第２４卷第４期２０１１年８月
環境科技
ａｕｇ．２０１１
應用生態系統模型研究淀山湖富營養化控制方案
朱永青（上海市環境科學研究院，上海
摘２００２３３）
要：由於淀山湖上游汙染負荷以及周邊汙水的排放，淀山湖已經嚴重富營養化。通過建立淀山湖生態系統模
型，基於大量現場實測資料，對生態系統模型進行率定和驗證，並利用生態系統模型對淀山湖ｎ，ｐ營養鹽時間變化規律和藻類生長演替進行了系統研究，對各汙染負荷削減的富營養化控制方案的效果進行模擬。模擬結果顯示：該生態模型較好地模擬了常規水質和藻類的動態變化；淀山湖汙染負荷主要來自於上游負荷，削減上游負荷對水質改善效果明顯好於其他汙染源削減方案；削減上游負荷９５％以上，才能有效抑制藍藻水華；ｐ對藍藻生長的控制效果好於控
制氮。關鍵詞：淀山湖；生態系統模型；富營養化；藍藻水華；控制方案中圖分類號：ｘ５
文獻標識碼：ａ
文章編號
ａｂｓｔｒａｃｔ：
０ 引言
淀山湖是上海地區最大的天然淡水湖泊，也是
山湖生態模型，模擬分析湖體水質的全年變化趨勢以及浮游植物的季節演替規律，並利用淀山湖生態
模型對富營養化控制方案進行模擬**，為淀山湖富營養化控制提供科學的依據ｆ。
１方法１．１研冤區概況
黃浦江上游水源保護區的重點水域，其水質直接影
響到上海市民的飲用水安全。近２０年來，由於上游及周邊地區大量工業、農業以及生活汙水的排放，淀山湖水質呈持續惡化趨勢，生態系統發生了重大轉折，於１９９９～２０００年前後由中度富營養化轉變成重度富營養化湖泊，已經具備了暴發大規模、大面積藍藻水華的條件…。２００７年淀山湖暴發了３次藍藻
淀山湖位於上海市西郊的青浦區境內，北緯東經湖泊岸線長６２．３ ｋｍ，總面積約為６２ ｋｍ ，其中青浦區境內約為４７ ｋｍ 。屬吞吐性淺水湖泊，平均水深２．１ｌｍ，最大水深為３．５９ ｎｌ，湖泊容積年均水溫１８．８。【＝，淀山湖兼具提供水源、調節徑流、農田排灌、
水華，２００８年淀山湖發生２次藍藻水華腳。
本文應用ｕｓｅｐａ的ａｑｕａｔｏｘ模型，構建了澱
收稿日期
**專案：上海市科委科技攻關計畫專案
作者簡介：朱永青（１９８２一），女，安徽安慶人，碩士，工程師，研究方向
為水生態環境數值模擬．
水上航運以及水上體育和風景旅遊等多重功能ｉ。
生態系統模型研究範圍見圖１
第２４卷第４期朱永青應用生態系統模型研究淀山湖富營養化控制方案１３
光強、氣溫等）以及水文資料（流量、湖泊容積、水溫等），模型輸入資料主要來自環境監測中心水文水質
同步監測資料以及每月現場實測資料。
（２）初始濃度場取值
模型中狀態變數初始濃度的輸入主要包括水體及底泥中營養鹽『氨氮（ｎｈ，一ｎ）、硝酸鹽氮（ｎｏ３一ｎ）、溶解態磷、二氧化碳（ｃｏ：）、溶解氧（ｄｏ）１、藻類（矽藻、藍藻、綠藻、隱藻）、浮游底棲動物和魚類。初步計
算時，採取模型預設值和文獻值，模型計算穩定（模擬時段超過約１ａ）後．模擬時段為２００５年１月～２０１０年６月，取計算穩定後的水質濃度場作為初始濃度場。
（３）汙染物負荷
圖１ 淀山湖主要進出水口門與水質監測點
水支流包括大硃砂、白石磯、急水港商塌、千燈
浦，出水支流為攔路港、石塘港、西旺港。在各進出口
模型模擬的汙染物負荷主要包括上游來水負荷、大氣乾濕沉降、底泥內源釋放、工業汙水和生活汙水等點源排放以及農業徑流面源。上游來水汙染負荷採用上海市環境監測中心２００４～２００７年月平均水質監測資料以及２００９～２０１０年的現場實測資料；乾濕沉降採用青浦區近年乾濕沉降的實測資料，
門中，攔路港下洩量佔４下洩口ｒｊ（淀浦河、攔路港、石塘港和西旺港１總量的８４％，急水港、大珠砂來水
量佔４來水口門ｆ大硃砂、白石磯、急水港商塌和千
