顧 莉，李秋蘭，華祖林＊＊，洪 波

(1:河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)

(2:河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，南京 210098)

(3:河海大學環(huán)境學院，南京 210098)

(4:北京中安質(zhì)環(huán)技術(shù)評價中心有限公司，北京 100022)

太湖流域是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，流域社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展對流域內(nèi)湖泊產(chǎn)生了很大的影響，湖泊水質(zhì)日益下降，富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重，且對周邊居民的生產(chǎn)和生活造成一定的影響[1-6].為了控制太湖流域湖泊的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，針對太湖流域的水質(zhì)基準的制訂勢在必行.目前對湖庫水質(zhì)參照狀態(tài)的研究方法主要有頻率分布法、古湖沼學重建法(沉積物反演法)、歷史數(shù)據(jù)和專家評價法、模型預測和推斷法等[7-12].由于太湖流域經(jīng)濟發(fā)展較早，人類活動影響較大，而水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)又相對缺乏，頻率分布法、歷史數(shù)據(jù)推斷法不太適用于歷史監(jiān)測資料缺乏或污染嚴重的湖泊，因此這兩種方法的應用受到了很大的限制;古湖沼學重建法需要復雜的數(shù)據(jù)分析和專家判斷，且也不太適用于沉積物受擾動較大的淺水湖泊，只能作為其他方法的參照驗證[13];而模型預測法則可以用于受人類影響較嚴重的湖泊參照狀態(tài)的確定，以其經(jīng)濟上和技術(shù)上的可行性而倍受青睞[7].

MEI(morphoedaphic index)模型最早由Rawson 提出，即湖深-溶解性固體指數(shù)，是指湖水中總可溶性固體與湖泊平均深度之比.它最早主要用于評估湖泊魚類含量的多少[14]，后經(jīng) Vighi 等[15]和 Cardoso 等[16]改進，用于估計湖泊總磷本底濃度，其理論主要基于以下3 點假設:1)流域中土壤的流失以及巖石的風化是該流域湖泊離子以及磷的主要來源，不同流域磷含量的多少很大程度上取決于該流域離子的輸入量，因而，天然水體中總離子含量(可用總堿度和電導率表示，本文采用總堿度作為代表)和水體磷含量存在很好的正相關(guān)關(guān)系.2)總堿度在受人類活動影響較小的地區(qū)含量是相對穩(wěn)定的，所以可作為湖泊磷參照濃度的預測因子.3)對于水深較大的湖泊，磷含量和水深呈負相關(guān)關(guān)系[16].

本文在傳統(tǒng)MEI 模型的基礎上，結(jié)合太湖流域多為淺水湖泊的特點，通過模型數(shù)據(jù)分析提出了改進的MEI 模型，并在太湖中進行應用，得到了太湖總磷的參照濃度.通過與其他方法所得太湖總磷參照濃度的驗證可知改進的MEI 模型正確可行.

1 確定太湖流域湖庫總磷參照濃度的改進MEI模型的建立

1.1 數(shù)據(jù)收集

1.1.1 資料數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)收集的原則是所選湖泊或水庫要盡量處于天然狀態(tài)或受人類活動影響程度較小.基于以上原則遴選了太湖上游12 個湖庫，收集了總磷(TP)、總堿度(ALK)、平均水深、MEI 4 個因子的數(shù)據(jù)，并收錄了太湖1987年的早期相關(guān)數(shù)據(jù)(表1).其中，MEI=總堿度/平均水深.

1.1.2 實測數(shù)據(jù) 為豐富建模所用數(shù)據(jù)，于2010年1月23-25日，先后前往太湖上游的江蘇省橫山水庫、浙江省對河口水庫采集水樣，采樣點位置見表1.現(xiàn)場實測水深，水樣經(jīng)預處理后送實驗室分析總磷、總堿度含量，水深采用自制連桿測量;總磷、總堿度分別采用《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》中的鉬酸鹽分光光度法和酸堿指示劑滴定法測定.監(jiān)測結(jié)果見表1.

1.2 傳統(tǒng)MEI模型的建立

利用表1 數(shù)據(jù)，按照傳統(tǒng)MEI 模型的理論建立總磷-MEI 預測模型:

總磷與MEI 呈一定程度的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.685，F(xiàn) 檢驗結(jié)果為32.659(圖1a).這說明，在人類活動影響較小的情況下，太湖流域湖泊水庫總磷主要來源于上游地區(qū)巖石風化以及土壤中離子的流失，總磷與MEI 在水體中存在一定程度上的相關(guān)關(guān)系，但并不顯著，因此本文對傳統(tǒng)MEI 模型中平均水深和總堿度這兩個因子與總磷的關(guān)系分別進行討論，希望對傳統(tǒng)MEI 模型進行改進，以期得到與太湖流域總磷濃度相關(guān)關(guān)系更好的模型.

