一种基于湖泊营养盐分类的治理方法与流程

本发明属于环境科学领域，涉及湖泊藻类水华防控措施，具体涉及基于湖泊背景划分的、可用于精准实施湖泊营养盐分类治理的方法。
背景技术：
：湖泊是地球表面可被人类直接利用的重要淡水资源储存库，不仅具有调节河川径流、防洪减灾的重要作用，还具有拦截陆源污染、净化水质的巨大功能，对水资源的持续利用和保护人类的生存环境十分重要。然而，人类活动导致了大量的氮、磷等营养盐排入湖泊水体，使得藻类水华问题成为最为普遍的生态环境问题之一，对人体健康和社会经济的可持续发展均构成严重威胁。传统研究表明，对数转换后藻类生物量(以叶绿素a计)和营养盐水平呈现出显著的线性正相关，因此降低水体氮、磷等营养盐水平被认为是藻类水华防控的关键措施。而在区域尺度上，除营养盐以外，往往还存在一些其它的因素会显著影响藻类的生长，其中最为常见的因素为：1)换水周期，一些研究表明快速的水体冲刷作用可以抑制藻类生长，比如，尽管通江湖泊的营养盐处于较高水平，但是蓝藻生物量很低，其主要原因就是通江湖泊的换水周期较短；2)水深，水深可以影响很多关键的湖沼学过程，比如水深和氮磷比成显著正相关，会影响藻类生物量对营养盐的响应；另外，水深和沉积物再悬浮过程密切联系，影响营养盐的生物可利用性和水下光可获得性，从而影响藻类和营养盐的定量关系；3)水草，含有丰富水草的湖泊，藻类对营养盐的响应往往受到抑制。因此，不同生态背景的湖库，控制到相同的藻类水华风险(即控制到相同的叶绿素a水平)，所需控制水体氮、磷浓度水平并不一致。甚至在一些水体，营养盐并非藻类生长的主要限制因子(如通江湖泊)，藻类防控的主要方式并非营养盐削减。然而，当前的湖泊营养盐管理主要的参考文件为《地表水环境质量标准》，营养盐削减目标各地统一，很容易造成一些湖泊保护不足或过度保护的现象。因此，迫切需要一种基于湖泊生态背景划分的、可用于精准实施湖泊营养盐分类管理的方法。技术实现要素：为解决现有技术的问题，本发明基于湖泊背景，对其进行湖泊营养盐分类，并基于该湖泊营养盐分类进行治理。该方法基于不同湖泊夏季的背景因子、总氮浓度、总磷浓度和叶绿素a浓度，利用简单线性回归模型分析分类必要性，对无必要分类的湖泊进行统一营养盐上限的治理，对于需分类的湖泊，先后通过95％分位数回归模型、广义加性模型识别各湖泊背景因子对叶绿素a浓度和总氮浓度的关系的影响以及各湖泊背景因子对叶绿素a浓度和总磷浓度的关系的影响，再基于识别出的显著背景因子进行分类，并通过简单线性回归模型分别制定各类型营养盐治理方案。本发明所述方法具有充分的生态学依据，分类结果具备客观性，可以提高管理效率，节约经济成本。为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种基于湖泊营养盐分类的治理方法，包括以下步骤：(1)选取不同湖泊水体，优选为同一生态区内的不同湖泊水体，并获取各湖泊夏季时的换水周期、水深、水草盖度、总磷浓度、总氮浓度和叶绿素a浓度；现有技术中，考虑了水资源特征和省级行政边界基础上，我国的生态区可划分为八生态区。(2)利用简单线性回归模型分析步骤(1)得到的总磷浓度、总氮浓度和叶绿素a浓度，得到叶绿素a浓度和总氮浓度的关系式a，以及叶绿素a浓度和总磷浓度的关系式b；在分析前，对叶绿素a浓度、总氮浓度和总磷浓度分别进行对数转换；若关系式a和关系式b的决定系数(r2)均大于等于0.5，则不需要进行湖泊分类，直接将叶绿素a＝20μg/l分别代入关系式a和关系式b，得到总氮浓度上限和总磷浓度上限，并控制湖泊的总氮浓度和总磷浓度处于所述总氮浓度上限和总磷浓度上限以内；其余情况下进入下一步骤进行分类；若关系式a和关系式b的决定系数均大于等于0.5，则将叶绿素a＝20μg/l分别代入关系式a和关系式b，得到总氮浓度上限和总磷浓度上限，并控制湖泊的总氮浓度和总磷浓度处于所述总氮浓度上限和总磷浓度上限以内；其余情况下进入下一步骤进行分类；(3)分析各湖泊背景因子对叶绿素a浓度和总氮浓度的关系的影响以及各湖泊背景因子对叶绿素a浓度和总磷浓度的关系的影响，选取影响最大的一个或两个湖泊背景因子，并依据选取的湖泊背景因子的高低对湖泊分类，对同一类型的湖泊采取相同的治理方法。