（环境科学专业论文）长江上游大中型水库富营养化问题研究——以简阳三岔湖水库为例.pdf

资料，对三衍湖水库进行了磷容量计算，并利用人工神经网络在1 9 9 0 一1 9 9 1年数据的基础上预测了1 9 9 5 年的水体水质情况，结果表明：三龠湖水库在1 9 9 8年将发生富营养化。这与实际情况一致，人工神经网络预测法具有较高的精度。水体富营养化的危害面相当广泛，目前富营养化的研究工作中还有很多不足和急需解决的问题。长江上游水库水质的好坏，不仅影响上游地区的生产、生活，而且影响“南水北调”、“三峡工程”等大型工程生念安全。因此本文的研究1 = 作具有重要的理论价值和实践意义。关键词：长江上游：三徼湖水库：富营养化：箱式模型：人工神经网络a n a l y s eo fw a t e re u t r o p h i c a t i o no fl a r g ea n dm e d i u ml a k ei nc h a n g j a n gu p r i v e r- l a k ee x a m p l ef o rs a n c h al a k er e s e r v o i rm a j o re n v i r o n m e n t a ls c i e n c em a s t e rc a n d i d a t ez h e ny u e r o n gm e n t o rj i a n gs h i z h o n g ，d i nh u ia b s t r a c tt h i sp a p e re l a b o r a t et h ee u t r o p h i c a t i o nt h e o r y 、m e t h o da n dp r i n c i p l eo fl a r g ea n dm i d d l el a k er e s e r v o i r , a n da l s ot h er e s e a r c hd e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h e na n a l y s et h el a k er e s e r v o i rh y d r o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s c l o s eq u a l i t y 、t e m p e r a t u r el a m i n a t i o na n dm o r ef u n c t i o n a l i t i e s ，e s p e c i a l l yt h ep h e n o m e n o no fw a t e rt e m p e r a t u r el a m i n a t i o n c o m b i n i n gt h ep r a c t i c ed a t a , u s i n gi n t e r r e l a t e df o r m u l aa n dt h e ng e tt h et e m p e r a t u r el a m i n a t i o nc a t e g o r yi ns a n c h al a k er e s e r v o i r t h e s eh y d r o l o g yc h a r a c t e r i s t i c si sv e r yn o t a b l et ot h eg e n e r a t i o no fl a k er e s e r v o i re u t r o p h i c a t i o n , t h ec l o s eq u a l i t ya n dt e m p e r a t u r el a m i n a t i o np r o m o t i n gt h eg e n e r a t i o nw i t hf u r t h e rd e v e l o p m e n to fe u t r o p h i c a t i o n n o wt h e r ea r em a n ye u t r o p h i c a t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i o ni nt h ew o r l d ，o u rc o u n t r yu s et h ee x p e r i c n c eo fo t h e rc o u n t r i e sf o rr e f e r e n c e ，a sw e l la sc o m b i n et h er e a l t ya p p l i c a t i o no fw a t e r t h i sp a p e ru s et h ea g r i c u l t u r ew a t e ri ns a n c h al a k er e s e r v o i ra se x a m p l e ，g e tt h ee u t r o p h i e a t i o ne v a l u a t i o nc r i t e r i o n i nr e s e a r c hm e