一种确定湖泊水质基准参照状态浓度的新方法

在确立湖泊营养物基准的过程中,湖泊水体参照状态的确定是十分重要的一个步骤.本文基于广义极值分布理论,发展提出了一种确定湖泊参照状态浓度的新方法.该方法克服了频率分析法等描述性统计方法存在的数据分组可能造成人为误差和不便于统计推断,难以进行可信度评价的缺陷,能有效地推断给出参数和物质浓度置信区间.将该方法应用到太湖的水质基准参照状态中,通过对太湖湖心两个站点1995～2006年总氮(total nitrogen,TN),总磷(total phosphorus,TP)和叶绿素a(chlorophyll a,Chl-a)的数据进行分析,其年最小值的相反数符合广义极值分布,验证了方法的可行性.推荐采用25%分位点的值作为太湖总氮,总磷和叶绿素a的参照状态,即太湖的参照状态是:总氮0.71 mg·L-1,总磷0.025 mg·L-1,叶绿素a为1.81μg·L-1,并分别得出了它们各自的95%置信区间.     

辽河口近岸海域水体营养物推荐基准值的制定方法

确定水质参照状态是近岸海域营养物及其响应指标基准制定的关键,基于现场观测数据分析确定参照状态并提出推荐基准值是一种重要的方法.以辽河口近岸海域为例,根据1995年~1999年和2003年~2009年的数据分析,主要应用频数分析法确定了参照状态,并结合1976年的数据分析,提出了该海域营养物(溶解无机氮、总氮、活性磷酸盐、总磷)及响应指标(叶绿素、溶解氧)的推荐基准值.分析显示,辽河口近岸海域营养物溶解无机氮、总氮、活性磷酸盐和总磷的推荐基准值分别为0.11, 0.19, 0.006, 0.032mg/L;响应指标叶绿素、溶解氧的推荐基准值分别为0.0009, 6.14mg/L.     

崇明北湖叶绿素a浓度与环境因子的GAM回归分析

以崇明北湖为例,采用广义加性模型(GAM)对该湖的叶绿素a浓度与相关环境因子进行分析.结果表明,叶绿素a浓度与总氮、总磷和水温之间存在较好的非线性关系(P<0.05),叶绿素a浓度与总磷之间的关系先为单调递增,当总磷浓度达到0.12mg/L时,变为单调递减;不同总氮浓度区间上,总氮对叶绿素a浓度的影响不同,氮浓度为0.6~1.8mg/L时,对叶绿素a浓度的影响不大;水温在24~26℃时,叶绿素a浓度最高.叶绿素a浓度与氮磷比之间也存在较好的非线性关系(P<0.1),氮限制时,叶绿素浓度与氮磷比呈反比;磷限制时,叶绿素a浓度随着氮磷比单调递减.     

太湖叶绿素a浓度时空分异及其定量反演

利用2005年实测叶绿素a浓度数据分析了太湖叶绿素a浓度的时空分布特征,并利用同步光谱数据,分季节对太湖叶绿素a浓度的反演模型进行研究,从而分析叶绿素a的时空变化对反演模型的影响.首先分析1a内叶绿素a浓度随时间的变化规律,然后利用反距离加权插值法绘制叶绿素a浓度不同季节空间分布图,分析叶绿素a浓度在不同季节的空间分布规律,在此基础上分春、夏、秋3个季节和中营养化、轻度富营养化、中度富营养化、重度富营养化4个营养状态进行叶绿素a浓度定量反演模型研究.结果表明,太湖叶绿素a浓度具有明显的时空分布特征.夏季叶绿素a浓度最高,冬季最低,平均浓度分别为56.29μg/L、13.61 μg/L.秋季由于受到夏季高浓度的影响,叶绿素a浓度高于春季,平均值分别为26.43μg/L、34.78μg/L;夏季叶绿素a浓度空间变化最大,冬季全湖叶绿素a浓度含量较为均一,空间变化不明显,秋季空间差异要大于春季;全年北部湖区的空间差异较大,而南部湖区相对较小.不同季节叶绿素a反演算法模型不同,春、秋季波段比值法反演效果较好;而夏季微分法反演效果明显好于其它反演算法,不同营养状态条件下反演算法差异相对较小.     

