全 文 ：生态科学2005年11月第24卷第4期 ECOLoGlCSCIENcENou，2005，24(4)：373～375
惠州西湖磷模型的初级研究
应文晔1，钟 萍1，刘正文+1，2(1．暨南大学水生生物研究所，广卅『510632；2．中科院地理与湖泊研究所
南京210008)
【摘要， 国家4A旅游景区之一的惠州西湖地处亚热带地区，属于典型的浅水型城市湖泊。在西湖水体完全混合的假
设和西湖实地调查和2003年～2005年监测数据的基础上，对惠州幽湖建市r零维总磷模型。文中对总磷模型进行r参
数的率定、校正，并用模型对2003年lO月到2004年9月周年进行总磷浓度的模拟预测，从而验证了该模犁在惠州西湖
水质预测中的适用性和可行性。根据西湖底泥磷释放率的特征提出修正模型，大大降低了原模型模拟误差，更精确拟
合惠州西湖的总磷浓度的动态变化，有助丁西湖的长期预测工作的进一步开展。
关键词：磷模型；惠州西湖；水质模型
中图分类号：x524 文献标识码：A 文章编号：1008．8873(2005)04—373—03
Thestudyofphospho¨smodeIofHuIzhouw雌tLake，GuangdoⅡg
YINGwen—yel，zHONGPjn91，LIuzhen哥wen。1‘(1．Instit【ltionofHydr bi0109yofJinaⅡUnivers咄Guangzhou510632；
2．№njinglnstjmIeofGeogmphy＆Limnolo肼chjneseAcademyOfsciellces，N蛐ji“g210008，china)
Abst他ctHuizhouWestLake，af mous4AsceneryinGu8Ⅱgd呻gprovince，isasub拓opicaIshallowurban1ake．Basedon
thesun。ydatandtheassump“oⅡ出afHui曲ouwestLakeisa、垤王1_m谊edlake，a踞r0一dimellsjon幻衄lphosphoms
equilib^ummodelofHuizhouWestLakewasestabliShednt11isp印erThemodelwasllsedtosimulatetheconcentmtionof
TotalPhosphomsinHuizhou、vestLake，fmmoct2003tos印2004TheTesultshowed慢1at也emodel{sapplicablend
fhsibleinthewa把rqualitys udyofHuizhouWestLake．Theerrorwaswi血intherallgeofallowed．MorcoveL粕adv扑ced
modelwasdevelopedbasedonthesedimelltp} osphomsreleasi“grateThisadvancedmo dcaⅡsimulatethetendencyoftotal
phosphorllsconcenlrad∞ofHuizhouwestLakemoreprecisely
Keywords：Phospho兀】smodel；HuizhouwestLake；waterqual毋model
由于社会经济的迅猛发展和人u的膨胀，大量污
染物被排入地表水体，许多湖泊、水库水质急剧恶化．
引起严重的水体富营养化问题，影响了各种水体功能
的正常发挥。水体富营养化问题从上世纪60年代开始
就引起了广人学者的关注，开展了包括水质数学模型
在内的大量研究工作。水质模型足污染物在水环境中
变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述，能
够将理论分析和实验研究有机结合起来，再应用回具
体的湖泊。它既是水环境科学研究的内容之一，又是
水环境研究的重要问题。水质模型的发展与污染物在
水环境中的迁移、转化和归宿问题的研究紧密相关。
目前已经建立了大量的从单一状态变量、v011enweider
式的经验总磷模型到复杂的湖泊生态系统动态模拟模
型等多种用于研究湖泊富营养化的水质模型【】。J，如简
单磷平衡模型、二维水质迁移模型、三维动态生态模
型和多变量综合水质模型，且在基础研究和应用研究
两个方面都获得到了很大的发展。
惠州西湖位于，。东省惠州市中心区域，由甲湖、
丰湖、菱湖、鳄湖、南湖等五湖组成，水体面积1．48
km2，平均水深1．6m，属哑热带季风气候，境内雨量
充沛，阳光充足，气候温和。随着城市的扩大和经济
的发展，西湖的水质污染非常严重，水体富营养化特
征明显，水色呈绿色．透明度低，浮游藻类占优势，
而且磷含量高。本文针对惠州两湖的水体富营养化主
要原因之一的磷污染问题，建立了完全混合零维总磷
模型，并根据两湖磷释放通量的特征加以修正，为西
湖的水环境管理提供参考依据。
l 模型的选定及概述
在水质数学模型的研究中，制约模型的因素有很
多，丰要有：①污染物的特性；②污染物出、入湖量；