t h o d ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h ec o r m i o nu s em o d e l si nt h ee x a m p l ea n dc o m p a r et h et r a d i t i o n a lw i t hn e wm e 也o d f 一b o xm o d e la n da r t i f i c i a ln e r v en e t w o r k g e tt h eu s ef e a t u r e sa n dm e r i t sw i t hd e f e c t s a n dw i 山u s et h et w om e t h o d s ，w ek n o wt h a tt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa r ej u s tt h es a m e ，t h e yc o r r e s p o n dt ot h er e a l i t y , b u ti nt h ee l t o ra n a l y s i s ，a r t i f i c i a ln e r v en e t 、o r ki sb e t t e rt h a nb o xm o d e l i tc a l lu s ef u z z yj u d g e s oi ft h em e c h a n i z a t i o ni sn o lc l e a ra n ds h o r to fd a t a a r t i f i c i a ln e f v en e t w o r kc a nb ew i d e l yu s e di nt h ee u t r o p h i c a t i o ns t u d yo fl a k er e s e r v o i rf o ri th a st h eg o o dt r a i t s ：s e l f o r g a n i z a t i o n 、s e l f s t u d y 、s e l f a d a p ta n dn o n l i n e a r i t y m o r e o v e r , t h i sp a p e ru s ep r a c t i c ed a t ag o i n go nt h ef a c t o rd e d i c a t i o na n a l ) s i st ot h ea f f e c tf a c t o ro fw a t e re u t r o p h i c a t i o n ，a n dg e tt h ee x t r e m ep e r s u a s i v ea c h i e v e m e n t s ，s oh a v et h ep o w e r f u lb a s i st oc o n t r o lw a t e re u t r o p h i c a t i o n a n da l s ot r yt ou s em a r k e tv a l u em e t h o dc o m p a r i n ga n a l y s i st h eb e n e f i tt h a tg e n e r a t ei nt h ed i f f e r e n tu s ew a y so f r e s e r v o i rw a t e r s h e dl a n d ，f i r m l yp r o v et h a ts t r u c t u r ef i n ee c o l o g ye n v i r o n m e n tn o to n l ym a k i n gt h es u s t a i n e dp r o d u c ta n dl i v i n g ，b u ta l s ob r i n ga b o u tt h ed i r e c t e de c o n o m i cb e n e f i t s ，t h es t u d yp r o v i d et h eg o o dr e f e r e n c ev a l u et ot h ea n e wu t i l i z ew a t e r s h e dl a n d t oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ee u t r o p h i c a t i o no fr e s e r v o i r t h ep a p e ru s ew ow e i d et h e o r y 把c a l c u l a t ep b o s p h o m sv o l u m ei ns a n c h al a k er e s e r v o i rb yp r a c t i c ed a t a ，a n df o r e c a s tt h ew a t e rq u a l i t yb yu s i n ga r t i f i c i a ln e r v en e t w o r ki n1 