CN111461503B - 基于微生物p/r值评估河流减水河段环境流量的方法 - Google Patents

基于微生物p/r值评估河流减水河段环境流量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于底栖微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，首先分析测定河流底栖微生物群落的P/R值，进而根据流量梯度减少与底栖微生物P/R值之间的响应关系，建立底栖微生物P/R值与流量间量化关系，再寻求底栖微生物P/R值与流量变化之间的阈值关系，据此设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系。结合基于微生物P/R值的健康评估标准，最终形成一种能表征河流生态健康程度的环境流量的评估方法。优点：本发明方法新颖独特，评价快速，可以现场测定，是一种基于功能需求的环境流量计算方法，具有对各种特殊河流生境的普遍适应性，可以促进水电开发下河流生态系统的健康发展。

Description

基于微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法
技术领域
本发明是一种基于河流底栖微生物P/R值评估减水河段环境流量的方法，属于环境流量评估技术领域。
背景技术
环境流量的保障是维持河流生态系统健康发展的基础，对维持河流水生态系统的结构和功能正常发挥具有重要意义。近几十年来，修建水利灌溉工程、引水工程和堤坝等人类活动的加剧引起了河流天然流量过程的显著变化，改变了河流自然水文情势、泥沙和生源要素的迁移转化模式，严重冲击了生物地球循环过程及河流生态系统的结构和功能。我国是世界上修建大坝最多的国家，高强度的水利工程的建设导致河流流动性下降、连通性破坏、河流片段化，影响了水生态系统的健康状况。为维持河流生态系统的健康发展，亟需制订合理的环境流量标准，开发适宜的环境流量评估方法。
目前，关于河流环境流量的评估已经发展了200多种具体方法，这些方法被划分为水文学方法、水力学方法、栖息地模拟和整体模拟法等4类。众多方法中，水文学法是最为广泛使用的方法。该类方法主要是以自然水文情势作为理想状态，根据水文历史资料进行河流流量的统计分析，综合协调社会经济需水与生态需水，最后把自然水流径流条件按照一定方法缩小构成环境流量。水文法的优点是计算简单，然而水文法缺乏生物学的依据，科学意义不明。水力学方法、栖息地模拟和整体模拟法对资料数据的要求都非常高，在实际工程中很难满足。尤其在我国西南地区，河流上游，由于具有极高的水电能量开发价值，开展了许多水利工程建设，都需要制定和执行一定的环境流标准。然而这些河流地处偏远，生境特殊，水文情势和地形地貌数据资料非常匮乏，河流水体中大型无脊椎动物和鱼类稀少且不易获取，同时大型水生植物覆盖率低。这些特殊的河流情势造成了河流与中下游河段的显著差异，同时常用的计算方法(水文学方法、水力学方法、栖息地模拟法等)也难以用于此类特殊河段的环境流量的计算。为解决上述问题，维持水利工程建设后河流的生态健康，需要建立河流减水河段环境流量与河流健康状况的相互关系，开发具有测定方便、快捷、适应性好的环境流量的计算方法。
发明内容
本发明提出的是一种基于微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，其目的在于克服现有评估方法的不足，开发一种基于河流底栖微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，可有效解决各种生境的河流环境流量的评估问题，避免因为缺乏资料而无法开展环境流量评估，促进水电建设开发下河流下游生态系统的健康发展。
本发明的技术解决方案：基于微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，包括以下步骤：
(1)断面监测：对河流断面的水体流速和断面面积进行监测；
(2)样品的采集与测定：河流沉积物样品的原位采集；将样品置于培养箱中培养一定时间，利用探头测定黑箱和白箱DO变化；
(3)微生物P/R值与流量关系的建立：对微生物样品P/R值的计算分析，建立底栖微生物P/R值与断面流速(流量)间的关系，进而构建微生物P/R值与断面环境流量的适应性范围。
