（人文地理学专业论文）梁子湖水质现状评价及分析研究.pdf

摘要 梁子湖是湖北省的第二大湖泊，其生物多样性和特有性高，是我国许多珍稀濒危水 生野生动植物的重要保存地，被专家称为“化石型湖泊”和“物种基因库”。一直以来，梁 子湖生态环境问题受到政府和社会各界的高度重视。梁子湖水质现状调查是梁子湖生态 保护与研究的基础，对了解梁子湖水质现状、分析梁子湖水质污染成因具有重要的参考 价值。 2 0 0 7 年1 0 月1 9 日 2 3 日，对梁子湖1 3 7 个监测点进行了水质取样监测，监测项目 包括：总氮( t n ) 、总磷( t p ) 、高锰酸盐指数( c o d r a n ) 、悬浮物( s s ) 、浊度与p h 。 并对梁子湖水样监测结果进行单因子方法水质分析及空间插值分析，结果表明：梁子湖 ( 包括牛山湖) 水质总体上以类水质为主( 占湖面6 4 ) ，v 类( 1 9 ) 和类( 1 6 ) 次之，劣v 类( 0 7 8 ) 和i 类( o 2 2 ) 水质较少。其中，东梁子湖水质总体上以 类为主( 占湖面5 9 ) ，类( 1 7 ) 和v 类( 2 2 ) 次之，劣v 类( 1 4 9 ) 和i i 类( o 3 6 ) 分布在局部地区，东梁子湖功能区划暂定为类水质，8 1 的水域水质不达标；西梁子 湖功能区划为i i 类水体，但目前类水质为主( 占湖面7 6 ) ，类( 2 0 ) 次之，i i 类以上仅占0 3 0 ，即基本上不达标；牛山湖水质以v 类为主( 占湖面6 0 ) ，类次 之( 3 8 ) 。 文章对梁子湖水质恶化的原因进行了讨论，对梁子湖的环境容量( t n 、t p 及c o d ) 及入湖污染物量进行了计算及差值比较，认为梁子湖入湖污染量超过了环境容量，其中 t p 入湖量超过环境容量9 7 0 w a ，t n 入湖量已经饱和，c o d 尚有一定的容量。除了 富含t n 、t p 及c o d 等污染物排放对梁子湖水质监测结果有直接影响外，其它环境因 素对水质也有间接的影响。例如，温度、溶解氧含量及p h 都可以影响底质沉积物中p 的释放与吸附速率，从而间接影响梁子湖水体的p 含量等。 梁子湖主导功能为保持湖泊自然生态环境和生态功能，维护生物多样性和湖泊生态 景观，并为武汉市提供后备水源，其次是渔业、旅游、防洪与灌溉。因此，建议综合运 用工程、技术、生态的方法以及法律、经济和必要的行政手段，保护好梁子湖生态环境， 让梁子湖保护成为武汉城市圈“两型”社会建设的标志性成果和中国淡水湖泊生态环境 保护的典范。 关键词：梁子湖；水质评价；水质现状；空间分析；对策及措施 a b s t r a c t l i a n g z il a k ei st h es e c o n db i g g e rl a k eo fh u b e ip r o v i n c e ，a n di t h a sh i 曲a n du n i q u e b i o d i v e r s i t y t h e r ea r em a n ye n d a n g e r e da n dp r e c i o u s l ya q u a t i c - w i l da n i m a l sa n dp l a n t si n t h el a k e ，i ti sc a l l e d “t h ef o s s i ll a k e ”a n d t h es p e c i e sg e n eb a n k ”b yt h ee x p e r t s t h e g o v e r n m e n ta n dc o m m u n i t yc o n t i n u o u s l yp a y sal o to fa t t e n t i o n st ot h el i a n g z il a k eo ni t s e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t i n v e s t i g a t i o no fl i a n g z il a k ep r e s e n t l yw a t e rq u a l i t yi st h ef o u n d a t i o no f l i a n g z il a k ee c o l o g i c a lp r o t e c t i o na n dr e s e a r c h , r e s u l t t i n gi nau r g e n t l yn e e df o ru n d e r s t a n d i n gt h e l i a n g z il a k ep r e s e n t l yw a t e rq u a l i t y , t h ew a t e rp o l l u t i o nh a v et h er e f e r e n c ei m p o r t a n tv a l u e o no c t o b e r19 2 3 r d2 0 0 7 ，t h ee x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e