滴水湖富营养化评价及叶绿素a与水质因子的多元分析

论文摘要

滴水湖地处东海之滨的临港新城,是目前国内在尚未成陆的海滩上开挖的最大人工湖,2002年6月正式开挖,2003年10月开始蓄水。滴水湖呈圆形,直径2.66公里,总面积5.56平方公里,平均水深3.7米,最深处6.2米,湖水主要源自黄浦江,流至大治河后,经引水河汇入滴水湖。作为上海地区重点建设的人工景观湖,滴水湖是临港新城水系的核心,承担着临港新城防汛排涝、置换水体功能的作用,同时对塑造城市景观生态、优化地区小气候起着不可估量的作用。本研究于2009年1月至2010年12月间,对滴水湖及其水系进行了一系列水质调查,对氮、磷营养元素及叶绿素a的时空变化规律及水体营养水平进行了分析,并进一步对叶绿素a与水质因子进行了多元回归,从而为滴水湖的环境保护和管理提供科学依据。主要研究方法与结果如下:1.根据湖泊和水库采样技术指导的相关规定,2009年在滴水湖分引水河道、河湖混合区和湖区三个区域,设置16个采样点;2010年在整个滴水湖水系分大治河、闸外引水河、闸内引水河和滴水湖四个区域,设置11个采样点进行监测分析。每两周采样一次,监测了包括透明度（SD,m）、pH值、水温（T,℃）、溶解氧（DO,mg/L）、悬浮物（ss,mg/L）、高锰酸盐指数(CODMn,mg/L)、亚硝酸盐（NO2-N,mg/L）、硝酸盐氮（NO3-N,mg/L）、氨氮（NH3-N,mg/L）、总氮（TN,mg/L）、活性磷（PO4-P,mg/L）、总磷（TP,mg/L）和叶绿素a（Chl.a,mg/m3）13个水质指标。营养化水平评价采用综合营养状态指数法。叶绿素a与水质因子的多元分析应用SPSS15.0软件。2.2009年滴水湖pH值都在天然水的正常范围（6～9）内且波动较小;河道、河湖混合区、湖区年平均水温分别为:19.9±8.2℃、19.7±8.2℃和19.6±8.1℃。各区域透明度均在0.7m以下,冬季及早春透明度相对较高,夏秋季节透明度较低,自2009年4月下旬透明度下降到0.4m以下,直至11月下旬才重新升高;悬浮物平均值分别为:30.90mg/L、29.61 mg/L和33.18 mg/L,呈现冬季及早春季节含量较低、夏秋季节较高的规律。三区域透明度与悬浮物均呈极显著负相关。滴水湖溶解氧含量较高,均达到Ⅰ类或Ⅱ类水质标准,其浓度随季节变化呈现一定的规律性,夏秋季普遍较低,春季和冬季溶解氧都较高。高锰酸盐指数总体含量较低,各区域均达到Ⅱ类或Ⅲ类水质标准。3. 2009年,三区域总氮最高值均出现在3月,超过了Ⅴ类水质标准,随后总氮浓度呈现一定的波动,范围为0.80mg/L～2.00mg/L。所有监测数据则中,总氮属Ⅳ～Ⅴ类的占60%,劣Ⅴ类占10%。无机氮占总氮的65%左右,是氮元素的主要存在形式。无机氮中硝酸盐氮比例最高,氨氮次之。三区域中引水河道和河湖混合区自净程度中等,湖区略差。总氮从河道至湖区呈下降趋势且各区域差异极显著。4.总磷浓度在2009年1月、2月和12月较低,均在0.10mg/L以下;4月～7月浓度相对稳定,维持在0.10mg/L左右;各区域均于3月中旬出现最高峰,11月中旬出现次高峰;变化范围为0.043mg/L～0.271mg/L, 65%处于Ⅵ～Ⅴ类,2%的监测数据超过Ⅴ类水范围;总磷各区域无显著性差异。5.叶绿素a含量（0.05 mg/m3～139.50 mg/m3）变化幅度较大,2009年各区域年均值均超过50mg/m3,5月份显著上升出现最高峰,达到110 mg/m3左右。叶绿素a各区域亦无显著性差异。6.研究进行的两年期间,滴水湖营养化水平以轻度富营养化为主,相比2009年,滴水湖2010年的营养化水平有所降低,富营养化现象有所好转。其中总磷和叶绿素a含量较2009年总体下降。2010年滴水湖TLI（TP）年平均值比2009年湖区下降了约25%,最大值和最小值分别下降了17%和32%;2010年TLI（Chl.a）的年平均值也比2009年下降了约10%。7.叶绿素a含量与水质因子关系复杂,不同的监测点位,对叶绿素a含量有显著影响的水质因子各不相同。总体而言,叶绿素a含量与透明度、亚硝酸盐氮呈显著负相关,与水温呈显著正相关,与氨氮仅在一号码头呈极显著正相关,与硝酸盐氮在不同站点出现正负两种显著相关,叶绿素a含量与pH、以水温为控制条件的溶解氧、高锰酸盐指数、总氮及总磷相关性不显著。根据相关性及实际情况,建立逐步回归方程时,不同站点的入选因子也各有差异,多次入选的水质因子有水温、透明度、氨氮和硝酸盐氮。8.选取2009年滴水湖湖区部分采样点,取对数进行相关性分析可知,lg(YChl.a)与lg(XTN)相关性不显著,与lg(XTP)呈极显著正相关,与lg(XTN/TP)呈显著负相关。据此建立回归方程:lg(YChl.a)=2.146+0.5301lg(XTP),lg(YChl.a)= 2.017-0.2751lg(XTN/TP),与前人研究符合性较好,较逐步回归方程在实践中更有指导意义。