优选的，步骤(3)的分析方法为：(3-1)利用95％分位数回归模型分析，得到叶绿素a浓度和总氮浓度的关系式i，以及叶绿素a浓度和总磷浓度的关系式ii；在分析前，对叶绿素a浓度、总氮浓度和总磷浓度分别进行对数转换；(3-2)将各湖泊的总氮浓度分别代入所述关系式i，得到各湖泊的叶绿素a浓度计算值i，之后计算各湖泊的叶绿素a浓度计算值i与对应叶绿素a浓度的实际值之间的差值，记为湖泊背景因子影响值i；将各湖泊的总磷浓度分别代入所述关系式ii，得到各湖泊的叶绿素a浓度计算值ii，之后计算各湖泊的叶绿素a浓度计算值ii与叶绿素a浓度的实际值之间的差值，记为湖泊背景因子影响值ii；(3-3)利用广义加性模型分别得出各湖泊背景因子对所述湖泊背景因子影响值i以及所述湖泊背景因子影响值ii的解释率(即r2)，所述湖泊背景因子分别为换水周期、水深和水草盖度；得到的解释率分别记为r换水周期-i、r换水周期-ii、r水深-i、r水深-ii、r盖度-i和r盖度-ii；在分析前对叶绿素a浓度、总氮浓度、总磷浓度、换水周期、水深和水草盖度分别进行对数转换。其中，选取影响最大的一个或两个湖泊背景因子的方法为：(3-4)比较分析r换水周期-i、r换水周期-ii、r水深-i、r水深-ii、r盖度-i和r盖度-ii；情况1：如果某个湖泊背景因子对所述湖泊背景因子影响i和所述湖泊背景因子影响值ii的解释率均超过50％，则记该湖泊背景因子为单影响因子；如果所述单影响因子为换水周期或水草盖度，则将湖泊根据所述单影响因子分为单影响因子高和单影响因子低2类；如果所述单影响因子为水深，则将湖泊根据水深分为水深高、水深中和水深低3类；对于换水周期低的湖泊，对其保持低换水周期；对于水草盖度高的湖泊，对其保持高水草盖度；对于其他类型的湖泊，对同一类型的湖泊利用简单线性回归分析得到总氮浓度上限和总磷浓度上限，之后对于该类型的湖泊，控制其总氮浓度小于等于所述总氮浓度上限、总磷浓度小于等于所述总磷浓度上限；情况2：情况1以外的其余情况下，记r换水周期-i、r换水周期-ii、r水深-i、r水深-ii、r盖度-i和r盖度-ii中的最大值对应的湖泊背景因子为第一影响因子，记r换水周期-i、r换水周期-ii、r水深-i、r水深-ii、r盖度-i和r盖度-ii中的除所述第一影响因子对应的解释率中的最大值所对应的湖泊背景因子为第二影响因子；如所述第一影响因子和所述第二影响因子为换水周期和水草盖度，则将湖泊分为换水周期高且水草盖度高、换水周期高且水草盖度低、换水周期低且水草高度高和换水周期低且水草盖度低4类；如所述第一影响因子或所述第二影响因子为水深和另一湖泊背景因子，则将湖泊分为水深高且另一湖泊背景因子高、水深中且另一湖泊背景因子高、水深低且另一湖泊背景因子高、水深高且另一湖泊背景因子低、水深中且另一湖泊背景因子低和水深低且另一湖泊背景因子低6类；对于换水周期高且水草盖度高的湖泊，对其保持高水草盖度；对于换水周期高且水草盖度低的湖泊，利用简单线性回归分析得到总氮浓度上限和总磷浓度上限，之后对于该类型的湖泊，控制其总氮浓度小于等于所述总氮浓度上限、总磷浓度小于等于所述总磷浓度上限；对于换水周期低且水草盖度高的湖泊，对其保持低换水周期和高水草盖度；对于换水周期低且水草盖度低的湖泊，