db ym o n i t o r i n gt h ew a t e r s a m p l e so f1 3 7p o i n t si nl i a n g z il a k e t h em o n i t o rp r o j e c t si n c l u d et o t a ln i t r o g e nf i n ) ，t o t a l p h o s p h o r u s ( t p ) ，p e r m a n g a n a t ei n d e x ( c o d m n ) ，s u s p e n d e ds o l i dc o n c e n t r a t i o n ( s s ) ，d e g r e eo f t u r b i d i t ya n dp h t h el i a n g z il a k es a m p l e sm o n i t o r i n gi st a k e nw a t e rq u a l i t ya n a l y s i s 、析m t h em e t h o do fs i n g l ef a c t o ra n ds p a t i a li n t e r p o l a t i o na n a l y s i s t h er e s u l ti n d i c a t e dl i a n g z i l a k e ( i n c l u d i n gn i us h a n h ul a k e ) w a t e rq u a l i t ya saw h o l eb yi vg r a d e ( a c c o u n t sf o r6 4 o fl a k ea r e a ) ；p r i m a r i l y , v g r a d e ( 1 9 ) a n d g r a d e ( 1 6 ) ；f m a l l y , v g r a d e ( 0 7 8 ) a n di g r a d e ( 0 2 2 ) w 1 1 i c h ，t h ee a s tl i a n g z il a k ew a t e rq u a l i t ya saw h o l eb yi vg r a d e ( a c c o u n t s f o r5 9 o fl a k ea r e a ) ；p r i m a r i l y , f f lg r a d e ( 17 ) a n dvg r a d e ( 2 2 ) n e x t ，f i n a l l y , vg r a d e ( 1 4 9 ) a n d i ig r a d e ( 0 3 6 ) d i s t r i b u t e si nl o c a la r e a i nf a c t ，t h ef u n c t i o n a ld i s t r i c to fw a t e r q u a l i t yo ft h ee a s tl i a n g z il a k ei s g r a d ep r o v i s i o n a l l y , s o81 o fw a t e rr e g i m ed o e sn o t a t t a i nt h ed e s i g n a t e ds t a n d a r d ；t h ef u n c t i o n a ld i s t r i c to fw a t e rq u a l i t yo ft h ew e s tl i a n g z i l a k ei si ig r a d e ，b u t1 vg r a d ep r e s e n t l yw a t e rq u a l i t y ( a c c o u n t sf o r7 6 o fl a k ea r e a ) ，i u g r a d e ( 2 0 ) n e x t ，a b o v ei ig r a d eo n l ya c c o u n t sf o r0 3 0 o fw a t e rr e g i m e ，n a m e l yi t b a s i c a l l yd o e sn o ta t t a i nt h ed e s i g n a t e ds t a n d a r d ；n i us h a n h ul a k ew a t e rq u a l i t yb yvg r a d e ( a c c o u n t sf o r6 0 o f t h el a k ea r e a ) ，p r i m a r i l y , i v g r a d en e x t ( 3 8 ) t 1 1 i sa r t i c l ec a r r i e sd i s c u s s i o nw i t ht h er e a s o n sw h yt h el i a n g z il a k ew a t e rq u a l i t y d e t e r i o r a t e s ，c a