本發(fā)明涉及環(huán)境科學(xué)及監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法，具體涉及一種基于水體吸收系數(shù)的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化快速評(píng)價(jià)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)類型劃分。

背景技術(shù)：

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化本質(zhì)是由于湖泊中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽和溶解性有機(jī)物的累積，表現(xiàn)為湖泊內(nèi)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量過(guò)高，超過(guò)湖體的自凈能力。人類出于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的需要，忽視自然規(guī)律，一方面以點(diǎn)、面源形式通過(guò)河渠、徑流等水文過(guò)程向湖體排放工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)廢水；另一方面又采取種種措施破壞水生植被(水產(chǎn)養(yǎng)殖)、縮小湖體自凈容量、在沿岸帶進(jìn)行各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)(如圍墾、筑堤)，從而加劇了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。。在自然條件下，湖泊也會(huì)從貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)過(guò)渡到富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，不過(guò)這種自然過(guò)程非常緩慢。而人為排放含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水所引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化則可以在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象時(shí)，浮游藻類大量繁殖，形成水華世界性的淡水資源缺乏的嚴(yán)重性，已經(jīng)受到世界各界人士的廣泛關(guān)注。據(jù)聯(lián)合國(guó)估計(jì)，到2025年世界將近一半的人口將會(huì)生活在缺水的地區(qū)。在我國(guó)，一方面，大部分城市和地區(qū)的淡水資源供給已受到水質(zhì)惡化和水生態(tài)系統(tǒng)破壞的威脅。全國(guó)1/3以上的河段受到污染，90％以上城市水域污染嚴(yán)重，近50％的重點(diǎn)城鎮(zhèn)水源地不符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，由于不合理使用農(nóng)藥化肥以及水土流失等，造成水生態(tài)系統(tǒng)破壞，淡水生物資源受到威脅。最近的調(diào)查結(jié)果表明，我國(guó)67個(gè)主要湖泊中，只有近20％的湖泊水質(zhì)較好(II-III類)，80％以上的湖泊受到污染(IV-劣V類)，水質(zhì)污染的形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

因此，如何有效和快速監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是開(kāi)展湖泊富營(yíng)養(yǎng)化形成機(jī)制和防控治理的前提和關(guān)鍵。目前有湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法：(1)傳統(tǒng)的基于地面布點(diǎn)采樣的物理或化學(xué)分析測(cè)量的方法和(2)利用遙感技術(shù)估算相關(guān)營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)，然后綜合計(jì)算出湖泊營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)。第一種方法通過(guò)測(cè)定水體中總氮、總磷、葉綠素a、透明度、化學(xué)耗氧量和生化需氧量等參數(shù)來(lái)計(jì)算其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，然后劃分湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)類型。這種方法需要進(jìn)行大量水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本高昂，并且水質(zhì)參數(shù)測(cè)定過(guò)程是需要使用大量的化學(xué)試劑，其本身對(duì)水環(huán)境就有危害。此外，由于這種方法需要的參數(shù)大部分都需要在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定完成，導(dǎo)致目前沒(méi)有一種儀器可在原位完成湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)；第二種利用遙感的方法并未普及，主要原因是由于缺乏湖泊水體光學(xué)參數(shù)與富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)之間的定量關(guān)系模型。盡管我國(guó)目前湖泊富營(yíng)養(yǎng)化研究在國(guó)際上占用重要的地位，但湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)方法仍然借用國(guó)際上傳統(tǒng)的基于總氮、總磷、葉綠素a、透明度等水質(zhì)參數(shù)構(gòu)建的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。為了進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的形成機(jī)制、防治理論和方法的研究，迫切需要發(fā)展一種準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、快速、便宜和無(wú)污染的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是建立一種基于水體吸收系數(shù)進(jìn)行湖泊富營(yíng)養(yǎng)化快速評(píng)價(jià)和分類的方法，適用于不同營(yíng)養(yǎng)程度的湖泊，同時(shí)不需要使用任何化學(xué)試劑，操作方法簡(jiǎn)便，成本低廉，易于推廣和應(yīng)用。

本發(fā)明上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

(1)計(jì)算湖泊水體在波段440nm處水體吸收系數(shù)a_t(440)；

所述水體吸收系數(shù)的計(jì)算方式為：測(cè)定湖泊水體懸浮顆粒物和有色可溶性有機(jī)物在波段440nm的吸收系數(shù)，計(jì)算兩者之和，即為湖泊水體在波段440nm處吸收系數(shù)a_t(440)；

(2)利用上述水體吸收系數(shù)a_t(440)，以如下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行劃分：

a_t(440)<0.32m^-1為貧營(yíng)養(yǎng)；

0.32m^-1≤a_t(440)≤1.36m^-1為中營(yíng)養(yǎng)；

a_t(440)>1.36m^-1為富營(yíng)養(yǎng)；

其中1.36m^-1<a_t(440)≤2.81m^-1為輕度富營(yíng)養(yǎng)，2.81m^-1<a_t(440)≤5.86m^-1為中度富營(yíng)養(yǎng)，a_t(440)>5.86m^-1為重度富營(yíng)養(yǎng)。

