所选参照湖泊是否能够很好地代表全部湖泊；
(3)应具备与参照湖泊有关、可利用的足够数据，如果现有的数据不充分，则需对足够数量的参照湖泊进行采样；
(4)各项基准指标频数分布中选择一个百分点(推荐75％点位)作为参照状态。
3.根据权利要求1所述运用描述统计学方法建立湖泊营养物参照状态，其中，采用湖泊群体分布法建立湖泊营养物参照状态是：全体湖泊各项基准指标作频数分布，选择25％点位作为参照状态；如果所有湖泊受到污染，则选择5％点位作为参照状态。
4.根据权利要求1所述运用描述统计学方法建立湖泊营养物参照状态，其中，采用三分法建立湖泊营养物参照状态是：将水质最佳的三分之一作为受影响很小的水体，取该样本的中值作为参照状态。
5.一种湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，运用推断统计学方法建立湖泊营养物参照状态，包括：
(1)MEI模型推断总磷和叶绿素a的参照状态；
(2)经验模型推测叶绿素a和透明度参照状态。
6.根据权利要求5所述运用推断统计学方法建立湖泊营养物参照状态，其中，MEI模型推断总磷和叶绿素a的参照状态适用于深水湖泊，步骤为：
(1)利用参照湖泊数据构建MEI-总磷、MEI-叶绿素a的回归模型，其中MEI为湖深-总溶解性固体指数，指总溶解性固体与平均湖深之比，总溶解性固体以碱度或电导率衡量；
(2)将全体湖泊碱度或电导率均值除以全体湖泊平均湖深所得MEI值代入回归模型，计算总磷和叶绿素a浓度，作为参照状态。
7.根据权利要求5所述运用推断统计学方法建立湖泊营养物参照状态，其中，经验模型推测叶绿素a和透明度参照状态步骤为：
(1)根据全体湖泊营养盐(氮、磷)-反应变量(叶绿素a和透明度)响应关系，构建回归模型；
(2)以描述统计学方法建立的氮、磷参照状态代入模型计算叶绿素a浓度和透明度，作为参照状态。
8.一种湖泊营养物基准参照状态确定的组合方法，利用古湖沼学重建和流域模型推断方法，验证统计学方法建立湖泊参照状态的可靠性和合理性，包括：
(1)古湖沼学方法重建湖泊营养盐演替历史；
(2)利用流域模型推断湖泊营养物参照状态阈值。
9.根据权利要求8所述古湖沼学方法重建湖泊营养盐演替历史步骤为：
(1)确定沉积物柱芯年代序列；
(2)分析沉积物柱芯中各营养代用指标(如：有机碳、氮、磷、碳氮稳定同位数等)剖面分布特征，结合近代沉积物定年结果，表征湖泊营养状态演替过程；结合流域发展情况，重建近代湖泊历史营养状态的自然演替过程和湖泊生态环境变化。
10.根据权利要求8所述流域模型推断方法是指将湖泊及所在流域作为一个整体，通过模型模拟流域内营养物的产生、输移过程，结合湖泊水质模型，推求受人类活动影响较小条件下湖泊营养物的背景值作为湖泊营养物参照状态阈值，模型包括：
模型1：流域状况-水质响应对数线性回归模型
(1)统计近年湖泊所在流域内各种土地利用类型所占流域面积的百分比；通过流域内的雨量站记录数据，计算湖泊所在流域内的年降雨量；查找流域所在地的统计年鉴，获得流域内的肥料施用量、工业和生活营养物负荷排放数据；
(2)将湖泊近年的总磷、总氮水质数据作为因变量，自变量取流域的年降雨量、土地利用状况和化肥施用量等，建立对数线性回归模型；
(3)设置流域受人类活动影响小时的自变量值，运用建立的对数线性回归模型推出湖泊营养物参照状态；
(4)基于自助法和三角模糊数技术，分析结果的不确定性，给出湖泊营养物参照状态的置信区间；或
模型2：流域营养物负荷-湖泊水质响应耦合模型
(1)计算流域非点源负荷：溶解态负荷采用基于SCS的流域水文模拟方法计算，颗粒态负荷采用基于USLE的流域土壤侵蚀法计算；流域化肥施用产生的非点源负荷和湖面沉降的非点源负荷根据调查资料估算；
(2)通过收集的流域人口及工业发展数据，计算出流域的营养物点源排放及入湖负荷量，包括城镇生活、工业和规模养殖排放废水中的营养物负荷；
(3)通过湖泊氮磷质量守恒模型，逐年逆推湖泊营养物的历年平均浓度；
(4)以该流域无重大人类活动的年份(由古湖沼学重建结果支持)对应的营养物浓度作为湖泊营养物参照状态阈值；或
模型3：系统动力学模型
(1)以流域-湖泊整体系统为研究对象，根据湖泊营养物来源的特点及输移变化规律，针对流域社会经济系统、流域自然生态系统、湖泊水生态系统分别构建系统动力学模型；
(2)流域-湖泊系统模型校准；
(3)系统情景设定推演湖泊营养物参照状态：根据湖泊水质模型和历年流域营养物入湖量、径流量、取水量数据资料，结合湖泊流域生态健康性综合评价，判断湖泊水体营养物状态受人类影响相对较小的年份，以该年份营养物浓度作为湖泊营养物参照状态阈值。
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