燈浦）總量的８２％，因此，淀山湖主要的進出口門集中為大珠砂、急水港、攔路港。淀山湖是乙個淺水湖泊，水環境相對靜止．水動力條件主要取決於風況。垂向混合均勻。
本文將淀山湖作為乙個整體考慮，模擬ｎ，ｐ的輸入、輸出，溶解氧、營養物質和浮游植物的動態變化。
１．２淀山湖生態系統模型
並參考國家環保部「碧海行動計畫」中附近區域降水和降塵中的實測ｎ．ｐ含量，計算得到淀山湖湖區每年乾濕沉降ｎ，ｐ負荷：底泥內源釋放採用課題組
２００９年１０月對淀山湖進行的底泥形態及釋放實驗資料，進行底泥釋放模擬計算：淀山湖位於本市水源保護區，不允許有汙水直排，故不再計算點源負荷；選擇淀山湖上游商榻鎮、下游金澤鎮和朱家角鎮沿淀山湖縱向３００ ｍ範圍計算地表徑流作為本市境內輸入淀山湖的ｎ，ｐ負荷。
（４）迭代誤差及時間步長的選取
模型允許使用者設定迭代誤差，通常在之間，為保證模型的精確度並減少執行時間，迭代誤差取０．００５；為保持模型計算穩定並節省計算時間，經除錯，時間步長取引數取值
選用ｕｓｅｐａ開發的ａｑｕａｔｏｘ模型建立澱山
湖生態系統模型，模型研究流程見圖２。
產—（匿
靛模型率定
ｒ：＝＝１模擬結果 ，一—＿：、、、
利用２００５年１月～２００７年１月水質監測資料
率定了模型中主要引數，率定後的引數ｌ７＿１６】見表ｌ～表３。
表１主要藻類引數
引數單位ｌｙｄ
矽藻２２．５
綠藻４０
藍藻１５０
隱藻ｌ１
取值範圍
１ｏ一３００
圖２模型應用研究流程
光飽和度有機物中ｎ所佔比例有機物中ｐ所佔比例
１．２．１模擬變數
模擬變數包括氣象因子、水文因子、水質指標、浮游動植物、底棲動物和魚類等。１．２．２模型輸入條件
（１）地理氣象水文條件
該項輸入資料主要包括地形資料（經緯度、水深、流域面積等）、氣象資料（揮發量、降雨量、風速、
ｐ的半飽和常數ｎ的半飽和常數ｃ的半飽和常數最適宜溫度
最大光合速率呼吸速率死亡係數
一』ｇ（ｇｄ）
一ｌ５８—３５
４．５ｏ．０２
１．８—５００１一ｏ９２
０．００１０．０３
沉降速率ｍｄ
環境衰２主要礦化引數
表３主要底泥岩化引數
一＿１．昌一／（ｄｉｌ）
２．２．４模型的驗證
利用２００９年５月一２０１０年６月在淀山湖實施
的同步水質監測資料進行生態模型的驗證。選擇最
能體現湖泊營養水平的主要指示變數作為率定的主要指標，其中水質指標包括ｎ，ｐ營養鹽，ｄｏ，ｂｏｄ ，
葉綠素以及底泥指標包括ｎ，ｐ營養鹽釋放通量。驗證結果見圖３。呂ｚ
ｋ０ｚ日期
（ａ）ｎｏ３－ｎ÷ｃ力
昌日期（ｂ）ｔｓｓ
科技２０１１年８月÷彗
置日期（ｃ）ｔｎ
日期（ｄ）ｔｐ旨０
日期（ｅ）ｂｏｄ
昌０白ｑ
１３期（ｇ）ｎｈ 一ｎ
第２４卷第４期朱永青應用生態系統模型研究淀山湖富營養化控制方案１５
圖３湖體水質指標模擬值與買測結果比較
淀山湖主要水質指標的比較結果表明．模型的水質模擬結果同實測結果較為吻合，各項水質指標的模擬值與實測結果的平均相對誤差在３ｏ％以內。利用國內外藻類生長演替情況對模型計算的藻類季節演替情況進行驗證年淀山湖不同藻類（以乾重計）生長演替模擬見圖４。
芋：＿、］
日期圖年淀山湖不同藻類生長演替情況模擬
結果表明：各門藻類的季節演替符合淀山湖浮游植物的２００９～２０１０年現場實測結果，見圖５。ｏｏ９
０ 【０．
．ｏ０｝
自自藍藻門口隱藻門－矽藻門口綠藻門。噩漂１］隱藻『．
００７０００
．｝目ｉ目
．ｊ『矽澡ｉｊ。綠澡ｊ８萋．
…』ｉ２結果與討論
控制淀山湖富營養化的主要途徑是控制ｎ．ｐ營養鹽的入湖負荷。本文從汙染負荷削減的角度，對富營養化控制方案的效果進行模擬，研究各不同控制方案對水質、藻類生長以及底泥釋放的影響，對富營養化控制方案進行優化。２．１不同**入流負荷削減方案