不同营养条件对地表水藻类生长的影响

通过固定氮源、磷源和氮磷比,设置5组不同氮、磷浓度的水体,对地表水进行短期培养。主要观测不同营养浓度对藻密度、叶绿素a、藻种多样性及优势种的影响,以及藻类生长对水体p H、溶解氧、浑浊度的影响。结果表明,总磷是该地表水藻类爆发的关键限制因子。总氮含量1.0 mg/L、总磷含量0.1 mg/L时可形成轻度硅藻水华,藻密度为6 130万/L。总氮含量为3.0 mg/L、总磷含量为0.3 mg/L时可形成重度绿藻水华,藻密度为1.08亿/L。低盐水体初中期优势种为针杆藻,后期藻种多样性最多但没有优势种,中盐水体优势种由针杆藻演替为水棉,高盐水体优势种由针杆藻演替为栅藻。叶绿素a和藻密度的变化趋势呈显著的正相关性,实验初期水体营养浓度越高,藻密度和叶绿素a越小;中后期两者关系相反。     

"零点行动"前后太湖水质比较分析

通过“零点行动”前后的1998年、1999年太湖湖体总氮,总磷,叶绿素浓度分布与比较,说明太湖仍然处于富营养状态,“零点行动”并没有从根据上改善太湖水质。     

香溪河夏季水华暴发差异性研究及其机制分析

三峡水库支流水华已成广泛关注问题,香溪河在同一时期不同空间暴发了不同藻类水华。2017年6-7月对香溪河水华藻种进行连续跟踪监测,分析水华藻种和环境因子的变化及其关系。结果表明:香溪河总氮平均浓度为2.212 mg/L,总磷平均浓度为0.071 mg/L,表层水温在24.95～29.93℃之间。总磷浓度从上游到下游呈递减趋势,总氮从上游到下游呈递增趋势。监测期间中下游暴发了蓝藻水华,叶绿素a最高浓度为69.62μg/L;上游暴发了甲藻水华,叶绿素a最高浓度为100.56μg/L,水华的优势藻种呈现空间差异性。这种藻类空间分布的差异性主要受中层倒灌异重流影响,倒灌的范围同时也决定了2种水华的暴发范围。中下游水体高浓度氮与中层倒灌异重流是蓝藻水华暴发的关键。上游区间具有特殊的循环水流与高浓度磷是甲藻水华暴发的关键。     

我国东部与云贵湖区富营养化控制标准对比研究

以我国东部湖区及云贵湖区主要湖泊2005~2008年的监测数据和国际公认的湖泊富营养化叶绿素a 含量分级为基础,通过频率统计方法,对叶绿素a、总氮(TN)、总磷(TP)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)进行了统计分析,并根据反退化原则,计算了两湖区湖泊富营养化控制指标的建议值.结果表明,东部湖区湖泊富营养化控制标准的建议值为TN:1.65mg/L,TP:0.100mg/L,SD:0.45m,CODMn:4.50mg/L;云贵湖区为TN:1.00 mg/L,TP:0.045 mg/L,SD:1.10m,CODMn:4.00mg/L.云贵高原湖区氮磷营养盐控制指标值绝对值低,相应控制标准比东部平原湖区严,主要原因是东部平原湖区受人类活动影响强烈,目前的水环境总体质量劣于云贵湖区.     

太湖叶绿素a浓度预测模型初探

以太湖2005年的监测资料为基础,运用多元统计回归和BP人工神经网络方法构建模型,探求叶绿素a与水深、水温、营养盐等10项环境因子之间的关系,通过验证发现BP模型对叶绿素a浓度的拟合值与叶绿素a浓度的实测值之间的均方误差为220．3059,优于统计回归模型的235．4569;此外对两种模型进行了灵敏度测试,结果都显示总磷不是太湖叶绿素a浓度的限制因子,而水深、水温、总氮的变化对叶绿素a浓度影响显著。本研究对太湖叶绿素a浓度预测模型的建立是十分有意义的。     

草型湖泊叶绿素a浓度时空分布特征及其与氮磷浓度关系

采用2006—2010年5—10月份乌梁素海监测数据,对叶绿素a浓度的时空分布特征及其与总氮、总磷浓度相关关系进行了分析。结果表明:乌梁素海叶绿素a浓度具有明显的时空分布差异性:在时间上,呈现出明显的季节性变化,5、6、9、10月份叶绿素a浓度较高,7、8月份叶绿素a浓度偏低,秋季≈春季>夏季,最高值出现在2007年9月,均值为9.01 mg/m3,最低值出现在2010年7月,均值为1.80 mg/m3;在空间上,南北部叶绿素a浓度以7.78 mg/m3为界,呈现北部区>南部区的趋势。通过叶绿素a与总氮、总磷浓度相关性分析得出,2006年5月叶绿素a与总氮、总磷(r=0.7450、0.7596)、2008年5月叶绿素a与总磷(r=0.5421)、2010年5月叶绿素a与总氮(r=0.5089)存在较好的相关性。     

