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城市湖泊综合需水分析及生态系统健康评价研究图文
大连理工大学
博士学位论文
城市湖泊综合需水分析及生态系统健康评价研究
姓名:
许文杰
申请学位级别:
博士
专业:
水文学及水资源
指导教师:
许士国;曹升乐
20090610
城市湖泊综合需水分析及生态系统健康评价研究
早期用于水质评价的方法主要有生物学评定分类方法和专家评价法。
生物学评定分类方法是20世纪初(1902-1909年柯克维支和莫松(kolkuitz&Morson等提出来的【83J,是从河流受污染的结果来分析,提供水质污染所引起的后果,这种方法可以为河流水的利用提供依据。
专家评价法就是组织环境领域或相关领域专家,运用专业方面的知识和经验对水质进行评价的一种方法,专家评价法的最大特点是对于某些难以定量化的因素给予考虑和作出评价,在缺乏足够的数据资料的情况下,难以作出定性和定量的可靠判断与估计。
进入20世纪60年代,随着对水质评价研究深入,逐步提出用数学模型来进行水质评价。
此后,随着数学理论与方法本身的发展,以及计算机技术的发展,各种各样的新的水质评价方法蓬勃发展,不断涌现。
常用水质评价方法有瞰】:
①单因子评价方法
单因子评价一般根据国家标准或本底值采用超标指数法,评价其超标程度。
通过水体各监测项目的监测结果与该项目的分类标准对比,确定该项目的水质类别,在所有项目的水质类别中选取水质最差类别作为水体的水质类别。
该方法是操作最为简单的一种水质评价方法,评价结果不能全面反映水质的整体状况,可能会导致较大偏差。
因此,建议采用综合评价法全面综合反映水质的整体情况。
②多项参数综合评价法
多项参数综合评价法即把选用的若干参数综合成一个概括的指数来评价水质,又称指数评价法。
常用的指数评价法有布朗水质指数(WQI、普拉特水质指数(Prati,罗斯水质指数(Ross、内梅罗水质指数(Nemerow、综合污染指数地图叠加法等。
它们是用水体各监测项目的监测结果与其评价标准之比作为该项目的污染分指数,然后通过各种数学手段将各项目的分指数综合得到该水体的污染指数,作为水质评定尺度。
水质评价方法中最为关键的是各评价因子权重的确定,权重的处理方法中基本上有两种:
权重事先确定,与不同水体的差异无关,即各污染物的权重是事先确定的,不随污染物的浓度而变化;权重事先并不确定,而是与水体的差异密切相关。
同一污染物,在不同水体中由于浓度不同,其权重也不同。
权重是客观存在的、固定不变的,与其浓度高低无关,因此第一类更合理。
③模糊综合评价方法与灰色聚类评价方法
水质综合评价中的污染程度、水质类别、分类界限等都是一些客观存在着的模糊现象,具有一定的人为性和不确定性。
因此,应用模糊数学方法和灰色聚类方法进行综合评价的相对较多【85,86,87】,这两种方法的评价过程基本一致。
首先,二者都要对实测数据进行无量纲处理,对处理后的数据,模糊综合评判方法要依据评价标准构造隶属函数,
大连理T大学博士学位论文
而灰色聚类方法要依据评价标准构造白化函数,这两个函数的构造方式也很相似,通常都采用线性的梯形式、三角形式;其次都要依据污染指标对水环境的影响程度确定其权重,不同的是灰色聚类方法的权重考虑了不同级别,不同指标间的差异;最后是组合运算。
隶属函数与白化函数的不同构造方式以及权重的不同确定方法,形成了各种不同的模糊综合评价法及灰色聚类方法。
④新技术新方法
从60年代开始,许多研究者采用不确定性方法来研究水环境系统。
水环境中的不确定性主要包括随机性、模糊性和灰色性。
传统的不确定性研究方法主要是随机理论、模糊集理论、灰色系统理论、热力学理论和信息论,近年来引入新的不确定研究方法,如人工神经网络、物元分析法、集对分析法和TOPSIS法等。
并发展了各种耦合方法:
将模糊逻辑系统与神经网络结合,建立了模糊神经网络模型【88]:
将小波理论与神经网络结合,建立了小波网络的多属性综合评价模型【89】等。
考虑到水质空间变化,而且地理信息系统具有很强的空间分析能力,把水质评价模型和地理信息系统相耦合,使评价结果可以反映水质的空间变化规律,评价结果更加直观明显【矧。
地理信息系统在环境评价中特别是水质评价中的成功应用[91,92】,表明其在水质评价领域具有广阔的前景。
许多实际工作者已经注意到,并不是繁杂程度高的数学模型的有效性就强。
如果忽视水质评价的特性,具有复杂模式的数学模型反而难以在实际工作中发挥作用。
因此水质综合评价工作应从实际出发,从简练明了入手,达到评价目的即可,应发展标准化的计算方法和评价方法,使评价结果有代表性和可比性。
现有的水质评价方法都有其优缺点,虽得到了一定应用,仍需不断改进、完善。