9 9 0 - 一1 9 9 1d a t a , t h e np r o v et h en e c e s s i t yo f e u t r o p h i c a t i o ni n1 9 9 8 w a t e re u t r o p h i c a t i o ni sv e r yh a r m f u l ，b u tn o wt h e r ea r em a n yp r o b l e m st h a ts h o u l db es o l v ei m m e d i a t e l ya n da r es h o r t a g ei nt h es t u d yw o r k t 1 1 i sp a p e r s t u d yt h ew a t e rq u a l i t yi nt h eu p s t r e a ma r e ao fy a n g t z er i v e r , t h ew a t e rq u a l i t yi nu p s t r e a ma r e ai ny a n g t z er i v e rn o to n l ya f f e c tt h ep r o d u c ea n dl i v i n g ，b u ta l s oa f f e c tl a r g e - - s c a l ep r o j e c t s ：“d i v e r tw a t e rf r o mt h es o u t ht ot h en o r t h ”、y a n g t z er i v e rs a n x i a e t c s ot h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n ts e n s ei nt h et h e o r ya n dp r a c t i c eo fs t u d yw o r k k e y w o r d s ：u p r i v e ro fy a h g t z er i v e r ；s a n c h al a k e ；e u t r o p h i c a t i o n ；b o xm o d e l ；a r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r k s1 1 选题意义第一章绪论随着社会经济的发展，发达国家和发展中国家都经历过或正在经历经济增长的同时，环境却f 1 益恶化的过程，气候异常，空气污染加重，水质变差，水土流失，山洪瀑发“孕育并哺育了人类的大自然正对人类的无知和贪婪做出处罚。环境问题已经成为全球共同关注的三大热点问题之一，水环境是其中的一个重要组成部分，而湖泊、水库因为与人们的生活息息相关而备受关注。湖泊水库的基本问题是富营养化，水体旦受到富营养化的污染，将很难治理，而且要花费大量的人力、物力、财力，例如我国治理“三河三湖”，耗费了巨额资金。水体富营养化是全球水环境最普遍的环境问题之一。到2 0 2 5 年，世界人口的大多数将生活在水源紧张地区。加之水资源分布不平衡，一些地区资源丰富，而另些地区却缺少资源，水体一旦受到污染，水资源丰富的地方尽管有水也会没有水资源可用，反而危害人类的健康。水体污染造成死鱼事件时有发生，严重影响了人们生产生活。因此，为了实现我国2 0 1 0 年远景目标纲要所提出的，到2 0 1 0 年基本改变环境恶化状况，城乡环境有比较明显的改善目标，对长江上游地区大中型水库进行水质变化和影响因子分析研究，有利于弄清水库水质的变化规律、形成机制以及寻求预防治理水库水质污染的科学方法和对策措施，并对研究长江下游地区水质的变化和确保“南水北调”、“三峡工程”生态安全提供参考。长江是我国第一大江，近年来，以“三峡工程”、“南水北调工程”为代表的长江流域水利资源的大力开发，对长江流域水资源、水环境造成了巨大影响。学术界对大中型水利工程的生态环境影响展开了激烈争论。其焦点就是长江流域的生态安全问题、“三峡工程”的生态安全问题，为此人们做了大量研究工作，但是对长江流域大中型水库富营养化过程进行系统研究，还十分鲜见。在四川省教育厅的大力支持下，获准立项对“长江流域大中型水库富营养化过程”进行专题研究，经过3 年的努力，获得了大量实测水质监测资料。获得了一系列研究成果，本文以这些研究成果为基础，以简阳三岔湖水库为实例，系统论述长江流域大中型水库富营养化过程的研究理论、原理、方法。以及管理模型。i1 2 研究背景随着人类的进步工农业发展迅速，人们对环境的影响也更大，加速了周刚环境的负担水环境吸纳着来自固体的、液体的、气体的污染物，水质恶化，水质富营养化已经成为当今世界人们面临的难题之一。同时，工农业的发展，人们尘活水平的提高，都要求有更多、更好的水资源，水是生命的组成物质，也是许多物质的载体，工业、农业、生活都离不丌它。全球水资源分布不均匀，进一步加重了水资源危机。一些地区遭受洪涝灾害，一些地区常年缺水。另一方面，水资源利用率不高，导致水资源问题更为突出。水质富营养化进一步加剧了水资源危机，人类深受其害。中国2 0 0 4 年3 月试行新的环境核算体系，提出十年内将努力解决水污染问题，水质富营养化的研究虽已取得部分成果，但系统、深入的成果还很不够现有的解决方法收效甚微。