基于太湖微囊藻毒素的叶绿素a阈值研究

以探讨叶绿素a(Chl-a)阈值为主要目的于2013年6~10月间每月在太湖采样,通过固相萃取超高效液相色谱串联质谱法对水体中3种微囊藻毒素(MC-LR、MC-RR、MC-YR)进行检测.利用SPSS软件分析各种形态的微囊藻毒素(MCs)与总氮(TN)、总磷(TP)、Chl-a、高锰酸盐指数等富营养指标的相关性,分析了MC-LR、MCs与Chl-a的关系.结果表明,太湖MCs污染较严重,其浓度的空间分布特征为:梅梁湾>贡湖、西部沿岸区>湖心区>胥湖区、南部湖区,并以MC-LR浓度最高;相关性分析表明MC-LR、MC-RR、MC-YR及MCs均与高锰酸盐指数、TN、TP、Chl-a呈极显著正相关(P<0.01).结合饮用水中MC-LR和MCs的标准限值分析得出,太湖Chl-a的阈值是12.26 mg·m-3,与美国北卡罗莱纳州湖泊的Chl-a标准值比较属于安全阈值,具有一定的科学性.     

太湖水体Chl-a预测模型ARIMA的构建及应用优化

叶绿素a（Chl-a）是湖泊浮游植物生物量的重要指标,其含量能反映水中浮游植物的丰度和变化规律.以1999年12月~2019年8月太湖水体Chl-a和环境因子的逐月监测数据为基础,运用主成分分析方法探讨了Chl-a与环境因子的关系,据此建立了Chl-a与主要环境因素之间的多元线性逐步回归模型及自回归综合移动平均模型（ARIMA）.结果表明：①太湖Chl-a浓度存在着明显的季节变化,且总体处于上升趋势.总磷（TP）、高锰酸盐指数、月均气温（MAT）和月度降雨量（MR）与Chl-a浓度存在较好的变化同步性,总氮（TN）和氨氮（NH₄⁺-N）则表现出明显的滞后性.②主成分分析结果表明,太湖水体藻类暴发条件不仅仅是基于N和P等限制性因素,而是发展为TN、NH₄⁺-N、TP和高锰酸盐指数、MR和MAT等多元因素的综合影响.③两种模型经验证比较,基于1999~2019年逐月资料建立的Chl-a浓度的ARIMA模型模拟效果和预测精度明显优于所建立的多元线性逐步回归模型,特别是在考虑主要环境因素作为自变量及优化自变量取值情况下其预测效果得到进一步提升.建立的ARIMA（0,1,1）（0,1,1）模型将有助于太湖藻类暴发的预报和预警,并为及时有效地安排水资源调度及调控等水环境管理措施提供依据.     

2009-2018年太湖大气湿沉降氮磷特征对比研究

为了研究太湖2009-2018年大气湿沉降的时空变化特征,于2009年8月-2010年7月及2017年8月-2018年7月进行了两次环太湖大气湿沉降逐月调查,并从降水中ρ（TN）和ρ（TP）、湿沉降率及沉降通量三方面,对比分析了太湖大气湿沉降的时空变化特征.结果表明:①2009年8月-2010年7月降水中ρ（TN）、ρ（TP）平均值分别为3.170、0.077 mg/L;2017年8月-2018年7月降水中ρ（TN）、ρ（TP）平均值分别为3.160、0.056 mg/L;T检验结果表明,两次调查ρ（TN）、ρ（TP）污染水平差异显著,主要是由于2017年8月-2018年7月较高污染浓度降水事件的减少,全年降水中ρ（TN）、ρ（TP）变异较小.②与2017年8月-2018年7月相比,2009年8月-2010年7月太湖TN、TP湿沉降率平均值分别下降33%和53%,且TN、TP湿沉降空间分布更均匀.③与2009年8月-2010年7月相比,2017年8月-2018年7月太湖流域大气TN、TP沉降通量分别为7 641和131 t,分别下降30%、47%.研究显示,两次调查降水中ρ（TN）平均值均远高于水体富营养化阈值（0.2 mg/L）,因此大气湿沉降中的营养盐对太湖富营养化的贡献不可忽视.      