l c u l a t e sa n dc o m p a r i s e st h el i a n g z il a k e se n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ( t n ，t p a n dc o d ) 埘t l le n t e r e dq u a n t i t yo ft h el a k ep o l l u t a n t ，i tt h i n kt h a tt h et o t a le n t e r e dp o l l u t a n t s o fl i a n g z il a k eh a v es u r p a s s e dt h ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y , t pq u a n t i t yo fe n t e r e dl a k eh a s s u r p a s s e de n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y9 7 01t 仇t nq u a n t i t yo fe n t e r e dl a k et ob ea l r e a d ys a t u r a t e d t t p r e s e n t , t h ee f f e c t i v ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fc o d i s1 3 0 6 1 15 t a b e s i d et h ed i s c h a r g i n g p o l l u t a n tw h i c hr i c h l yi n c l u d et n ，t pa n dc o d a n ds oo nh a st h ei m m e d i a t ei n f l u e n c et ot h e l i a n g z il a k ew a t e rs u r v e i l l a n c er e s u l t ，o t h e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r a l s oh a st h ei n d i r e c t i n f l u e n c et ot h ew a t e rq 砌i t y f o re x a m p l e ，t e m p e r a t u r e ，t h ed i s s o l v e do x y g e nc o n t e n ta n d p hm a ya f f e c tr e l e a s i n ga n da d s o r p t i n gr a t eo ft h epi nt h eb o d yd e p o s i t , t h u si n d i r e c t i n f l u e n c et h epc o n t e n to fl i a n g z il a k ew a t e rb o d ya n ds oo n t h el i a n g z il r k cm a i nf u n c t i o ni sm a i n t a i n i n gt h el a k en a t u r a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a n dt h ee c o l o g yf u n c t i o n , k e e p i n gt h eb i o d i v e r s i t ya n dt h el a k ee c o l o g yl a n d s c a p e ，p r o v i d i n g t h er e s e r v e dw a t e rs o u g c cf o rw u h a n , n e x ta r ct h ef i s h e r y , t h et o u r i s t , t h ef l o o dp r e v e n t i o na n d t h ei r r i g a t i o n t h e r e f o r e ，i tm u s tp r o t e c tl i a n g z il a k ew e l lt ol e tl i a n g z il a k ep r o t e c t i o nt ob e t h es y m b o l i ca c h i e v e m e n tw h i c hw u h a nc i t yc i r c l e t w os t y l e o ft h es o c i e t yc o n s l r u c t sa n d t h em o d e lo fc h i n e s e 舭s hw a t e rl a k ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb yu s i n gt h e p r o j e c t , t e c h n i c a l ，t h ee c o l o g y m e t h o dc o m p r e h e n s i v e l ya n dl a w , e c o n o m y , e s s e n t i a l a d m i n i s t r a t i v em e t h o df u l l y k e y w o r d ：l i a n g z il a k e ；w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t ；w a t e rq 岫l 蚵s t a t u s ；s p a t i a la n a l y s i s ； m e a s u r e sa n dc o u n t e r m e a s u r e s i l l 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名：j 司芦芦钐 日期：以瑟 b 月7 日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以 允许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的 前提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规 定) 黧髯嚼 指导教师签名：丛 笏 日期：矽彩易7 日期：砰6 、q , 1 绪论 1 1 水质评价的概念 1 绪论 水质评价全称水环境质量评价( w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n ) ，水环境质量评价是关于水 环境质量现状和变化的理论、方法及其应用科学，是环境评价学的一个重要分支，是水 科学工作者认识水环境、保护水环境的基础【1 1 0 地表水水质现状评价是在水质现状监测 的基础上对地表水水质进行评价【2 】。 水质评价按照评价目标，选择相应的水质参数、水质标准和评价方法，对水体的质 量利用价值及水的处理要求作出评定。水质评价是合理开发利用和保护水资源的一项基 本工作。 按照不同的分类方式，水质评价可以分为以下几种类型：按评价目标分：为防治 污染的水污染评价，如6 0 年代以来广泛进行的河流污染评价、湖泊富营养化评价等； 为合理开发利用水资源的水资源质量评价。按评价对象分：地表水评价和地下水评价， 前者又分为地表水潮汐河口和海洋等水质评价。按评价时段分：利用积累的历史水质 数据，揭示水质发展过程的回顾评价；根据近期水质监测数据，阐明水质当前状况的现 状评价；对拟建工程作水质影响分析的影响评价( 又称预断评价) 。按水的用途分： 饮用水水质评价、渔业用水水质评价、工业用水水质评价、农业用水水质评价、游泳和 风景游览水体的水质评价等【3 1 。 1 2 国内外湖泊水质评价研究现状 1 2 1 国内湖泊水质评价研究现状 目前，水域富营养化已经成为世界范围内一个突出的环境问题。近1 0 年来，我国 江河、湖库富营养化非常严重且呈恶化趋势。我国7 0 0 多条河流( 总长1 0 万k m ) 中， 7 0 6 河流受到污染，3 6 的城市河段丧失服务功能，在2 0 0 0 年的重点评价的2 4 个湖 泊中，4 个湖泊部分水体受到污染，1 1 个湖泊水体污染严重；对9 3 座水库的营养状态 评价结果显示，处于中营养状态的水库为6 5 座，处于富营养状态的水库1 4 座【4 】【5 1 。 上个世纪六七十年代以来，许多学者基于世界上数百个湖泊水质特征的详细调查， 对湖泊富营养化评价的方法和标准进行了一系列的探讨，提出了多种形式的评价参数和 湖北大学硕士学位论文 方法【6 】。根据湖泊富营养化的生态环境因子的特征来评价湖泊营养状态的方法，最早由 日本学者吉村于1 9 3 7 年提出。饶钦止等结合我国湖泊的特点，也提出了类似的方法和 标准i 刀。我国早期的研究者和地理学工作者常用此方法。 2 0 世纪7 0 年代后，随着我国湖泊富营养化研究工作的深入开展，国外评价方法在 我国的一些湖泊研究中得到尝试，在对国外评价方法和标准在我国的适用性进行深入探 讨的基础上，逐步建立起了比较成熟的适用于我国湖泊的评价体系和方法。 自我国环保事业开始阶段，国家各种环境质量标准及监测技术标准发布并实施后， 单项因子评价方法便得到一定的重视与发展，该评价方法是指分别对单个指标进行分析 评价。该方法计算简便，且通过评价结果能直观地反映水质中哪一类或哪几类因子超标， 同时可以清晰地判断出主要污染因子和主要污染区域。在我国的环境部门监测系统此类 方法应用较普遍，但是由于是对单个水质指标独立进行评价，因此得到的评价结果不能 全面地反映地表水质量的整体状况，可能会导致较大的偏差。鉴于单因子评价体系的不 足，为了能综合反映评价水体的总体质量，实际地表水水质评价工作中常常采用综合评 价方法将单因子评价结果综合起来。通过对水质的综合评价来反映地表水水质的整体情 况，既有全面性，又有综合性。 