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水生植物修复富营养化水体应用研究综述刘建英，周湘灿（江苏农林职业技术学院，江苏镇江212400）首先对水体富营养化现象以及水生植物修复富营养化水体进行了概述，然后重点阐述了水生植物修复机理及具体应用（包括污水净化应用、湿地生态修复应用、生物浮床技术应用），最后从5个方面指出未来水生植物修复水体技术的应用研究重点。
水生植物；富营养化；修复响，以江苏南部区域为例，适生的挺水植物有黄菖蒲、香蒲、芦苇、千屈菜、旱伞草、荷花等；浮水植物有睡莲、芡实、萍逢草、莼菜、凤眼莲等；沉水植物有苦草、黑藻、轮叶黑藻、金鱼藻、狐尾藻、菹草等。
不同水生植物种类、不同水生植物种类组合等都将影响修复的效果。
2水生植物修复机理2.1水生植物根区法修复原理德国学者Kickuch 在1977年首次提出根区法理论，以后的水生植物修复水体的机理都是以此为核心，并在这个基础上发展而来。
水生植物利用根区生化效应修复水体的原理包括2个方面。
一方面，它们从地上部分吸收氧气并将其输送到根部，由植物的根细胞扩散到根部，在地下形成一个好氧的微环境。
好氧微生物在好氧环境中繁殖，分解有机物。
另一方面，在根较少的地方形成厌氧区和兼氧区，有利于硝化与反硝化wt 作用，达到脱氮除磷的目的。
2.2水生植物的吸收、吸附和过滤作用水生植物需要吸收大量的N 、P 等营养元素以满足其生长，其发达的根系对水体中氮磷的富集与转移具有良好的效果[11]。
同时，水生植物通过植株对污染物质的吸附和过滤作用实现水体的部分净化作用。
2.3水生植物对藻类的抑制作用水体中浮游藻类的过度生长会导致水体富营养化，而水生植物与浮游植物相比，在养分与光能的利用上具备竞争优势。
在生长过程中，水生植物的生命周期长，植株体积大，吸收和贮存养分的能力强，能较强地抑制浮游藻类的生长[12]，具有一定的克藻效应[13]。
3水生植物修复的具体应用3.1污水净化应用纽约州农业和生物科学院的Willian J.Jewell 认为，以水生植物为基础的生态处理系统的净化效果与典型的生化处理系统相同[14]。
文章编号：2095－6835（2019）22－0024－05湖泊水华暴发原因解析与防控措施高翔1，姜霞2（1.北京大学附属中学，北京100080；2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室；国家环境保护湖泊富营养化控制与生态修复重点实验室，北京100012）摘要：湖泊在中国的社会经济发展中起着至关重要的、不可替代的作用，在当前湖泊生态保护领域，比较突出的问题是富营养化。
水华是湖泊富营养化的主要表现形式，严重地影响了水资源的利用和使用。
调研了引起和导致湖泊富营养化和水华暴发的生物学机制和非生物学机制，分析对其影响显著的人类活动过程，针对性地提出富营养化和水华防控的对策，以期保护和恢复湖泊健康的生态系统，促进其可持续发展。
关键词：湖泊；富营养化；水华；生物学因素中图分类号：X524文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2019.22.0061湖泊富营养化和水华发生现状湖泊的富营养化指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊，浮游藻类建立优势导致水生态系统的结构破坏和出现功能异化的过程。
在富营养化现象发生时，水体中的溶解氧大幅减少，透明度严重降低，水质变差，引发大量水生生物的死亡。
在自然演变过程中，湖泊由贫营养向富营养化转变，但速度十分缓慢。
但是，在人类作用下，尤其是大量含有营养物质的水排入湖泊，会导致水体在短时间内出现富营养化问题。
早在20世纪四五十年代，国外工业化革命和现代生活方式使得湖泊富营养化问题层出不穷，引起了科学界的广泛关注。
目前，这一问题备受世界关注，极具普遍性，是不容忽视的环境问题。
湖泊在中国社会经济发展中起着至关重要的作用，提供了全国1/3的饮用水，支撑了1/3的工农业产值和1/4的粮食产量。
同时在调节洪水、发电、气候调节、动植物生物多样性保障和休闲娱乐等方面发挥了非常重要的作用。
