（水利工程专业论文）东昌湖水质分析、评价及防治对策研究.pdf

东昌湖水质分析评价及防治对策研究 摘要 水体污染已成为全球水资源短缺的一个重要因素。水体富营养化是水体污染 中最普遍的现象，也是国内外水环境污染治理难题。城市湖泊富营养化严重影响 其水体功能，对其进行富营养化评价及防治措施研究，目的是为城市湖泊水环境 保护和改善提供科学依据，指导人们在社会与经济发展中更加有效及合理地开发、 利用城市湖泊水资源，维持生态平衡，以达到可持续发展。东昌湖位于山东省聊 城城区西南部，水域面积4 2 k m 2 ，是长江以北最大的城市人工湖泊，是江北水城 河湖水系的核心。由于近年来湖泊周边污染加剧，水质下降，富营养化较为严重。 本文在对东昌湖水生生物监测数据统计分析的基础上，进行了三方面的水体 富营养化程度或污染程度评价：基于浮游植物数量和生物量的评价结果为东昌湖 各湖区的营养状态均为富营养化；基于优势种的评价结果为东昌湖的营养状态为 富营养化；基于多样性指数的污染程度评价结果为东昌湖的污染程度属于中等污 染( 或轻污染) 。对东昌湖水质监测数据进行时空分析研究，并根据景观娱乐用 水水质标准和地表水环境质量标准进行了评价。分别采用模糊模式识别理论和灰 色聚类法对东昌湖三个湖区的水质监测数据进行水体富营养化评价，并将两种计 算方法的评价结果进行比较，结论为两种计算方法的评价结果基本一致。分析了 东昌湖富营养化的成因，提出了东昌湖富营养化防治措施和方法，力求管治结合、 依法治湖，实现东昌湖生态环境质量的进一步改善。 关键词：水质分析；富营养化评价；防治措施；东昌湖 山东大掌硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rp o l l u t i o nh a sb e e no n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st os h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s w a t e re u t r o p h i c a t i o ni st h eg e n e r a lp h e n o m e n o no fw a t e rp o l l u t i o n i ti sa l s oad i f f i c u l t p r o b l e mf o rw a t e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ng o v e m m e n t a th o m ea n da b r o a d u r b a nl a k e e u t r o p h i c a t i o nh a sg r e a ti n f l u e n c eo ni t sa q u a t i cf u n c t i o n s r e s e a r c ho fe u t r o p h i c a t i o n e v a l u a t i o na n dt h ec o u n t e r m e a s u r e sf o ru r b a nl a k e sc a np r o v i d es c i e n t i f i cf o u n d a t i o n s f o rw a t e re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n di m p r o v e m e n t r e s e a r c hr e s u l t sc a ng u i d ep e o p l e t od e v e l o pa n du s ew a t e rr e s o u r c e so fu r b a nl a k e se f f e c t i v e l ya n dr e a s o n a b l y , k e 印 e c o l o g i c a lb a l a n c e ，a n dp r o m o t et h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tf o ru r b a nl a k e s d o n g c h a n gl a k ei nt h es o u t h w e s to fl i a o c h e n gc i t y , s h a n d o n gp r o v i n c e ，晰mat o t a l a r e ao f4 2 k m 2 ，i st h eb i g g e s tu r b a nm a n - m a d el a k en o r t ho fy a n g t z er i v e ra n dt h ec o r e o fw a t e rs y s t e mo fw a t e rc i t yi nn o r t h e r nc h i n a i t sw a t e re u t r