基于层次分析法-熵权法的河湖健康评估——以无锡蠡湖为例

在水生态安全的基础上,基于层次分析-熵权法模型,构建了蠡湖健康评估体系。将主观评价和客观评价相结合的权重确定方法也提高了评价的科学性和精准性。蠡湖健康状况指数综合得分为87.78,健康综合评价等级为“健康”水平,作为城市景观湖泊在社会服务层面的得分表现良好,由于湖泊连通性差,生物准则层得分较低,从而需要寻找合适的外部水源进行生态补水。

蠡湖水体氮、磷时空变化及差异性分析

蠡湖是一个典型处于从浊水藻型向清水草型转换过渡时期的浅水湖泊.根据2012～2013年周年的现场调查资料和历史监测资料,分析了水体氮、磷的空间分布、变化规律及主要影响因素,并探讨了水体氮、磷形态的时空差异及其相应的控制对策.结果表明,蠡湖仍然没有从根本上解决水体的富营养化问题,水体中氮、磷浓度仍处于一种不稳定的状态,各采样点总氮（TN）浓度在0.74～4.93mg/L之间,平均值为1.35mg/L；总磷（TP）浓度在0.03～0.31mg/L之间,平均值为0.073mg/L.空间上,TN和TP浓度自东向西依次递减,呈现东蠡湖高于西蠡湖,沿岸区高于湖心区的趋势；季节上,TN、TP浓度呈现夏季、秋季较高,而冬季、春季低的特点；水体中氮主要以溶解态为主,DTN占TN的比例在35%～99%之间,平均为77.98%；而磷主要是以颗粒态的形态占优势,颗粒态磷占TP的比例在11%～90%之间,平均值为59%.多元统计表明,TN与DTN和总悬浮物（TSS）之间呈正相关关系,但与TSS的相关性系数较小,而TP与DTP和TSS都呈显著正相关.因此,要降低水体中氮磷浓度,可以从减少通过干湿沉降进入湖泊水体的氮磷或者降低沉积物再悬浮、抑制底泥氮磷释放两个方面入手.

基于三维荧光光谱-平行因子分析技术的蠡湖CDOM分布特征

利用三维荧光光谱(EMMs),并结合平行因子分析法,研究了蠡湖水体中有色可溶性有机物(CDOM)的分布特征及其来源,并探讨了不同组分荧光强度与其他水质因子间的相关性.结果表明,蠡湖水体中CDOM主要由2个荧光组分组成,分别为类色氨酸荧光组分C1(225,280/335)和类腐殖质荧光组分C2(250,300/435),并且C1和C2对总荧光强度的贡献率分别75.70%和24.30%.空间上C1和C2荧光强度自东向西依次递减,呈现东蠡湖高于西蠡湖、沿岸区高于湖心区的趋势.荧光指数(FI)、生物源指数(BIX)和腐殖化指数(HIX)都显示蠡湖水体CDOM来源于自生微生物、藻类等新近自生源,整体呈现弱腐殖质特征.相关性分析表明,CDOM与N、P元素的迁移转化密切相关,并且对透明度有重要影响.

蠡湖水体透明度的时空变化及其影响因素

为揭示浅水湖泊水体SD（透明度）下降的主导因子,根据2012—2013年现场调查资料和历史监测资料,分析了浅水湖泊蠡湖SD的时空分布特征、变化规律及主要影响因素,并重点探讨了SD与ρ（TSS）（TSS为总悬浮物）、ρ（Chla）和ρ（DOC）的相互关系.结果表明：SD在年内变化范围为20.0～209.0 cm,平均值为64.1 cm,总体上呈西蠡湖大于东蠡湖、湖心大于沿岸区的分布趋势;春、夏、秋、冬四季的SD分别为（51.1±15.1）、（41.3±10.6）、（28.3±7.4）和（127.1±43.2）cm,表现为冬季〉春季〉夏季〉秋季,冬季SD平均值可达127.1 cm,而秋季仅有28.3 cm.多元回归分析表明,ρ（TSS）是影响水体SD的最主要因子,其次为浮游藻类生物量;SD与ρ（TSS）呈幂函数关系,拟合方程为y=220.61x-0.545 0.