③湖泊本身形态、地理位置及由此决定的热力、动力
过程：④湖泊水量的变化情况等【4】。各种水质数学模
型具有各自不同的侧重点、条件性和局限性。完全混
合零维磷模型就是在水体完全混合的前提下，根据湖
泊出入湖物质质量平衡原理pJ，某一时段内以各种途
收稿口期：2005舶-27收稿，2∞5—11一4接受
基盎项目：惠州环保项目，暨南大学优秀^才基盎
作者介绍：应文哔(1982一)，女．碗士研究生，主要研究^向：湖泊生
态修复
+通讯作者：E_mml：diu95@126c唧
万方数据
生态科学
径进入湖泊中的污染物总量，减去各种途径从湖泊支
出的污染物总量，应等于该时段内污染物总量的变化，
写出的湖水完全混合的总磷浓度变化微分方程，见式
(1)，并进一步推出湖水中总磷浓度的平衡浓度，即
式(2)。其适I}；}j条件为：以浮游植物为其主要初级生
产者，藻类生物量受磷营养元素的限制，光受由藻类
引起的浑浊度或水色的影响，水力停留时间超过阿个
星期，水体处于稳定状态【6J。
矿雩：∥(f)一Q卯一屏阿P+印4矿一掣4矿(1)讲
式中，v为湖泊容积(m3)；TP为总磷平衡浓度(mg-一)；
w(t)为总磷外源污染负荷(2·a。)；O为湖区出流水量
(m‘矿1)；BP为总磷的降解系数(d。1)；Ⅱ为藻类牛
物体中含磷量(mgP·mg。。，藻类)；p为藻类的内源呼
吸消耗率(d-。)；A为藻类浓度(mg．L。)：¨为藻类
的生长速率(d。)。求解微分方程(1)得出磷平衡
浓度为：
即：坠尘!±竺生匕!壁二型!二生：
Q+p≯
式中，x=at+K；a、K为常数。a受Q和BP影响，K由
磷的初始浓度Po决定。
惠州西湖为典型的浅水城市湖泊，整个水体基本
混合；近年来水体受到严重污染，水中缺少大型植物
生长，浮游植物为整个生态群落中的主要初级生产者，
其平均密度达5958．63×104cell·L～；水力停留时间为
300d，水体处于稳定状态，因此惠州西湖水体状况符
合完全混合零维总磷模型的适用条件。
2 调查和监测方法
从2003年9月开始，对惠卅晒湖水质进行每月一次
的监测。监测方法如F：于水面下O．5m处采样，低温
保存，回实验室分析测定了总磷(TP)及磷各种形态。
其中，主要采用钼锑抗分光光度法测革，具体步骤见
《湖泊富营养化调查规范》。
3 惠州西湖磷模型的参数校正与验证
鉴于磷在湖体备要素中迁移转化的过程1‘分复
杂，影响因素甚多，本文对诸多影响凶子作简化处理。
惠州西湖总磷负荷量以2003年10月的总磷含量为基
准，结合2003年10月～2004年9月的调查监测数据，
计算方程(2)中的各个参数，并将各参数值(参数BP、
n、p、“的值取自有关文献中的经验值HJ；参数v、
w(t)、Q、A由实地调查获得)和磷初始浓度代入磷
平衡浓度方程计算出参数a、K的初始值，但一次迭
代得到的a、K参数值不能准确体现惠州西湖中磷污
染物的浓度动态变化特征，需要进一步利用实测资料
进行参数率定【5’”，即将初步估算的参数值代入模型试
算，对不合理的参数再次进行假定与迭代，一直到与
实测值基本符合为止。经过多次迭代后确定各参数值，
见表1。
表l惠州西湖磷模型中参数取值
TablelThevaIue0ftheparamet盯inheph唧h0邝smodel
ofHujzhouWestLake
，盏。，⋯鉴mePa黧甜m。慧。‰
P塑垫!堕： P堕塑!堕：
口(藻类) o．叭2mgP·mg“Po 0．125mg‘LI。
郾 O．0lld“ V 2．28×100m3a“
p 0050d“ w“t) 396×10。g-a_1
¨ 0049d“ O 785×l00rnJ盯1
A 119216m￡L“。 a 00092
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根据模型方程(2)计算了惠州西湖2003年10
月到2004年9月为期惆年的总磷月平均含量模拟值
与其相对误差，见表2。
表2惠州西湖TP实测值及其模拟情况
。
1■ble2TheTPconcentra蚰0nOfHuizhou№tLakeandthestatus0fsjmuIa60n
2003．10 0】25 O】19 —510 0120 —4．37
2003．12 0，159 0．115 —27．56 O．116 -26．90
2004．1 0．106 0．113 7．02 0．115 814
2004．2 0．086 0112 2986 0．113 3148
2004_3 O．138 0110 —2036 O．112 —19．15
2004．4 O．110 O．108 —1．72 O．110 010
2004．5 0．254 O106 -5815 0109 ．5720
2004．6 0．119 0104 —1222 0107 —980
20047 0135 0103 -2399 0106 —2l46
20048 0099 0101 1 77 0105 5．82