《水十条》实施以来，纳入国家断面考核的湖泊数量由2015年的62个增加到现在的112个。
水体富营养化、赤潮和水华内容摘要：今年来世界各地的水质越来越差，水中营养物质大量聚集，赤潮、水华现象屡见不鲜，它们到底由什么原因导致的？由什么危害？又有什么方法可以治理呢？关键词：水体富营养化、赤潮、水华、原因、危害、对策一水体富营养化1什么是水体富营养化水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。
2水体富营养化的原因水体富营养化的主要原因在于水中氮、磷的大量富集，从而导致藻类等浮游植物的疯狂繁殖。
而营养物质从何而来呢？它们主要来自于农田、农业废弃物、城市污水何某些工业污水。
污水中的氮由有机氮何无机氮组成。
有机氮如蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等。
无机氮如氨氮、亚硝酸态氮等。
（1）它们中大部分直接来自污水，但也有一部分是有机氮经微生物分解转化作用而形成的。
（2）城市生活污水中含有丰富的氮、磷，如人体排泄含有一定数量的氮，使用含磷洗涤剂，含有大量的磷等。
（3）另外如磷灰石、硝石、鸟粪层的开采、化肥的大量使用，也使水中的氮、磷大量富集。
3水体富营养化的危害在自然界物质的正常循环中，湖泊会由贫营养湖发展为富营养湖，进一步又发展为沼泽地和干地，但这一历程需要很长的时间，在自然条件下需几万年甚至几十万年。
但由于水体污染而造成的富营养化将大大促进这一过程。
如果氮、磷等植物营养物质大量而连续地进入湖泊、水库及海湾等缓流水体，将促进各种水生生物的活性，刺激它们异常繁殖，这样就带来一系列严重后果：（1）富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。
溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。
（2）因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。
中国的湖泊⽣态系统动⼒学模型研究始于20世纪80年代，主要集中在滇池、太湖、东湖、巢湖、西湖等富营养化严重的湖泊以及其他⽔体。
⽬前，已有⼀些软件⽤于湖泊⽣态系统动⼒学模拟，有CE-QUAL-ICM、WASP、AQUATOX、Pamolare、CAEDYM 等，以及⽤来模拟湖泊能流的软件ECOPATH.近年来应⽤较多的是美国环保署开发的WASP，其建模原理是⽔量和污染物质在时空上的守恒，模型由两个⼦模型构成，可以模拟任何地表⽔体。
Pamolare（PlanningandManagementofLakesandReservoirs）由联合国环境规划署（UNEP）国际环境技术中⼼（IETC-UNEP）和国际湖泊环境委员会（ILEC）联合开发。
该软件包根据复杂性不同，由4个⼦模型构成，并在LakeGlums湖得到应⽤与测试。
在建模⽅法上，⼀般以质量平衡⽅程为基础，主要考虑：物理扩散迁移，⽣化反应及源、汇等因素；模拟对象则包括细菌、浮游动植物和底栖⽣物及鱼类等的⽣长与死亡，⽣源要素（氮、磷等）的循环以及BOD、DO的动⼒过程等等。
建模时对时空尺度的选择很重要。
物理、化学过程相对于⽣物过程，时空尺度要⼩得多，如果尺度选择过⼩，模型运算量、存储量就很⼤，⽽且⽣物过程⼏乎不显著；反之，物理、化学过程就得不到充分体现。
因此，在模拟过程中，需要结合模拟⽬的对尺度进⾏权衡选择。
⽣态系统模型虽然考虑因素多，对系统的描述很全⾯，但不可避免的也有其缺点。
这类模型所需数据多，很少有湖泊可以提供充⾜的数据，这就限制了模型的应⽤。
由于对⼀些机理尚未搞清楚，参数选择仍是经验估计，精度并没有预期那么⾼。
参数选择上多是参照具体的研究对象，模型中因包含湖泊具体的内部关系，⽽使建⽴在某⼀湖泊上的模型具有的个性特征。
因此，这样的模型还是有很⼤局限性的，并且计算量⼀般都很⼤。
模型发展⽅⾯，变量是重要的制约因素。
有些状态变量，如鱼类及浮游动物⽣物量很难在现场连续观测获得实测数据，这样就不可能在实际观测数据基础上进⾏校正，因此模型的灵敏度、可靠性就得不到有效提⾼。