所述步骤(1)断面监测，具体包括对河流水体流速、河面宽度和水深进行测定。用流速监测设备对断面平均流速进行测定分析，用超声设备对河面宽度和水深完成测量，并计算出监测断面的面积。
所述步骤(2)样品的采集与测定，具体包括以下步骤：
1)在河流监测断面处，选择合适位点，利用已消毒杀菌的样品勺采集表层沉积物(0～1cm)样品30ml；
2)取10ml沉积物样品置于3组准备好的水箱之中。培养水箱是可密封的透明的有机玻璃箱，规格为0.2m×0.2m×0.2m，注满河水，注意不要有空气留存在水箱内，水箱上盖留有一小孔，将测水体溶解氧的仪器探头插入水中。将透明水箱暴露于日光之下，连续一个小时每10分钟测量一次溶解氧DO的数值。然后，用遮光的口袋套住三个水箱，连续一个小时每隔10分钟测量一次溶解氧DO的数值。
所述步骤(3)微生物P/R值与环境流量间关系的建立，包括利用所测DO数据对微生物样品GPP和CR值的计算分析，进而得到P/R值，建立微生物P/R值与断面流量间的关系，进而构建微生物P/R值与河流环境流量的适应性范围。具体包括以下步骤：
1)计算GPP与CR
CR的单位是gO2/(m3·d),计算公式是：
Figure BDA0002411803820000031
式中C0——开始遮光时的水箱中溶解氧浓度
Cb——遮光培养1小时后的水箱中溶解氧浓度
V——水箱的体积，V＝0.08m3
V′——加入单个水箱的底泥浓度
NPP净初级生产力的单位是gO2/(m3·d),计算公式：
Figure BDA0002411803820000032
式中C0——开始时的水箱中溶解氧浓度，单位mg/L
Cb——光照培养1小时后的水箱中溶解氧浓度,单位mg/L
V——水箱的体积，V＝0.08m3
V′——加入单个水箱的底泥体积，单位mL
初级生产力
GPP＝NPP+CR (公式3)
式中GPP——总初级生产力，简称初级生产力，单位gO2/(m3·d)
2)计算P/R值
Figure BDA0002411803820000033
式中P/R——无量纲数
3)根据流量梯度减少与微生物P/R值之间的响应关系，建立微生物P/R值与流量量化关系。
P/R＝a exp(ΔQb) (公式5)
4)构建微生物P/R值与流量之间的阈值关系，设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系。结合基于微生物P/R值的健康评估标准，形成一种河流健康程度的环境流量的评估技术。
本发明的有益效果：本发明方法新颖独特，评价快速，可以现场测定，是一种基于功能需求的环境流量计算方法，具有对各种特殊河流生境的普遍适应性，可以促进水电开发下河流生态系统的健康发展。
附图说明
附图1是底栖微生物P/R值与流量量化关系。
附图2是底栖微生物P/R值与环境流量间的阈值关系。
具体实施方式
一种基于底栖微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，针对传统环境流量计算方法对资料充足性要求高，适用性和可操作性差的问题，开发出一种基于底栖微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，首先分析测定河流底栖微生物群落的P/R值，进而根据流量梯度减少与底栖微生物P/R值之间的响应关系，建立底栖微生物P/R值与流量量化关系，再寻求底栖微生物P/R值与流量变化之间的阈值关系，据此设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系。结合基于微生物P/R值的健康评估标准，最终形成一种能表征河流生态健康程度的环境流量的评估方法。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明：
利用河流底栖微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法包括三个步骤：断面的监测，样品的采集与测定，微生物P/R值与流量关系的建立部分。其中，断面的监测是对河流断面的水体流速和断面面积进行监测；样品的采集与测定即原位采集河流沉积物样品，将样品置于培养箱内培养一定时间，利用探头测黑箱白箱水体溶解氧变化；关系的建立部分包括对微生物样品P/R值的计算分析，建立底栖微生物P/R值与断面流速(流量)间的关系，进而构建微生物P/R值与断面环境流量的适应性范围。具体为：