因此,寻求针对复杂水质综合评价的更好的方法仍然成为相关领域的广大科技工作者不断探索和深入研究的目标和方向。
(2水体富营养化评价研究
富营养化评价研究多是针对湖泊,20世纪初,营养的概念作为渔产基础的表征被引入湖沼学,并很快有了越来越广泛的意义,这一概念成了湖泊生态系统的表征【931。
而营养分类特别是富营养化评价便日益成为湖泊分类中的重要内容。
六、七十年代以来,许多学者对湖泊富营养化评价的方法和标准进行了一系列探讨,提出了多种形式的评价参数和方法【941。
在我国,饶饮止等195】最早在湖泊调查中提出了有关湖泊营养类型划分的标准。
70年代后,随着我国湖泊富营养化研究工作的深入开展,国外评价方法在我国的一些湖泊研究中得到了尝试,并逐步建立起了比较成熟的适用于我国湖泊的评价体系和方法。
可归纳为以下几种类型196】:
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①特征法。
根据湖泊富营养化的生态环境因子的特征来评价湖泊营养状态的方法。
最早由吉村于1937年提出,饶饮止等结合我国湖泊的特点也提出了类似的方法和标准,早期的研究者和地学工作者常采用此方法。
②参数法。
根据湖泊富营养化的主要代表参数来评价湖泊营养状态的方法。
通过对这些参数数量的大小分级,把湖泊分为若干营养层次。
各国学者针对具体湖泊或湖泊群的研究,所提出的参数和评价标准不尽相同。
③生物指标评价法。
根据湖水中水生生物的种类和数量来评价湖泊营养状态的方法,主要有优势种评价法和多样性指数评价法等。
各国研究者提出的方法和标准各有不同。
④磷收支模型法。
根据湖泊平均深度、单位面积水量负荷、滞水时间以及入湖磷浓度来预测湖中磷浓度,并与湖中藻类叶绿素a结合起来评价湖泊营养状态的方法。
最早由Vollenweider提出,Dillon等则进行了大量补充完善。
此方法由于操作和分析较为复杂,应用面有限。
⑤营养状态指数法。
综合多项富营养化指标并将其转换为营养状态指数(TSI,从而对湖泊营养状态进行连续分级的方法。
最早由Carlson建立,日本的Aizaki等进行了修正和完善。
⑥数学分析法。
将现代数理理论应用于湖泊环境评价的方法,主要包括线性和非线性统计分析、模糊数学、灰色系统、物元分析、主成分分析、层次分析、集对分析等。
这几种方法都是选取多项富营养化指标采用相应的数学模型进行综合评价,具有较好的适用性,因而也被广泛采用。
1.2.4生态系统健康评价研究现状
科学技术的进步加快了自然生态系统被改造为城镇和农田的速度,原有的生态系统结构与功能消失,地球环境的生命支持系统功能递减,随着人口的持续增长,对自然资源的需求也在不断增加,环境污染、植被破坏、土地退化、水资源短缺、气候变化、生物多样性丧失等增加了对自然生态系统的胁迫。
人类面临着合理恢复、保护和开发自然资源的问题,面临着维持和增强各类生态系统的结构和功能、增大生态系统的负荷能力、保证生态系统服务功能的正常发挥的问题。
20世纪80年代生态系统健康(ecosystemhealth应运而生。
生态系统健康从理论与实践两方面研究了生态系统结构与功能的现状、演变规律、恢复对策等,为解决人类生态环境问题、生态系统管理和实现可持续发展提供了理论与方法。
(1生态系统健康概念的由来及发展【97,98]
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健康(healht一词来源于医学,最初它主要用于人体,后来逐渐用于动植物,随后出现了公众健康(publichealth或populationhealth。
随着环境污染的不断加剧,全球环境问题逐渐突出,并已严重威胁到人体健康后,这一概念又应用到了环境学和医学的交叉领域,出现了环境健康学(environmentalhealthsciences和环境医学(environmentalmedicine。
我国自建国以来一直研究的地方病等均是这方面典型的研究实例。
从20世纪60年代环境问题的爆发,到80年代可持续发展问题的提出,人们逐渐认识到了生态环境对人类的重要性,可持续发展要从概念走向实践,最首要的问题就是对资源和环境的有效管理,尽管对其管理的方法涉及了经济、生态、工程技术等众多的领域,人们付出了很大的努力,但生态系统状况从区域到全球仍在不断恶化。
现实的状况促使人们开始对其管理方法进行反思,经济的管理方法忽视了自然系统的功能,生态的方法对人类社会和经济活动考虑不足,工程技术方法在解决出现的问题时常常会产生新的问题,强大的技术手段能够解决发生问题的理念遭到质疑。
人们更多地认识到,只有多种方法和学科的融合,唤起全人类对生态系统问题的关注,把其提高到人类健康的高度才有可能解决复杂的资源和环境问题,生态系统健康理论由此产生。