基于Mann-Kendall法的湖泊稳态转换突变分析

采用变化趋势与倾向率、Mann-Kendall趋势检验法和突变点分析法对1981~2008年间太湖湖泊稳态转换关键因子总氮(TN)、总磷(TP)和叶绿素a(Chla)进行突变识别,结果表明,(1)TN、TP和Chla分别在0.05、0.10和0.05水平上呈显著增加趋势;(2)TN浓度在1990~1991年间和1994~1995年间发生了两次突变;TP浓度突变点发生在1987~1988年;Chla浓度历史变化存在三个阶段,1981~1989年为第一阶段,尚未产生突变阶段,第二阶段为1990~1996年,突变过渡阶段,第三阶段为1997~2008年,属于突变后的状态;(3)综合TN、TP和Chla浓度历史变化存在不同阶段,结合各因子的历史变化序列,太湖湖泊稳态转换突变点为1988年和1997年,并把太湖划分为三个阶段,第一阶段为1981~1987年, TP浓度为0.025mg/L,属于草藻共存,接近于清水稳态阶段;第二阶段为1988~1996年, TP浓度为0.086mg/L,属于藻草共存阶段;第三阶段为1997到2008年, TP浓度为0.103mg/L,属于藻型浊水稳态.研究结果表明Mann-Kendall法在湖泊稳态转换突变分析中具有一定的适用性.     

Temporal and spatial changes in nutrients and chlorophyll-a in a shallow lake, Lake Chaohu, China: An 11-year investigation

Temporal and spatial changes of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and chlorophyll-a (Chl-a) in a shallow lake, Lake Chaohu, China, were investigated using monthly monitoring data from 2001 through 2011. The results showed that the annual mean concentration ranges of TN, TP, and Chl-a were 0.08-14.60 mg/L, 0.02-1.08 mg/L, and 0.10-465.90 μg/L, respectively. Our data showed that Lake Chaohu was highly eutrophic and that water quality showed no substantial improvement during 2001 through 2011. The mean concentrations of TP, TN and Chl-a in the western lake were significantly higher than in the eastern lake, which indicates a spatial distribution of the three water parameters. The annual mean ratio of TN:TP by weight ranged from 10 to 20, indicating that phosphorus was the limiting nutrient in this lake. A similar seasonality variation for TP and Chl-a was observed. Riverine TP and NH₄⁺ loading from eight major tributaries were in the range of 1.56×10⁴-5.47×10⁴ and 0.19×10⁴-0.51×10⁴ tons/yr over 2002-2011, respectively, and exceeded the water environmental capability of the two nutrients in the lake by a factor of 3-6. Thus reduction of nutrient loading in the sub-watershed and tributaries would be essential for the restoration of Lake Chaohu.     

滨岸带水华堆积与消散特征及其营养盐效应

为了解滨岸带植被、地形等地貌要素对蓝藻水华堆积及消散过程的影响,在太湖滨岸带设置不同形式的围格和植被实验区,通过逐日监测水体叶绿素a（Chl-a）的消长过程及同步营养盐变化,研究夏季蓝藻水华在湖泊滨岸带堆积与消散特征和营养盐效应.结果表明,滨岸带的地形地貌及植被状况对蓝藻水华的堆积程度及消散过程影响较大,软围隔营造的滨岸带静水环境,以及不同植被所形成的不同滞水区,显著加剧了蓝藻水华的局部堆积,从岸边挺水和浮叶植被区到开敞水域对照区,蓝藻水华的堆积程度依次递减;近岸挺水和浮叶植被区蓝藻水华堆积最严重,堆积时间最早,持续时间长;蓝藻水华堆积对营养盐等水质指标影响极大,堆积严重时该区域Chl-a含量达到了457.42μg/L,总氮（TN）达到11.04mg/L,总磷（TP）达到1.32mg/L;橡胶围格内浮叶植物区藻类堆积程度与近岸区类似,而浮叶植物与沉水植物混合区藻类堆积程度低于单一浮叶植物区;水体围隔能够加剧蓝藻水华的堆积,没有围隔的浮叶植物区藻类堆积程度最低.在蓝藻水华堆积过程中,蓝藻细胞仍在继续增殖,水体Chl-a仍会明显增加,而同期的水体营养盐的增幅小于Chl-a,甚至随着藻类生长消耗及生态系统的脱氮效应,溶解态氮磷下降明显.蓝藻水华消散过程中,TN、TP与Chl-a同步下降,但藻体中的氮磷释放到水中,导致堆积区的溶解态氮、磷有所增加,显示出明显的营养盐效应.本研究定量刻画了蓝藻水华局部堆积并快速致灾的地形地貌要素特点,揭示了蓝藻水华的水质与生态效应,为科学评估富营养化水体蓝藻水华的生态灾害风险提供科学依据.     