(1)断面水体流速和断面面积的监测
河流断面的监测主要是对河流水体流速、河面宽度和水深进行测定。用流速监测设备对断面平均流速进行测定分析，用超声设备对河面宽度和水深完成测量，并计算出监测断面的面积。
(2)沉积物微生物样品的采集与测定
为了测得沉积物中微生物的P/R值，需要展开原位采样，条件具备时原位培养测DO变化，具体步骤如下：
1)在河流监测断面处，选择合适位点，利用已消毒杀菌的样品勺采集表层沉积物(0～1cm)样品30ml；
2)取10ml沉积物样品置于3组准备好的水箱之中。培养水箱是可密封的透明的有机玻璃箱，规格为0.2m×0.2m×0.2m，注满河水，注意不要有空气留存在水箱内，水箱上盖留有一小孔，可以将测水体溶解氧的仪器探头插入水中。将透明水箱暴露于日光之下，连续一个小时每10分钟测量一次溶解氧DO的数值。然后，用遮光的口袋套住三个水箱，连续一个小时每隔10分钟测量一次溶解氧DO的数值。
(3)微生物功能特性与水生生态系统的关联
微生物是生态系统中重要的组成部分，微生物群落作为物质循环、能量流动和信息传递的主要参与者，与河流水生态环境密切相关，特别是对河流生源要素(碳、氮、磷)循环中起着至关重要的作用，因此，河流沉积物中微生物群落的功能、物种多样性是衡量河流生态系统稳定性的重要指标。
影响微生物生长代谢的因素很多，其中包括水体环境的营养状况、水体流速、生长的基质类型、光照情况、水温等。河流的水电开发将引起河流径流的显著变化。径流变化是河流生态系统的重要驱动因素，会直接影响河流中微生物的群落结构和功能特性，同时会引起环境因子的时空变化，间接改变河流生态系统中生物群落的代谢活性。微生物群落结构及其功能多样性决定了生物构成的生态系统功能具有的特性及强弱，具有高稳定性的群落可以更好地实现生态功能，因此，可以用微生物功能活性来反映整个河流生态系统的健康状况。底栖微生物P/R值是其初级生产力和呼吸速率的比值，反映了河流底栖固着微生物群落对能量的固定、利用能力，反映了河流底栖固着微生物群落参与碳循环的活性，能够反映河流生态系统的健康水平。
一些特殊地区的河流，比如我国西南地区的大河上游，具有特殊的生境，主要表现在其浮游动植物和鱼类稀少，水生植物覆盖率低，水体/沉积物中微生物资源丰富等特点。这些特殊的生境条件导致常用的河流健康评价指标(鱼类丰度、栖息地、有机质代谢速率等)难以用于河流的健康评价。而且西南地区一些出境河流的水文数据涉密等级高，获取难度大，在评价环境流量时使用广泛的水文学方法(例如Tannent法)，实际应用时有很大的困难。因此，以微生物群落功能特性的评价指标更加普适于各类河流环境流量的评估计算，尤其是背景资料极度缺乏的河流环境流量的评估计算，能为我国河流的水电开发流域的生态保护提供更为准确的依据。
(4)微生物P/R值与环境流量间关系的建立
主要包括利用所测DO数据对微生物样品GPP和CR值的计算分析，进而得到P/R值，建立底栖微生物P/R值与断面流量间的关系，进而构建微生物P/R值与河流环境流量的适应性范围。具体步骤如下：
1)计算GPP与CR
CR的单位是gO2/(m3·d),计算公式是：
Figure BDA0002411803820000061
式中C0——开始遮光时的水箱中溶解氧浓度
Cb——遮光培养1小时后的水箱中溶解氧浓度
V——水箱的体积，V＝0.08m3
V′——加入单个水箱的底泥浓度
NPP净初级生产力的单位是gO2/(m3·d),计算公式：
Figure BDA0002411803820000062
式中C0——开始时的水箱中溶解氧浓度，单位mg/L
Cb——光照培养1小时后的水箱中溶解氧浓度,单位mg/L
V——水箱的体积，V＝0.08m3
V′——加入单个水箱的底泥体积，单位mL
初级生产力
GPP＝NPP+CR (公式3)
式中GPP——总初级生产力，简称初级生产力，单位gO2/(m3·d)
2)计算P/R值
Figure BDA0002411803820000071
式中P/R——无量纲数
