相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法在三峽水庫富營養(yǎng)化評價中的應(yīng)用

阮嘉玲，范喜梅，雷 航，陳高波，謝佳燕，余曉麗

(1.武漢工業(yè)學(xué)院生物與制藥工程學(xué)院，湖北武漢 430023;2.焦作師范高等專科學(xué)校 理工學(xué)院，河南 焦作 454100;3.武漢工業(yè)學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院，湖北武漢 430023)

三峽工程是治理和開發(fā)長江的關(guān)鍵性工程。三峽水庫于2003年6月開始二期蓄水，壩前水位保持在135 m。2006年第三期工程蓄水位為150 m，2009年三峽工程建成時，水庫正常蓄水位為175 m。建庫后，過水面積增大，在流量不變的情況下，流速從庫尾至壩前逐漸減緩［1］。隨著水動力學(xué)條件的變化，經(jīng)濟發(fā)展和人口增長，污染物排放增加，水體中營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高，浮游植物的種屬和數(shù)量隨之發(fā)生改變［2］，庫區(qū)水環(huán)境污染面臨嚴(yán)峻形勢。

三峽水庫是一個河道型水庫，分為河流類型區(qū)、過渡類型區(qū)和湖泊類型區(qū)［3］，庫區(qū)水體的水力學(xué)特征條件變化較大，不同水域?qū)Ω粻I養(yǎng)化的敏感程度差異顯著。目前，針對三峽水庫的評價多參照湖泊類型區(qū)的營養(yǎng)狀態(tài)指標(biāo)閾值和評價標(biāo)準(zhǔn)，三峽水庫(過渡類型區(qū)和河流類型區(qū))營養(yǎng)狀態(tài)評價方法的建立及評價標(biāo)準(zhǔn)的制定需待解決。為此，本文擬針對三峽水庫河道型水庫的特點，初步建立葉綠素a(Chlorophyll-a，Chl-a)與各營養(yǎng)物的回歸關(guān)系模型，并運用相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對水庫進行評價。

1 材料和方法

1.1 取材

在長江干流庫首宜昌秭歸至庫區(qū)尾重慶江津共設(shè)置十一個采樣點，包括秭歸、巴東、巫山、奉節(jié)、云陽、萬州、忠縣、石柱、涪陵、長壽、江津、重慶朝天門。時間為2006年11月、2007年1月、2007年7月、2007年11月。每個采樣點分別取三份水樣:用于水質(zhì)、泥沙和浮游植物的分析。分析指標(biāo)為:浮游植物多樣性、浮游植物生物量、浮游植物密度、泥沙、總氮、總磷、溫度、溶解氧、pH、電導(dǎo)率等。

1.2 儀器和設(shè)備

Lovibond ET9906;防水型袖珍pH溫度微電腦測試筆HI98128;手提式溶氧測量儀YSI55;電導(dǎo)率儀DDB-303A;玻璃纖維濾膜watmanGF/B;真空泵抽濾器;電熱鼓風(fēng)干燥箱DHG－9070A;電子天平BT124S(0.1 mg/120 g)。

1.3 方法

1.3.1 相關(guān)性分析

用SPSS17對11個監(jiān)測點的浮游植物生物量、浮游植物密度、泥沙、總氮、總磷、溫度、溶解氧、pH、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)作相關(guān)分析。

1.3.2 營養(yǎng)度指數(shù)的確定

用卡森(Carlson)營養(yǎng)評價指數(shù)評價庫區(qū)水質(zhì)狀況［4］。

TLI(j)表示第 j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);aj、bj表示第j種參數(shù)的兩個待定系數(shù);Cjx表示因子j的實測值。由于不同指標(biāo)的同級營養(yǎng)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值的差異很大，因此，式1中不同指標(biāo)的系數(shù)aj、bj各不相同。

aj，bj的計算公式為:

Cjmin表示第j個因子相應(yīng)于營養(yǎng)度為0%時的質(zhì)量濃度值;Cjmax表示第j個因子相應(yīng)于營養(yǎng)度為100%時的質(zhì)量濃度值。

1.3.3 各參數(shù)權(quán)重的確定

水體的營養(yǎng)狀態(tài)可以用幾個主要參數(shù)的狀態(tài)指數(shù)來描述，但這些參數(shù)的狀態(tài)指數(shù)對營養(yǎng)狀態(tài)的重要性是不等同的，若把TLI(Chl-a)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的重要性作為1，如果第j種參數(shù)與Chl-a的相關(guān)關(guān)系為rij(j=1，2，…，m)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計算公式為:

式中:rij—第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù) Chl-a的相關(guān)系數(shù);m—評價參數(shù)的個數(shù)。

1.3.4 Chl-a與水庫營養(yǎng)因子的回歸關(guān)系

運用統(tǒng)計學(xué)方法對水體的葉綠素濃度、泥沙含量等數(shù)據(jù)進行歸一化處理?；?1個監(jiān)測點4次調(diào)查，建立了葉綠素a與泥沙、總氮、溫度、溶解氧、pH和電導(dǎo)率的回歸關(guān)系式。

1.3.5 相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)式

式中:TLI(Σ)—綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);TLI(j)—第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj—第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物生物量與水庫各變量因子的相關(guān)性

結(jié)果顯示，浮游植物密度與生物量、溫度成顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達0.996，0.952;浮游植物密度與泥沙、溶解氧成顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達0.940，0.974。影響浮游植物生長的主要因子為:泥沙、溶解氧和溫度。

2.2 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，湖泊生產(chǎn)層中Chla濃度值均不超過 1 000 mg/m3［4］，因此取 cChlamin為 0 mg/m3，cchlamax為1 000 mg/m3。計算得到葉綠素a的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算式(6)。

其中，A為Chl-a的濃度。

2.3 各參數(shù)的權(quán)重

各參數(shù)的權(quán)重如表1所示。

表1 各因子與Chl-a的相關(guān)性系數(shù)及權(quán)重

2.4 葉綠素a與水庫營養(yǎng)因子的回歸關(guān)系

葉綠素a與水庫營養(yǎng)因子的回歸關(guān)系如表2所示。

表2 葉綠素a與營養(yǎng)鹽、泥沙等因子的回歸關(guān)系式

2.5 水庫相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

用2007年7月(枯水期)的實測資料計算各因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)，加權(quán)分析后綜合營養(yǎng)狀態(tài)平均得分TLI(∑)見表3。

表3 三峽水庫各監(jiān)測點營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果

根據(jù)中國湖泊富營養(yǎng)化水體營養(yǎng)分級標(biāo)準(zhǔn)，朝天門至秭歸江段的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為16.3—24.5，其中涪陵最低，巴東最高，均屬于貧營養(yǎng)范圍，與實際情況相符。

2.6 與湖庫富營養(yǎng)化評價方法的比較

參考湖泊營養(yǎng)類型評價的藻類生物學(xué)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)［5］對三峽水庫2007年7月各監(jiān)測點營養(yǎng)狀態(tài)進行評價，并與表3進行比較(圖1)用兩種方法得到的營養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)都不大于30，營養(yǎng)狀態(tài)為貧營養(yǎng)。但是湖庫富營養(yǎng)化評價方法的評價結(jié)果明顯高于河道型水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的評價結(jié)果。原因在于湖泊型水體流速緩慢，藻類爆發(fā)階段的營養(yǎng)鹽閾值小于河道型水體，較低的營養(yǎng)鹽濃度就能對水體營養(yǎng)狀態(tài)產(chǎn)生較大影響，而在河道型水體中，營養(yǎng)鹽處于被大量稀釋的狀態(tài)，對營養(yǎng)狀態(tài)影響沒有湖泊型水體明顯。

圖1 三峽水庫各監(jiān)測點綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化

3 結(jié)論

本研究利用相關(guān)性分析初步探索了影響浮游植物生長的主要因子:泥沙、溶解氧和溫度。并用基于河道型水庫葉綠素a與營養(yǎng)物回歸關(guān)系的相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計算2006年7月到2007年11月三峽水庫共11個采樣點的營養(yǎng)狀態(tài)，其結(jié)果均為貧營養(yǎng)。

同湖庫富營養(yǎng)化評價方法相比，基于河道型水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的評價結(jié)果偏低。原因可能在于河道型水體營養(yǎng)鹽處于被大量稀釋的狀態(tài)，對營養(yǎng)狀態(tài)影響沒有湖泊型水體明顯。當(dāng)水體穩(wěn)定后，用相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對多種因子進行綜合評價，能夠比較真實地反映水體營養(yǎng)狀況。

本研究僅提供一種基于河道型水庫營養(yǎng)狀態(tài)分析的思路和方法探討。要建立成熟的葉綠素a與各因子回歸關(guān)系模型還需175m蓄水后大量的數(shù)據(jù)支持。

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