CN108614086A - 一种评价湖泊富营养化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种评价湖泊富营养化的方法，涉及水环境污染评价方法。是要解决现有营养状态指数的计算过程中多水质参数测量对TSI的影响。方法：一、对湖泊进行采样，获得湖泊水质样品；二、针对湖泊水质样品测定pH、盐度、水体温度、SD、TN、TP、DOC、Chla和aOACs；三、aOACs的测定包括ap和aCDOM；四、通过实测的aOACs来反演计算TSI，数据点在回归线两侧均匀分布，进而进行湖泊营养化程度分类。本方法简单，只需测定湖泊的光学活性物质吸收系数，就可通过该模型计算出湖泊的TSI值。本发明用于评价湖泊富营养化。
Description
技术领域
本发明涉及水环境污染评价方法，具体涉及评价湖泊富营养化程度的方法。
背景技术
湖泊富营养化是指湖泊水质恶化，水体中氮、磷等营养元素浓度大量增加，导致湖泊生产力或者光合速率增加。湖泊富营养化会引起水生态系统一系列异常的反应，其中藻华现象最为常见，严重影响湖泊的生态功能与水质安全。我国大多数湖泊面临着富营养化问题，开展湖泊营养化程度的监控研究刻不容缓。
现在普遍采用多参数相关加权的综合营养状态指数法(TSI)来评价湖泊营养化程度，该方法基于水体总磷浓度、叶绿素浓度和透明度等指标，对湖泊营养状态进行连续的数值化分级，具体标准为：TSI<30为贫营养，30≤TSI≤50为中营养，50<TSI≤60为轻度富营养，60<TSI≤70为中度富营养，TSI>70为重度富营养。虽然该方法目前为大多数研究工作者采用，但其使用过程中涉及多种水质参数的测量，测定方法及测量精度都会对最终的营养状态指数计算结果产生影响，影响营养化程度的评价。
发明内容
本发明是要解决现有营养状态指数(TSI)的计算过程中多水质参数测量对TSI的影响，而提供了一种新的评价湖泊富营养化的方法。
本发明评价湖泊富营养化的方法，包括以下步骤：
一、对湖泊进行采样，每个湖泊设置4-5个采样点，获得湖泊水质样品；
二、针对湖泊水质样品测定pH、盐度、水体温度、水体透明度(SD)、总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性有机物浓度(DOC)、叶绿素浓度(Chla)和光学活性物质吸收(aOACs)；
若同时满足pH＝6.44-10.92、盐度为0.12-117.1ppt、水体温度为273.16-311.16K、水体透明度为0.1-24.1m、总氮为0-57.2mg/L、总磷为0-9.3mg/L、溶解性有机物浓度为0.27-790.50mg/L和叶绿素浓度0-1256.2μg/L，则进行步骤三；
三、光学特性物质吸收(aOACs)的测定包括总悬浮物的吸收(ap)和有色溶解性有机物的吸收(aCDOM)，然后根据下列式子进行计算：
aCDOM＝2.303×OD440/L
aOACs＝ap+aCDOM
其中ap和aCDOM分别为440nm总悬浮物和有色溶解性有机物的吸收系数；aOACs为光学活性物质在440nm的总吸收系数；OD440为440nm的吸光度值，该值已由740-750nm处平均吸光度值进行数值矫正；S为滤膜有效面积(m2)；V为过滤水样的体积(m3)；L为光程路径(0.01m)。
四、用以下指数模型，通过实测的aOACs来反演计算TSI，数据点在回归线两侧均匀分布，进而进行湖泊营养化程度分类；
TSI＝12.85×ln(aOACs)+45.12(R2＝0.75，n＝869)
具体评价标准：TSI<30为贫营养，30≤TSI≤50为中营养，50<TSI≤60为轻度富营养，60<TSI≤70为中度富营养，TSI>70为重度富营养。
进一步的，步骤二中pH、盐度和水体温度的测量精度分别为0.01、0.01ppt和0.001K。
湖泊营养化程度评价采用修正的营养状态指数(TSI)，TSI计算主要依靠实测的Chla、TP和SD数据，具体计算公式如下：
TSIM＝0.54×TSIM(Chla)+0.297×TSIM(SD)+0.163×TSIM(TP)
本发明方法中的采样湖泊覆盖类型全面，包含咸水湖和淡水湖，湖泊盐度范围
0.12-117.1ppt，DOC浓度范围0.3-361.9mg/L，Chla浓度范围0-1256.2μg/L，SD值范围0.1-24.1m，TN浓度范围0-57.2mg/L，TP浓度范围0-9.3mg/L。
使用Microsoft Excel 2017软件对aOACs和TSI的相关性进行拟合分析及精度验证。
本发明的有益效果：
本发明方法通过数据拟合分析的方法，构建了aOACs和TSI的相关性(图2)。该相关性可以用以下指数模型进行描述：TSI＝12.85×ln(aOACs)+45.12(R2＝0.75，n＝869)，数据点在回归线两侧均匀分布。依据该模型，可以通过实测的aOACs来反演计算TSI，进而进行湖泊营养化程度分类。使用该方法对分布在全国的103个湖泊进行营养状态评价，结果如图3，仅有8.89％的被调查湖泊处于贫营养状态，17.04％的湖泊处于中营养状态，剩余68.89％的湖泊都处于富营养化状态。为了验证该评价结果的准确性，本研究同时测定了这103湖泊的Chla、TP和SD值，并根据这些水质参数按照传统的方法计算了TSI值，将该TSI值与依据本专利方法计算出来的TSI进行拟合分析，实现模型精度验证(图4)，结果表明平均绝对百分误差(MAPE)仅为23.93％，实测TSI值与TSI反演值的比值为0.8，aOACs和TSI模型精度较好，依据本专利方法计算出来的TSI具有极高的可信度。