本文尝试从影响水质变化的各因素入手，分析各因子贡献率，运用多种方法分析水质，预测水质，进而提出控制方案。对现阶段湖泊、水库的研究应该具有积极作用。欧美大多数内陆淡水水体均己处于富营养化或趋于富营养化，最近几年近海区域发生的大面积赤潮，给海洋渔业造成了巨大的损失。据1 9 8 9 年至1 9 9 3年中国1 3 1 个主要湖泊的调查：( 1 ) 1 3 1 个湖泊中已达富营养化的湖泊为6 7 个占总数的5 1 2 ：( 2 ) 城郊湖泊几乎都存在富营养化问题；( 3 ) 大型湖泊富营养问题令人担忧，如长江中下游区域的湖泊：太湖、洪泽湖等等，另外一些湖泊虽然处于中富营养化状态，但水质中营养物质浓度明显偏高，也正向富营养化方向发展。目前我国水体因水质污染而引起的富营养化问题十分突出。湖泊、水库富营养化问题有待于进一步进行持续性的、较大规模的研究，水体富营化问题没有彻底解决，而且当前急需解决，现有的各种治理方法存在经费投入多、人力物力耗费大、效果不明显等问题，各种环境问题触目惊心，环境问题有目共睹，也引起了政府部门的高度重视。今年召开的“两会”明确提出，要强化环境保护。把经济发展与环境保护有机结合在一起，不再单纯采用以前的s n a 经济核算体系，而是把绿色g d p 纳入经济核算范围，目前此项工作已经开始试点。随着长江流域水利资源的猛烈开发，长江流域水资源、水环境面临着严峻挑战，解决其生态安全问题追在眉睫。21 3 研究内容本文从水库、湖泊的富营养化机理研究入手，阐述了富营养化的理论和目前常用的研究方法，分析了富营养化的危害，并利用箱式模型和人工神经网络对富营养化进行模拟，比较两种不同方法所得结果，并进行误差分析，计算各种影响因子的因子贡献率，进而提出控制和预防水体富营养化的措施和方法。研究相对封闭的湖泊水库水体水质的变化。不仅可以反映该流域水质的变化情况，而且还能反映本区域土壤、社会经济等情况变化，也为进一步研究长江流域水质的变化提供参考。具体如下：( 一) 富营养化产生机理及水文特征分析；( 二) 富营养化的研究进展及研究方法：( 三) 影响富营养化点源、面源分析及因子贡献率分析；( 四) 传统的箱式模型与现代较新的人工神经网络对比研究，并运用人工神经网络预测水质的变化；( 五) 退耕还林还草效益分析；( 六) 富营养化的预防措施及方法。第二章湖泊水质富营养化研究理论和研究方法2 1 湖泊水库水文特征2 1 1 湖泊水库封闭性湖泊水库系长期占有大陆封闭洼地的水体，并积极参与自然界的水分循环，成为地表水的一种类型。湖泊在整个流域中吸纳部分水量，然后缓缓流出1 2 。在入水口处，水流较急，水体流速较快，随着水流的扩散，水流速度慢慢变缓，在没有风力等外来作用力时，水体逐渐趋于平静，在出水口处，水流流速加快。湖泊、水库除水体入i z i 和出口外，其余均为沿岸带围绕而成，具有较强的封闭性。长江上游地区的湖泊多为冰碛湖、构造湖，上游地区的湖泊较多，如可可西里湖、泸沽湖、马湖等等，此外，还有部分人工水库。2 1 2 湖泊水库温度分层一般情况下，在8 米以下的浅水湖泊，可将水体看作一个均匀的混合体，但当湖泊、水库较深时，则常常存在温度分层现象。在夏季，水体表层受热快，水温升高，形成湖表温水层，而底层光照少，受热少，水温较低，温水在冷水之上，就形成了夏季水体热分层现象，水体的热分层现象将促使水体富营养化的发生，在夏季，光照充足，表层温度高，在有充足物资供应的情况下，水体中藻类的光合作用就将大大加强，藻类大量繁殖，藻类死亡后腐烂分解，发出恶臭，而且夏季水体的热分层现象也将导致下层水体溶解氧降低，在缺氧状况下底泥中的磷释放，进一步提高水体中磷的含量，加剧水体富营养化的发生 3 1 。在秋季，气候逐渐变凉，表层水体温度下降，与底层水温逐渐趋向一致，达到均匀混合水体；在春季气温逐渐升高，表层水体温度逐渐升高，与底层水温逐渐趋向一致，也可视为均匀混合水体；秋春季水体的混合，有助于水体将夏季因藻类吸收而降低的磷浓度，因底泥磷的释放混合而增加，进而为来年的继续富营养化提供了物资保障。在中纬度地区，因冬季温度一般在0 1 3 以上，冬季水体也可视为一个均匀混合的水体。42 1 3 湖泊水库多功能性长江上游地区的大中型湖泊水库一般都具有农业灌溉的作用，同时也兼有防洪、发电、养殖、提供生产用水和生活用水等功能。此外，湖泊水库还具有净化水体、调节气候、沉淀泥沙、航运等功能。2 2 湖泊水库富营养化的判别2 2 1 富营养化的概念及其表现水质富营养化现象并非现代社会的产物。据查理士沃伦f c h a r l e s e w a r r e n ) 研究，圣经中曾有关于富营养化的描述：在古埃及，鱼在河里死亡，河水散发出腥臭，埃及人没有办法饮用河水，埃及几乎所有的土地被血一样的河水渗透。据文献记载，瑞士中部一个名叫摩登的小湖泊，湖水由原来的绿色变成了红色。当时日内瓦的一名生物学家用当时的一架显微镜对湖水进行观察，结果发现，湖水变成红色，是因为属于蓝藻门的红色颤藻( o s c i l l a t o i u a r u b e s c e n s ) 的藻类在水中大量增殖的缘故。科学家们研究发现，古时候水体发生富营养化是因为在慢长的时间中汇集了周围流域中的营养物质的缘故。那么随着人类的进步，人口增长，工、农业的进步，人类排放到周边环境的废弃物越来越多，废弃物通过各种途径进入土壤、大气、水圈等圈层，随着降雨和径流的形成，土壤淋溶、冲刷，大气降水、径流汇流，致使汇集水流的湖泊、水库营养物质大量增加。