o p h i c a t i o ni ss e r i o u s b e c a u s eo fw a t e rp o l l u t i o na r o u n di t i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fs t a t i s t i c a la n a l y s i st oh y d r o b i o l o g i c a lm o n i t o r i n gd a t a ， e u t r o p h i c a t i o nc o n d i t i o n o rp o l l u t i o nl e v e li se v a l u a t e df r o mt h r e ea n g l e s t h e e v a l u a t i o nr e s u l tb a s e do nt h eq u a n t i t yo fp h y t o p l a n k t o na n db i o m a s si st h a tn u t r i e n t s t a t eo fe v e r yl a k ed i s t r i c ti se u t r o p h i c a t i o n t h ee v a l u a t i o nr e s u l tb a s e do nd o m i n a n t s p e c i e si st h a tn u t r i e n ts t a t eo ft h ew h o l el a k ei se u t r o p h i c a t i o n t h ee v a l u a t i o nr e s u l t b a s e do nd i v e r s i t yi n d e xi st h a tp o l l u t i o nl e v e lo ft h ew h o l el a k eb e l o n g st om o d e r a t eo r s l i g h tp o l l u t i o n s p a t i o - t e m p o r a la n a l y s i si sc a r r i e do u tf o rw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g d a t a e v a l u a t i o ni s g a i n e da c c o r d i n gt o t h ec r i t e r i o no fg e n e r a ll a n d s c a p ew a t e r s u b s t a n c ea n dt h ec r i t e r i o no fu p p e rw a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y w a t e re u t r o p h i c a t i o n c o n d i t i o n so ft h r e ed i t r i c t so fd o n g c h a n gl a k ea r ee v a l u a t e dw i t l lf u z z ym o d e r e c o g n i t i o nt h e o r ya n dg r e yc l u s t e r i n gm e t h o d t h ee v a l u a t i o nr e s u l t so ft w om e t h o d s a l ec o m p a r e d t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h et w or e s u l t sa r em a i n l yi d e n t i c a l t h ec a u s e so f e u t r o p h i c a t i o no fd o n g c h a n gl a k ea r ea n a l y z e da n dc o u n t e r m e a s u r e sa r ep r o p o s e d i t s e c o e n v i r o n m e n t a l q u a l i t y w i l lb e i m p r o v e db ym e a n s o ft h ec o m b i n a t i o no f m a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1 i i k e y w o r d s ：w a t e rq u a l i t ya n a l y s i s ，e u t r o p h i c a t i o ne v a l u a t i o n ，c o u n t e r m e a s u r e s ， d o n g c h a n gl a k e i i i 山东大掌硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 ir i a 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：睦立! 