2 0 世纪8 0 年代后，由于单因子评价方法的局限性，环境学家开始探讨综合指数法， 综合指数法就是根据湖泊富营养化的主要代表参数来评价湖泊营养状态的方法。其中， 参数多为湖水总磷、总氮等营养物质浓度、透明度、藻类叶绿素a 含量、初级生产量等， 通过对这些参数数量的大小分级，把湖泊分为若干营养层次如贫、中、富、极富等。各 国学者针对具体湖泊或湖泊群的研究，所提出的参数和评价标准不尽相同【删。 通过多个指标并赋予各指标不同的权重的综合判断确定水质标准的综合指数法在 水质评价中一直被广泛应用。权重的确定是应用综合指数法进行地表水质评价过程中的 一个重要研究内容，结合权重的评价模型可以充分反映水体中不同组分对于水质影响的 差异，因此提出了各综合指数修订模型，增加了对权重因素的考虑。已有的综合指数法 在评价过程中还存在着一些缺陷：忽略了水质分级界线的模糊性，评价结果不能很好地 满足水质功能评价的要求；评价结果不能很好地反映出水质污染的真实状况，例如从单 因子的分指数来看，即使是已经达到污染，也有可能会在综合指数计算中被掩盖；模式 的分辨性较差【1 0 1 ，例如要对不同地下水体的质量优劣进行区分时，很可能会得到相同的 综合评价分值，此时就无法判断它们的优劣了。 生物指标评价法是环境学家认为比较直接和可靠的方法，多年来一直受众多环境学 2 1 绪论 家的推崇。生物指示评价方法是根据湖水中水生植物的种类和数量来评价湖泊营养状态 的方法，主要有优势种评价法和多样性指数评价法等。依生物类群如浮游植物、浮游动 物、底栖动物的不同，各国研究者提出的方法和标准均有不同【l l - 1 4 1 。国内学者用轮虫评 价水体富营养化和有机污染状态的研究较活跃【1 5 椰】。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于受西方数学思想的影响，数学理论在水质评价方中的应 用研究越来越活跃，研究内容主要包括线性和非线性统计分析、模糊数学、灰色系统、 模式识别等【1 9 之3 】： ( 1 ) 人工神经网络模型 2 0 世纪中期才兴起的神经网络技术近年来在水质评价领域也被广泛应用【2 4 】。人工 神经网络与传统的综合指标评价方法相比主要具有以下的优点：通过模型的自学习和 自适应能力，可自动获得水质参数间的合理权重，无需人为干预，因此评价结果具有客 观性。一旦对标准训练完毕，就可以用训练好的网络对实测样本进行评价，计算简便、 可操作性强。可以通过在训练过程中适当改变输入节点数和输出节点数，来修改评价 参数和等级，从而使模型的应用具有一定的灵活性。基于大量成熟的计算机软件的支 持，使工作效率得到极大地提高。罗定贵等基于m a t l a b 提供的实现函数将神经网络 模型应用于地下水水质评价中，并结合实际数据进行了评价，取得了较好的效果。 但是神经网络模型在水质评价的应用中由于其求解过程的限制也存在一定的缺陷： 如评价过程中极易因陷入局部极小点而无法得到全局最优解；网络收敛速度比较慢；评 价网络的隐层和隐层节点个数选取尚无理论指导1 2 5 】；应用中通常采用水质评价分级标准 作为训练样本，训练样本少，从而影响网络效果，同时采用水质标准的训练结果来评价 实测样本会对评价结果带来影响，等等。针对其中的一些缺陷，我国专家学者也相继提 出了一些改进模型。如采用“试错法【2 6 】”；通过取最小的均方根差r m s e ( r o o tm e r i ls q u a r e d e r r o r ) 值来确定隐层单元数2 7 】；引入自适应变步长( a b p m ) 来调整学习率的改进算法；应 用浮点遗传算法对b p 网络的连接权进行优化等。 ( 2 ) 模糊综合评判法 水质评价中的污染程度、水质类别都是一些客观存在的模糊概念和模糊现象【2 8 2 9 】， 简单地根据某一数字界限来对水质进行研究和评价是不合适的。而模糊集理论的在水质 评价中的应用与传统的评价方法相比更适应于水质污染级别划分的模糊性，能更客观地 反映水质的实际状况。模糊综合评判法最主要的优点就是通过构造隶属函数可以很好地 反映水质界限的模糊性。 3 湖北大学硕士学位论文 模糊综合评判问题实质上就是模糊变换的问题。在水质评价过程中需要考虑很多影 响因素【3 0 1 ，例如，隶属函数和权重矩阵的构造、模糊变换过程中算子的选取等。其中最 关键的问题是如何构造合理的隶属函数和权重矩阵。 隶属函数在模糊综合评判中占有重要的地位，确定隶属函数的原则和方法很多【3 1 1 。 由于现行水质标准中大部分指标质量类别都是依据该指标浓度值从小到大或从大到小 排序，即都是单向分布的所以在水质评价中常用半梯形分布函数法对于某些双向分布的 指标如人体必需的微量元素、p h 值等，可采用梯形分布函数法。这两种方法简洁明了， 可以很好地刻画水质级别的隶属关系。 确定评价因子的权重是水质评价的主要内容，也是模糊综合评判的关键。应用于水 质评价的赋权方法有很多，传统的方法如专家法、指标值法等，但这些方法都存在一些 不足。如专家法受主观因素影响太大；指标法通过实测浓度与标准浓度的比较客观反映 了污染因子超标程度对水质污染的影响，但没有考虑到不同因子对于水质的影响是不同 的这一事实。针对这些赋权方法中存在的不足，提出了一些改进方法。例如，孙才志等 【3 2 】就提出了两种改进的污染因子赋权方法。