海河干流水华暴发特征及对DOM和重金属生物有效性的影响一、引言水华是一种由蓝藻或其他浮游植物过度繁殖引起的水体现象，是当前全球水环境面临的严重问题之一。
海河干流是中国重要的河流之一，其水华问题也备受关注。
本文旨在探讨海河干流水华的暴发特征以及其对溶解有机物（DOM）和重金属生物有效性的影响。
二、海河干流水华暴发特征2.1 水体富营养化海河干流由于受到城市和农业活动的影响，其富营养化现象十分明显。
过度施肥、农药和污水排放等因素导致了大量营养物质进入水体，为蓝藻等浮游植物生长提供了条件。
2.2 外源污染源输入除了富营养化导致的内源性污染，海河干流还受到大量外源性污染源输入的影响。
工业废水、农业面源污染以及城市排放等都会向海河干流输入有机负荷和重金属等污染物质。
2.3 水体环境因子变化水华的暴发往往伴随着水体环境因子的变化。
海河干流水华暴发时，水体温度、光照强度、溶解氧含量等因子都会发生相应的变化，为蓝藻等浮游植物的生长繁殖提供了适宜的环境条件。
三、海河干流水华对DOM的影响3.1 DOM浓度增加海河干流水华暴发时，蓝藻等浮游植物通过光合作用大量吸收溶解无机碳，导致DOM浓度明显增加。
DOM的增加不仅会影响水体透明度和营养盐循环，还会对生物活性有机物质和重金属离子形态转化产生重要影响。
3.2 DOM组成变化海河干流水华暴发时，DOM组成也会发生相应的变化。
研究表明，DOM中富含具有高分子量和复杂结构的有机物质，在一定程度上影响了溶解态重金属离子形态分布。
3.3 DOM对生态系统功能影响DOM不仅是营养物质的载体，还对生态系统的结构和功能具有重要影响。
海河干流水华暴发时，DOM的增加会影响水体中微生物的组成和活性，进而影响水体中有机负荷和重金属的生物有效性。
四、海河干流水华对重金属生物有效性的影响4.1 重金属离子形态转化海河干流水华暴发时，DOM中存在的有机物质会与重金属离子发生络合反应，影响其形态转化。
湖泊富营养化水质模型的构建及应用湖泊是人类赖以生存的重要资源之一，同时也是自然生态系统的重要组成部分。
然而，随着人类活动的不断扩张和城市化的加剧，湖泊受到了越来越多的污染和破坏，水质问题也日益突出。
其中，湖泊富营养化是目前湖泊水质问题的主要形式之一，对湖泊的健康和生态平衡产生了严重影响。
因此，研究湖泊富营养化水质模型的构建和应用具有重要的理论和实践意义。
一、湖泊富营养化水质模型的构建1.1 湖泊富营养化的特征及影响因素湖泊富营养化是指湖泊中营养物质（如氮、磷等）的浓度过高，从而导致水体生产力和水生生态系统的异常增长。
同时，湖泊富营养化还会引起水体透明度降低、水体的氧化还原电位变化等一系列影响。
影响湖泊富营养化的因素较为复杂，主要包括自然和人为因素。
自然因素常见的包括湖泊水体的深度、水流速度、水位变化等；而人为因素主要包括工业、农业、城市化等活动导致的人为污染。
1.2 基于质量平衡的水质模型建模湖泊富营养化水质模型是指在考虑影响湖泊水质的各种因素的基础上，通过建立湖泊内营养物质的质量平衡方程，模拟湖泊水质的变化规律。
具体来说，湖泊富营养化水质模型建模的过程主要包括以下几个方面：（1）确定输入物质。
这包括确定营养盐输入通量、湖泊周围的地下水输入通量、湖泊内沉积物释放通量等。
（2）建立营养盐输运和转化方程。
通过建立营养盐输运方程及其物质平衡和动力学转化方程，确定湖泊内的各种营养物质的分布和转化规律，以及水体中营养盐的浓度等信息。
（3）根据某一时刻的输入和转化，确定该时刻的水质特性和各项生态指标等。
1.3 常见的湖泊富营养水质模型（1）SEDMOD模型SEDMOD模型是一种较为经典的湖泊富营养化水质模型，适用于考虑沉积物中营养物释放对湖泊水质的影响。
该模型基于物质平衡原理，可以同时模拟湖泊水质的空间和时间分布规律。
（2）CE-QUAL-W2模型CE-QUAL-W2模型是一种基于二维水动力学模型的湖泊富营养化水质模型。
湖泊富营养化与藻类水华暴发湖泊富养分是指湖泊水体中含有大量的氮、磷等养分物质，这些养分可刺激藻类的生长，导致藻类水华的暴发。
富养分是湖泊富营养化的主要原因之一，也是全球范围内湖泊面临的重要环境问题之一。
湖泊富营养化是过去几十年来湖泊水质恶化的核心问题之一。
