基于地表水环境质量标准的富营养化评价方法

夏婷婷,尚广萍

(1.合肥幼儿师范学校,安徽合肥 230011;2.合肥市环境监测中心站,安徽合肥 230031)

基于地表水环境质量标准的富营养化评价方法

夏婷婷1,尚广萍2

(1.合肥幼儿师范学校,安徽合肥 230011;2.合肥市环境监测中心站,安徽合肥 230031)

目前富营养化评价方法众多,但各评价方法之间缺乏可比性,不利于湖泊富营养化的有效管理和治理。在对现有湖泊富营养化的评价方法进行分析、评价的基础上,提出了适合我国国情的基于GB3838-2002《地表水环境质量标准》的湖泊富营养化评价方法。该方法是将水质评价和主要富营养化因子评价相结合的综合的富营养化评价方法,在巢湖西半湖等合肥市湖、库富营养化评价中应用表明:该方法不仅可以对不同湖、库的富营养化状况进行比较,而且可以对同一湖泊富营养化的时空变化进行分析,有利于对湖泊富营养化程度做出客观、合理的判断,进一步探讨湖泊富营养化成因,为治理富营养化提供全面、科学的决策依据。

湖泊富营养化;环境质量评价;地表水环境质量标准;巢湖

目前我国湖泊富营养化问题愈来愈严重,许多湖泊已接近富营养,有的甚至达到极富营养的程度[1][2]。湖泊富营养化治理已经成为摆在人们面前急待解决的主要环境问题之一。作为基础研究课题之一,建立适宜的数学模型并准确地评价湖泊富营养化状况是进行富营养化控制的依据和前提[1-6,11]。近半个世纪来,各国学者对湖泊的富营养化评价进行过深入的探讨,提出了多种形式的湖泊富营养化评价方法[3-17],如:特征法、参数法、营养状态指数法、评分法、生物指标评价法、遥感技术、模糊评价法等,这些方法各有其特点,但由于湖泊富营养化评价方法及指标不相同或不完善,导致同一湖泊富营养化的评价结果差别很大,不同湖泊之间的评价结果也缺乏可比性[3][4]。因此,建立一种科学的、统一的湖泊富营养化评价指标和评价方法,以便及时准确地了解湖泊富营养化状况、全面合理地评价湖泊富营养化治理效果、有针对性地制定对策措施,对减轻湖泊的富营养化、保护湖泊生态环境具有十分重要的意义。

1 主要湖泊富营养化评价方法评述

1.1 特征法

是根据湖泊富营养化的生态环境因子的特征来评价湖泊富营养化状态的方法。这种方法通常以感官和引起用水障碍程度的分析来确定湖泊富营养化程度。无定量描述,不利于进行对比分析。

1.2 参数法

是根据湖泊富营养化的主要代表参数(或因子)来评价湖泊富营养化状态的方法。单一参数评价指数方法虽然简单、明确,但结果与湖泊富营养化状态的真实状况尚有差别;多参数的综合评价方法效果较好,但需要详尽的监测资料。

1.3 营养状态指数法

也称综合指数法,目前我国湖泊富营养化评价的基本方法主要有卡尔森营养状态指数(TSI)、综合营养状态指数(TLI)、营养度指数法。营养状态指数法克服了单一因子评价富营养化的片面性,力图将单变量的简易与多变量综合判断的准确性相结合。由于不同地区或不同类型的湖泊,其它参数与基准参数之间的相关关系存在着差异,因此,不可能建立一组适用于一切地区和所有类型湖泊的营养状态指数式。

1.4 评分法

此方法将湖泊富营养状态的贫营养-富营养采用0-100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级。在同一营养状态下,指数值越高,其营养程度越重。该方法操作简单,可比性较强,是目前湖泊富营养化评价中的主要方法之一。而评分法在实际应用过程中,如果某一参数的评分值明显低于(或高于)其他参数的评分值,表明该参数的变化除了受富营养化的影响外,其他因子对该参数的影响亦较大,故该参数应删除,往往删除的参数受人为因素的干扰较多,影响结果的准确性。

1.5 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富营养状态的方法,主要有优势种评价法和多样性指数评价法等[17]。浮游藻类种类和数量上的变化在一定程度上反映了水体的营养状态。由于藻类的生长繁殖受各种环境因素和营养条件的影响,湖泊水域中表现出来的浮游植物种群变化是复杂的,优势种与水域营养类型有时一致,有时不一致。

1.6 遥感技术

遥感作为一种新型的湖泊水体富营养化监测手段可进行大范围的湖泊富营养化调查评价[15]。可同时完成大范围的湖泊水体的营养化状态的监测评价。但只是对湖泊营养化状态作出了定性的评价,遥感图片的分辨率也影响结果的精度,天气的状况、泥沙等悬浮物、高等水生植物以及湖泊水深等对图片质量的影响直接影响解译结果的准确性。