近些年，层次分析法、多元统计分析中的主 成分分析和因子分析方法、灰色关联法、神经网络和遗传算法等被广泛应用于权重的确 定，取得了一定的效果。但这些方法在水质评价中的应用都存在自身的优缺点，如何更 好地确定各水质评价指标间的权重有待进一步的研究。 综合评价结果最后通过模糊矩阵r 和权重矩阵的复合运算来实现。复合运算中可选 用的模糊算子有取大取小法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法等，可根据评价的 需要选择合适的算子。常用的取大取小算子在评价中通常被认为在污染因素较多、同时 各权重值均较小的情况下，可能会遗失较多的有用信息。但是大量事例研究表明通过调 整权重的方法可以很好地解决这个问题田j 。 ( 3 ) 灰色聚类法 近年来发展起来的灰色系统理论也被广泛应用于水质综合评价中【姗6 】。灰色聚类方 法信息利用率高，精度较高，注意到了水质评价中的模糊性和不确定性，和模糊数学一 样都可以通过隶属函数来反映该属性并加以量化。文献【3 4 j 就采用了灰色聚类法对许昌市 浅层地下水质进行评价，并将得到的评价结果与模糊数学法评价结果进行了比较，证实 了灰色聚类法的可信度。但该方法是也存在着一些不足。例如，由于采用了“降半梯形 形式，每一评价级别仅于相邻级别间存在隶属关系，当污染物浓度分布过于离散时，可 能会损失较多有用信息【3 刀。灰色聚类方法在地表水水质评价过程中也需要考虑不同评价 4 1 绪论 指标的赋权问题，不同的赋权方法直接影响评价结果。 ( 4 ) 其它方法 此外，通过不同评价模型间的交叉和融合，充分考虑各评价模型的优缺点，近年来 一些新的评价方法也不断涌现。例如，考虑到水质评价的关键是不确定性及相容性分析， 从而将模糊逻辑系统与神经网络充分结合，建立了模糊神经网络模型等【3 8 1 。 2 0 世界9 0 年代，部分学者认识到传统水质评价方法在水质评价中的缺陷，开始意 识生物指示方法在水质评价中的特殊作用，应用浮游藻类及底栖动物评价湖泊富营养化 水体，取得一定的成果。李飞等【3 9 】利用浮游藻类种群组成和数量的变化，以及水体中叶 绿a 含量和初级生产力等生物学指标评价分析了鄱阳湖营养状况，认为鄱阳湖水体营养 状况处于贫中营养阶段的初期 1 8 - 1 9 。 1 2 2 国外湖泊水质评价研究现状 1 9 2 9 年瑞典湖泊学家e i n a r n a u m a n n 4 0 】给出湖库营养盐范式，将营养盐和湖库的关 系可归纳为以下4 点： 决定藻类生物量( 植物有机质总量) 的主要因素是植物营养盐：磷和氮； 湖泊所在流域的地质特征和土地使用状况决定进入湖库的营养盐数量，因而也决 定湖库植物生物量； 湖库植物生物量的变化影响整个湖库生物特征； 随着湖泊年龄的增加，湖泊植物生物量以致整个湖泊生物量将会增加。 自n a u m a n n 提出湖库的营养盐范式以来，关于湖泊的认识已经取得了重大进步， 但是n a u m a n n 的概念仍然是湖泊营养盐范式的基础。 湖泊水体富营养化的进程，实际上是自养型浮游藻类吸收、利用湖泊水体的营养物 质充分增殖，并建立优势种类的过程。因此，各国学者在湖泊营养状态划分和水质评价 时，不仅重视藻类生长代谢所需要的营养物质浓度水平，而且注意与藻类增殖密切相关 的湖泊形态学、水文学以及水质和底泥特征的考察和研究，相继提出了各有特色的划分 和评价湖泊水质营养状态的标准【4 1 1 。 科学家很早就发现了正常条件下，淡水环境中存在的碳、氮、磷的比率为1 0 6 ：1 6 ： l ，根据l i e b i g 的最小生长定律可以认定氮、磷是富营养化形成的限制物质，其中磷是 绝大多数湖泊和水库富营养化形成的关键限制物质，于是在上世纪6 0 年代，d i l l o n 等 人根据这一发现提出了磷收支模型法，即根据湖泊平均深度、单位面积负荷、滞水时间 5 湖北大学硕士学位论文 以及入湖磷浓度来预测湖中磷浓度，并与湖中藻类叶绿素a 结合起来对湖泊营养状态进 行评价的方法。最早由v o l l e n w c i d e r 提出，d i l l o n 等则进行了大量的补充和完善【4 2 书l 。 此方法由于操作和分析较为复杂，应用面有限。 2 0 世纪7 0 年代早期，b r e z o n i k 和s h a n n o n 4 6 提出多变量指标定量评价方法。根据7 个变量采用主成分分析方法( p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ) 推导评价指标，7 个变量分 别为：t p 、初级生产力、s e c c h i 深度的倒数、总有机氮、叶绿素a 、电导率和p e a r s a l 阳离子比例。其它稍微简单的指标常常包括为无加权的变量。多变量的定量指标将营养 分级从类型学概念转变为数值连续假定的评价方法，但其自身也存在以下不足：要得到 一个评价指标值，必须事先对所有变量进行监测，因此增加评价成本和分析时间，缺少 一个变量值则不能得到t s i ，如果其它变量保持不变，单个变量的变化可能不会被评价 指标所反映；相反，如果评价指标包括的变量相互关联，一个变量的变化引发其它多个 变量的变化，从而导致变化的夸大，以致最后评价指标的变化无法说明到底什么发生了 变化【1 1 。 