本發(fā)明經(jīng)過(guò)對(duì)全國(guó)不同營(yíng)養(yǎng)程度的3個(gè)湖泊近375個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，水體在440nm處吸收系數(shù)與湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)存在極顯著正相關(guān)，可以用于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)和類型劃分，本發(fā)明通過(guò)基于不同營(yíng)養(yǎng)程度湖泊總氮、總磷、葉綠素a、透明度和水體吸收系數(shù)的測(cè)定，構(gòu)建水體在440nm處吸收系數(shù)與湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)通過(guò)測(cè)定水體在440nm處吸收系數(shù)和閾值判定即可快速計(jì)算湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和劃分湖泊營(yíng)養(yǎng)類型。

前述的水體在波段440nm處吸收系數(shù)a_t(440)與湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI的關(guān)系模型構(gòu)建方式具體如下：：

(1)開(kāi)展不同營(yíng)養(yǎng)程度湖泊總氮、總磷、葉綠素a、透明度的測(cè)定，依據(jù)傳統(tǒng)方法計(jì)算湖泊富營(yíng)養(yǎng)化綜合狀態(tài)指數(shù)采用如下：

式中：TLI為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；W_j為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，其中葉綠素a、總氮、總磷和透明度的權(quán)重分別為0.326、0.219、0.230、0.225；TLI(j)為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，其計(jì)算式如下：

TLI(Chla)＝10(2.5+1.0861nChla) (3)

TLI(TP)＝10(9.436+1.6241nTP) (4)

TLI(TN)＝10(5.453+1.6941nTN) (5)

TLI(SD)＝10(5.118-1.941nSD) (6)

式中：Chla為葉綠素a濃度；TP為總磷濃度；TN為總氮濃度；SD為水體透明度。

(2)利用分光光度計(jì)，根據(jù)已有方法，測(cè)定水體懸浮顆粒物和有色可溶性有機(jī)物的吸收系數(shù)，兩者之和即為水體吸收系數(shù)；

(3)構(gòu)建水體在440nm處吸收系數(shù)與湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的關(guān)系模型(圖1)，通過(guò)水體在440nm處吸收系數(shù)a_t(440)測(cè)定即可快速計(jì)算湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，其公式為：

TLI＝13.65*ln[a_t(440)]+45.77(R²＝0.91,n＝354,p<0.005) (1)

(4)根據(jù)現(xiàn)有湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI劃分標(biāo)準(zhǔn)，基于a_t(440)與TLI的關(guān)系模型公式，采用水體在440nm處吸收系數(shù)a_t(440)對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)類型進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)為：

a_t(440)<0.32m^-1為貧營(yíng)養(yǎng)；0.32m^-1≤a_t(440)≤1.36m^-1為中營(yíng)養(yǎng)；a_t(440)>1.36m^-1為富營(yíng)養(yǎng)，其中1.36m^-1<a_t(440)≤2.81m^-1為輕度富營(yíng)養(yǎng)，2.81m^-1<a_t(440)≤5.86m^-1為中度富營(yíng)養(yǎng)，a_t(440)>5.86m^-1為重度富營(yíng)養(yǎng)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

(1)與傳統(tǒng)的利用總氮、總磷、葉綠素a和透明度開(kāi)展湖泊營(yíng)養(yǎng)指數(shù)計(jì)算和營(yíng)養(yǎng)鹽類型劃分不一樣，本發(fā)明方法不需要測(cè)定總氮、總磷、葉綠素a和透明度，因此不需要進(jìn)行消解、萃取等繁瑣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，也無(wú)需使用任何化學(xué)試劑，節(jié)約化學(xué)試劑使用，減少了污染物排放，保護(hù)了環(huán)境。

(2)水體吸收系數(shù)的測(cè)定只需要2張過(guò)濾膜即可，測(cè)定成本大大降低；測(cè)定過(guò)程是在分光光度計(jì)上掃描特征波長(zhǎng)的吸光度，操作十分簡(jiǎn)便、快速，半個(gè)小時(shí)即可完成，不像總氮、總磷和葉綠素a的測(cè)定需要數(shù)小時(shí)甚至2-3天(葉綠素a濃度測(cè)定一般需要冷凍48h后才能測(cè)定)。

(3)本發(fā)明豐富和發(fā)展了湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)類型的計(jì)算和劃分方法，可以廣泛應(yīng)用于不同類型湖泊湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)研究，必將深化湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的基礎(chǔ)理論和防控技術(shù)研究。

下面結(jié)合具體實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以具體實(shí)施方式為限，而是由權(quán)利要求加以限定。