3)根据流量梯度减少与微生物P/R值之间的响应关系，建立微生物P/R值与流量量化关系。如图1所示。
P/R＝a exp(ΔQb) (公式5)
4)构建微生物P/R值与流量之间的阈值关系，如图2所示。设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系，如表1所示。结合基于微生物P/R值的健康评估标准，形成一种河流健康程度的环境流量的评估技术。
表1：河流健康状况与流量减少范围的对应关系
河流健康状况 流量减少幅度
高 流量减少量不超过a％
中 流量减少量范围为(a％–b％)
低 流量减少量超过b％

Claims (4)

1.基于微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，包括以下步骤：
(1)断面监测：对河流断面的水体流速和断面面积进行监测；
(2)样品的采集与测定：河流沉积物样品的原位采集，将样品置于培养箱中培养，利用探头测定黑箱和白箱DO变化；
(3)微生物P/R值与流量关系的建立：对微生物样品P/R值的计算分析，建立底栖微生物P/R值与断面流速间的关系，进而构建微生物P/R值与断面环境流量的适应性范围，底栖微生物P/R值是其初级生产力和呼吸速率的比值。
2.根据权利要求1所述的基于微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，其特征是所述步骤(1)断面监测，具体包括对河流水体流速、河面宽度和水深进行测定，用流速监测设备对断面平均流速进行测定分析，用超声设备对河面宽度和水深完成测量，并计算出监测断面的面积。
3.根据权利要求1所述的基于微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，其特征是所述步骤(2)样品的采集与测定，具体包括以下步骤：
1)在河流监测断面处，利用已消毒杀菌的样品勺采集表层0～1cm处沉积物样品30ml；
2)取10ml沉积物样品置于3组准备好的水箱之中，培养水箱是可密封的透明的有机玻璃箱，规格为0.2m×0.2m×0.2m，注满河水，注意不要有空气留存在水箱内，水箱上盖留有一小孔，将测水体溶解氧的仪器探头插入水中；将透明水箱暴露于日光之下，连续一个小时每10分钟测量一次溶解氧DO的数值；然后用遮光的口袋套住三个水箱，连续一个小时每隔10分钟测量一次溶解氧DO的数值。
4.根据权利要求1所述的基于微生物P/R值评估河流减水河段环境流量的方法，其特征是所述步骤(3)微生物P/R值与环境流量间关系的建立，包括利用所测DO数据对微生物样品GPP和CR值的计算分析，进而得到P/R值，建立微生物P/R值与断面流量间的关系，进而构建微生物P/R值与河流环境流量的适应性范围；具体包括以下步骤：
1)计算GPP与CR：
CR的单位是gO2/(m3·d)，计算公式是：
Figure FDA0003709164070000011
式中C0——开始遮光时的水箱中溶解氧浓度
Cb——遮光培养1小时后的水箱中溶解氧浓度
V——水箱的体积，V＝0.08m3
V′——加入单个水箱的底泥浓度；
NPP净初级生产力的单位是gO2/(m3·d)，计算公式：
Figure FDA0003709164070000021
式中C0——开始时的水箱中溶解氧浓度，单位mg/L
Cb——光照培养1小时后的水箱中溶解氧浓度，单位mg/L
V——水箱的体积，V＝0.08m3
V′——加入单个水箱的底泥体积，单位mL；
初级生产力
GPP＝NPP+CR (3)
式中GPP——总初级生产力，简称初级生产力，单位gO2/(m3·d)
2)计算P/R值：
Figure FDA0003709164070000022
式中P/R——无量纲数
3)根据流量梯度减少与微生物P/R值之间的响应关系，建立微生物P/R值与流量量化关系：
P/R＝a exp(ΔQb) (5)
4)构建微生物P/R值与流量之间的阈值关系，设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系，结合基于微生物P/R值的健康评估标准，形成一种河流健康程度的环境流量的评估技术。
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