蠡湖沉积物不同形态氮赋存特征及其释放潜力

为了揭示蠡湖沉积物中氮对上覆水体的影响,采用连续分级提取法研究了各形态氮的空间分布特征;根据Fick第一扩散定律及相关性分析识别了潜在生物可利用性氮对沉积物氮释放的影响;同时,结合室内矿化实验,评估了有机氮的矿化潜力及其主要来源.结果表明:沉积物w(TN)均值为1417.97mg/kg,东蠡湖明显高于西蠡湖,TN主要存在形式为HN(酸解态氮),w(HTN)占w(TN)的平均比例为66.5%.沉积物NH_4^+-N释放通量为1.93-20.88mg/(m^2·d),主要受F-NH_4^+-N(游离态NH_4^+-N)和E-NH_4^+-N(可交换态NH_4^+-N)的影响.沉积物氮平均矿化势为248.55mg/kg,F-ON(游离态有机氮)和AAN(酸解氨基酸态氮)是可矿化态有机氮最有效的贡献者,直接影响沉积物向上覆水体释放氮的能力.

环境治理工程对蠡湖水体中磷空间分布的影响

为评估水环境治理工程措施对蠡湖水体营养状态的影响,2012年4月对湖体与环湖河口调查分析,研究了蠡湖磷元素空间分布特征及其影响因素.结果表明：蠡湖水体总磷浓度介于0.03~0.31mg/L之间,平均为0.06mg/L,呈由西向东逐渐递增的趋势,且环湖河口磷含量明显高于湖体;沉积物中总磷空间分布趋势类似于水体,湖体总磷含量在321.77~1062.08mg/kg之间,平均为593.75mg/kg,而环湖河口总磷含量在523.38~1396.39mg/kg之间,平均为784.51mg/kg;结合历年监测数据可以看出,一系列水环境治理工程使得蠡湖水质有了大幅度的改善,水体中总磷的年均值由治理前0.18mg/L下降到0.06mg/L,但仍没有完全从根本上解决水体的富营养化问题.主要原因是沉积物中总磷对水体影响较大,相关性分析表明磷的扩散通量与沉积物总磷和可交换态磷成显著正相关.

蠡湖水体悬浮物的时空变化及其影响因素

根据2012～2013年的现场调查资料和历史监测资料,分析了浅水湖泊蠡湖总悬浮物（TSS）的时空分布特征、组成、变化规律,并探讨了水体悬浮物的影响因素及其与氮、磷的关系.结果表明,ρ（TSS）的年内变化范围在1.00～78.00mg/L之间,平均值为17.35mg/L,空间上呈现东蠡湖大于西蠡湖,沿岸高于湖心区的分布趋势;季节变化表现为秋季〉夏季〉春季〉冬季,且冬季显著低于其他季节;全湖水体中ρ（OSS）和ρ（ISS）所占ρ（TSS）的比例相当,分别为51.52%和48.48%,但组成比例空间差异较大,东蠡湖ρ（OSS）比例较大,而西蠡湖ρ（ISS）的比例较大.线性拟合表明,ρ（TSS）与ρ（PN）、ρ（TN）、ρ（PP）、ρ（TP）均具呈显著正相关（P〈0.01）.浮游藻类增殖、水生植物的残体以及底泥的再悬浮是影响水体ρ（TSS）的主要因素.

蠡湖水环境综合整治工程实施前后水质及水生态差异

为探讨水环境综合治理工程措施对蠡湖水生态环境的改善效果,对工程实施前后蠡湖水生态环境的变化及趋势进行了分析.结果表明,水环境综合治理工程实施后,蠡湖水质明显好转,水体中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(CODMn)和ρ(Chla)年均值显著下降(P<0.01),ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)分别由综合治理前(1992—2002年平均值)的5.77、0.19 mg/L和59.90μg/L降至综合治理后的3.13、0.13 mg/L和27.12μg/L,ρ(CODMn)则由7.09 mg/L降至5.00 mg/L以下;表层沉积物中w(OM)、w(TN)和w(TP)分别由2001年的40.40、1.19、2.61 g/kg降至2012年的19.60、1.16、0.59 g/kg;2012年生态修复工程区内初步形成了一个水生植物较为完整的生态系统.综合整治后,水质改善效果明显,但部分水体感观指标〔如ρ(TSS)、SD(透明度)〕改善效果不明显,底栖动物优势种群仍为耐污种,生态系统完全恢复还需时日.因此,有必要进一步开展以提高透明度、恢复沉水植物为核心的生态优化调控,促进蠡湖由藻型浊水稳态向草型清水稳态转变.