考慮不同**汙染物負荷的削減情況．對澱山
湖**負荷削減方案見表４，分別進行計算，模擬結果見圖６～圖７。
表４不同**汙染負荷削減方案設計
方案方案設計描述
現狀負荷
汙染源（點源和非點源）負荷削減２０％
底泥（內源）汙染物削減２０％上游來水**負荷削減２０％
日期（ａ）ｔｎ
＋現狀負荷—汙染泊削減２０％
；ｏ．２５
０『。０．０５
１６環日期
（ａ）底泥ｐ釋放量
日期（ｂ）底泥硝態氮釋放量
圖７不同**汙染負荷削減方案底泥ｎ。ｐ釋放量變化
計算結果表明：相對於其他汙染源削減方案。削
一＿爿昌一，（邑ｌ）ｑ
減上游來水汙染負荷對ｎ。ｐ營養鹽濃度的影響較∞ ∞
加 ｍ∞
明顯。削減上游來水汙染物負荷２０％，水體中ｎ，ｐ營養鹽濃度都有明顯的下降，導致底泥中ｎ，ｐ營養
鹽向水體釋放量有所增加，底泥中ｎ，ｐ營養鹽含量減少。淀山湖中ｎ，ｐ營養鹽已經遠遠超過藻類生長
所需要的營養鹽濃度。因此各種汙染源和上游來水
負荷削減２０％對藻類生長影響不明顯。
以上分析得出，在削減程度相同的條件下，削減上游來水汙染負荷方案對水質改善的效果好於其他汙染源**負荷削減方案．淀山湖水質主要受上游
來水影響較大。
因此，利用生態動力學模型，在同樣削減上游來水汙染負荷的情況下。對上游汙染負荷作各不同削減量的方案，分別計算，模擬結果
見圖８圖１１
計算結果表明，淀山湖上游來水汙染負荷削減達到９５％時．水體中ｎ．ｐ濃度以及ｂｏｄ均有很大
程度的降低，ｔｎ，ｔｐ質量濃度均降至富營養化的臨界值藻類生
長有所抑制，尤其是生長季節的藍藻和綠藻，生物量
開始大幅減少。該削減方案水體中ｎ，ｐ營養鹽濃度大幅度下降，底泥中ｎ，ｐ營養鹽向水體釋放量明顯增加．底泥中ｎ，ｐ營養鹽含量減少。
淀山湖上游來水汙染負荷削減達到９５％時，才
能有效控制藍藻水華的暴發，此時淀山湖ｔｎ質量濃度最低能低於質量濃度降至０．０２
技２０１１年８月
ｍｇ／ｌ左右，接近國際上公認的發生富營養化的臨
界濃度。
一上游負荷削減２０％
一上游負荷削減４０％三７８
—一上游負荷削減７０％一
上游負荷削減９５％；專
。隔一～
日期（ａ）ｔｎ
一上游負荷削減２０％
上游負荷削減４０％
一上游負荷削減７０％ 一上游負荷削減９５％
一一＿１ 昌一，《盎０∞一址龜
日期圖９ 上游來水不同削減方案有機物質量濃度變化
日期（ａ）底泥ｐ？巨
昌咖耬啦膩語賦世
日期（ｂ）底泥硝態氮
圖１０上游來水不同削減方案底泥釋放量變化
第２４卷第４期朱永青應用生態系統模型研究淀山湖富營養化控制方案１７，餈
日期（ａ）矽藻
一上游負荷削減２０％十上游負荷削減４０％
日期（ｂ）綠藻
４．０囂
彗２．５
２．０鬈
０．５０
日期（ｃ）藍藻
圖１１上游來水不同削減方案藻類生物量變化
２．２ 不同營養鹽負荷削減方案
國內外治理經驗表明ｎ汙染物極難控制，且其入湖途徑複雜。此外，營養物質去除的高難度至
今還沒有任何單一的生物學化學和物理措施能夠徹底去除廢水中的ｎ，ｐ營養物質。考慮到防治措施的經濟性以及防治效果的穩定性，對ｎ和ｐ負荷分別削減方案見表６，進行計算。模擬結果見
圖１２表６不同營養鹽負荷削減方案設計
概塏日期（ａ）矽藻
日期（ｂ）綠澡
－一ｎ削減２０％ 一ｐ削減２０％．ｊ
八／，日期（ｃ）藍藻
圖１２不同營養鹽削減方案藻類生物量變化
計算結果表明，對ｎ，ｐ負荷分別削減的方案對水質和藻類生長影響有所不同。相對於ｎ負荷削減
方案，ｐ負荷削減方案對藻類生長抑制作用更大，尤其是生長季節的矽藻、藍藻和綠藻，藻類生物量減少
更明顯在營養鹽削減程度相同的條件下．從控制藻類的
角度，削減ｐ負荷方案效果要好於削減ｎ負荷方案。因此治理淀山湖富營養化，首先應控制ｐ的入湖負荷。
