確定太湖流域湖庫(kù)總磷參照濃度的改進(jìn)MEI模型*

顧 莉，李秋蘭，華祖林＊＊，洪 波

(1:河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

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

(3:河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

(4:北京中安質(zhì)環(huán)技術(shù)評(píng)價(jià)中心有限公司，北京 100022)

太湖流域是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展對(duì)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(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，且對(duì)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(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，針對(duì)太湖流域的水質(zhì)基準(zhǔn)的制訂勢(shì)在必行.目前對(duì)湖庫(kù)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(xué)重建法(沉積物反演法)、歷史數(shù)據(jù)和專家評(píng)價(jià)法、模型預(yù)測(cè)和推斷法等[7-12].由于太湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較早，人類活動(dòng)影響較大，而水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)又相對(duì)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(cè)資料缺乏或污染嚴(yán)重的湖泊，因此這兩種方法的應(yīng)用受到了很大的限制;古湖沼學(xué)重建法需要復(fù)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(dòng)較大的淺水湖泊，只能作為其他方法的參照驗(yàn)證[13];而模型預(yù)測(cè)法則可以用于受人類影響較嚴(yán)重的湖泊參照狀態(tài)的確定，以其經(jīng)濟(jì)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(píng)估湖泊魚類含量的多少[14]，后經(jīng) Vighi 等[15]和 Cardoso 等[16]改進(jìn)，用于估計(jì)湖泊總磷本底濃度，其理論主要基于以下3 點(diǎn)假設(shè):1)流域中土壤的流失以及巖石的風(fēng)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(dǎo)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(dòng)影響較小的地區(qū)含量是相對(duì)穩(wěn)定的，所以可作為湖泊磷參照濃度的預(yù)測(cè)因子.3)對(duì)于水深較大的湖泊，磷含量和水深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[16].

本文在傳統(tǒng)MEI 模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合太湖流域多為淺水湖泊的特點(diǎn)，通過模型數(shù)據(jù)分析提出了改進(jìn)的MEI 模型，并在太湖中進(jìn)行應(yīng)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(yàn)證可知改進(jìn)的MEI 模型正確可行.

1 確定太湖流域湖庫(kù)總磷參照濃度的改進(jìn)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(kù)要盡量處于天然狀態(tài)或受人類活動(dòng)影響程度較小.基于以上原則遴選了太湖上游12 個(gè)湖庫(kù)，收集了總磷(TP)、總堿度(ALK)、平均水深、MEI 4 個(gè)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(shí)測(cè)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(kù)、浙江省對(duì)河口水庫(kù)采集水樣，采樣點(diǎn)位置見表1.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水深，水樣經(jīng)預(yù)處理后送實(shí)驗(yàn)室分析總磷、總堿度含量，水深采用自制連桿測(cè)量;總磷、總堿度分別采用《水和廢水監(jiān)測(cè)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(cè)定.監(jiān)測(cè)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(yù)測(cè)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(yàn)結(jié)果為32.659(圖1a).這說明，在人類活動(dòng)影響較小的情況下，太湖流域湖泊水庫(kù)總磷主要來源于上游地區(qū)巖石風(fēng)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(duì)傳統(tǒng)MEI 模型中平均水深和總堿度這兩個(gè)因子與總磷的關(guān)系分別進(jìn)行討論，希望對(duì)傳統(tǒng)MEI 模型進(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)MEI模型的建立

對(duì)表1 數(shù)據(jù)中總磷和平均水深進(jìn)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?yàn)樘饔虻暮础⑺畮?kù)水深較淺，與Vighi 等[15]建模所選用的北美及歐洲共53 個(gè)湖庫(kù)及霍守亮等[7]研究時(shí)選用的云貴高原湖區(qū)湖庫(kù)均為高緯度地區(qū)深水湖泊不同，太湖流域湖庫(kù)水深對(duì)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(yù)測(cè)總磷的變量，所得結(jié)果反而會(huì)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(duì)表1 數(shù)據(jù)建立總磷-總堿度預(yù)測(cè)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(yàn)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(kù)總磷參照濃度的改進(jìn)MEI 模型.

表1 數(shù)據(jù)匯總*Tab.1 Summary data

2 模型在太湖中的應(yīng)用

太湖1960年總堿度實(shí)測(cè)值為25.88 mg/L[5]，此時(shí)太湖受人類活動(dòng)影響很小，將該值代入以上確定太湖流域湖庫(kù)總磷參照濃度的改進(jìn)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(dòng)影響較小的太湖湖心區(qū)域進(jìn)行采樣，共設(shè)了6 個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)位置及總堿度實(shí)測(cè)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(diǎn)位置及總堿度實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)總堿度值代入確定太湖流域湖庫(kù)總磷參照濃度的改進(jìn)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(jì)算所得1960年太湖TP 濃度基本對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)于受一定人類活動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中的簡(jiǎn)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(yàn)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(xiàn)，利用前人的研究進(jìn)行了時(shí)間參照法、沉積物反演法等多項(xiàng)驗(yàn)證.

1)時(shí)間參照法驗(yàn)證.1960年6月15日-8月25日，中國(guó)科學(xué)院南京地理研究所聯(lián)合多家單位對(duì)太湖進(jìn)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(dāng)時(shí)太湖還處于未受污染的天然狀態(tài)[3].本文通過改進(jìn)的MEI 法計(jì)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(yàn)證.董旭輝等基于長(zhǎng)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(gè)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(duì)于長(zhǎng)江中下游湖群處于天然狀態(tài)時(shí)總磷濃度應(yīng)該低于0.062 mg/L，這從另一個(gè)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(yàn)證.鄭丙輝等通過收集太湖全湖1987-1988、1994-2005年數(shù)據(jù)，運(yùn)用頻率分布法(下5%頻率對(duì)應(yīng)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(yàn)證都表明該改進(jìn)的MEI 模型的預(yù)測(cè)結(jié)果非常合理.

本文提出了確定太湖流域湖庫(kù)總磷參照濃度的改進(jìn)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(jìn)的MEI 模型可用于太湖流域湖泊、水庫(kù)的總磷參照濃度的確定，為長(zhǎng)江中下游類似湖庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)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(xué)環(huán)境學(xué)院研究生單寧寧、于徐華、戴本林等幫助野外采樣及完成實(shí)驗(yàn)分析，在此表示衷心感謝!

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