许多湖泊逐渐发生藻类水华，藻类的大量繁殖使得湖泊水质急剧恶化，威胁到生态系统的健康和人类的生活。
而湖泊富营养化与藻类水华暴发之间存在着紧密的联系。
首先，湖泊富营养化与农业密不可分。
农业排放的农药、化肥等有机和无机物质都会通过农田径流进入湖泊，增加湖泊中的营养物质含量，进而导致湖泊富养分。
农业生产对于维持人类社会的正常运转至关重要，但是农业活动对水体的污染已成为了一项严重的环境问题。
因此，合理使用农药和化肥，控制农耕区域的养分输入，是减缓湖泊富养分的重要措施。
其次，城市的快速发展也是湖泊富养分的原因之一。
随着城市化进程的不断加快，工业污水、生活废水等大量污染物被排放到湖泊中，其中包括大量的氮、磷等养分物质。
这些污染物质进入湖泊后，加速了湖泊富养分的形成过程。
因此，加强城市污水处理、提高废水处理的效率，减少养分物质进入湖泊是控制和减缓湖泊富养分的关键。
此外，气候变化也对湖泊富营养化造成了一定的影响。
随着气候的变暖，湖泊水温升高，增加了藻类的繁殖速度。
气候变化还会改变降雨和径流的分布和强度，影响养分物质的输入和湖泊水质的变化。
因此，应对气候变化，减缓全球变暖，对于控制湖泊富养分至关重要。
为了解决湖泊富养分问题和藻类水华暴发，应采取一系列的综合措施。
首先，加强对农业生产的管理，推广农业绿色发展模式，合理使用化肥和农药，减少面源养分的输入。
其次，加强城市废水处理，提高处理效率，减少养分物质排放到湖泊。
再次，推广水质监测和预警体系，及时发现和处理湖泊富营养化和藻类水华暴发。
最后，加大公众环保宣传和教育力度，提高公众的环保意识和行动力，共同参与到湖泊保护中。
水体富营养化与藻华爆发发生机制研究随着工业化和城市化进程的加快，水体富营养化问题日益凸显，成为环境保护的重要难题之一。
富营养化是指在某一区域内，由于过量的营养物质输入，导致水体中某些物质浓度过高，从而引起多种生态环境问题的一种水体污染现象。
其中，藻华爆发是水体富营养化的一种典型表现，对水生生态系统产生了极其严重的影响。
因此，本文将主要介绍水体富营养化与藻华爆发发生机制的相关研究。
一、水体富营养化的影响因素1.人类活动人类生产和生活活动产生的废水中含有大量的氮、磷等养分物质。
如果这些废水直接进入自然水体中，将会导致水体营养物质含量提高而引起富营养化。
2.大气沉降大气中的氮、磷等养分物质也会随着降水而沉入水体中，导致水体富营养化现象。
3.自然因素浅水湖泊、静水区、地下水体等有限水源特殊性质、气候变化、以及植被性质等，也是影响水体富营养化的重要因素。
二、藻华爆发的发生机制1.氮、磷营养盐供应不足如果水体中的氮、磷营养盐供应不足，则藻类生长所需要的养分摄取量会超过供应量，导致生长受限制。
当营养盐供应足够时，藻类的生长量会明显增加。
2.温度过高温度过高会促进藻类的生长，水温升高会导致水体中的养分释放增加，促进藻类的生长。
3.光照强度光照强度可以促进藻类的生长。
过高或过低的光照强度都会对藻类有所影响。
4.水流动性差由于水体流动性差，水体中的氧气含量会减少，而藻类的光合作用需要充足的氧气。
因此，水流动性差也会促进藻类的生长。
三、水体富营养化与藻华爆发的危害1.影响水生生态系统藻华爆发会消耗大量的氧气，导致水中氧气含量减少，从而影响水生生态系统的平衡。
2.影响人类健康藻类的生长会产生有害物质，如蓝藻产生毒素，对人体和动物健康造成威胁。
3.影响经济藻华爆发会造成水质恶化，若不及时采取措施，则会影响渔业、水产养殖、旅游业等经济行业的发展。
四、防治措施1.减少养分输入将废水排放之前进行充分的处理，然后再排放，以减少水体中氮、磷等营养盐物质的输入。