茎) 导师签名： 日期：孕豳删 山东大掌硕士学位论文 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务机 构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保障 的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学位 办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行全面 的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务 ( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体 发表论文的权利。 论文题目： 丕昌湖丞厦坌揖! 迁俭区随渔过筮婴峦 学位授予单位：出丕太堂 学位授予时间： 论文类型：博士论文口 博士后研究报告 口 硕士论文 同等学力论文 口 口 授权人签字： 日期： 年月 日 7 4 东昌湖水质分析、评价及防治对策研究 第一章绪论 1 1 富营养化的概念 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 一词原用于描述植物营养物浓度增加对水生态系统 的生物学效应，但富营养化很难严格定义，因为任何一个水体营养性质的描述常 常是相对于以前的情况，而且不同水体对营养盐响应存在差异【l 】。因此，关于“富 营养化 的定义多种多样，但多数强调营养盐的富集和植物生长的增加。这一术 语常常是指某一特定水体中营养盐( 主要是氮和磷) 输入的增加。 j o r g e n s o na n dr i c h a r d s o n l 2 】将富营养化定义为“营养盐来源的增加导致某一给 定水体营养状况改变的过程”。值得注意的是，上述定义意味着纯粹的无机营养 盐的富集也可视为富营养化，即使这一过程没有导致有机物的增加。与此相反， n i x o n 3 提出了一个更为概括的定义：“富营养化为某一生态系统中有机物供给速 率的增大。s o m m e r 4 1 贝, l j 根据营养状态和人为影响来定义富营养化：“富营养化是 指人为影响导致水体营养状态的提高。 v o l l e n w e i d e r l 5 】提出了一个适用于淡水和海水的定义：“富营养化普遍适用 于淡水和海水的定义是水体中植物营养盐的增加( 主要是氮和磷) ，刺激水生初 级生产，并在情况严重时引起看得见的藻华、藻沫、底栖藻类的加速生长，以及 有时水下和漂浮的大型植物大量繁殖的过程。在上面提到的定义中，营养盐的 富集过程并未与其引起的不良效应相联系。但在v o l l e n w e i d e r 等的定义中则暗含了 某些负面效应，如藻类的大量繁殖。 海洋大词典【6 】中对富营养化( 作用) 定义为：“水体由于营养物质的过量积 累，造成藻类的大量繁殖，导致水质恶化的过程 。同时又强调“富营养化过程 虽然是一个自然过程，但人类的活动能够大大加速这一过程，这种情况称为人 为富营养化 。此定义强调了人类活动的影响，并提及了某些负面效应，如水 质恶化。 欧盟之“奥斯陆一巴黎抗击富营养化战略吁( o s p h rs t r a t e g yt oc o m b a t e u t r o p h i c a t i o n ) 给出了富营养化定义：“富营养化意指水体中营养盐的过度累积导致 藻类和高等植物的加速生长，造成对水体中生物平衡的不良干扰和水质破坏，因 山东大学硕士掌位- t e 文 而归因于人为活动所导致营养盐累积的不良后果。 这一定义中不仅包括了水体 营养状态的提高过程，也包含了营养盐过富的不良效果。本定义强调了“人为营 养盐过富 的持久性。自然的富营养化或能对海洋环境有期望效果的人为营养盐 过富( 如：保持食物链稳定从而获得更高的经济渔获量) 则不在考虑之列。 美国“国家河口富营养化评价( n e e a ，n a i t o n a ie s t u a r i n ee u t r o p h i c a t i o n a s s e s s m e n t ) 计划专家组提出了一个更为详细的定义： “富营养化是指水体中有机 物、特别是藻类的加速生产。它通常是由排入水体的营养盐通量的增加造成的。 藻类加速生产的结果可产生一系列的效果，包括有害和有毒藻华、溶解氧的耗尽 和水下植被的损失。这些效果是互相关联的，并通常被认为对水质和生态系统健 康具有负面影响 。后来，考虑到本定义有许多不完善之处，如未强调人类活动 的影响、未包括未来营养盐压力和管理目标等，2 0 0 4 年又对富营养化的定义进行 了进一步完善：“富营养化是由于营养盐输入的增加而使水体的生产力( 通过有机 物测定) 增加的一个自然过程。