３結論本文基於淀山湖現場水文水質調查資料．應用
ａｑｕａｔｏｘ模型對淀山湖水體水質變化規律以及藻類生長演替過程進行模擬研究。（１）模型很好的模擬了淀山湖長期水質變化規律和藻類季節演替規律．近５年模擬結果顯示：淀山湖已由中度富營養化轉變成重度富營養化湖泊。
已經具備了暴發大規模、大面積藍藻水華的物質條件，藻類群落已經演替為以綠藻和藍藻為主的群落結構。
（２）報告從流域和生態系統的角度。對富營養化控制方案的效果進行模擬，研究各不同控制方案對水質和藻類生長的影響，對富營養化控制方案進行優化。模擬結果顯示：
在削減程度相同的條件下。削減上游來水汙染負荷方案對水質改善的效果好於其
他汙染源**負荷削減方案．淀山湖水質主要受上游來水影響較大；而上游來水汙染負荷削減達到９５％時，才能有效控制藍藻水華的暴發。此時淀山湖營ｔｎ質量濃度能低於質量濃度降
至０．０２ ｍｇ／ｌ左右，接近國際上公認的發生富營養
環繡化的臨界濃度。
技２０１１年８月
（３）在營養鹽削減程度相同的條件下，從控制藻類的角度．削減上游來水ｐ負荷方案效果要好於削減ｎ負荷方案。因此治理淀山湖富營養化，控制ｎ的作用十分有限，首先應控制ｐ的入湖負荷。一一
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—７７７．
一（責任編輯王淑俠）
．ｓｌｌ．ｓｌｌ「舢．址．； ．５＾ｌ
．５ ．．址止．址．ｊ止 ；ｌ上
地球上的十大殺手
一氧化碳：人類在大量消耗石化原料時，造成了大氣中一氧化碳的大量積累，破壞了大氣層的平衡。
二氧化硫：目前由於人類每年排放二氧化硫氣體達２億多ｔ，這給大氣造成嚴重汙染，引起並加重呼吸系統疾病。
二氧化碳：由於人類大量使用礦物燃料，全球每年排放到大氣中的二氧化碳達５０億ｔ，其中約ｌｏ億ｔ被森林吸收，１５億ｔ被海洋吸收，餘下的２５億ｔ留在大氣層中產生「溫室效應」。
氧化氮：汽車尾氣中含有大量氧化氮，導致人的肺部等器官發生癌變，對迴圈和中樞神經系統也產生極大危害。鋁：
在人體內積累可損害腦功能並導致痴呆症，還會影響人體酶和細胞的代謝。石油：汙染海洋，會破壞大海中的浮游生物、植物和魚類資源。
汞：隨著工業廢水排放而汙染環境，它在人體內積累，會損害神經系統。磷酸鹽：造成湖泊、河流汙染。
ｄｄｔ農藥：過量使用會毒死鳥類和魚類，對人體還會導致癌症（此藥全球已禁用）。放射性物質：是最危險的汙染物質，可對人體造成嚴重的損傷並可引起惡性腫瘤。
基於土地利用 生態系統耦合模型的生態系統服務價值評估
作者 蔣力徐霞劉穎慧徐粒田玉強 天津農業科學 2014年第01期 摘要 土地利用是人地系統的重要組成部分，能夠提供巨大的生態服務功能，它的變化也會導致生態服務價值的改變。考慮初級生產 維持co2和o2平衡 養分迴圈 涵養水源 土壤侵蝕等主要服務功能，以我國北方農牧交錯帶為研究物件，提出了乙個基於土地...
生態系統反思
生物與環境組成生態系統 教學反思 生物團隊姚超 生物與環境組成生態系統 這一節是全章的重點之一。主要闡述了生物與環境是乙個統一的整體。本節內容中出現了許多生物學名詞，如生態系統 生態平衡 生產者 消費者 分解者等都是很重要的。正確認識這些名詞術語的含義和相互聯絡是學習本節內容的關鍵。本節課知識較緊湊...
生態系統結構教案
高中生物教案 學院 生命科學學院 專業 園林 班級 0907班 姓名 薛歌 學號 0954060135 生態系統結構 教案 教學目的 1 了解生態系統的組成成分及生態系統的營養結構，理解生態系統四種組分的功能地位及相互關係，理解營養結構與功能的關係，掌握營養級的概念以及營養級與食物鏈的關係。2 通過...