1.3 改進MEI模型的建立

對表1 數(shù)據(jù)中總磷和平均水深進行回歸分析可以看出，總磷與水深相關(guān)性較差(圖1b).這是因為太湖流域的湖泊、水庫水深較淺，與Vighi 等[15]建模所選用的北美及歐洲共53 個湖庫及霍守亮等[7]研究時選用的云貴高原湖區(qū)湖庫均為高緯度地區(qū)深水湖泊不同，太湖流域湖庫水深對總磷濃度分布的影響較小，如果單純套用傳統(tǒng)MEI 法將水深與總堿度一起作為預測總磷的變量，所得結(jié)果反而會降低總磷與MEI 的相關(guān)性，因此本文剔除水深這一因子，嘗試建立適合太湖流域淺水湖泊特性的總磷-總堿度模型.

對表1 數(shù)據(jù)建立總磷-總堿度預測模型:

總磷與總堿度呈較好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.868，F(xiàn) 檢驗結(jié)果為111.113(圖1c)，結(jié)果明顯好于傳統(tǒng)MEI 模型中總磷與MEI 之間的關(guān)系.

通過以上分析，可以得到確定太湖流域湖庫總磷參照濃度的改進MEI 模型.

表1 數(shù)據(jù)匯總*Tab.1 Summary data

2 模型在太湖中的應用

太湖1960年總堿度實測值為25.88 mg/L[5]，此時太湖受人類活動影響很小，將該值代入以上確定太湖流域湖庫總磷參照濃度的改進MEI 模型，得到太湖總磷濃度為0.018 mg/L.另外，于2010年1月25-26日前往受人類活動影響較小的太湖湖心區(qū)域進行采樣，共設了6 個采樣點，各采樣點位置及總堿度實測數(shù)據(jù)見表2，由此得到太湖的現(xiàn)狀總堿度平均值為46.4 mg/L.同樣，將該值代入上述模型，得到太湖總磷的濃度為0.032 mg/L.

表2 采樣點位置及總堿度實測值Tab.2 Location of sampling sites and field monitoring data on total alkalinity

本文將1960 和2010年太湖兩次實測總堿度值代入確定太湖流域湖庫總磷參照濃度的改進MEI 模型中，得到太湖總磷的參照濃度分別為0.018 和0.032 mg/L.計算所得1960年太湖TP 濃度基本對應于天然狀態(tài)下的背景濃度值，可作為參照濃度的下限;2010年所得太湖TP 濃度對應于受一定人類活動影響下水土流失量增大情況下的太湖背景濃度值，可作為參照濃度的上限.考慮到在實際應用中的簡便，取平均值0.025 mg/L作為太湖總磷的參照濃度.

圖1 總磷與MEI(a)、水深(b)和總堿度(c)相關(guān)關(guān)系Fig.1 The relationships of TP to MEI(a)，mean depth(b)and total alkalinity(c)

3 模型驗證及結(jié)論

為了確定該模型是否可行，我們參閱了大量文獻，利用前人的研究進行了時間參照法、沉積物反演法等多項驗證.

1)時間參照法驗證.1960年6月15日-8月25日，中國科學院南京地理研究所聯(lián)合多家單位對太湖進行過一次調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示總磷濃度在0.01 ～0.05 mg/L 之間，當時太湖還處于未受污染的天然狀態(tài)[3].本文通過改進的MEI 法計算得到的總磷參照濃度平均值為0.025 mg/L，符合歷史數(shù)據(jù)范圍，說明通過該方法建立太湖總磷參照濃度的方法是基本可行的.

2)沉積物反演法驗證.董旭輝等基于長江中下游湖群硅藻與總磷函數(shù)關(guān)系及沉積物鉆孔的高分辨率硅藻研究，定量重建了龍感湖和太白湖兩個湖泊湖水總磷歷史濃度[20-22].結(jié)果顯示龍感湖在過去200年來，總磷濃度變幅較小，在0.036 ～0.062 mg/L 之間;太白湖在1953年前，總磷濃度穩(wěn)定在0.05 mg/L 左右.

以上數(shù)據(jù)表明對于長江中下游湖群處于天然狀態(tài)時總磷濃度應該低于0.062 mg/L，這從另一個側(cè)面為本文確定的太湖總磷參照濃度為0.025 mg/L 提供了佐證.

3)頻率分布法驗證.鄭丙輝等通過收集太湖全湖1987-1988、1994-2005年數(shù)據(jù)，運用頻率分布法(下5%頻率對應的總磷濃度)提出太湖總磷參照濃度為0.03 mg/L[23]，該方法確定的參照濃度接近本文參照濃度值，由此可知本文所得到的總磷參照濃度為0.025 mg/L 是合理可信的.