同时水库为封闭、半封闭型水域，水流较慢，水质变换少，早在二十世纪六十年代，世界上许多湖泊、水库就呈现出了富营养化的征兆【3 】。发达国家因工业和人类活动增多，造成营养物的增加，从而加速了各项指标的变化，使水体逐渐富营养化。欧文( s 0 w e n ) 指出，北美伊利尖( l a 砌i e l u e ) 从1 9 5 0 年至1 9 7 5 年短短2 5年间的人为富营养化过程，相当于过去1 5 0 0 0 年天然演变进程。水质富营养化虽然只是水体污染6 种类型( 水质富营养化、有机物污染、水质热污染、致病微生物污染、放射性污染、工业毒性物质污染) 中的一种，但它的影响面最广，因此危害面也最广州。水质富营养化的水域因具有较多的营养物质，在适宜的光照和水温下，藻类大量异常繁殖，充斥水域表面，导致水体透明度下降，水中溶解氧减少，鱼类和藻类死亡，在水中腐烂变质，发出恶臭。导致水资源用途受限或完全没有利用价值，生态系统受损，影响人类生活、生产。目前对富营养化的定义有很多种，但大致意思差别不大，其中比较客观全面的定义为1 9 8 5 年彭近新、陈慧君提出的“水质富营养化通常是指湖泊、水库和海峡等封闭性或半封闭性水体以及某些河流水体内的n 、p 营养元素的富集，水体生产力提高，某些特征藻类( 主要为蓝藻、绿藻) 异常增殖，使水质恶化的过程。”1 2 水库因为属于封闭、半封闭类型水域，水流缓慢，水体交换少，接受流域范围内的累积影响也就较大，当流域内的影响超过了水库的自净能力时，就会导致水库水质“质”的变化。富营养化分为天然富营养化和人为富营养化两种。天然富营养化是水体衰老的一种现象，它既可以发生在湖泊、水库，也可以在河口和近海水域发生。初始状态时湖泊、水库清澈透明，营养物质含量少，溶解氧的量较大。随着时间的推移，这些封闭水体在漫长的时间中从周围环境接纳各种营养成分，为水体中大量的浮游植物和其他水生植物的生长提供了可能，同时也为草食性动物提供了食物来源，这些动、植物死亡以后，分解、沉积，水体颜色变暗，水中溶解氧降低，导致水体发生富营养化。这种天然富营养化的发生往往要经过上千年甚至上万年的漫长时间，常常伴随着水体的面积缩小，底部变浅，虽后逐渐消忘。天然富营养化是不可逆的过程，湖泊继续演变，湖底抬升，水草丛生，变为沼泽地，从而导致湖泊最终消剧2 j 。而人为的富营养化通常没有湖泊、水库形态学上的变化，往往经过治理是可以恢复或改善的，比如北美的伊利湖、我国的武汉东湖。上世纪初，富营养化问题就引起了相关科学家的注意。富营养化过程示意图如下：一一一? 一2 2 2 富营养化的危害t 水体富营养化的结果是水体中的悬浮物( s s ) 浓度上升，生物化学需氧薰( b o d 5 ) 和化学需氧量( c o d 5 ) 都显著增大，表明水体中的有机污染物质浓度迅速增加：而溶解氧( d o ) 下降，毒物增加，从而使水体水生生态系统处于崩溃的边缘。综上所述，有如下几个方面的危害：( 一)水体透明度降低在富营养化的水体中，大量生长着以蓝藻、绿藻为主的水藻，这些水藻漂浮在水面上，形成一层“绿色屏障”，使水体透明度下降，感官性能大大降低，不仅使水体的旅游价值下降，也让水体的生态环境发生恶化。( 二)水体变得腥臭难闻水体中产生大量的藻类物质及其他物质，一些物质本身( 比如蓝藻门的束丝藻属和鱼腥藻属) 要发出类似猪圈中令人恶心的臭味，丽土腥素及硫醇、吲哚、胺类、酮类等厌氧的次生代谢产物，则使水体散发出土腥昧，霉腐味、鱼腥味等臭味，这些物质一旦死亡分解，更会发出令人难闻的气味，影响周围居民的生活、生产，也影响本地区的经济开发口“。( - - )水体的溶解氧减少水体中营养物质大量增加，致使大量藻类生长，在水面形成“绿色屏障”，太阳光难以进入水体较深的地方，较深处的水生植物和其它生物停止生长。同时，大量藻类死亡分解也要消耗大量的溶解氧，严重时会导致深层水体的溶解氧耗尽而呈厌氧状态。这种厌氧状态，还会触发或加速底泥中积累的营养物质的释放，造成水体营养物质浓度的增加j 形成富营养化的恶性循环。( 四)向水体中释放有毒物质c o r h a mp r 和z e h m d e ra 等人先后报道过淡水蓝藻毒素“水华”在美国、加拿大、南非、南美、日本、印度等国引起动物死亡。目前已知能够产生毒素的淡水蓝藻大约有1l 属2 5 种。最近研究结果表明，由蓝藻微囊属、鱼腥藻属的某些种类或品系产生的次生代谢产物一微囊藻毒素能损害肝脏，影响蛋白酶活性，引起动物中毒和死亡，还具有致癌效应，严重影响人类的健康和生存【4 舶。( 五)影响供水质量，增加制水成本湖泊、水库常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。藻类的大量增殖将导致过滤成本增加，使用凝结剂的量也将增加，而凝结剂的增加有可能导致水的质量下降，富营养化水体本身含有的部分有毒物质如果没有完全去除干净，也将直接影响人类的生产和生活。( 六)富营养化不仅影响水体本身，而且因为它的可流动性，也会污染土壤，导致农业、渔业污染，农业、渔业受损，从而影响水产、粮食安全。( 七)水体的富营养化外部不经济性影响面广。治理难度大，目前还没有很好的方法解决。( 八)生态系统受损，环境恶化。加速湖泊、水库衰亡。( 九)随着富营养化程度的加深，水体中大量藻类生长，死亡，沉积到底泥中的物质不断增加，库底逐渐淤积，底层逐渐抬高，水体的深度变浅，向沼泽地转化，大大加速了整个水体的衰亡，导致湖泊、水库功能减弱。