环境治理工程对蠡湖水体中氮空间分布的影响

为评估蠡湖水环境治理工程措施对蠡湖水体营养状况的影响,于2012年4月及10月对蠡湖湖区及环湖河口共64个采样点进行了采样及分析,探讨了水体及表层沉积物中各形态氮的空间分布特征及其影响因素.结果表明:蠡湖上覆水中ρ(TN)为0.82～3.20 mg/L,平均值为1.35 mg/L;间隙水中ρ(DTN)为1.28～5.36 mg/L,平均值为2.51 mg/L.上覆水和间隙水分布趋势均为自西向东递增,并且环湖河口ρ(TN)显著高于湖区.研究期间蠡湖NH4+-N平均扩散通量为4.80 mg/(m2.d),并且NH4+-N扩散通量与表层沉积物中w(TN)和w(E-NH4+-N)呈显著正相关.2003年以来,经过一系列水环境治理工程后,蠡湖水质改善较为明显,但仍未从根本上解决蠡湖的富营养化问题,因此在外源污染得到严格控制的情况下,需加强对蠡湖水体沉水植物的恢复,优化调控蠡湖目前的生态系统结构.

蠡湖4种鲌鱼形态特征的比较研究

采集并测量了蠡湖水域173尾鲌鱼样本的8个常规形态指标和18个框架形态指标。运用多变量形态度量法,根据25个标准化形态性状对4种鲌鱼的形态特征进行了比较研究。方差分析结果显示各种类形态性状间均存在着显著差异(P<0.05)。翘嘴鲌(Culter alburnus)和蒙古鲌(C.mongolicus)形态特征最接近,蒙古鲌和红鳍原鲌(Cultrichthys erythropterus)差异最大。主成分分析共析出5个主成分,累计贡献率为70.86%。通过逐步判别法建立了4种鲌鱼的判别方程,综合判别率为100%。结果表明达氏鲌(C.dabryi)和蒙古鲌的形态差异主要表现在背鳍后区,而它们与翘嘴鲌及红鳍原鲌的差异则集中于头部至背鳍区。

基于光补偿深度的蠡湖沉水植物恢复区划分

为分析蠡湖沉水植物恢复的光补偿深度和透明度条件,根据2012年4月和2013年4月蠡湖水下PAR（光合有效辐射）强度、ρ（SS）、透明度等监测数据以及沉水植物相关资料,探讨了沉水植物光补偿深度的空间分布特征及其影响因素.结果表明：水下PAR强度随水深呈指数递减,α（光衰减系数）在0.97～6.04 m-1之间变化;光补偿深度空间分布格局均表现为西蠡湖大于东蠡湖、沿岸大于湖心的趋势,并且与水体透明度呈显著正相关;狐尾藻、金鱼藻、菹草、黑藻、苦草的光补偿深度及水体真光层深度分别是透明度的1.83、1.92、2.05、2.12、2.57和3.04倍.回归分析表明,光补偿深度主要受ρ（SS）影响,其次为ρ（Chla）.以沉水植物群落光补偿深度（水体真光层深度）与水深的比值作为划分沉水植物群落恢复区域的参考依据,将蠡湖水域初步划分为＂适宜区＂＂过渡区＂和＂暂不适宜区＂,其中＂适宜区＂占蠡湖水域面积的29%.

鲢鳙鱼和藻类治理关系的初步研究

2008年7—9月在蠡湖设置宝界桥和石塘桥两个实验点进行鲢鳙鱼和藻类治理关系的初步研究,采用常规生物学方法,测定了鲢鳙鱼的体长、体重、消化腺指数、肠长指数、食物充塞度、肥胖度系数、饱满度等参数。试验表明微囊藻和颤藻在鲢鳙鱼体内得不到完全消化,但可以破坏藻类的存在形式,一定程度上也说明鲢鳙鱼对于微囊藻和颤藻的治理有一定的作用。