以上多種方法的驗證都表明該改進的MEI 模型的預測結(jié)果非常合理.

本文提出了確定太湖流域湖庫總磷參照濃度的改進MEI 模型lg TP =0.9504 lg ALK-0.0782，并由此得到太湖總磷參照濃度平均值為0.025 mg/L.該改進的MEI 模型可用于太湖流域湖泊、水庫的總磷參照濃度的確定，為長江中下游類似湖庫的營養(yǎng)鹽基準的確定以及污染控制提供了有力的技術(shù)支撐.

致謝:河海大學環(huán)境學院研究生單寧寧、于徐華、戴本林等幫助野外采樣及完成實驗分析，在此表示衷心感謝!

[1]范成新.太湖水體生態(tài)環(huán)境歷史演變.湖泊科學，1996，8(4):297-300.

[2]陳 奇，霍守亮，席北斗等.云貴高原湖區(qū)湖庫總磷和葉綠素a 濃度參照狀態(tài)研究.環(huán)境工程技術(shù)學報，2012，2(3):184-191.

[3]中國科學院南京地理研究所.太湖綜合調(diào)查初步報告.北京:科學出版社，1965:84.

[4]李文朝.淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)理論及其應用.湖泊科學，1997，9(2):97-104.

[5]孫順才，黃漪平.太湖.北京:海洋出版社，1993:271.

[6]楊桂山，王德建.太湖流域經(jīng)濟發(fā)展·水環(huán)境·水災害.北京:科學出版社，2003:308.

[7]霍守亮，陳 奇，席北斗等.湖泊營養(yǎng)物基準的制定方法研究進展.生態(tài)環(huán)境學報，2009，18(2):743-748.

[8]Gibson G，Carlson R，Simpson J et al.Nutrient criteria technical guidance manual:lakes and reservoirs(EPA-822-B-00-001).Washington DC:United States Environment Protection Agency，2000.

[9]Solheim AL.Reference conditions of european lakes:Indicators and methods for the water framework directive assessment of reference conditions，2005:105.

[10]Dodds WK，Carney E，Angelo RT.Determining ecoregional reference conditions for nutrients，secchi depth and chlorophyll a in Kansas Lakes and Reservoirs.Lake and Reservoir Management，2006，22(2):151-159.

[11]Braak CJF，Juggins S.Weighted averaging partial least squares regression(WA-PLS):an improved method for reconstructing environmental variables from species assemblages.Hydrobiologia，1993，269/270(1):485-502.

[12]孟 偉，劉征濤，張 楠等.流域水質(zhì)目標管理技術(shù)研究(Ⅱ)——水環(huán)境基準、標準與總量控制.環(huán)境科學研究，2008，21(1):1-7.

[13]鄭丙輝，許秋瑾，周保華等.水體營養(yǎng)物及其響應指標基準制定過程中建立參照狀態(tài)的方法——以典型淺水湖泊太湖為例.湖泊科學，2009，21(1):21-26.

[14]Ryder RA，Kerr SR，Loftus KH et al.The morphoedaphic index，a fish yield estimator:review and evaluation.Journal of the Fisheries Research Board of Canada，1974，31(5):663-688.

[15]Vighi M，Chiaudani G.A simple method to estimate lake phosphorus concentrations resulting from natural，background，loadings.Water Research，1985，19(8):987-991.

[16]Cardoso AC，Solimini A，Premazzi G et al.Phosphorus reference concentrations in European lakes.Hydrobiologia，2007，584:3-12.

[17]萬成炎，吳曉輝，朱愛民等.江蘇省大中型水庫水質(zhì)的理化特性及其漁業(yè)評價.水利漁業(yè)，2003，23(1):43-45.

[18]萬成炎.江蘇省水庫漁業(yè)資源現(xiàn)狀及合理利用對策[學位論文].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學，2003.

[19]黃漪平.太湖水環(huán)境及其污染控制.北京:科學出版社，2001:298.

[20]董旭輝，羊向東，劉恩峰.湖北太白湖400 多年來沉積硅藻記錄及湖水總磷的定量重建.湖泊科學，2006，18(6):597-604.

[21]董旭輝，羊向東，王 榮等.長江中下游地區(qū)湖泊硅藻-總磷轉(zhuǎn)換函數(shù).湖泊科學，2006，18(l):1-12.

[22]董旭輝，羊向東，潘紅璽.長江中下游地區(qū)湖泊現(xiàn)代沉積硅藻分布基本特征.湖泊科學，2004，16(4):298-304.

[23]鄭丙輝，許秋瑾，朱延忠.湖泊營養(yǎng)鹽控制標準制訂方法的初步研究.環(huán)境科學，2009，30(9):2497-2501.