2 2 3 水体富营养化判别标准目前，根据水体营养物质的浓度、藻类含量、叶绿素含量、溶解氧、透明度等项指标作为水体富营养化判别标准的较多，也有学者注意结合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。国际上比较有影响的判别标准有：( 一) 美国环境保护局采用的吉克斯塔特( g c k s t a t t e r ) 标准该方法根据总磷浓度、叶绿素a 浓度、塞克板透明度、溶解氧饱和度将水体划分为贫营养、中营养和富营养三种类别，每一种均给出范围值【。o 吉衬判定标准日本湖沼学家吉树根据湖泊形态学以及水质理化指标、生物学特征和底泥特点，于1 9 3 7 年提出了贫营养湖泊和富营养湖泊的判定标准。标准项目包括湖泊形态学特征、湖泊地理分布特点、水质的物理学性质、水化学特性、水生物学特性、底泥沉积物性质等等，既有描述性的，也有定量性的指标【3 2 j 。 沃伦威德( r 。a 。v o l l e n w e i d e r ) 负荷量标准加拿大湖沼研究中心著名的湖泊富营养化研究专家沃伦威德博士根据多年对n 、p 营养物质与湖泊水库宦营养化关系的研究，提出了不同水深湖泊水库单位面积的n 、p 允许负荷量和危险负荷量，此种标准的研究因子为n 和p的浓度【2 j 。 捷尔吉森( s j e r g e n s e n ) 湖泊营养类型判定标准丹麦水质富营养化专家捷尔吉森研究了湖泊水生物学和水化学特征，从湖泊生态学的观点出发，结合十种指标将湖泊水库水质营养化状态划分为八种类型【5 1 。相崎守弘湖泊营养程度评分标准日本国立公害研究所相崎守弘等人，将水体中n 、p 、叶绿素、悬浮物、耗氧量以及细菌总数等水质作为划分水体富营养化的依据【3 2 】。我国现有的标准中国水生生物研究所、南京与地理湖泊研究所、湖北省环境保护研究所等单位在对武汉东湖等进行环境质量评价时，根据具体情况分别采用了t n 、t p 、b o d 、c o d 、透明度、藻类生物量和优势种作为评价指标，均取得了较好的效果【2 3 ，8 ，9 - - 2 3 , 2 5 , 2 7 _ 2 9 ，邶”。在我国，饶钦止等最早在湖泊调查中提出了湖泊营养类型划分的标准。7 0年代以后，我国湖泊水库富营养工作逐渐展开，国外的一些评价方法也在我国得到了尝试和应用，逐步建立起适用于我国湖泊水库的评价体系和方法。常用的富营养化评价方法有：特征法，根据湖泊富营养化的生态环境因子特征来评价湖泊营养状态的方法，前面提到了的吉村标准、饶饮止等就属于此种方法；参数法，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，如t p 、t n 、透明度等等为参数。生物指标评价法，根据湖水中水生生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；磷收支模型法，根据湖泊平均深度、单位面积水量负荷、滞水时间以及入湖磷浓度来预测潮中磷浓度，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。最早由沃伦威德提出，但因为其操作和分析较复杂而受限营养状态指数法。结合多项富营养化指标。包括水透明度、藻类叶绿素a 含量以及湖水总磷浓度并将其转换为营养状态指数( t s l ) ，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 建立，日本的a i z a k i 等进行了修正和完善，此方法的特点是可对湖泊营养状态进行连续的数值化的分级，从而为湖泊富营养机理的定量研究提供7 坚实的基础，是今后湖泊富营养化评价中的主要方法之一。数学分析法，将现代数理理论应用于湖泊环境评价的方法，主要包括线性和非线性统计分析，模糊数学、灰色系统、模式识别等近来研究相当活跃 6 , 2 4 , 2 5 , 2 7 3 7 , 3 9 。92 3 湖泊水库富营养化预测模型一个湖泊或一座水库。可以把其作为一个开放的系统，水体不断地与周围环境进行着物质和能量的交换，但在一定时间内水体的各项指标又不会发生显著的变化，因而，在这种特定状态下，又可将其视为一个封闭的系统。通过研究水体输入、输出的变化，获取相关数据从而建立各项指标的变化与水体富营养化的关系模型。运用模型不但可以预测水体的水质变化过程，而且可以预测水体各项指标的变化，进行水体的容量分析，进而有效地防治水体的富营养化，在实际运用中有极高的价值。2 3 1 迪龙模型迪龙模型是单层箱体模型中的一种，单层箱体模型把湖泊看作单一均匀的整体，不考虑湖泊分层现象，属于静态或稳态模型。著名的沃伦威德模型就是这类模型最早、最具有代表性的一种。迪龙模型是沃伦威德模型的进一步发展，是由遮龙和沃伦威德共同推导得出的。该模型运用单一物质磷来评价、预测水体营养状况，根据物质平衡原理，假定湖泊随时间而变化的总磷浓度值等于单位容积内输入的磷减去湖泊内沉积的磷和输出的磷，公式为：【p 】= l ( 1 - r ) z p w式中：l 为湖泊面积总磷负荷( g c m 2 a )l = j , x ar = i 】0jmp = q vjx 为湖泊输入的总磷量；jm 湖泊输出的总磷量；z 为湖水平均深度；p w 为水力冲刷系数或称冲刷速率；r 为磷滞留系数，与输出水的速率、输出水的总磷浓度、水输入速率、输入水的总磷浓度有关。