本发明方法通过构建aOACs和TSI的相关性模型，确定了一种评价湖泊富营养化的方法，即只需测定湖泊的光学活性物质吸收系数(aOACs)，就可通过该模型计算出湖泊的TSI值，进而依据TSI值进行湖泊营养化类型的评价。
附图说明
图1为采样湖泊分布图；
图2为aOACs和TSI的相关性分析；
图3为基于本专利方法进行的湖泊营养状态评价结果；
图4为基于实测水质参数计算出的TSI值和本发明方法计算出的TSI值相关性分析结果。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式评价湖泊富营养化的方法，包括以下步骤：
一、对湖泊进行采样，获得湖泊水质样品；
二、针对湖泊水质样品测定pH、盐度、水体温度、水体透明度SD、总氮TN、总磷TP、溶解性有机物浓度DOC、叶绿素浓度Chla和光学活性物质吸收aOACs；
若同时满足pH＝6.44-10.92、盐度为0.12-117.1ppt、水体温度为273.16-311.16K、水体透明度为0.1-24.1m、总氮为0-57.2mg/L、总磷为0-9.3mg/L、溶解性有机物浓度为0.27-790.50mg/L和叶绿素浓度0-1256.2μg/L，则进行步骤三；
三、光学特性物质吸收aOACs的测定包括总悬浮物的吸收ap和有色溶解性有机物的吸收aCDOM，然后根据下列式子进行计算：
aCDOM＝2.303×OD440/L
aOACs＝ap+aCDOM
其中ap和aCDOM分别为440nm总悬浮物和有色溶解性有机物的吸收系数；aOACs为光学活性物质在440nm的总吸收系数；OD440为440nm的吸光度值，该值已由740-750nm处平均吸光度值进行数值矫正；S为滤膜有效面积(m2)；V为过滤水样的体积(m3)；L为光程路径(0.01m)。
四、用以下指数模型，通过实测的aOACs来反演计算TSI，数据点在回归线两侧均匀分布，进而进行湖泊营养化程度分类；
TSI＝12.85×ln(aOACs)+45.12(R2＝0.75，n＝869)
具体评价标准：TSI<30为贫营养，30≤TSI≤50为中营养，50<TSI≤60为轻度富营养，60<TSI≤70为中度富营养，TSI>70为重度富营养。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中每个湖泊设置4-5个采样点。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中pH、盐度和水体温度的测量精度分别为0.01、0.01ppt和0.001K。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中测定pH、盐度、水体温度的方法是使用YSI水质仪现场测定。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中水体透明度SD是使用塞氏盘测定。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中总氮TN、总磷TP、溶解性有机物浓度DOC、叶绿素浓度Chla和光学活性物质吸收aOACs是将水样避光冷藏保存运送至实验室检测。其它与具体实施方式一相同。
下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
本实施例评价湖泊富营养化的方法按下列步骤进行：
对分布在全国的277个湖泊进行采样，每个湖泊设置4-5个采样点，共计1187个采样点(图1)。使用YSI水质仪现场测定pH、盐度、水体温度，测量精度分别为0.01、0.01ppt和0.001K，同时使用塞氏盘测定水体透明度(SD)；每个样点采集2L表面水体(0.5-1m)，置于车载冰箱中运送至实验室避光冷藏保存，实验室条件下测定其总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性有机物浓度(DOC)、叶绿素浓度(Chla)和光学活性物质吸收(aOACs)等数据。TN和TP浓度测量使用连续流动分析仪(SKALAR,San Plus System,Netherlands)；DOC浓度测定采用TOC分析仪(TOC-VCPN,Shimadzu)；Chla浓度测定为丙酮萃取和紫外分光光度计测定相结合的方法；光学特性物质吸收(aOACs)的测定包括总悬浮物的吸收(ap)和有色溶解性有机物的吸收(aCDOM)，其中ap测定依据定量滤膜技术(QFT)，用Whatman GF/F滤膜(孔径：0.75μm)过滤一定体积的水样，在UV-2600紫外分光光度计下测定滤膜在380-800nm吸光度；aCDOM的测定分析过程应避光，用Whatman GF/F滤膜(孔径：0.22μm)过滤水样，在UV-2600紫外分光光度计下测定过滤后水样在200-800nm的吸光度；用740-750nm处平均吸光度值进行数值矫正来消除仪器间的差异，然后根据下列式子进行计算：