营养盐的输入是一个自然过程，但近几十年来各种 人类活动大大增加了营养盐的输入。其可产生一系列的后果，包括有害和有毒藻 华、溶解氧耗尽和水下植被及底栖动物损失。这些效果是互相关联的，并通常被 认为对水质、生态系统健康和人类利用具有负面影响 。本定义全面地指出了富 营养化产生的负面效应，并提出了环境管理需要关注的利害关系，是迄今关于富 营养化的较为全面和恰切的定义。 1 2 湖泊富营养化现状 有史以来，湖泊就是一种易为人们直接利用的自然资源，是人类赖以生存的 栖息之地。湖泊作为一种与人类生存和发展密切相关的独特资源，其功能体现在 供水、防洪、航运、养殖、旅游及维系区域生态平衡等方面，对社会和经济的发 展起到了不可估量的作用，是人民生活不可缺少的宝贵资源，湖泊水资源与经济 可持续发展以及人民生活息息相关。但随着人口的增加和工农业生产大规模的迅 速发展，大量含有氮、磷营养物质的生活污水和工业污水排入湖泊、河流和水库， 大大加速了湖泊富营养化的进程。 水体富营养化问题是水污染中较严重的环境问题。据联合国环境规划署 2 东昌湖水质分析、评价及防治对策研究 ( u n c d ) 的一项调查表明，在全球范围1 为3 0 一4 0 的湖泊和水库遭受不同程度富 营养化的影响。欧洲、非洲、北美洲和南美洲分别有5 3 、2 8 、4 8 和4 1 的湖 泊存在不同程度的富营养化现象，亚太地区5 4 的湖泊处于富营养化状态【7 1 。在气 候干燥地区，水体富营养化情况相对严重，如西班牙的8 0 0 座水库中，至少有1 3 是处于重富营养化状态；在南美、南非、墨西哥及其它一些地方都有水库严重富 营养化的报道；加拿大湖泊众多，发生富营养化的湖泊则主要集中在加拿大南部 人口稠密地区，其大部分湖泊( 约3 4 ) 处于富营养状态。 我国是一个多湖泊的国家，据初步统计【8 】，目前约有大小湖泊2 4 8 8 0 个，总面 积达8 3 4 0 0 k m 2 ，约占国土总面积的0 8 ，总蓄水量约为7 0 0 0 1 0 8 m 3 ：小于l k m 2 的小型湖泊2 2 0 3 2 个，面积2 7 5 5 k m 2 。在我国，早在2 0 世纪6 0 年代太湖中已经发现 有蓝藻水华出现。2 0 世纪8 0 年代初，进行调查的3 4 个湖泊中有一半以上的湖泊面 积属于富营养化状态。9 0 年代以来，全国淡水水体的富营养化状况更加严重，6 0 的天然湖泊有不同程度的富营养化污染现象。这是由于随着我国工农业的迅速发 展和城市化进程加快，工业废水和生活污水排放量日益增加，加之人们一个时期 以来，环境意识淡薄，对湖泊水域生态环境系统的容量或承受能力认识和研究不 足，大量人类活动，如滩涂围垦及围湖造田，沿岸开发利用，特别是盲目和无计 划的开发利用，常造成植被破坏，给诸多湖泊环境造成了不良影响。全国性的湖 泊富营养化、湖泊水质恶化、湖泊淤积或萎缩、湖泊生态系统破坏以及干旱地区 湖泊水质咸化等环境问题不断出现和发生，严重影响了湖泊沿岸人民生产、生活 和经济的发展，已成为当前我国迫切需要解决的环境问题。 随着全球水体富营养化问题的不断加剧，各国为控制富营养化进行了大量研 究与实践，许多国家投入了大量资金予以治理。近2 0 年来，我国对湖泊富营养化 状况，产生原因进行了一系列研究与防治的实践，把滇池、太湖和巢湖作为治理 的重点。尽管采取了各种措施减少了水体外源磷的输入，但湖泊水库的水质恶化 并未得到有效的控制，特别是城市湖泊，由于地处城区，被街区包围，大量城市 废水入湖，造成水体严重富营养化( 总磷、总氮浓度异常高，透明度很低，水体叶 绿素a 极高) 。因此，改变湖泊水体富营养化问题是我们面前需要解决的重要问题， 如果不采取有力措施，将会对当地的生态、社会、经济、群众生活带来一系列负 面影响。 山东大学硕士掌位论文 1 3 湖泊富营养化的现象和成因 湖泊富营养化，即外来干扰所引起的逆行演替，可以看作是生态平衡遭到破 坏的一个典型实例。大量的营养物质( 氮、磷等) 进入水体后，由于加速了藻类，主 要是蓝藻( c y a n o p h y t a ) 1 拘t _ - l 长，水体中的有机物质大幅度增加。但蓝藻不能很好地 被食草动物所利用，以致水体中出现初级产品相对过剩。同时，大量的死亡有机 物质沉积于水体下层，并因其分解而造成严重的缺氧状况。于是，很多水生动物 逐渐消失，而藻类现存量越来越大，水质不断恶化。在富营养化水体中，由于群 落结构的破坏和一系列功能失调，因而不能正常地完成物质循环和能量流动的过 程。这正是生态系统( e c o s y s t e m ) 失去平衡状态或生态平衡失调的重要标志。 从富营养化的定义可以看出，水体富营养化的原因主要是由于外源性营养物 质( 主要是氮和磷) 过量输入，造成水生生物大量繁殖，引起水生生态系统失衡。进 入水体的营养物质根据其来源可分为点源和非点源两种，点源污染主要是集中从 排污口排入水体的工业废水和生活污水；非点源污染则是由大范围污染造成的， 主要包括农业非点源污染、林地和草地的养分流失、城市径流和固体废弃物的淋 溶污染等。 当然，水体富营养化是一个十分复杂的现象，也是当今世界水污染治理的难 题。