中国环境科学 2006,26(1)：125~128 China Environmental Science 富营养化水体水华暴发的突变模型陈云峰1,殷福才2,陆根法1*(1.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏南京 210093；2.安徽省环境保护科学研究所,安徽合肥 230061)摘要：对南方某水库1991~2004年水质数据进行了系统分析,综合考虑TP、N:P、Chla和DO 4个对该水库富营养化乃至水华影响较大的因子,构建了该水库水华突变的尖点模型.经检验,模型的相对误差控制<5%,具有较好的拟合精度.根据模型的突变判别,水库的水生态系统在1997年发生了突变,这一模拟结论与TP指标的突变判别结论相印证,并与该水库1997年首度暴发水华的实际情况相一致.关键词：水华；突变理论；尖点模型；富营养化；水库中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2006)01-0125-04The catastrophic model of water bloom breaking out of eutrophication waters. CHEN Yun-feng1, YIN Fu-cai2, LU Gen-fa1* (1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2.Anhui Academy for Environment Science Research, Hefei 230061, China). China Environmental Science,2006,26(1)：125~128Abstract：Facing the serious situation of lakes and reservoirs, the prevention and control of algae water bloom was an urgent matter; while the effective premonition of the water bloom based on the eutrophication status quo was the important basic work of preventing and controlling the water bloom. The systemic analysis of the water quality data of certain south reservoir in the years 1991~2004 found that the evolution rule of the April TP and Chla indexes at the reservoir bend monitor section fitted cusp model characteristics of catastrophe theory. As viewed from the aquatic ecosystem, TP, N:P, Chla and DO, four most outstanding factors influencing the eutrophication and water bloom of this reservoir, were synthetically considered; the cusp model of water bloom catastrophe of this reservoir was constructed. Through test the relative error of the model was controlled less than 5% possessing better modeling precision. Based on distinguishing the model catastrophe, the aquatic ecosystem of the reservoir happened catastrophe in the year 1997, this simulating conclusion echoed with the catastrophe distinguishing conclusion of TP index, judged that the first outbreak of water bloom would happen in 1997 in the reservoir. The conclusion was consistent