1.7 模糊评价法

近年来,考虑到湖泊富营养化评价所具有的模糊性和灰色性,模糊数学和灰色系统理论方法的应用引起了人们的关注[13]。这些方法比较客观地反映了湖泊富营养化程度,但也存在一些问题,如模糊数学方法中隶属函数的建立具有主观性,用取小、取大运算法则时会有信息丢失现象。物元评价法针对不同指标,需构造诸多的函数,且函数设计形式不能规范,评价过程复杂,计算量大;神经网络评价法需用微机对不同指标和不同指标数目构成的标准样本集,分别进行训练好后才能使用。

2 基于地表水环境质量标准的富营养化评价方法(SWEE)

2.1 评价指标及其选取原则

湖泊的富营养化状况主要取决于湖泊中氮、磷等营养物质含量的多少。能够直接、间接指示或影响湖泊营养状态类型的指标有Chla、TN、TP、BOD、COD、SD、SS等,其中,Chla是直接反映藻类现存量的指标,被称为“基准因子”,TN、TP作为藻类增殖的主要限制因子,被称为“重要因子”。在进行湖泊富营养化综合评价时,Chla、TN、TP是必须强制进入评价模式的指标[1]。根据我国湖泊的实际情况,按照相关性、可操作性和科学性相结合的原则,一般选择与湖泊富营养状况直接有关的Chla、TN、TP、COD、SD等5个基本参数作为主要湖泊富营养化评价的指标。SD与营养状态有关,但主要是与湖泊的悬浮物和藻类生长繁殖的数量有关[2-18],因此,可以不考虑。

2.2 评价标准

对于太湖、巢湖、滇池等大型富营养化湖泊,由于研究比较充分,目前均有自己的富营养化分级评价标准,虽然这些湖泊均以评分法进行富营养化评价,但由于各自评分标准不同,难以进行对比分析。本研究以 GB3838-2002《地表水环境质量标准》为基础,构筑富营养化分级评价标准(SWEE),虽然 GB3838-2002《地表水环境质量标准》仅对 TP指标给出了适于湖泊水质的更为严格的水质分类标准,没有特别给出 TN的湖泊水质标准,但由于湖泊属于地表水体,而目前对地表水体所划分的五类功能类别,已经为各界人士广为认知,并且该标准也是真正法律意义上的湖泊水质分类标准。因此,本研究以此为基础建立以下湖泊富营养化评价标准。如表1所示:

表1 湖泊富营养化分级评价标准

在实际工作中,地表水环境质量标准中Ⅰ类、Ⅱ类水体很少发生富营养化,Ⅲ类水体偶尔会发生轻度富营养,中度富营养化则主要发生在Ⅳ类以上水体,而重度富营养往往发生在Ⅴ类和劣Ⅴ类水体;因此本标准将Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类标准值分别作为贫营养、中营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养划分标准。考虑到劣Ⅴ类水体的富营养化程度的区分,结合对目前国内主要富营养化湖泊的水质监测数据分析,本评价增加了严重富营养和极度富营养两个级别。因 GB3838-2002《地表水环境质量标准》中没有 Chla,本评价标准中 Chla参考 GHZB1-1999《地表水环境质量标准》。

2.3 评价方法

富营养化分级评价指数 SWEE的计算方法如下:

式中:SWEE为分级评价综合指数;SWEETP、SWEETN、SWEECOD和 SWEEChla为分级评价单项指数;WTP,WTN,WCOD和WChla为权重。

在计算过程中,首先根据评价标准将参数浓度值转换为评分值,监测值处于分级评价标准所列数值两者中间,则采用相邻两点进行内插求出各单项指标的富营养化单项指数;然后按照各指标间的权重,求出富营养综合指数(权重可用污染指标的等标污染负荷比确定,也可用均一化比例);在本文中权重 WTP, WTN,WCOD和WChla均按照1/4计算。

3 应用实例

位于合肥市的巢湖西半湖、董铺水库、大房郢水库共有11个国控监测点,合肥市环境监测中心站每月进行一次例行监测。将基于 GB3838-2002《地表水环境质量标准》的富营养化分级评价标准(SWEE),在巢湖西半湖等合肥市湖、库的富营养化评价中应用如下:

2009年合肥市湖、库主要监测指标监测结果年均值见表2。

表2 2009年度合肥市湖、库水质监测结果统计表

对照表1的评价标准,从水质评价来看:2009年合肥市董铺水库两个监测点和大房郢水库三个监测点水质可满足 GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准要求,巢湖西半湖六个监测点水质不能满足Ⅲ类要求,其中 206、207、208为 Ⅴ类而 203、204、205为劣Ⅴ类。按照表1湖泊富营养化评价标准与公式(1)的SWEE的计算方法,2009年合肥市湖、库各监测点富营养化综合指数计算结果见表3。

表3 2009年合肥市湖、库富营养化评价结果表

由表3可知:董铺水库两个监测点富营养化综合指数均小于50,为中营养状态;大房郢水库三个监测点50<综合指数SWEE≤60,均为轻度富营养;巢湖西半湖203、204、205即南淝河入湖区、十五里河入湖区和塘西SWEE大于70,处于重度富营养化状态,而206、207、208即派河入湖区、新河入湖区和西半湖湖心60