蠡湖表层沉积物中磷的形态与赋存特征及其生物有效性

采用连续分级提取法研究了蠡湖表层沉积物中有机磷和无机磷的形态及其赋存特征,同时结合间隙水体中DTP（溶解性总磷）的空间分布特征,讨论了各形态磷的生物有效性及其释放风险.结果表明,蠡湖沉积物中的磷以IP（无机磷）为主,w（IP）占w（TP）的58.09%.IP中以生物可利用性差的Ca-Pi（Ca结合态无机磷）占优势,w（Ca-Pi）为（207.75±48.56）mg/kg,占w（IP）的48.97%;沉积物OP（有机磷）中以活性最差的NA-Po（非活性有机磷）占绝对优势,w（NA-Po）为（195.33±50.73）mg/kg,占w（OP）的67.09%.间隙水中的磷以DIP（溶解性无机磷）为主,ρ（DIP）占ρ（DTP）的11.86%~86.13%,平均值为59.65%.WA-Pi（弱吸附态无机磷）、PA-Pi（潜在活性无机磷）、Fe/Al-Pi（Fe/Al结合态无机磷）、WA-Po（弱吸附态有机磷）、PA-Po（潜在活性有机磷）的质量分数均与间隙水中ρ（DTP）呈极显著正相关（P〈0.01）,w（Ca-Pi）与间隙水中ρ（DTP）呈正相关（P〈0.05）,w（NA-Po）与间隙水中ρ（DTP）无显著的相关性.因此,即使在外源磷得到有效控制的情况下,沉积物中的IP及高活性有机磷的释放仍有可能导致湖泊富营养化状态维持不变.

蠡湖沉积物质量评估体系的构建

为有效地开展蠡湖的生态环境保护工作,在对其上覆水、沉积物及底栖生物调查基础上,识别了蠡湖沉积物的主要问题,建立了由1个目标层、3个要素层、10个指标层构成的沉积物质量综合评估体系,开展了沉积物质量评估.结果表明,影响蠡湖沉积物质量评估的3个要素层相对重要性排序为底泥污染特征（0.522）〉生态特征（0.322）〉水体污染特征（0.146）;指标层中的10个评估指标中权重较大的是底栖动物多样性指数（0.282）、氨氮释放通量（0.208）、水质类别（0.128）和溶解磷释放通量（0.109）.蠡湖沉积物质量综合指数在49~79之间,处于轻度污染和中度污染,整体上呈现西蠡湖大于东蠡湖,沿岸小于湖心的分布趋势.各评估指标对沉积物质量综合指数的多元回归分析结果表明,蠡湖沉积物的主要问题是沉积物中氮磷的释放及底栖生物多样性单一.该评价结果与蠡湖各分区的实际调查情况相符,可为其他湖泊的沉积物质量评估提供一定的参考.

蠡湖鲢鳙鱼生长的研究

2009年9月，在蠡湖的水上明月、珍宝舫、美湖和鹿顶山用网具共进行了4次捕捞作业，鲢鱼的体重主要集中在6000－11000g范围内，年龄为3－5龄，鳙鱼的体重主要集中在7000－12000g范围内，年龄为3－5龄。鲢鱼的生长方程为Lt=130.56[1-e^-0.0958（t＋0.1499）] ，Wt=19768[1-e^-0.0958（t＋0.1499）]^3.035 ；鳙鱼的生长方程为Lt=135.78[1-e^-0.0952（t＋0.2403）] ，Wt=21465[1-e^-0.0952（t＋0.2403）]^2.8128 ，蠡湖鲢鳙鱼生长速度最快的年龄段是3-5龄。本研究对蠡湖鲢鳙鱼的种群结构及其生长特性进行了调查，旨在为保护和科学利用其渔业资源提供依据。

蠡湖增殖放流适宜地评价

以蠡湖可持续健康发展为前提,建立了蠡湖增殖放流适宜地评价体系,包括1个总目标,4个分目标和15个具体指标。应用主成分分析法筛选因子,结合利用层次分析(AHP)法和鱼骨图法确定权重,并利用地理信息系统(GIS)栅格模块和分级模块,完成蠡湖增殖放流适宜地的等级评定。结果表明:蠡湖增殖放流适宜地评价为最高等级的区域面积为0.400 5 km2,蠡湖增殖放流适宜地评价为较高等级的区域为6.007 5 km2,蠡湖增殖放流适宜地评价为高等级的区域面积为1.201 5 km2,蠡湖增殖放流适宜地评价为一般等级的区域面积为0.320 4 km2和蠡湖增殖放流适宜地评价为低等级的区域面积为0.080 1 km2。蠡湖增殖放流适宜地评价等级图为蠡湖的科学规划和管理提供参考依据。