with the fact of water bloom breaking out for the first time in 1997 in the reservoir.Key words：water bloom；catastrophe theory；cusp model；eutrophication；reservoir水华的暴发是水生态系统中营养因子和环境因子综合作用的产物,不仅要求有N、P等营养盐条件,还涉及到温度、pH值、光照、水流、微量元素等诸多因素的共同影响,针对水华情况下水生态系统各因子的研究已有不少的成果[1,2],但研究水华突变事件的模型并不多见[3].作者应用突变理论,以南方某水库为研究对象,构建水体水华突变模型,进行数值模拟,识别该水体水华的暴发条件,为水华的预警以及防治提供科学依据. 1 南方某水库概况南方某水库属深水型过水性水库,20世纪90年代以来,氮磷等营养物质含量逐渐增高(表1).水生态环境恶化,污染物的积累由量变引起质变,该水库从1997年起开始暴发水华,且多集中在春季温湿条件较适宜的4月.收稿日期：2005-06-07基金项目：国家“863”项目(2002AA601012-7)* 责任作者, 教授, lugf@126 中国环境科学26卷表1水库1991~2004年富营养化状况Table 1 Eutrophication state of a certain southreservoir from 1991 to 2004各因子浓度时间(年-月) TP(mg/L) TN(mg/L)Chla(mg/m3)DO(mg/L)1991-04 0.050 1.240 6.4 8.761992-04 0.070 1.500 9.9 6.721993-04 0.060 1.220 8.2 7.621994-04 0.090 0.790 8.9 5.401995-04 0.110 0.940 16.6 4.801996-04 0.122 1.383 24.4 3.001997-04 0.171 1.062 53.4 1.321998-04 0.221 1.145 20.1 1.201999-04 0.248 2.445 12.8 1.802000-04 0.382 2.691 42.4 1.862001-04 0.301 3.685 21.6 2.582002-04 0.380 3.866 39.8 3.422003-04 0.146 2.733 32.2 5.222004-04 0.119 2.647 27.9 4.80 II类水质标准 0.025 0.5 * 6注:* 为暂无国家标准2 突变理论与尖点突变模型突变理论是目前唯一研究由渐变引起突变的系统理论[4],是通过研究对象的势函数来研究突变现象的.系统势函数通过系统状态变量X={x1,x2,……x m}(系统的行为状态)和外部控制参量U={u1,u2,……u n}(影响行为状态的诸因素)来描述系统的行为,即V=f(U,X).这样,在各种可能变化的外部控制参量和内部行为变量的集合条件下,可构成状态空间和控制空间.通过联立求解V′(x)和V″(x),得到系统平衡状态的临界点,突变理论正是通过研究临界点之间的相互转换来研究系统的突变特征的.当系统有2个控制变量和1个状态变量时,称为尖点突变,其势函数和分叉集分别为:V(x)=x4+ux2+vxB=8u3+27v2=0分叉集B就是突变流形M在u-v平面上的投影(图1).突变流形的上、中、下3叶分别代表了系统可能的3个平衡位置,即上下2叶是稳定的,中叶是不稳定的.在从上叶到下叶或从下叶到上叶的转换中,如果跨越了折叠线(即∆=0),系统的状态将发生突跳.图1 尖点突变的一般形态Fig.1 The general form of the cusp catastrophe3 水质指标的突变判别对表1中的TP指标1991~1996数据进行突变判别.