可以说水体富营养化是在人类活动的干扰下，多种因素长期相互作用的结果。 除了营养物质以外，其它影响因子还包括气候因子( 如光、温和降水等) 、地理 因子( 如湖盆地质状况等) 和生物因子( 如鱼的种类和数量) 。水体富营养化就是由于 这些因素综合作用，以致湖泊、水库等内陆水体失去原有的自然生态系统结构， 破坏了水生生态系统的平衡，使该系统处于恶性循环当中【9 1 。 1 4 湖泊富营养化的危害 1 4 1 对水生生物的危害 湖泊富营养化对水生生物的危害，研究报道较多。其主要危害机理有两个方 面，一是破坏水中的溶解氧平衡，主要是耗氧导致溶解氧下降湖泊富营养化以后， 4 表层有大量藻类存在在白天，藻类的光合作用会使湖泊出现氧过饱和现象，但到 夜晚，由于藻类光合作用停止，而呼吸作用仍在进行，水中溶解氧因此将降低， 严重时会将溶解氧消耗殆尽。湖泊底层的腐烂有机物的分解也会消耗大量的溶解 氧。二是富营养化湖泊中有大量的藻类，有些藻类本身含有藻类毒素，许多国家 都有研究报道。如挪威弗罗伊兰德斯洼特恩湖，在1 9 8 2 年因铜色微蓝藻和颤藻大 量繁殖，覆盖整个湖面，许多牛羊直接食用后死亡，同样的例子英国也有报道。 由于耗氧和藻类毒素的影响，湖泊中的水生生物就会受到危害，水生生物的群落、 种群结构发生变化。一些正常物种会消失，少数适应性物种会疯长，耐污染的物 种的个体数量猛增，相反地，一些非耐污物种数量会急剧减少，甚至消失。对鱼 类等较高等的生物危害最明显，由于缺氧，可直接导致鱼类死亡；水生群落结构 的变化会产生鱼类食物链的断裂，水产养殖的经济效益将大幅度下降。 1 4 2 对饮用水和供水水质的影响 藻类的一般生长期为一周，藻类的不断生长死亡、在富营养化湖区淤积，形 成氮、磷和有机污染的高浓度区。如果这一区域为饮用水源和城市集中供水源， 必须加大净化处理深度，增加供水成本污染严重时，如果水质达不到国家规定的 饮用水质标准，该水源地就会丧失原有功能。我国的三湖太湖、巢湖和滇池 等湖泊，由于富营养化严重，不得不花费大量投资来寻找新的水源。巢湖原先是 合肥市的主要饮用水源，在1 9 9 8 2 0 0 0 年间，巢湖的富营养化严重，该市数度向大 别山的水库买水，每年都要花费数千万元。合肥人戏称：守着水缸没水吃。富营养 化不仅对饮用水质产生影响，由于富营养化水域浊度高，藻类浓度高时会形成“水 华”，对一般的供水也会产生严重影响。 1 4 3 对湖泊美学价值的影响 湖泊的美学价值主要体现在以下几方面： 首先，湖泊可以作为观光对象，为人们提供休闲旅游的场所，湖光倒影，坦 荡雄浑的优美风景可以吸引各方游客。其次，湖泊还是运动场所，帆船、滑水和 5 山东大学硕士掌位论文 游泳湖泊是最佳的场地，此外高纬度湖泊，冬季还是天然的溜冰场。再次，近湖 滨区是潜在优质的房地产开发区，具有比其他地方更高的开发效益。如果湖泊受 到了污染，尤其是富营养化，其美学价值就会大打折扣，直接接触的运动和娱乐 项目根本不能开展。由于藻类死亡后，会散发出“腥藻”味，在附近数公里范围 都能嗅到，不仅如此，藻类无论在生长时，还是死亡后，都会影响感官，因此对 于房地产开发来讲，将产生十分不利的影响。 1 4 4 对交通航运的影响 富营养化将加速湖泊的淤积，因此最早将湖泊富营养化看成是湖泊自然消亡 的一般过程，人为富营养化将会大大加速这一过程。尤其是河流入湖的河口地区， 湖湾在泥沙的综合作用下，淤积速度最快，对交通航运产生严重影响。 1 5 国内外湖泊富营养化评价研究 湖泊富营养化程度的综合评价是对湖泊富营养化发展过程中某一阶段营养状 态的定量描述，从而为了解其富营养化进程及预测其发展趋势，为湖泊水质管理及 富营养化控制提供科学依据【9 1 。根据国内外对潮泊的研究进展情况，对湖泊富营 养化和营养状态的评价方法可以概括为：综合评价方法、系统分析方法和新技术手 段评价方法等。 1 5 1 综合评价方法 近半个世纪以来，国内外很多学者基于世界上几百个湖泊水质特征的详细调 查，对湖泊富营养化程度评价的方法进行了深入的探讨，提出了多种形式的评价 方法，如特征法、参数法、营养状态指数法、生物指标评价法和入湖磷浓度湖泊 富营养化状态相应关系评价法等1 1 0 。 特征法是根据水体富营养化的生态环境因子特征来评价水体营养状态的方 法。最早于1 9 3 7 年由日本的吉村提出。他把水体区分为贫营养和富营养。采用的 6 东昌湖水质分析、评价及防治对策研究 指标主要分为湖盆形态、水质、生物和底质等四个大的方面。把每一个指标定性 区分为两种类型，如把水色区分蓝色或绿色和绿色一黄色两种类型。显然此方法 还是建立在定性的基础之上，很少进行定量。同时，该方法把湖泊只区分为两种 类型，因而显得过分简单，不能准确地描述湖泊的营养水平。 参数法是根据水体富营养化主要代表性参数，来评价水体营养状态的方法。 所选择的参数多为水体中总磷、总氮、c h l a 、透明度等，通过对这些参数的数量 大小分级，把水体分为多个营养程度，如贫、中、中富、富、极富等。各国学者 针对具体湖泊或湖泊群的研究，所提出的评价标准不完全相同。瑞典的罗德河 ( r o d h e ) 提出用湖泊生物生产力，判定湖泊富营养化程度的标准。