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?？茖W(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(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430023)

三峽工程是治理和開(kāi)發(fā)長(zhǎng)江的關(guān)鍵性工程。三峽水庫(kù)于2003年6月開(kāi)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(shí)，水庫(kù)正常蓄水位為175 m。建庫(kù)后，過(guò)水面積增大，在流量不變的情況下，流速?gòu)膸?kù)尾至壩前逐漸減緩［1］。隨著水動(dòng)力學(xué)條件的變化，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，污染物排放增加，水體中營(yíng)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(kù)區(qū)水環(huán)境污染面臨嚴(yán)峻形勢(shì)。

三峽水庫(kù)是一個(gè)河道型水庫(kù)，分為河流類型區(qū)、過(guò)渡類型區(qū)和湖泊類型區(qū)［3］，庫(kù)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(yíng)養(yǎng)化的敏感程度差異顯著。目前，針對(duì)三峽水庫(kù)的評(píng)價(jià)多參照湖泊類型區(qū)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指標(biāo)閾值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，三峽水庫(kù)(過(guò)渡類型區(qū)和河流類型區(qū))營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的建立及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定需待解決。為此，本文擬針對(duì)三峽水庫(kù)河道型水庫(kù)的特點(diǎn)，初步建立葉綠素a(Chlorophyll-a，Chl-a)與各營(yíng)養(yǎng)物的回歸關(guān)系模型，并運(yùn)用相關(guān)加權(quán)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)水庫(kù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料和方法

1.1 取材

在長(zhǎng)江干流庫(kù)首宜昌秭歸至庫(kù)區(qū)尾重慶江津共設(shè)置十一個(gè)采樣點(diǎn)，包括秭歸、巴東、巫山、奉節(jié)、云陽(yáng)、萬(wàn)州、忠縣、石柱、涪陵、長(zhǎng)壽、江津、重慶朝天門(mén)。時(shí)間為2006年11月、2007年1月、2007年7月、2007年11月。每個(gè)采樣點(diǎn)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(cè)試筆HI98128;手提式溶氧測(cè)量?jī)xYSI55;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(duì)11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yíng)養(yǎng)度指數(shù)的確定

用卡森(Carlson)營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)指數(shù)評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況［4］。

TLI(j)表示第 j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);aj、bj表示第j種參數(shù)的兩個(gè)待定系數(shù);Cjx表示因子j的實(shí)測(cè)值。由于不同指標(biāo)的同級(jí)營(yíng)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(jì)算公式為:

Cjmin表示第j個(gè)因子相應(yīng)于營(yíng)養(yǎng)度為0%時(shí)的質(zhì)量濃度值;Cjmax表示第j個(gè)因子相應(yīng)于營(yíng)養(yǎng)度為100%時(shí)的質(zhì)量濃度值。

1.3.3 各參數(shù)權(quán)重的確定

水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)可以用幾個(gè)主要參數(shù)的狀態(tài)指數(shù)來(lái)描述，但這些參數(shù)的狀態(tài)指數(shù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的重要性是不等同的，若把TLI(Chl-a)營(yíng)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(jì)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(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

1.3.4 Chl-a與水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)因子的回歸關(guān)系

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)水體的葉綠素濃度、泥沙含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理?；?1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)式

式中:TLI(Σ)—綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);TLI(j)—第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj—第j種參數(shù)的營(yíng)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(kù)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(dá)0.996，0.952;浮游植物密度與泥沙、溶解氧成顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.940，0.974。影響浮游植物生長(zhǎng)的主要因子為:泥沙、溶解氧和溫度。

2.2 營(yíng)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(guò) 1 000 mg/m3［4］，因此取 cChlamin為 0 mg/m3，cchlamax為1 000 mg/m3。計(jì)算得到葉綠素a的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)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(kù)營(yíng)養(yǎng)因子的回歸關(guān)系

葉綠素a與水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)因子的回歸關(guān)系如表2所示。

表2 葉綠素a與營(yíng)養(yǎng)鹽、泥沙等因子的回歸關(guān)系式

2.5 水庫(kù)相關(guān)加權(quán)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

用2007年7月(枯水期)的實(shí)測(cè)資料計(jì)算各因子營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)，加權(quán)分析后綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)平均得分TLI(∑)見(jiàn)表3。

表3 三峽水庫(kù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)中國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水體營(yíng)養(yǎng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，朝天門(mén)至秭歸江段的營(yíng)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(yíng)養(yǎng)范圍，與實(shí)際情況相符。

2.6 與湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法的比較

參考湖泊營(yíng)養(yǎng)類型評(píng)價(jià)的藻類生物學(xué)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)［5］對(duì)三峽水庫(kù)2007年7月各監(jiān)測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與表3進(jìn)行比較(圖1)用兩種方法得到的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)都不大于30，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為貧營(yíng)養(yǎng)。但是湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果明顯高于河道型水庫(kù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的評(píng)價(jià)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(yíng)養(yǎng)鹽閾值小于河道型水體，較低的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度就能對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)產(chǎn)生較大影響，而在河道型水體中，營(yíng)養(yǎng)鹽處于被大量稀釋的狀態(tài)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)影響沒(méi)有湖泊型水體明顯。

圖1 三峽水庫(kù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合營(yíng)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(zhǎng)的主要因子:泥沙、溶解氧和溫度。并用基于河道型水庫(kù)葉綠素a與營(yíng)養(yǎng)物回歸關(guān)系的相關(guān)加權(quán)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算2006年7月到2007年11月三峽水庫(kù)共11個(gè)采樣點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其結(jié)果均為貧營(yíng)養(yǎng)。

同湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法相比，基于河道型水庫(kù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果偏低。原因可能在于河道型水體營(yíng)養(yǎng)鹽處于被大量稀釋的狀態(tài)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)影響沒(méi)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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)多種因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能夠比較真實(shí)地反映水體營(yíng)養(yǎng)狀況。

本研究?jī)H提供一種基于河道型水庫(kù)營(yíng)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。

［1］Wei G L，Yang Z F，Cui B S，et al.Impact of dam construction on water quality and water selfpurification capacity of the lancang river，China［J］.Water Resources Management，2009，23(9):1763－1780.

［2］Luo H J，Liu D F，Huang Y P.Support vector regression model of chlorophyll-a during spring algal bloom in xiangxi bay of three gorges reservoir，China［J］.Journal of EnvironmentalProtection，2012(3):420－425.

［3］張遠(yuǎn)，鄭丙輝，富國(guó)，等.河道型水庫(kù)基于敏感性分區(qū)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)方法研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(6):1016-1021.

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［5］Marglef D R.Information theory in Ecology［J］.GeneralSystems，1958(3):36－37.