2 0 世纪7 0 年代后期，c a r l s o n 4 7 提出基于可计量的植物生物量应用于湖泊营养化评 价，并认为能适用于现在和将来的营养湖泊模型。根据植物生物量进行分类的方法，没 有重新给出营养状态定义。与类型清晰的分级方法不同，c a r l s o n 假设藻类生物量具有 一个连续变化的范围，认为常见的营养分级方法对生物量连续性进行分级过于武断，为 强调基于生物量的营养状态的连续性，采用数量尺度而不是类别尺度，根据s e e e h i 深度 ( 受藻类密度的影响) 的双倍值对藻类生物量进行分级【l 】。 c a r l s o n ( 1 9 7 7 ) 关于s e c c h i 深度方程的原始形式如下： t s i ( s d ) ：l0 【6 一i n ( s d ) 1 i n 2 。 2 0 世纪8 0 年代初期，w o l l e n w e i d e r 和k e r e k e s 提出o c e d 指标法【4 羽。o c e d 指标 采用统计方法给出每个营养状态变量的变化范围。o c e d 指标是根据一组专家的意见获 得的。集总数据可以对每个变量和每个指标类别形成钟型曲线。曲线中重叠部分，表明 同样浓度可能对应不同的营养状态。o c e d 指标营养状态分类法假定营养状态并不真实 存在，只不过是一种抽象概念而已，一定程度上是对一个连续过程的武断分级。这种分 类方法多注重合适的营养状态变量选择研究【l 】。 同一时期，一些基于连续概念的分级指标强调营养状态由多个变量反映，营养状态 的描述构建应该包括多个变量。以h u b e r 为代表的学者提出了多变量指标方法【4 9 】，该方 6 1 绪论 法是“营养状态是水体营养状况的综合表述，因此单个变量或参数不能全面或定量描述 评价湖泊营养状态，成为广泛接受的结论。与类型学分级方法评价指标不同，多变量 指标方法对营养状态特征表中的变量定量化，从定性指标跃变到定量指标。该类评价方 法综合多项富营养化指标，包括湖水透明度、藻类叶绿素a 含量以及湖水总磷浓度并将 转换为营养状态指数( t s i ) ，从而对湖泊营养状态进行连续分级的方法。最早由c a r l s o n f 5 0 】 建立，日本的a i z a k i 等【5 l - 5 2 】进行了完善和修正。此方法由于可对湖泊营养状态进行连续 的数值化的分级，从而为湖泊富营养化机理的定量研究提供了坚实的基础，是当前湖泊 富营养化评价中的主要方法之一。 湖泊营养状态分级开始时是一个连续的概念，但是后来转变成为一个“类型 ( 非 类型) 分级概念。由于对主要营养状态可以作为简易表述，现存许多营养评价方法或评 价指标( t s i ) 均强调类型学的意义。例如，r a s t 和l e e 在1 9 8 7 年提出的“典型的湖泊 营养状态分类系统【5 3 】”。在r a s t 和l e e 的“典型的湖泊营养状态分类系统”的研究基础 上，湖泊类型状态类型学分级认为，就像人有青年、中年和老年几个阶段一样，富营养 化湖泊是一种真实存在，所以湖泊可以分为几种类型。湖泊营养化过程是湖泊由一个状 态向另一个状态的发展过程，处于某一状态的湖泊，则会表现出与之对应且可以辨识的 特征，根据其表现出的特征进行分类。当评价变量间的关联较弱，湖泊的营养状态主要 由个别变量决定，这种情况下，采用类型学的评价方法就比较难于得到比较合理的评价 结果【l 】o 尽管不同的学者，基于不同的着眼点，对湖泊富营养化有着许多不同的理解和定义 【剐，湖泊富营养化仍常被认为是水体的一种状态，即过量的藻类和高等水生植物在水体 中富集的一种状态【5 5 】。这些藻类和水生植物的富集，导致了水质恶化、生物群体的破坏， 因而大大妨碍了人类对水资源的利用。o e c d 把富营养化定义为水体富营养盐增加引起 的一系列征兆变化，其中藻类和大型植物生产力的增加，水质恶化和其它征兆变化破坏 了水的利用【55 1 。例如1 9 8 0 年，丹麦水质富营养化专家捷吉尔森根据湖泊水生物学和水 化学特征，从湖泊生态学的观点出发，将湖泊水质营养类型细分为8 种状态。即：极度 贫营养、贫营养、贫一中营养、中营养、中一富营养、富营养、极度营养、异营养。 生物指示评价方法一直是国外专家一个主要的研究方向。k o l k w i t z 和m a r s s o n 首次 利用轮虫作为有机污染的指示生物，s l a d e e e k 列出6 2 0 种轮虫水生腐质性的等级。d u g g a n 等证实了不同营养状态的水体会出现不同的轮虫，他们认为针簇多肢轮虫和独角聚花轮 虫等在低营养水体更容易生长，萼花臂尾轮虫和长三肢轮虫等更喜欢在富营养水平中生 7 湖北大学硕士学位论文 存【5 6 1 。s t e m b e r g e r 等认为小型浮游轮虫在贫营养水体只能够更有竞争力，而大型浮游轮 虫更喜于出现在富营养水体中。轮虫多样性指数常用于水质评价1 5 7 - 5 9 】。 底栖动物种类鉴定主要参考m o r s e 等和w i e d e r h o l m 的方法，然后分门类计算、称 重，换算成个体数量( i d d m 2 ) 和生物量( 酌n 2 ) 。