20049 0．11l 0．099 —10．92 0．104 ．671
2005．5 0．096 0．082 一14．68 0．095 ．O86
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万方数据
4期 墅堕羔型固燮型堂掣
由表2可见，2003年10月到2004年9月～周年
内总磷月平均浓度的计算值与实测值基本吻合，数据
偏差大部分在土30％内，且75％的数据误差都在±20％
以内，最大偏差为2004年5月的．58．15％，表明了模
型中各参数的取值较为合理，所采用的总磷模型基本
上能模拟惠州西湖总磷含量的动态变化趋势，证实了
改模型的合理性、适应性及其实用性。
4总磷模型的修正
应用磷模型时还要考虑湖泊具体特征。上面模型
没有考虑水体的垂直扩散和横向流动，对惠州西湖而
言是较为合理和简便的H。但是，分析磷平衡方程(2)
可知，该方程为单调递减连续函数。而西湖处于外源
负荷不断输入的情况下，其磷浓度不能为无限递减状
态，因此需要对模型方程(2)加以修正。根据对惠州
西湖中沉积物磷释放通量的研究，可知，西湖各子湖
的沉积物均对磷表现出“汇”的作用，说明沉积物中磷
的相对吸附量未达到饱和状态，对磷还具有较高的吸
附能力，对水体中的磷有一定净化作用，所以水体中
总磷浓度暂呈减少趋势是正常的现象，目前西湖仍处
于磷污染的加重期。当沉积物的作用由“汇”变成“源”
时，水体中磷含量将呈现出增长趋势。所以将方程(2)
中的参数x加上沉积物释放作用的凶子，考虑到沉积
物中磷浓度随时间逐渐增加，此处简化为随时间呈简
单的线性变化，即将x修_Ll_=为：
—r=(d一6rⅪ+K
式中，b值由沉积物对磷吸附达到平衡的时问及平衡
时沉积物中磷浓度共同决定。x为时间(t)的二次函
数，在其时间定义域里存在最大值。当x大于最大值
时，磷平衡方程为递增函数；也就是说当x达到最大
值时，西湖沉积物对磷元素的作用南“汇”转变为“源”，
内源释放对水体中磷含量起增加作用。
根据惠州西湖2005年5月份的总磷浓度(O．096
g．一)求出b的初始值，通过参数率定确定b的最终
值(见表1)。用修正模型拟合2003年lO月到2004
年9月整一周年的总磷月平均含量，得到的模拟值及
其相对误差(见表2)。由表2可知，除2004年5月
的拟合误差为．57．20％，其他月份数据的误差均在
±30％以内，且50％的数据误差在士10％内，更为准确
拟合了惠州西湖的总磷浓度。假设磷的外源污染负荷
恒定，则根据x表达式可知：西湖沉积物中磷的相对
吸附量将逐渐达到饱和状态，到时候沉积物将体现出
“源”的作用，不断向水体释放磷元素。如果不及时
控制内源污染，西湖水体中的磷浓度在内源释放作用
的影响r，呈现出递增趋势，磷污染将进‘步严晕；
另外，控制好外源污染的负荷也可以推迟沉积物由
“汇”向“源”作用的转变，减缓磷污染的加重。
对比原模型和修正模型对西湖磷浓度的两次拟合
误差可知，修正模型正确针对了惠州西湖的水质特征，
能更好反映出西湖水体中总磷的变化规律及总体趋
势，尤其是2005年5月的磷浓度模拟值和实测值的偏
差比修正前的小很多，说明该修正后模型更适合于惠
州西湖磷浓度的长期监测。
5结论
(1)西湖水体完全混合的假设在模型中成立，在长
期预测中也同样成立；
(2)通过2003年10月到2004年9月一周年的实
测数据对模型进行验证，预测值与实测值的误差在
0～30％之间，在水质预测的允许误差范围内，从而表
明：模型中参数的取值比较合理，参数率定比较成功；
该总磷模型适用于惠州西湖，能较好反映惠州西湖总
磷浓度的实际状况；
(3)针对惠州西湖底泥磷浓度末饱和的实际特征，
修正模型方程结构，修正后的模型对2003年lO月到
2004年9月周年总磷浓度预测误差在20％以内，比
原模型减少了10％，有效提高了模型的拟合度和精确
度，为进一步提高模型的实用性，可用于惠州西湖水
质的长期预测，为西湖的水环境管理提供参考依据。
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万方数据
惠州西湖磷模型的初级研究
作者： 应文晔， 钟萍， 刘正文， YING Wen-ye， ZHONG Ping， LIU Zheng-wen
作者单位： 应文晔,钟萍,YING Wen-ye,ZHONG Ping(暨南大学水生生物研究所,广州,510632)， 刘正文
,LIU Zheng-wen(暨南大学水生生物研究所,广州,510632;中科院地理与湖泊研究所,南京
,210008)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGIC SCIENCE
年，卷(期)： 2005,24(4)
被引用次数： 1次

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