对其保持低换水周期；对于换水周期高且水深高的湖泊，利用简单线性回归分析得到总磷浓度上限，之后对于该类型的湖泊，控制其总磷浓度小于等于所述总磷浓度上限；对于换水周期高且水深中、换水周期高且水深低的湖泊，对同一类型的湖泊利用简单线性回归分析得到总氮浓度上限和总磷浓度上限，之后对于该类型的湖泊，控制其总氮浓度小于等于所述总氮浓度上限、总磷浓度小于等于所述总磷浓度上限；对于换水周期低且水深高、换水周期低且水深中、换水周期低且水深低的湖泊，对其保持低换水周期；对于水深高且水草盖度高、水深中且水草盖度高、水深低且水草盖度高的湖泊，对其保持高水草盖度；对于水深高且水草盖度低、水深中且水草盖度低的湖泊，对同一类型的湖泊利用简单线性回归分析得到总磷浓度上限，之后对于该类型的湖泊，控制其总磷浓度小于等于所述总磷浓度上限；对于水深低且水草盖度低的湖泊，利用简单线性回归分析得到总氮浓度上限和总磷浓度上限，之后对于该类型的湖泊，控制其总氮浓度小于等于所述总氮浓度上限、总磷浓度小于等于所述总磷浓度上限；所述的得到总磷浓度上限和所述的得到总氮浓度上限的方法具体为：利用简单线性回归模型获取叶绿素a浓度和总氮浓度的关系式a’、叶绿素a浓度和总磷浓度的关系式b’，然后将叶绿素a＝20μg/l代入关系式a’或关系式b’，得到总氮浓度上限或总磷浓度上限；换水周期35天以下为换水周期低，换水周期大于35天为换水周期高；水草盖度为50％以下为水草盖度低，水草盖度大于50％为水草盖度高；水深5米以下为水深低，水深大于5米且在15米以下为水深中，水深大于15米为水深高。当某湖泊类型换水周期低或水草盖度高时，此时，叶绿素a和营养盐的定量关系可能不具备统计上的显著性，因此不对其设置营养盐浓度上限，藻类水华防控应以维持原有的快速换水周期和丰富水草为主。当某湖泊类型水深高值时，同时具备较高的氮磷质量比，此时叶绿素a和总氮的关系式不具备统计上的显著性，因此藻类水华防控以控磷为主，不对其设置总氮浓度上限。优选的，步骤(1)所述不同湖泊水体的数量应不少于35个。本发明的有益效果在于：湖泊营养盐分类管理方案的有益效果：(1)营养盐管理的保护目标更为明确。当前营养盐削减方案主要的参考资料是《地表水环境质量标准》，该文件在考虑了水体使用功能的基础上设置了总氮和总磷阈值。而营养盐上限的设定更为科学，其是以生态系统健康或人体健康为出发点，通过与营养盐之间的定量关系制定其阈值上限。本方案提出的营养盐上限可以有效的保护人体健康和生态系统健康，保护目标明确。(2)节约经济成本，提高管理效率。比如，东部平原湖泊的案列表明，不同类型的控制到相同的藻类水华风险，所需控制水体氮、磷浓度水平并不一致。而当前全国通用的营养盐阈值必然会造成一些湖泊的过度保护或保护不足的现象。又如，东部平原湖泊的大型深水水库的藻类生长主要受到磷的限制，因此应以控磷为主。《地表水环境质量标准》中规定所有水体都需要采取氮磷双控策略，额外的控氮会很大程度上增大流域营养盐削减的经济成本。因此，通过湖泊营养盐分类管理的方式，可以很大程度上提高营养盐管理的效率，节约经济成本。(3)本发明公开了一种基于湖泊生态背景划分的、可用于精准实施湖泊营养盐分类治理的方法，所涉及的基于湖泊营养盐分类的治理方法具有充分的生态学依据，分类结果具备客观性。同时，本发明得出的基于湖泊营养盐类型的管理方案，具有因地制宜的优势，可以提高管理效率，节约经济成本。下面结合具体实施案例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。附图说明图1为实施例1所调查的湖泊分布图。图2为实施例1利用95％分位数回归模型，分别获取东部平原生态区湖泊的叶绿素a浓度和总氮浓度，以及叶绿素a浓度和总磷浓度的定量关系图。