生物指数采用b m w p 积分系统和b b u f b i 指数两种方法。b m w p 记分系统中t s 值在o 2 5 之间为水质严重污染，2 5 5 0 为重污染， 5 1 1 0 0 为中污染，1 0 1 1 5 0 为轻污染，大于1 5 0 的为无污染。b b i f b i 指数值在0 - 2 之间 为水质严重污染，3 _ 4 之间为重污染，5 - 6 为中污染，7 8 轻污染，9 1 0 之间为轻污染或 无污染。生物多样性采用s h a n n o n - w i e n e r 指数： h ：一宇兰1 0 9 ，生 葛n n 式中i l i 样品中第i 中生物的个体数，1 1 样品中生物总个体数 指数值h 在0 - 1 之间的为重污染，1 3 之间为中污染，大于3 为清洁。 水质评价经过多年的发展，取得了一定的成就，但同时也存在一些问题：各种方法 都存在自身的不足，现行的水质标准仍不能满足人们的要求；由于评价因子与水质等级 间的非常复杂的非线性关系，以及水体污染的随机性和模糊性，对于水质评价至今仍没 有一个被广泛接受的评价模型。现行的水质评价方法均是通过实测浓度与水质标准进行 比较分析确定评价区域水质的好坏，无法考虑水质的成因、演变规律和水量对水质的影 响等。如何针对研究水域的具体情况，选择具有代表性的评价指标及合适的水质标准和 评价方法，使得到的评价结果尽可能真实、准确地反映客观实际，已经成为水质评价亟 待解决的问题。 1 2 3 梁子湖水质评价研究现状 丰富的水生生物资源依存于丰富多样的自然环境。为了查清梁子湖资源状况，从上 世纪五六十年代开始，先后有中国科学院水生生物研究所、武汉大学、华中师范大学、 华中农业大学等多家大学和研究所从不同角度、不同的研究内容，对梁子湖自然环境和 自然资源进行了历时几十年的科学考察和研究，取得了大量的第一手资料和丰硕的成 果。近期，武汉大学、湖北省水产科学研究所、华中师范大学、梁子湖管理局等多家单 位在前人工作的基础上又进行了多次考察工作1 6 0 l 。 根据湖北省环境科学研究院1 9 9 9 年编写的湖北省生态环境现状调查报告提供 r 1 绪论 的1 9 9 1 1 9 9 5 年省控制湖泊水质平均综合指数数据来看，在l o 个省控湖泊中水质污染 从重到轻依次为大冶湖、长湖、汤逊湖、后官湖、涨渡湖、洪湖、后湖、斧头湖、梁子 湖和保安湖，梁子湖污染排序为第9 位，综合指数p j 为0 3 4 4 ，为地表水2 级标准f 6 。 熊金林等【6 2 】在2 0 0 3 年对梁子湖水系湖泊做了综合水质评价：用综合营养状态指数 ( t s i c ) 对梁子湖水系的4 个湖泊营养状态进行了综合评价。并对4 个湖泊的8 项主要 水化学指标进行主成份分析。结果表明，洋澜湖、严家湖均呈富营养化状态，武四湖、 红莲湖分别呈中富营养化状态，磷、硅对第1 主成分贡献最大，氮对第2 主成分贡献最 大，4 个湖泊的水质受水中磷含量影响最大。此外，4 个湖泊中浮游植物、原生动物数 量和生物量与t s i c 呈高度一致性。作者认为，对湖泊进行营养状态评价时，即要选准 评价因子，又要对水化学参数和生物参数进行综合评价。 1 3 本文的研究意义 1 9 8 9 年，梁子湖湿地被收入世界自然保护联盟( i u c n ) 、国际鸟类保护联合会 ( i c b p ) 和国际湿地和水禽研究署( i 啪) 编著的英文版亚洲湿地名录中，符合 国际意义湿地标准，被列为国际主要湿地【6 1 】。 1 9 9 9 年5 月7 日，鄂州市人民政府办公室以鄂州政办函 1 9 9 9 第1 6 号文设立梁子 湖区域自然湿地保护区【6 1 】。 2 0 0 0 年，国家林业局等1 6 部委( 局) 发布的中国湿地保护行动计划将梁子湖 群湿地列为中国重要湿地名录；2 0 0 1 年国家林业局全国林业系统自然保护区体系规 划、全国野生动植物保护及自然保护区建设工程总体规划将梁子湖列为国家级自然 保护区发展规划【6 h 。 梁子湖生态环境问题受到政府和社会各界的高度重视。2 0 0 3 年，湖北省委省政府主 要领导多次批示，要求调查梁子湖污染问题，并提出对策措施。2 0 0 4 年4 月2 2 日，在 省环保局主持下，武汉、鄂州、黄石和咸宁四市签署了保护梁子湖协议，从政府层 面上启动了梁子湖保护工作。2 0 0 7 年7 月2 0 日，湖北省委、省政府召开会议专题研究 梁子湖生态环境保护工作。会议确定了梁子湖保护第一，合理利用的基本方针，并责成 省发展和改革委员会牵头、组织相关部门根据梁子湖流域、区域水资源承载能力和保护 目标，在充分考虑流域水环境容量、确定功能定位的基础上，科学制订和实施梁子湖生 态环境保护规划。 本次梁子湖水质调查评价是依托梁子湖生态环境保护规划，在详细调查、科学评价 9 湖北大学硕士学位论文 的基础上，全面了解梁子湖的水质现状，结合有关研究成果，已取得的相关研究资料， 分析梁子湖水质污染成因及程度，为梁子湖的生态环境保护规划提供最直接、有力的基 础资料，为有效保护梁子湖生态环境、科学制定梁子湖保护对策提供保障。 1 4 本文的研究内容 ( 1 ) 利用g i s a r c v i e w 软件的空间插值方法评价梁子湖的水质现状； ( 2 ) 根据空间插值的评价结果，正确评价梁子湖的水环境现状； (