利用迪龙模型不仅可以用来预测水质总磷浓度，其负荷图还可以求得湖泊的允许磷负荷量和危险负荷量。1 0因为世界上绝大多数湖泊的主要影响因素为p 浓度，且模型操作性强，所以运用迪龙模型对湖泊、水库进行水体富营养化的研究得到了大力推广，在美国、加拿大以及世界上很多国家和地区都得到了极其广泛的应用。我国自1 9 7 9年以来，也有一些学者将其运用到湖泊、水库富营养化的研究中，取得了一定的效果2 1 。2 3 2 箱式模型湖泊、水库有别于其它水体，相对来说，流速较小，水体与外界交换慢，可以看着相对独立的系统，为便于研究，学者们将湖泊、水库当作箱体进行研究。较常见的箱式模型有单层箱体模型和双层箱体模型，迪龙模型和沃伦威德模型均属于前者，前面已有论述。双层箱体模型与单层箱体型的主要区别在于：前者充分考虑了湖泊水库水体的分层情况，同时还考虑了正磷酸盐和颗粒磷的区别，以及湖水的对流循环等动态因素，因而这类模型也称之为动态模型。动态模型试图模拟湖泊的动态过程以及多因素之间的复杂关系，比较能够客观地描述湖泊水体系统内的行为过程，国此，它比静态模型要求更多的参数和系数。吸引着更多的水质控制研究人员的兴趣和关注。艾姆鲍登( i m b o d e n ) 模型和斯罗格拉斯一欧米利亚( s n o d g r a s s ) 模型等都属于动态模型。在箱式模型的研究中，考虑了季节因素，可采用程声通、陈毓龄 4 1 的模型：、夏季分层箱式磷模式：上层：匕丝= 彬+ g + 既一q 只+ 如a , h ( 只一只) 一k ，圪只a l下层：皇；l = + x m 一“( 一p h ) + k ，v h ( p , 一只) + k ，a ，口i初始条件为：匕= 气= p冬季完全混合箱式总p 模型：矿鲁= w + q + q ( 已圳+ k r a 初始条件为：昂= ( k + s v , ) v1 1夏季分层箱式溶解氧模型：上层：圪睾= q c c , 一c ) + 如k ( c c ) + 瓦以 - c ) - k , m下层：吒_ d c n = k 。以( e g ) 一k 。a ，a ，初始条件为：c 。= c 。= c冬季完全混合箱式溶解氧模型：矿车= q ( c 协一c ) 一k o ( c c ) + 墨4 一q ma t初始条件为：c o = ( e 以+ 巴) y式中：下标e 和h 分别代表上层和下层；v 代表水体体积；p 为水体的总磷浓度：w 为网箱养鱼造成的总磷输入总量；q 代表降水和地表径流进入水体的总磷负荷；w ；。表示水库引水和生活污水进入水体的总磷负荷；q 是流出水体的流量；k 。代表通过温跃层竖向扩散系数，k n = 0 1 5 h ，h 为平均水深；a m 为温跃层面积：k ，为总磷的沉淀速度常数；k ，为底泥中总磷释放速率；t 为时间：c为溶解氧浓度：c _ 为进水溶解氧浓度；k 。、k 。分别表示夏季分层、冬季混合时大气复氧系数：c 。为饱和溶解氧浓度；t 为水温；k ，为单位投饵时的平均耗氧率；k 。为底泥耗氧系数。对于其余的每种因素对水体水质的影响，我们根据物质平衡原理得：水体中物质总量= 注入总量排出总量。物质输入、输出水体的动态变化我们也可以用人工神经网络来进行摸拟和描述。2 3 3 生物学模型生物学模型是近来也是今后值得推崇的一种方法。该模型利用生物的形态、数量、生理特性等表现，来研究生物所在水体的变化。该方法以前主要应用在生物学、医学上，近几年学者才将它们运用到水体富营养化研究上，该模1 2型的化学一生物的定量理论描述比较滞后【4 甜。2 3 4 人工神经网络模型2 3 4 1 人工神经网络概述r u m e l h a r 工m c c l e l l a n d 和他的同事于1 9 8 2 年成立了一个p d p 小组，研究并行分布信息处理方法，探索人类认知的微结构。1 9 8 5 年发展了b p 网络( b a c k - r o p a g a t i o n n e t w o r k 。简称b p 网络) 学习算法，实现了m i n s y的多层网络设想。目前，在人工神经网络的实际应用中，绝大部分的神经网络模型是采用b p 网络和它的变化形式，它也是前向弼络的核心部分，体现了人工神经网络紧精华的部分。b p 网络主要用于：函数副近、模式识别、分类、数据压缩，我们将要用的是模式识别即用一个特定的输出向量将它与输入向量联系起来【6 l o人工神经网络( a r t i f i c a ln c u r a ln e t w o r k ，a n n ) 是基于模仿大脑神经网络和功能而建立的一种信息处理系统，是一个高度复杂的非线性动力学系统。网络由大量简单的基本元件神经无相互联结而成，b p 网络的神经元是分层排列的，各层神经元、各层之间通过不同的权重连接，权重的大小反映互连神经元相互影响的形式与大小，工作方式为模拟人的大脑神经处理信息的方式，进行信息并行处理和非线形转换，能够迸行复杂的逻辑操作和非线性关系实现。除了具有一般非线性系统的共性，更主要的是具有高维性、神经元之间的广泛互连性、自适应性、自组织性，也正是这些独特的结构特点使其具有高度的并行性、很强的容错能力和学习能力。b p 人工神经网络模型是人工神经网络模型中运用较广的模型。此模型的最大特点是网络权值是通过使网络模型输出值与已知的样本输出值之间的误差达到期望值而不断调整出来的 6 - 7 1 。