其中，叶绿素a浓度和总磷浓度的单位为μg/l，总氮浓度的单位为mg/l。图3为实施例1中划分的类型1-3中，叶绿素a浓度和总氮浓度，以及叶绿素a浓度和总磷浓度的定量关系图，叶绿素a浓度和总磷浓度的单位为μg/l，总氮浓度的单位为mg/l。具体实施方式实施例1(1)如图1所示，对我国东部平原生态区进行采样，获得各湖泊夏季的水深、换水周期、总氮浓度、总磷浓度、叶绿素a浓度和水草盖度的数据集；(2)如图2所示，采用简单线性回归模型分析总磷浓度、总氮浓度和叶绿素a浓度(虚线所示)得出的叶绿素a浓度和总氮浓度的关系式a，以及叶绿素a浓度和总磷浓度的关系式b，由于关系式ab的决定系数(r2)均小于0.5，则营养盐有分类管理必要性；(3)如图2所示，利用95％分位数回归模型分别获得叶绿素a浓度和总氮浓度的关系式i，以及叶绿素a浓度和总磷浓度的关系式ii(实线所示)；在分析前，对叶绿素a浓度、总氮浓度和总磷浓度分别进行对数转换；(4)将各湖泊的总氮浓度分别代入关系式i，得到各湖泊的叶绿素a浓度计算值i，之后计算各湖泊的叶绿素a浓度计算值i与叶绿素a浓度的实际值之间的差值，记为湖泊背景因子影响值i；将各湖泊的总磷浓度分别代入所述关系式ii，得到各湖泊的叶绿素a浓度计算值ii，之后计算各湖泊的叶绿素a浓度计算值ii与叶绿素a浓度的实际值之间的差值，记为湖泊背景因子影响值ii；(5)利用广义加性模型分别得出各湖泊背景因子(水深、换水周期和水草盖度)对湖泊背景因子影响值i以及湖泊背景因子影响值ii的解释率(即r2)，结果如表1所示：表1换水周期、水深和水草盖度对湖泊背景因子影响值i和湖泊背景因子影响值ii的解释率解释率计算值r换水周期-i28.5％r换水周期-ii31.1％r水深-i19.4％r水深-ii6.8％r盖度-i1.3％r盖度-ii1.4％(6)根据表1可知，第一影响因子和第二影响因子分别为换水周期和水深，基于这两个因子将湖泊分为6类，如表2所示：表2湖泊分类表湖泊类型第一因子第二因子主要湖泊组成类型1换水周期高水深高以大型人工深水水库为主类型2换水周期高水深中以小型的人工水库为主类型3换水周期高水深低以江湖阻隔型的自然湖泊为主类型4换水周期低水深低以通江的自然湖泊为主类型5换水周期低水深高无对应湖泊类型6换水周期低水深中无对应湖泊其中，换水周期35天以下为换水周期低，换水周期大于35天为换水周期高；水深5米以下为水深低，水深大于5米且在15米以下为水深中，水深大于15米为水深高。根据上述分类，将各个湖泊进行对应，得到如表3所示的结果：表3东部平原各湖泊类型组成名录类型1类型2类型3类型4太平湖军山湖南四湖石臼湖花亭湖水库化农水库南漪湖高邮湖柘林水库龙王山水库白马湖洞庭湖梅山二圣水库阳澄湖鄱阳湖响洪甸句容水库滆湖洪泽湖佛子岭金牛湖水库武昌湖千岛湖三岔水库巢湖赵村水库长湖老鸭坝水库黄盖湖横山水库洪湖沙河水库梁子湖磁湖龙感湖骆马湖太湖(7)对于类型4的湖泊，该类型湖泊低的换水周期限制了藻类生长，使得叶绿素a和总氮、叶绿素a和总磷关系均无显著关系，其藻类防控应保持低换水周期；对于类型1的湖泊，利用简单线性回归分析得到总磷浓度上限，之后对于该类型的湖泊，控制其总磷浓度小于等于所述总磷浓度上限；对于类型2和类型3的湖泊，对同一类型的湖泊利用简单线性回归分析得到总氮浓度上限和总磷浓度上限，之后对于该类型的湖泊，控制其总氮浓度小于等于所述总氮浓度上限、总磷浓度小于等于所述总磷浓度上限；结果如图3和表4所示：表4湖泊营养盐分类治理方案湖泊类型总氮浓度上限(mg/l)总磷浓度上限(μg/l)治理方案类型123.9控制总磷浓度类型20.5825.2氮磷双控类型30.6735.5氮磷双控类型4保持低换水周期当前第1页12