附圖說(shuō)明

圖1是基于不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊構(gòu)建的水體在440nm處吸收系數(shù)與傳統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面以我國(guó)不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊結(jié)果為實(shí)例，對(duì)本方法做進(jìn)一步說(shuō)明。2014年針對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的太湖、千島湖、天目湖進(jìn)行10余次野外采樣，構(gòu)建水體在440nm處吸收系數(shù)與傳統(tǒng)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的關(guān)系。

圖1為基于不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊構(gòu)建的水體在440nm處吸收系數(shù)與傳統(tǒng)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的關(guān)系。從圖1可知，基于總氮、總磷、葉綠素a和透明度計(jì)算的湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與水體在440nm處吸收系數(shù)存在極顯著正相關(guān)，反映利用水體在440nm處吸收系數(shù)開(kāi)展湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的可信性和準(zhǔn)確性。

本發(fā)明方法具體操作步驟如下：

(1)利用已有方法開(kāi)展水體懸浮顆粒物吸收系數(shù)測(cè)定：利用Whatman公司GF/F濾膜過(guò)濾，然后在分光光度計(jì)上掃描300-800nm吸光度，計(jì)算得到其光譜吸收系數(shù)。

(2)利用已有方法開(kāi)展有色可溶性有機(jī)物光譜吸收系數(shù)測(cè)定：利用孔徑0.22um的Millipore膜過(guò)濾，然后在分光光度計(jì)上掃描240-800nm吸光度，計(jì)算得到其光譜吸收系數(shù)。

(3)水體吸收系數(shù)的計(jì)算：該參數(shù)為步驟(1)測(cè)定的懸浮顆粒物吸收系數(shù)與步驟(2)測(cè)定的有色可溶性有機(jī)物吸收系數(shù)之和。

(4)利用水體在440nm處吸收系數(shù)，根據(jù)如下關(guān)系模型(圖1)，便可估算出湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)：

TLI＝13.65*ln[a_t(440)]+45.77(R²＝0.91,n＝354,p<0.005) (1)

式中TLI為湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，a_t(440)為水體在440nm處吸收系數(shù)。

(5)采用水體在440nm處吸收系數(shù)對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)類型進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)為：a_t(440)<0.32m^-1為貧營(yíng)養(yǎng)；0.32m^-1≤a_t(440)≤1.36m^-1為中營(yíng)養(yǎng)；a_t(440)>1.36m^-1為富營(yíng)養(yǎng)，其中1.36m^-1<a_t(440)≤2.81m^-1為輕度富營(yíng)養(yǎng)，2.81m^-1<a_t(440)≤5.86m^-1為中度富營(yíng)養(yǎng)，a_t(440)>5.86m^-1為重度富營(yíng)養(yǎng)。

實(shí)施例1

根據(jù)本發(fā)明方法，利用水體在440nm處吸收系數(shù)，估算天目湖綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，并與根據(jù)傳統(tǒng)方法計(jì)算獲得綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值比較(表1)。根據(jù)本發(fā)明方法計(jì)算得到的天目湖水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，估算值和對(duì)應(yīng)誤差如下表1所示：

表1本發(fā)明在天目湖應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果

分析水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算精度的參數(shù)為水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值的平均相對(duì)誤差A(yù)PD和均方根誤差RMS，計(jì)算公式如下：

其中，n為水體樣本個(gè)數(shù)，H_i為第i個(gè)水體樣本的模型計(jì)算值，H_mi為第i個(gè)水體樣本實(shí)測(cè)值。

經(jīng)檢驗(yàn)，本發(fā)明在天目湖應(yīng)用的平均相對(duì)誤差A(yù)PD＝6％；均方根誤RMS＝3.43，該模型適合天目湖水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)估算且精度較高。

實(shí)施例2

根據(jù)本發(fā)明方法，利用水體在440nm處吸收系數(shù)，估算千島湖綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，并與根據(jù)傳統(tǒng)方法計(jì)算獲得綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值比較(表2)。根據(jù)本發(fā)明方法計(jì)算得到的千島湖水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，估算值和對(duì)應(yīng)誤差如下表2所示：

表2本發(fā)明在千島湖應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果

經(jīng)檢驗(yàn)，本發(fā)明在千島湖應(yīng)用的平均相對(duì)誤差A(yù)PD＝8％；均方根誤RMS＝3.75，該模型適合千島湖水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)估算且精度較高。

實(shí)施例3

根據(jù)本發(fā)明方法，利用水體在440nm處吸收系數(shù)，估算太湖綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，并與根據(jù)傳統(tǒng)方法計(jì)算獲得綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值比較(表3)。根據(jù)本發(fā)明方法計(jì)算得到的太湖水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，估算值和對(duì)應(yīng)誤差如下表3所示：

表3本發(fā)明在太湖應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果

經(jīng)檢驗(yàn)，本發(fā)明在千島湖應(yīng)用的平均相對(duì)誤差A(yù)PD＝4％；均方根誤RMS＝3.66，該模型適合太湖水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)估算且精度較高。