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ABSTRACT

第一章综述

1.1 湖泊富营养化现状及危害

1.1.1 国内外湖泊富营养化的现状

1.1.2 湖泊富营养化的危害

1.2 湖泊富营养化的防治

1.2.1 湖泊污染源控制

1.2.2 湖泊富营养化的治理

1.2.3 湖泊环境日常管理

1.3 湖泊营养状态的评价方法

1.3.1 营养状态指数法

1.3.2 营养度指数法（AHP—PCA 法）

1.3.3 评分法

1.3.4 人工神经网络法

1.3.5 模糊数学法

1.3.6 物元分析法

1.4 滴水湖概况及本研究的意义

1.4.1 滴水湖概况

1.4.2 本课题的研究意义

第二章材料与方法

2.1 站点布设与采样频次

2.2 监测指标与方法

2.3 富营养化评价方法

2.3.1 评价因子营养状态指数计算公式

2.3.2 综合营养状态指数计算公式

2.3.3 相关权重计算公式

2.3.4 湖泊（水库）营养状态分级

2.4 叶绿素a与水质因子的多元分析方法

第三章滴水湖主要水化学特征

3.1 pH 值

3.2 水温

3.3 透明度与悬浮物

3.3.1 透明度

3.3.2 悬浮物

3.4 溶解氧

3.5 高锰酸盐指数

3.6 氮、磷元素及叶绿素a空间分布规律

3.6.1 氮、磷元素和叶绿素a

3.6.2 氮、磷元素及叶绿素a 含量空间分布规律

3.7 总氮、总磷及叶绿素a时间变化规律

3.7.1 总氮的年变化规律

3.7.2 总磷的年变化规律

3.7.3 叶绿素a 的年变化规律

第四章滴水湖水体各区域营养化水平研究

4.1 2009 年滴水湖各区域营养化水平评价

4.1.1 2009 年滴水湖引水河道区域营养化水平评价结果

4.1.2 2009 年滴水湖河湖混合区营养化水平评价结果

4.1.3 2009 年滴水湖湖区营养化水平评价结果

4.2 2009 年滴水湖各区域营养化水平分析

4.3 2010 年滴水湖水系各区域营养化水平评价

4.3.1 2010 年滴水湖水源大治河营养化水平评价结果

4.3.2 2010 年闸外引水河营养化水平评价结果

4.3.3 2010 年闸内引水河营养化水平评价结果

4.3.4 2010 年滴水湖营养化水平评价结果

4.4 2010 年滴水湖水系营养化水平分析

4.5 滴水湖营养化水平年际变化分析

第五章滴水湖水体各区域叶绿素a与水质因子的多元分析

5.1 叶绿素a与水质因子的多元分析

5.2 叶绿素a与水质因子的逐步回归分析

Chl.a)与 lg( X_TN)、 lg( X_TP)及 lg( X_TN/TP)的相关性分析'>5.3 lg(Y_Chl.a)与 lg( X_TN)、 lg( X_TP)及 lg( X_TN/TP)的相关性分析

第六章结论

6.1 滴水湖水化学特征

6.1.1 基本水质情况

6.1.2 氮、磷及叶绿素 a 基本规律

6.1.3 氮、磷及叶绿素 a 随时间变化特点

6.2 营养化评价结果

6.2.1 2009 年滴水湖各区域营养化水平评价结果

6.2.2 2010 年滴水湖水系各区域营养化水平评价结果

6.2.3 滴水湖营养化水平年际比较结果

6.3 滴水湖水体各区域叶绿素a与水质因子的多元分析结果

参考文献

致谢

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