4 结论

湖泊生态系统千差万别,进行湖泊富营养化评价时,要结合理化监测资料选择适合的评价方法,进行富营养化综合评价,才能得到满意的评价结果。本文提出基于 GB3838-2002《地表水环境质量标准》的富营养化分级评价方法将地表水水质评价与富营养化相结合,构建的评价标准物理意义明确、原理直观;评价过程简单明了、可操作性强,为不熟悉数学模型的规划人员和决策者提供了定量工具;评价结果客观、准确,并具有可比性和通用性,可以用来判断湖泊的富营养化发展趋势,便于推广、应用。

该方法可用于湖泊不同时空富营养化状况的对比,得出湖泊富营养化的变化趋势,也可用于不同湖泊之间富营养化状况对比,能更全面客观地反映湖泊营养状态水平及其变化特征。为湖泊富营养化的治理、保护和生态恢复提供依据。

[1]金相灿.中国湖泊富营养化[M].北京:中国环境科学出版社,1990.

[2]金相灿.中国湖泊环境(第一、二册)[M].北京:海洋出版社,1995.

[3]王明翠,刘雪芹,张建辉.湖泊富营养化评价方法及分级标准[J].中国环境监测,2002,18(5):47-49.

[4]蔡庆华,刘建康.Lorenz King评价湖泊富营养化的一个综合模型[J].应用生态学报,2002,13(12):1674-1678.

[5]李惠明,尚广萍.水质现状评价数学模型综合研究[J].中国环境科学,1991,11(5):356-360.

[6]于爱敏,尚广萍,于洋.湖泊富营养化的综合评价方法的探讨与实例[J].内蒙古环境科学,2009,21(3):35-42.

[7]Aizaki M.,Otsuki A,Fukushima T,et al.Application of Modified Carson’s Trophic State Index to Japanese Lakes and Its Relationships to OtherParameters Related to Trophic State[J].Res Report Natl Inst Environ Stud, 1981,23:13-31(in Japanese).

[8]B.Beler Baykal,I.E.Gonenc,M.Meric,A.Tanik and O. Tunay.An Alternative Approach for Evaluation of Lake Water Quality:Lake Sapanca-a Case Study from Turkey,[J].Water Science Technology,1996,34(12):73-81.

[9]Carson R.E.Atrophic state index for lakes[J].Limnology. and Oceanography,1977,22(2):361-369.

[10]冯玉国.湖泊富营养化灰色评价模型及其应用[J].生态学杂志,1996,15(2):68-71.

[11]李祚泳,刘国东,丁晶,等.湖泊富营养化评价的S型曲线通用表示式[J].中国环境监测,2001,17(6):14-17.

[12]郭天印,李海良.主成分分析在湖泊富营养化污染程度综合评价中的应用[J].陕西工学院学报,2002,18(3):63 -66.

[13]胡著邦,徐建民,全为民.模糊评价法在湖泊富营养化评价中的应用[J].农业环境保护,2002,21(6):535-536,539.

[14]张松滨,宋静.湖泊富营养化程度的灰色系统评价[J].云南环境科学,2002,21(1):63-64.

[15]张海林,何报寅.遥感方法应用于湖泊富营养化评价的研究[J].上海环境科学,2003,22(12):1030-1033.

[16]韩涛,李怀恩,彭文启.基于MATLAB的神经网络在湖泊富营养化评价中的应用[J].水资源保护,2005,21(1): 24-26.

[17]高世荣,潘力军,孙凤英,等.用水生生物评价环境水体的污染和富营养化[J].环境科学与管理,2006,31(6):174 -176.

[18]屠清瑛,顾丁锡,徐卓然,等.巢湖富营养化研究[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1990.

Lake Eutrophication Evaluation Based on“Environmental Quality Standards for Surface Water”——the Case for Chaohu Lake

XIA Ting-ting1,SHAN G Guang-ping2
(1.Hef ei Childhood Education N ormal School,Hef ei230011,China;
2.Hef ei Environmental Monitoring Center Station,Hef ei230031,China)

There are different kinds of method for the evaluation of lake’s eutrophication.But the results from these evaluation methods can’t be compared.And it is difficult to give a reasonable evaluation for the effective treatment and management of lake eutrophication.Through analyze and assessment the existing evaluation method,on the basis of"Environmental Quality Standards for Surface Water",this paper put forward a comprehensive evaluation method.This method combine water quality assessment and eutrophication index assessment.It has been applied in lakes and reservoirs evaluation in Hefei City(including western Chaohu lake).The results show it can not only compare the eutrophication degree of different lakes,but also can analyze the spatial and temporal variation for a special lake.It is a reasonable evaluation method for lake eutrophication.It can be used to analyse the causes of eutrophication and provide scientific and overall base for decision-making.

lake eutrophication;evaluation of environmental quality;environmental quality standards for surface water;Chaohu lake

P426.613

A

1009-9735(2010)05-0098-04

2010-08-14

安徽省发展与改革委员会项目(20090610)。

夏婷婷(1963-),女,安徽合肥人,合肥幼儿师范学校高级教师,研究方向:地理教学;尚广萍(1963-),女,安徽全椒人,合肥市环境监测中心站高级工程师,博士,研究方向:环境监测、环境影响评价。