采用最小二乘法,将所考察指标的时间序列数据做4次多项式拟合:y(t)=b0+b1t+b2t2+ b3t3+b4t4(1) 令t=x-q,其中:q=b3/4b4,通过变量代换,消去式(1)中的3次项,即可转化为尖点突变的标准型:y(x)=d0+d1x+d2x2+ d4x4(2) 其中:24432332122141432106310010000bq q q qdbd q q qbd q qbdb⎡⎤⎡⎤−−⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦进一步进行变量代换,令4()()F xV xd=,得:V(x)=x4+Px2+Qx+C根据尖点模型的分叉集计算公式,进行突变判别:B = 8P3+27Q2<0如果不等式成立,说明该考察指标已在考察的时间序列内发生了突变.控制变量11期陈云峰等：富营养化水体水华暴发的突变模型 127TP指标1991~1996年数据经上述处理后, B=8P3+27Q2=-48543<0满足突变条件,这与该水库1997年第1次暴发水华的实际情况相吻合.运用相同的方法对1991~1996年的Chla、TN和DO数据进行处理后发现,Chla满足突变判别式的要求,而TN和DO则不满足.由此可见,在水库富营养化引发水华的过程中,TP和Chla指标的演化符合尖点突变的模型特征.下面将进一步从整个水生态系统角度,构建南方某水库水华的突变模型,通过模型对水华情势进行数值模拟.4 水华突变模型4.1 模型结构TP在考察时间段内发生了突变,故采用它作为系统的状态变量x,表征水生态系统的富营养化状态;总结以前对水库的研究成果,选取对水库富营养化影响最为突出的N/P和DO作为系统的控制变量u和v;采用Chla作为系统的势函数V,表征水体藻类的生长状态和暴发水华的趋势.如此,由2个控制变量和1个状态变量,可以构建尖点模型对表1的数据进行拟合.4.2 数据的预处理为了解决模型等式两边的量纲统一问题,需要对各参变量做无量纲化处理.TP*:参考国内各湖泊富营养化标准中的TP 取值[5],按公式TP*=TP/0.11,计算水库中磷的超标率,作为状态变量TP*.N/P*:该水库的优势藻类属蓝藻门,相关的研究表明,12以上的氮磷比将抑制南方某水库中蓝藻对磷的吸收,故按公式N:P*=(TN:TP-12)/TN: TP,计算氮磷比适宜度,作为控制变量N:P*.DO*:参考II类湖泊水质标准中的溶氧取值,按公式DO*=DO/6,计算溶氧的不饱和度,作为另一个控制变量DO*.Chla*:通过转换系数k,按公式Chla*= Chla/k,去除叶绿素的量纲,作为势函数Chla*.经过数据的预处理,该水库水华突变模型即可表示为:Chla*= TP*4+N:P*⋅TP*2+DO*⋅TP*(3) 4.3 数据拟合选用水库首次水华暴发前的1991~1997年数据,利用最小二乘法进行拟合,求得叶绿素的转换系数k=11.36,带回模型中进行逐年的模拟计算后,与各年的实际值进行比较,并根据分叉集判别式对各年是否发生水华突变进行计算和判别(表2).表2 1991~2004年数据拟合与突变判别结果Table 2 Result of data fitting and catastropheidentification from 1991to 2004时间(a)TP* N:P*DO*Chla*相对误差%突变判别(B) 19910.45 0.52 1.460.56 2.8 58.6519920.64 0.44 1.120.87 3.0 34.5519930.55 0.41 1.270.72 -4.4 44.1019940.82 -0.370.900.78 -4.2 21.471995 1.00 -0.400.80 1.46 -4.5 16.751996 1.11 -0.060.50 2.15 -3.9 6.75 1997 1.55 -0.930.30 4.70 4.7 -5.171998 2.01 -1.320.20 1.77 717.0-17.161999 2.25 -0.220.30 1.13 2284.9 2.35 2000 3.47 -0.700.31 3.73 3831.4-0.192001 2.74 0.02 0.43 1.90 3020.8 4.99 2002 3.45 -0.180.57 3.50 4141.48.73 2003 1.33 0.36 0.87 2.83 80.4 20.812004 1.08 0.46 0.80 2.46 14.2 18.06由表2可见,1997年之前,模型的拟合精度令人满意,相对误差控制在±5%以内.1997年的∆<0,根据突变判别系统发生了突变.