他从日平均生产 量和年生产量两个指标来定量地评价湖泊富营养化程度。s e i r g e n s e 于1 9 8 0 年从湖 泊生态学的观点出发，提出了湖泊富营养化程度的判断标准 营养状态法是综合多项富营养化代表性指标，将其表示成指数，而对水体营 养状态进行连续分级的方法。由于以一套参数为基础的评价，指标简单、反应灵 敏，但在使用时常因测试技术误差或水体季节变化等因素的影响，往往难以反映 出水体营养化状态的真实情况。c a r l s o n 力图将单变量的简易性与多变量综合判断 的准确性相结合。于1 9 7 7 年提出t s i 营养状态评价指数( t r o p h i cs t a t ei n d e x ) 。它把 透明度为基准的t s i 指数，分为0 1 0 0 的连续数值，作为评价湖泊营养状态的分级 标准。当t s i 指数为零时湖泊的营养状态最低，此时的透明度应最大。c a r l s o n 提出 的以透明度为基础的t s i 指数，忽略了浮游植物以外的其它因子对透明度的影响。 为了弥补以上不足之处，日本的相崎守弘等人，将以透明度为基础的t s i 指数改 为以叶绿素浓度为基准的营养状态指数，称之为修正的营养状态指数( t s i ) 。应当 强调的是，在使用t s i 指数或修正的t s i 指数方法时，要满足该方法的提出前提t 磷为藻类生长的限制因素：计算t s i 所采用的总磷和叶绿素等参数值，取自湖泊的 夏季值或是选择湖泊中各参数值中具有明显相关关系时期的值。 生物指标评价法主要有优势种评价法和生物多样性指数评价法。水生生物调 查结果表明，在一般情况下，贫营养型水体中的浮游植物是以金藻为主：中营养 型湖泊是以硅藻为主；富营养型湖泊以绿藻、蓝藻为主。在评价工作中，根据水 生生物调查的资料，确定水体富营养化状况。自然界的水体在一般情况下，各种 水生生物的数量均维持相对稳定的关系，一旦发生富营养化，浮游植物中某些属 7 山东大学硕士学位论文 类大量繁殖，生物多样性降低。因而，可以用藻类的多样性指数作为判定水体富 营养化状况的依据。 另外，加拿大湖泊学家v o l l e n w e i d e r 根据湖泊富营养化特性研究，建立了湖泊 平均深度、单位面积水量负荷与入湖磷浓度和湖中磷浓度的定量关系式，利用该 关系式可根据入湖磷浓度预测湖中磷浓度( 即湖泊的营养状态响应) 。 1 5 2 系统分析方法 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着计算机技术的快速发展，使现代数学理论应用于 湖泊富营养化评价中，复杂的数理统计方法能得以实现。模糊数学、随机模型、 灰色系统和人工智能等理论方法与计算机技术相结合应用于湖泊富营养化评价中 相当活跃。现将其应用较多的几种方法归纳如下： ( 1 ) 模糊数学评价方法 由于湖泊水体环境本身存在大量不确定性因素，各个营养级别的划分、标准 的确定都具有模糊性，因此模糊数学在湖泊富营养化评价中得到较为广泛的应用。 模糊评价的方法原理是设环境质量要素集合为u ，环境质量评价标准集合为丘卫过 确定模糊关系矩阵v ，计算权重并归一化及模糊矩阵复合运算并得出相应结果。劳 期团【l l 】利用模糊数学评价法对四川的邛海进行了富营养化评价，受到了较好的效 果。 ( 2 ) 灰色系统评价方法 灰色系统理论是我国邓聚龙教授于1 8 9 2 年创立的- - l - j 理论，该理论用颜色深 浅表示信息的完备程度，将内部特征己知的信息系统为白色系统，把完全未知和 未确知的信息系统为黑色系统，部分己知的信息系统称为灰色系统，在环境评价 中，有限时空的监测数据所能提供的信息是不完全的，因此环境系统是一个灰色 系统，灰色关联度分析法的方法原理是：构建样本矩阵和水质标准浓度矩阵，将二 者归一化，计算关联系数，关联度大者表示关联度高，表示该水样应评为对应的 级别。 杜宝汉【1 2 】应用灰色关联度模型对大理州主要的8 个湖泊水库进行富营养化评 价，结果表明：8 个湖泊水库都处于中营养级水平，评价结果与实际相吻合。 杨江【1 3 1 用灰色聚类法是把湖泊系统作为一个灰色系统来研究，将聚类因子对 东昌湖水质分析、评价及防治对策研究 不同的聚类指标所拥有白化数，按几个灰类进行归纳，以灰类白化数的生成为基 础进行湖泊富营养化评价。 张松滨等【1 4 】以灰色系统理论提出了共原点灰色聚类分析方法，并将其应用于 湖泊富营养化程度的判别过程中。通过对全国1 6 个湖泊富营养化程度的评价，表 明该方法可用于湖泊富营养化程度的判别过程是合理可行的。 ( 3 ) 人工神经网络评价方法 近年来，人工神经网络的研究在国际上受到极大的应用，并已在分类和智能 模式识别中得到广泛的应用，而水质的营养状态评价实质上是模式识别问题。 李祚泳【1 5 】选取与t s i c 为0 ，5 0 ，1 0 0 相应的水质营养状态作为3 个建模样本，以 c h l a 、t p 、t n 和s d 四个水质参数作为样本的输入特征，建立了b p 网络的水质营 养状态评价模型，该模型应用于全国3 0 个湖泊水质的营养状态评价，获得了较好 的检验效果。 