输入层隐含层输出层图28 p 网络模型示意图2 3 4 2 人工神经网络的基本特征( _ ) 分布存储和容错性一个信息不是存储在一个地方，而是按内容而分布在整个网络上，网络某一处不是只存储一个外部信息，而每一个神经元存储多种信息的部分内容。网络的每部分对信息的存储有等势作用。这种分布式存储方法是存储区与运算区合为一体的。在神经网络中，要获得存储的知识则采用“联想”的办法，即当一个神经网络输入个激励时，它要在己存的知识中寻找与该输入匹配最好的存储知识为其解。当然在信息输出时。也还要经过一种处理，而不是直接从记忆中取出。这种存储方式的优点在于若部分信息不完整，它仍能恢复出原来正确的完整的信息。系统仍能运行。这就是网络具有容错性和联想记忆功能，自然呈现出较强的鲁棒性。大规模并行处理人工神经网络在结构上是并行的，而且网络的各个单元可以同时进行累似的处理过程，因此，网络中的信息处理是在大量单元中平行而又有层次地进行，运算速度高，大大超过传统的序列式运算的数字机。圆自学习、自组织和自适应学习和适应要求在时间过程中系统内部结构和联系方式有改变。神经元网络是一种变结构系统，恰好能完成对环境的适应和对外界事物的学习能力。神经元之间的连接有多种多样，各神经元之间连接强度具有一定的可塑性，网络可以通过学习和训练进行自组织以适应不同信息处理的要求。非线性映射神经元网络是大量神经元的集体行为，并不是各单元行为的简单的相加，而表现出一般复杂非线性动态系统的特性。如不可预测性、不可逆性、有各种类型的吸引和出现混沌现象等。b p 学习过程可以描述为工作信号正向传播和误差反向传播。正向传播时输入信号从输入层经隐单元，传向输出层，在输出端产生输出信号，在信号的向前传递过程中网络的权值是固定不变的，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输出层不能得到期望的输出，则转入误差信号反向传播。网络的实际输出与期望输出之间差值即为误差信号，误差信号由输出端开始逐层向前传播，即反向传播，在误差信号反向传播的过程中，网络的权值由误差反馈进行调节，并通过权值的不断修正使网络的实际输出更接近期望输出。【6 7 ，4 8 12 3 4 3 人工神经网络定制运用b p 网络时，首先要定制网络，具体如下：n e t = n e t w o r kn e t n u m i n p u t s = n ；n e t ，n u m l a y e r s = m ：n e t b i a s c o n n e c t ( a ) = l ；n e t ，b i a s c o n n e c t ( b ) = l ；n e t i n p u t e o n n e c t ( c ，d ) = 1 ；n e t o u t p u t c o r m e c t = o1 1 ；n e t ! t a r g e t c o r m e c t = 0l 】；n e t 1 a y e r s l t r a n s f e r f c n = t a n s i g ；n e t 1 a y e r s 1 i n i t f c n = i n i t n w ；n e t 1 a y e r s 2 s i z e = l ；n e t 1 a y e r s 2 t r a n s f e r f c n = l o g s i g ；n e t 1 a y e r s 2 ) i n i f f c n = i n i t n w ；n e t 1 a y e r s 3 i n i t f c n = i n i t n w ；n e t b i a s e sn e t i n p u t w e i g h t sn e t 1 a y e t w e i g h t sn e t ，p e r f o r m f c n = m s e ：n e t t r a i n f e n = t r a i n l n ；n e t = i n i t ( n e t ) ；t = ( 1 1 y = s i m ( n e t ，p )n e t t r a i n p a r a mn e t t r a i n p a r a m g o a l 2 l e lo ：n e t = t r a i n ( n e t ，p ，t ) ；y = s i m ( n e t ，p )对于影响水库水质变质的几个影响因子，它们的影响贡献率可由n e t i n p u t w e i g h t s 求得。在输入向量的元素选择上，目前采用不同的评价方法，会有不同的评价指标选择，常用有生物评价法、浓度评价法等，具体采用哪种方法对某一水库水质进行评价，应根据现有条件及一些具体情况来决定，一般常用的指标有：t p 、t n 、n h 3 + - n 、n o ；一n 、c o d 、b o d 5 、c h l n a等等。根据国家水质标准，结合指标划出富营养化、中营养化、贫营养化的界线值，由b p 网络输出的值划定水库水质的范围，从而判断水质。2 4 湖泊水库富营养化研究进展及存在的问题2 4 1 湖泊水库富营养化研究进展国外对湖泊、水库水质变化的研究进行较早，自2 0 世纪6 0 年代以来，一系列以控制水质富营养化为主题的国际性会议相继召开，这些会议共同确认水质富营养化已经成