aCDOM＝2.303×OD440/L
aOACs＝ap+aCDOM
其中ap和aCDOM分别为440nm总悬浮物和有色溶解性有机物的吸收系数；aOACs为光学活性物质在440nm的总吸收系数；OD440为440nm的吸光度值，该值已由740-750nm处平均吸光度值进行数值矫正；S为滤膜有效面积(m2)；V为过滤水样的体积(m3)；L为光程路径(0.01m)。
湖泊营养化程度评价采用修正的营养状态指数(TSI)，TSI计算主要依靠实测的Chla、TP和SD数据，具体计算公式如下：
TSIM＝0.54×TSIM(Chla)+0.297×TSIM(SD)+0.163×TSIM(TP)
本发明方法中的采样湖泊覆盖类型全面，包含咸水湖和淡水湖，湖泊盐度范围0.12-117.1ppt，DOC浓度范围0.3-361.9mg/L，Chla浓度范围0-1256.2μg/L，SD值范围0.1-24.1m，TN浓度范围0-57.2mg/L，TP浓度范围0-9.3mg/L。
使用Microsoft Excel 2017软件对aOACs和TSI的相关性进行拟合分析及精度验证。
本发明方法通过数据拟合分析的方法，构建了aOACs和TSI的相关性(图2)。该相关性可以用以下指数模型进行描述：TSI＝12.85×ln(aOACs)+45.12(R2＝0.75，n＝869)，数据点在回归线两侧均匀分布。依据该模型，可以通过实测的aOACs来反演计算TSI，进而进行湖泊营养化程度分类。使用该方法对分布在全国的103个湖泊进行营养状态评价，结果如图3，仅有8.89％的被调查湖泊处于贫营养状态，17.04％的湖泊处于中营养状态，剩余68.89％的湖泊都处于富营养化状态。为了验证该评价结果的准确性，本研究同时测定了这103湖泊的Chla、TP和SD值，并根据这些水质参数按照传统的方法计算了TSI值，将该TSI值与依据本专利方法计算出来的TSI进行拟合分析，实现模型精度验证(图4)，结果表明平均绝对百分误差(MAPE)仅为23.93％，实测TSI值与TSI反演值的比值为0.8，aOACs和TSI模型精度较好，依据本专利方法计算出来的TSI具有极高的可信度。
Claims (6)
1.一种评价湖泊富营养化的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
一、对湖泊进行采样，获得湖泊水质样品；
二、针对湖泊水质样品测定pH、盐度、水体温度、水体透明度SD、总氮TN、总磷TP、溶解性有机物浓度DOC、叶绿素浓度Chla和光学活性物质吸收aOACs；
若同时满足pH＝6.44-10.92、盐度为0.12-117.1ppt、水体温度为273.16-311.16K、水体透明度为0.1-24.1m、总氮为0-57.2mg/L、总磷为0-9.3mg/L、溶解性有机物浓度为0.27-790.50mg/L和叶绿素浓度0-1256.2μg/L，则进行步骤三；
三、光学特性物质吸收aOACs的测定包括总悬浮物的吸收ap和有色溶解性有机物的吸收aCDOM，然后根据下列式子进行计算：
aCDOM＝2.303×OD440/L
aOACs＝ap+aCDOM
其中ap和aCDOM分别为440nm总悬浮物和有色溶解性有机物的吸收系数；aOACs为光学活性物质在440nm的总吸收系数；OD440为440nm的吸光度值，该值已由740-750nm处平均吸光度值进行数值矫正；S为滤膜有效面积m2；V为过滤水样的体积m3；L为光程路径0.01m；
四、用以下指数模型，通过实测的aOACs来反演计算TSI，数据点在回归线两侧均匀分布，进而进行湖泊营养化程度分类；
TSI＝12.85×ln(aOACs)+45.12(R2＝0.75，n＝869)
具体评价标准：TSI<30为贫营养，30≤TSI≤50为中营养，50<TSI≤60为轻度富营养，60<TSI≤70为中度富营养，TSI>70为重度富营养。
2.根据权利要求1所述的一种评价湖泊富营养化的方法，其特征在于步骤一中每个湖泊设置4-5个采样点。其它与具体实施方式一相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种评价湖泊富营养化的方法，其特征在于步骤二中pH、盐度和水体温度的测量精度分别为0.01、0.01ppt和0.001K。
4.根据权利要求3所述的一种评价湖泊富营养化的方法，其特征在于步骤二中测定pH、盐度、水体温度的方法是使用YSI水质仪现场测定。
5.根据权利要求4所述的一种评价湖泊富营养化的方法，其特征在于步骤二中水体透明度SD是使用塞氏盘测定。
6.根据权利要求5所述的一种评价湖泊富营养化的方法，其特征在于步骤二中总氮TN、总磷TP、溶解性有机物浓度DOC、叶绿素浓度Chla和光学活性物质吸收aOACs是将水样避光冷藏保存运送至实验室检测。
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