吴利斌、尚士友等【1 6 】在综合评价体系结构基础上，应用模糊神经网络技术， 建立了湖泊富营养化综合评价模糊神经网络专家系统，该系统易于表达模糊知识， 其知识获取和存储方式与普通专家系统不同，具有较高的推理效率，较强的容错、 自适应和自我更新能力。 ( 4 ) 数学分析法中的其它方法 将现代数学方法理论应用到湖泊富营养化评价中的比较多见，除上述常用的 模糊数学、灰色系统和人工神经网络外，还有其它一些方法，常应用于湖泊富营 养化评价中，有时也受到较好的效果。 物元分析法 物元分析理论由物元理论和可拓集合论两部分组成。物元理论研究了物的可 变性，研究事物变化的条件、途径和规律，探索使物转化的方法。可拓集合论则 是物元分析的数学工具。可拓集用关联度来规划，关联度将模糊集的 0 ，1 】闭区间 的连续取值，拓展到( o o ，+ o o ) 整个实数轴，描述量的可拓集的关联度即能用代数 式来表达，使研究的问题定量化成为可能。林衍等【1 7 】利用物元分析法对杭 k l l n 湖、 武汉东湖、青海湖、巢湖和滇池五个湖泊的富营养化进行评价，评价结果表明本 模型是切实可行的，本方法使用简单，评价结果直观，准确可靠 集对分析法 9 山东大学硕士掌 f a x - r e 文 集对分析是一种处理不确定性问题的系统分析方法，其核心思想是把确定不 确定视作一个确定不确定系统，在这个确定不确定系统中，确定性与不确定性相 互转化、相互影响、相互制约并在一定条件下互相转化，体现其思想的不确定式 子= a + b i + c j 来统一描述各种不确定性，从而把对不确定性的辨证认识转换成一个 具体的数学工具。湖泊富营养化评价过程实际上是具有确定性评价标准与评价指 标和评价因子权重的不确定性相结合的决策过程。李凡修等【1 8 】将这种新的分析方 法应用于我国五个湖泊富营养化评价中，并与其它方法评价的结果相比较，结果 表明，利用集对分析的联系度评价是切实可行的。 欧几里德( e u c l i d ) 贴近度评价法 针对湖泊富营养化状态h a m m i n g 贴近度评价模型存在的“阐值漂移”问题， 李振亮等【l9 】重新构造了评价参数隶属函数，提出了一种湖泊营养状态e u c l i d 贴近 度评价模型，采用分段线性内播的方法建立评价参数隶属函数并采用e u c l i d 相对距 离公式度是隶属度向量之间的距离。经过对全国2 3 个湖泊富营养状态实例分析， 证明这种评价模型结构合理，评价过程简单，模型适用性好。 状态矩阵评价方法 上述评价方法在确定水质等级时，分别采取最大隶属原则与最大关联度确定， 然而最大隶属原则与最大关联度会出现失效情形。在确定评价指标的客观性权重 时，上述文献研究采取对不同的湖泊给出不同的权重，这种方法有一定的合理性， 但最大的问题在于在各湖泊之间进行比较时会出现不合理的情形。为克服这种不 足，李柏年【2 0 】利用曲线拟合由评价指标的等级矩阵构造出各评价指标相应的状态 矩阵，然后确定各评价指标统一的客观性权重，再利用加权平均得到各湖泊水质 富营养化等级，最后通过实例计算表明该方法是切实可行的。 1 5 3 新技术手段评价方法 近年来地理信息系统( g i s ) 和遥感( r s ) 技术开始逐渐应用于湖泊富营养化监 测和评价中。例如，张海林等2 1 1 利用武汉东湖各子湖多年可靠的地面监测资料和 1 9 9 9 年9 b l a n d s a t 7 的t m 各波段的卫星遥感数据，建立了各子湖泊的营养状态指 数与t m b 5 图像上的灰度值之间的线性关系模型，并运用该模型对武汉各湖泊进行 l o 富营养化评价，同时基于地面监测资料，用日本学者相山奇守弘提出的修正富营 养化指数法对武汉主要湖泊的富营养化程度进行评价，对两种评价方法进行比较。 佘丰宁等【2 2 j 因利用陆地卫星t m 数据与同步多点观测资料相结合，对湖水中叶绿素 含量与不同波段遥感值的关系进行了定量研究，通过线性和非线性变换，建立了 叶绿素含量的遥感定量模型，应用于湖泊c h l a 含量的遥感定量研究。 遥感技术在湖泊水体的富营养化监测评价中有明显的优势：( 1 ) 遥感图像的解 释结果和其他方法的评价结果基本保持一致，具有应用前景；( 2 ) 对同一湖泊的不 同水域可同时完成营养状态的监测评价；( 3 ) 可同时完成大范围的湖泊水体的营养 化状态的监测而且省时省力。同时，遥感评价方法也有一些不足和有待完善的地 方，这种方法只是对湖泊营养化状态作出了定性评价。实验区域要详尽的地面同 步监测资料，特别是藻类叶绿素a 浓度的监测，遥感图像的分辨率、天气状况直接 影响解释结果的准确性。总体上，遥感作为一种新型的湖泊水体富营养化监测手 段是非常经济可行的，适合于大范围的湖泊水体的富营养化监测。 山东大学硕士掌位论文 第二章城市湖泊富营养化研究 2 1 城市湖泊的概念 城市是一个国家或地区政治、经济、文化的中心，完全是人类社会的产物， 同时也是生态系统最脆弱的环节、生物多样性最贫乏的区域【2 3 】。 一般来说，湖泊是指陆地上低洼地区储蓄着大量而不与海洋发生直接联系的 水体，因此，凡是地面上一些排水不良的洼地都可以储水而发育成湖泊。水库属 于人工造就的一种湖泊。湖泊是湿地的一个组成部分。