太湖氮磷营养盐大气湿沉降特征及入湖贡献率

2009年8月—2010年7月在太湖流域不同区域10个采样点收集降水样品230多个,测定其中不同形态N,P营养盐的质量浓度,分析太湖大气湿沉降中N,P营养盐沉降特征,计算N,P营养盐湿沉降率及其占太湖河流入湖负荷的贡献率. 结果表明:湿沉降中ρ(TN)年均值为3.16 mg/L,DTN(溶解性总氮)占TN的70%以上,其中以NH₄+-N为主;湿沉降中ρ(TN)年均值最高值出现在南部湖区,最低值出现在北部湖区. 湿沉降中ρ(TP)年均值为0.08 mg/L,相对较低. 5个区域湿沉降中不同形态N的质量浓度均表现为冬季高、夏季低,而不同形态N,P的湿沉降量均为夏季最大. 南部、东部湖区TN的湿沉降率相对较大. 各采样点湿沉降中NH₄+-N沉降率约占DTN沉降率的30.4%～52.0%,NO₃--N沉降率约占DTN的31.6%;各区域间湿沉降中DTP(溶解性总磷)占TP的比例差异较大. 大气湿沉降中TN和TP的年沉降总量分别为10 868 和247 t,为同期河流入湖负荷的18.6%和11.9%,湿沉降对太湖富营养化的贡献及可能带来的水生态系统的影响不容忽视.      

基于灰色聚类法和模糊综合法的水质评价

根据2008年9月从昆承湖布设的12个监测点采集的样本中水质指标(叶绿素a、总磷、总氮和高锰酸盐指数)的浓度值,采用了灰色聚类法及模糊综合评价法对样本水质进行富营养化评价.灰色聚类法先建立白化权函数并无量纲化灰类来消除各水质指标浓度值量级差异的影响,然后根据水质指标浓度阈值的大小赋以其权值,综合水质指标对各级富营养状态...     

太湖湖滨带底泥氮、磷、有机质分布与污染评价

采集了环太湖湖滨带表层(0~10cm)底泥,研究分析了湖滨带底泥中有机质(OM)、总氮(TN)、总磷(TP)的空间分布特征,并对太湖湖滨带底泥进行营养评价.结果表明,湖滨带底泥中OM含量在1.42%~9.96%之间,空间分布趋势为:东太湖>竺山湾>贡湖>梅梁湾>南部沿岸>东部沿岸>西部沿岸; TN含量在458~5211mg/kg之间,空间变化趋势为东太湖>竺山湾>东部沿岸>贡湖>南部沿岸>梅梁湾>西部沿岸; TP含量在128.56~1392.16mg/kg之间,空间变化趋势为竺山湾>梅梁湾>东太湖>南部沿岸>贡湖>东部沿岸>西部沿岸,OM与TN分布趋势相似,TN与OM之间极显著正相关(r = 0.903, P<0.01),TP与OM之间弱相关(r = 0.073, P<0.332).结合综合污染指数和有机指数评价法可知,太湖湖滨带底泥环境质量整体较好,氮、磷污染除东太湖和竺山湾属重度污染外其他各区属轻中度污染;有机污染除东太湖外大部分区域属较清洁区.     

我国东部浅水湖泊水生态效应特征

为探究我国东部浅水湖泊生态系统的时空异质性及其演替的响应指标,基于东部浅水湖泊长时间序列（1986-2014年）的监测数据,分析了不同湖泊类型的水质和浮游植物群落分布特征,并综合运用稳态转换理论和典范对应分析方法（CCA）,研究了富营养化湖泊浮游植物群落的演替特征以及响应因子.结果表明:①从水系上看,太湖水系湖泊的水质最差,ρ（TP）、ρ（TN）和ρ（Chla）最高,分别为（0.276±0.606）（3.563±1.430）mg/L和（14.801±10.117）μg/L,SD（透明度）为（0.486±0.272）m;从水文连通性上看,湖泊的水质为通江湖泊>非通江湖泊>阻隔湖泊.②空间分布上,湖口以下干流浮游植物密度最高,为2.674×107 L-1.蓝藻门为东部浅水湖泊的优势种群,密度最高达1.897×107 L-1,绿藻门和硅藻门次之,黄藻门最少,仅为3.951×103 L-1.③东部浅水湖泊生态系统演替发生在ρ（Chla）为5.21~10.57 μg/L阈值范围内.④以东部典型湖泊-太湖为例,浮游植物群落分别在1997-1998年和2000-2001年两个时间梯度达到最大值.EC（电导率）和ρ（TN）是影响太湖浮游植物群落分布的显著因子.研究显示,随着东部浅水湖泊水质恶化,浮游植物群落结构特征发生突变,导致其生态系统发生演替,预防东部浅水湖泊生态系统演变应严控EC和ρ（TN）.