太湖五里湖水体悬浮物中水溶性有机质(WSOM)的荧光光谱组分鉴别及其与氮形态的关系

采用三维荧光光谱-平行因子法(EEMs-PARAFAC)分析太湖五里湖水体悬浮物中水溶性有机质(WSOM)的荧光光谱特征,研究其组分类型、分布规律以及来源,进一步探讨悬浮物中水溶性有机氮和无机氮含量与WSOM荧光组分之间的关系.结果表明,悬浮物中WSOM荧光组分主要由2个类腐殖质(C1、C2)和1个类色氨酸类蛋白质(C3)组成.总荧光强度在57.56~200.01 R.U./g之间,平均为115.42 R.U./g,其中C1、C2、C3的相对比例分别为35.55%、34.05%和30.40%;空间上由西向东逐渐增强,东五里湖高于西五里湖,沿岸区高于湖心区.荧光指数和生物源指数变化范围分别在1.48~2.34和0.65~0.87之间,反映了悬浮物中WSOM主要来源于微生物、藻类的自生生物源.多元回归统计分析结果表明,悬浮物WSOM与氮元素的迁移转化密切相关,且有机氮与WSOM荧光组分的相关系数大于无机氮.

环境治理工程对蠡湖水生态系统健康的影响评估

为揭示环境综合整治工程对蠡湖水生态系统健康状况的影响，构建了由理化指标和生态指标组成的水生态系统健康综合评估指标体系，并采用熵权法确定了各指标的权重系数。结果表明，1992―2012年期间，蠡湖水生态系统健康综合指数为21.65~72.74，总体呈先下降后上升趋势，尤其是2003年环境综合整治工程实施以后，健康等级由Ⅳ级“较差”上升到Ⅱ级“好”的状态；空间上呈西蠡湖优于东蠡湖的分布趋势，其中退渔还湖区（A区）最好，接近Ⅰ级“很好”水平，而在工程措施实施较少的D区较差，仍处于Ⅲ级“中等”水平。该评价结果与蠡湖各分区的实际调查情况相符。评价方法可为其他类似湖泊的水生态系统健康评估提供一定的参照。

蠡湖鱼类群落结构及物种多样性的空间特征

为研究蠡湖渔业资源的种群组成结构特点，了解蠡湖渔业资源多样性的时空变化规律，于2007年5月至2008年4月在蠡湖设置了10个采样点，调查和分析了蠡湖渔业资源种类和优势种以及群落多样性。结果表明：调查期间，青梢红鲐（Erythroculter dabryi Bleeker）和湖鲚（Coilia ectenes taihuensis）是各个监测站点的优势品种；各个站点Shannon—Wiener多样性指数（H’）介于1．26～2．89之间，依此判定蠡湖渔业资源群落的多样性和丰富度属于正常水平。渔父岛和鹿丁山以及渔父岛和水上明月站点间H’和Wilhm改进指数（H”）差异显著（P〈0．05），其余站点间H’差异均不显著（P〉0．05）；10个站点间J差异均不显著（P〉0．05）。运用GIS软件分析，西蠡湖的生物多样性指数和均匀度指数明显高于东蠡湖（以宝界桥为界）。

蠡湖沉积物现状调查及表层沉积物污染评价

将蠡湖分成5个区域,于2019年10月对蠡湖沉积物的淤积深度和淤积特点进行调查,测定沉积物中有机质(OM)、总氮(TN)、总磷(TP)的含量,并通过有机污染指数法和综合污染指数法对蠡湖污染程度进行了评价。结果表明:1)蠡湖底泥平均淤积深度为0.35 m,越向湖心越浅,平均淤积深度A区最浅,B区最深;2)蠡湖沉积物中TP含量属于二级,OM含量和TN含量属于三级;D区与A、B区的TP含量差异较大:3)蠡湖表层沉积物中有机物为中度污染,氮、磷为重度污染,D区磷的污染最严重,B区氮和有机物的污染较轻;4)污染评价中,以1960年太湖沉积物中的氮磷背景值和加拿大1992年发布的引起最低级别生态风险效应的总氮、总磷阈值为基准的氮污染指数S_(TN)和综合污染指数FF评价结果一致;以美国沉积物基准值和1960年太湖沉积物中的氮磷背景值为基准的磷污染指数S_(TP)评价结果一致。