湿地包括湖泊、沼泽、滩 涂和水稻田等。湖泊的分布没有地带性规律可循，也不受海拔的限制，凡是地面 上一些排水不良的洼地都可以蓄水，发育成湖泊。 城市湖泊是指位于城市城区或近郊的湖泊，包括自然形成的和人工开挖的两 类。作为城市水环境的一部分，由于受到自然与人工共同作用，城市湖泊的范围 应包括水体和湖滨带。 2 2 城市湖泊的分类【2 4 】 ( 1 ) 根据城市湖泊与城市的空间位置关系分类： 湖泊被包围在城市之中( 如：聊城东昌湖；杭州西湖；南京玄武湖；北京中、 南、北海；苏州金鸡湖；济南大明湖等) 湖泊位于城市边缘( 如：嘉兴南湖；苏州石湖；武汉东湖；徐州云龙湖；北 京颐和园昆明湖等) 超出城市区域范围的特大面积城市湖泊( 如：太湖；洞庭湖；都阳湖等大型湖 泊与沿岸的城市；北美洲五大湖地区湖泊及沿岸城市；欧洲日内瓦湖等等。) ( 2 ) 根据功能定位划分： 不同功能定位的城市湖泊在制定其保护政策，确定其开发强度、形式等各个 方面侧重点与内容都有所不同。 汇水蓄洪式城市湖泊 区域水源式城市湖泊 1 2 东昌湖水质分析、评价及防治对策研究 休闲游娱式城市湖泊 生态栖息地式城市湖泊 ( 3 ) 根据湖泊周边开放度划分： 开放式城市湖泊大多数以开放的城市公共绿地形式服务市民，有些开 放的城市湖泊周边进行了多样化的综合开发。如：聊城东昌湖；杭州西湖、苏州 石湖等。 城市公园式城市湖泊属于不完全开放式。以城市湖泊为主题而设置的 城市公园、风景名胜区等等，通过收费的方式对市民开放。如：南京玄武湖公园、 北京北海公园等。 特殊归属城市湖泊一些位于城市公共绿地性质以外的其它城市用地中 的湖泊，如大学湖，厂区湖，社区湖等。 2 3 城市湖泊的功能【2 5 】 ( 1 ) 城市湖泊对城市的生态作用 维护城市的生物多样性 滨湖区是水域生态系统和陆域生态系统的交接处，具有两栖性的特点并受到 两种生态系统的共同影响，呈现出生物的多样性。城市湖泊因其与城市的其它常 见的景观有着较大的差异，形成了城市中的特殊生物环境，湖岸浅水区或湿地水 草丛生，是鱼类繁殖、栖息的重要场所，是昆虫密集、鸟类群居、生物多样性最 丰富的地区；湖心沙洲则是城市鸟类最为适宜的生活场所；较多种类的植物可以 在湖泊沿岸生存和繁衍。因此，城市湖泊是城市生物多样性的重要基地，与城市 整体生态系统息息相关。 调节城市温湿度，补充城市地下水 人类活动对气候的影响，最为明显的地方莫过于城市。在城市中居民、交通 和工业高度集中，是产生热能的高度集中区，形成城市独有的“热岛效应 ，这 种效应可使城区和城郊温差高达5 6 度。而要缓解城市的热岛效应，除了城市绿地 外，城市水体和城市风也起了重要的作用。城市湖泊的高热容性、流动性以及湖 泊风的流畅性，对城市热岛效应减弱具有明显作用，同时水面蒸发及湖泊风也带 山东大学硕士学位论文 走一些热量，所以城市温度夏天剧烈升高和冬天剧烈降低的幅度将在城市湖泊等 水体的抑制下变得较为温和。 随着城市地区不透水面积的扩大，地表下渗能力逐渐减弱，直接减少了地下 水的补给量，加之人为抽取地下水，使地下水降低，地下径流及土壤含水量减少。 城市湖泊具有强大的蓄水能力，它能有效地补给城市地下水，缓解城市地下水资 源不足的尴尬状况。 净化环境，减少噪音 水体具有稀释和自净作用，经过物理、化学和生物作用来净化和稀释污染浓 度，调节和恢复受污染的环境。而城市湖泊区域丰富的植物具有吸收有毒气体的 能力。成片的植物能降低风速，使空气中的粉尘等颗粒被吸附，净化空气，维护 大气成分的稳定。 同时湖泊大面积的水域把城市空间加以划分，使各部分之间形成一定宽度的 间距，从而降低了各部分相互间的噪音干扰，水域宽度越大，噪音衰减的倍数也 越大，从而有效地阻隔城市中由人流、车流、工程建设等带来的噪音影响，为城 市居民提供安静、舒适的活动和休闲场所。 调节径流、防洪减灾功能 城市水体作为城市水利枢纽的重要组成部分，具有调节径流，防止洪涝灾害 及蓄水防旱功能。在每年的洪期和雨季，许多城市由于有了湖泊等大型的蓄水空 间供排水和调度，才能化险为夷，保一方平安。而在旱季，湖泊的大量的蓄水也 能缓解城市一时缺水的尴尬局面。 ( 2 ) 美化城市功能 水不仅是经济社会发展的重要基础资源，也是自然环境的重要组成要素。城 市景观多样性对一个城市的稳定、可持续发展以及人类生存适宜度的提高均有明 显的促进作用，城市湖泊及其自然特征，明显有别于以水泥和钢材为主要材料的 楼房、街道和汽车等城市景观。城市湖泊的物质特性、形态特性、功能特性的介 入，将提高城市景观的多样性，丰富城市的空间格局，为城市的舒适性、稳定性、 可持续性提供了一定的基础。 ( 3 ) 休闲、娱乐、文化、运动功能 湖泊天然的地形地貌在水体声、光、色、影的作用下，与城市灿烂的历史文 1 4 东昌湖水质分析，评价及防治对策研究 化精髓相结合，形成动人的空间景观。由于对水的特殊情感，水与社会文化意识 结下了不解之缘。孔子的一句“智者乐水道尽了数千年来水对中华民族的意义， 可以说它是中华民族智慧的催化剂、华夏民族一切文明的原动力。因此，城市湖 泊不仅是城市的物质载体，更是城市文化灵魂根结所在之处，城市湖泊景观具备 文化和物质的双重特性，是城市极佳的感悟文化、放飞心灵、修身养性的