因此,人们普遍认为,生态系统健康是在20世纪80年代末在可持续发展思想的推动下,在传统的自然科学、社会科学和健康科学相互交叉和综合的基础上发展起来的一门新学科。
生态系统健康引入了用于研究有机体所用的“健康”概念,包含了一种隐喻,一方面是为了借助医学的诊断方法研究生态系统;另一方面,是为了使人类能够像关注人类健康一样关注生态系统。
尽管生态系统健康概念的提出只有十余年的历史【99,1001,从生态学角度看,却可以追溯到20世纪40年代。
1941年,美国著名生态学家、土地伦理学家AldoLeopold[10lJ首先定义了土地健康(Landhealth,并使用了“土地疾病"(1andsickness这一术语来描绘土地功能紊乱(dysfunction,但未引起足够的重视。
20世纪六七十年代以后,随着全球生态环境的日益恶化,受到破坏的生态系统越来越多,人类社会面临生存与发展的强大挑战,在这一时期生态学得到了迅速的发展,在Odum倡导下,兴起了生态系统生态学,这一学说继承了Clements的演替观,把生态系统看做一个有机物(生物,具有自我调节和反馈的功能,在~定胁迫下可自主恢复,从而忽视了生态系统在外界胁迫下产生的种种不健康症状【102,103】。
与此同时,Woodwell(1970和Barrett(1976极力提倡胁迫生态学(stressecology【104,105】。
进入80年代,人们越来越关心胁迫生态系统的管理问题,Rapport等(1985系统研究了胁迫下生态系统行为,并在随后提出不能把生态系统作为一个生物对待,它在逆境下的反应不具自主性【l吲。
以Costanza和Rapport为代表的生态学家极力认为现在世界上的生态系统在胁
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迫下发生了问题,已不能像过去一样为人民服务,并对人类产生了潜在威胁。
1988年,Schaeffer等【l删首次探讨了有关生态系统健康度量问题,但没有明确定义生态系统健康;1989年,Rapport[99]论述了生态系统健康的内涵。
上述两篇文献成为生态系统健康研究的先导。
1990年10月,来自学术界、政府、商业和私人组织的代表,就生态系统健康的定义在美国召开了专题研讨会。
1991年2月在美国科学促进联合会年会上,国际环境伦理学会召开了“从科学、经济学和伦理学定义生态系统健康"讨论会[107J。
此后,有关学者从不同角度对“生态系统健康”概念及其内涵进行了深入的探讨【l佣d12j。
1992年,美国国会通过了“森林生态系统健康和恢复法”,对美国东、西部的森林、湿地等进行了评价,并于1993年后出版了一系列的评估报告。
1994年“国际生态系统健康学会”(InternationalSocietyforEcosystemHealth,简称ISEH成立并召开了“第一届国际生态系统健康与医学研讨会”,会议集中在评价生态系统健康,检验人与生态系统相互作用,提出基于生态系统健康的政策等三个方面,并希望组织区域、国家和全球水平的管理、评价和恢复生态系统健康的研究【113J。
1995年,“EcosystemHealth"和“Journalforecosystemhealthandmedicine"两本杂志创刊,极大推动了生态系统健康学的发展。
1996年ISEH召开了“第二届国际生态系统健康学研讨会”,这次大会更明确了要解决复杂的全球性的生态环境问题需要综合自然科学和社会科学,作为一门新出现的综合性交叉学科,生态系统健康学在处理21世纪复杂环境问题的挑战中是最充满希望的。
1999年8月,“国际生态系统健康大会——生态系统健康的管理’’在美国加州召开:
这次大会的三个主题是“生态系统健康评价的科学与技术"、“影响生态系统健康的政治、文化和经济问题”以及“案例研究与生态系统管理对策’’。
从而有效地推动了生态系统健康理论与评价的研究,同时提出了21世纪生态系统健康研究的核心内容。
总之,从20世纪90年代以来,生态系统健康作为全球管理的新目标,作为分析生态系统的新方法开始广泛受到关注。
目前,国际上生态系统健康研究已成为景观设计、区域管理的重要领域,正在同益成为研究的热点,它在tl然科学、社会科学和健康科学之间架起了一座桥梁,为可持续发展和环境问题的解决带来了新的希望。
(2生态系统健康概念的内涵和特点
①生态系统健康概念的内涵
生态系统健康的概念极为丰富,它既可理解为生态系统的一种状态,也可理解为一门科学。
由于各学者在研究中出发点的差异,对生态系统健康的概念也就不刚1141。
从生态系统自身考虑的概念可概括如下:
生态系统健康学是一门研究人类活动、社会组织、
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