这一结论与上述TP的判定结论相呼应,并与当年水库暴发水华的实际情况相符;1997年以后,水华的发生严重损坏了水库水生态系统的功能,各项指标数据不再与尖点模型相吻合;但随着近年来各项环境保护和生态重建项目的实施,崩溃了的水库水生态系统开始得以逐步恢复,模型的拟合精度也逐渐提高(2004年相对误差达到14.2%).4.4 模型应用4.4.1水华的预警根据尖点模型的突变判别,128 中国环境科学26卷当控制变量满足判别式∆=8u3+27v2<0时,将引起状态变量的突跳,系统会发生突变.根据式(3) Chla*=TP*4+N:P*×TP*2+DO*×TP*,如果掌握了模型控制因子N:P和DO的变化情势,利用突变判定条件: ∆=8u3+27v2=8N:P*3+27DO*2<0,即可对该水库在各种富营养化情势下是否暴发水华进行预警.4.4.2对策措施的预测、优化和统筹为防止突变的发生,就必须对控制变量进行调控,保证∆=8u3+27v2>0.具体到南方某水库,各项对策措施的实施效果可以通过对实施前后的∆值的计算和预测后进行对比,分析其对水华防治的贡献;同时,也根据判别式∆>0的要求,对不同的组合方案进行优化和统筹,以期以最经济的手段获取最佳的整治效果,即在∆>0的约束条件前提下,满足成本最小化的函数目标.min Z = Cost(N:P*)+Cost(DO*)s.t.: ∆=8u3+27v2 = 8N:P*3+27DO*2 >0需要指出的是,本文中水华突变模型的构建方法在运用到其他湖泊水库时,需要考虑地理、气候、水文等方面的差异性,在标准和参数的选取以及对水质数据的处理方法等方面做适当的调整和修正,甚至在模型的形式上采用更多维的控制变量和状态变量.5 讨论水华是水生态系统中营养物质长期累积的结果,是系统经富营养化长期演化后的极端状态,是一个由量变到质变、由渐变到突变的状态阶跃.这就要求采用的数学模型能够体现这种非连续的、阶跃式的数理特征[4,5].突变理论是目前唯一研究系统运动由渐变引起突变的理论,曾被称为比微分数学更有价值,因为后者只考虑了光滑、连续的过程,而突变理论却提供了一个研究所有跳跃的变迁、不连续性以及突发的质变的一般方法.本案例研究表明,突变模型的应用为富营养化水体的水华现象提供了一条全新的研究思路. 6 结语突变模型不仅可以用来对该水库在各种富营养化状态下是否暴发水华进行预警,还可以对各项防治措施的实施效果进行模拟预测,进而为综合整治方案的优化和统筹提供科学依据.本模型是水华研究方法的一种新的尝试,文中的结论部分尚有待于在其他湖泊水库进行对比研究后作进一步验证.由于数据收集等方面的条件所限,模型也仅考虑了Chla、TP、TN和DO等对该水库富营养化影响较为突出的几个因子,而光照、pH值、水文等参量模型中尚未包括,有待于进一步丰富和完善.参考文献：[1] 周云龙,于明.水华的发生、危害和防治 [J]. 生物学通报,2004,39(6):11-14.[2] 杜桂森,王建厅,张为华,等.官厅水库水体营养状况分析 [J]. 湖泊科学,2004,16(3):278-281.[3] 全为民,严力蛟,虞左明,等.湖泊富营养化模型研究进展 [J]. 生物多样性,2001,9(2):168-175.[4] Collie J S, Richardson K, Steele J H. Regime shifts: canecological theory illuminate the mechanisms [J]. Progress in Oceanography, 2004,60(2-4):281-302.[5] Scheffer M, Carpenter S R. Regime shifts in ecosystems: Modelsand evidence [J]. Trends in Ecology and Evolution., 2003,18: 648-656.作者简介：陈云峰(1969-),男,安徽合肥人,南京大学环境学院博士研究生,主要从事环境数值仿真方面的研究.发表论文10余篇.。
