全 文 ：第18卷第6期
1 9 9 8年 11月
生 态
ACTA ECOL()GICA SIc ICA
VoI_18，No．6
NOV．， 1998
杭州西湖引水后生态系统中磷循环模型
f
裴洪
． -
平
- ~
周 宏 7／
抽要 报道了杭州西湖截污和 『灌钱塘江水后的一十富营养化模型 它按照年度描述西湖生态系统中的磷
循环。状态变量有捍潞植物磷、正磷酸盐、碎禹碑和机积物磷。橇塑校准和检验结果表明，对于系统给定的强
制函散(引水量和水温等)的改变 ，模型作出的状态变量的描述是合理的 井且利甩该模型模拟在不同引水量
及挖泥量下西湖水质变化。模型对引水及挖泥的效益所作出的评怙可供综合治理时参考。
关t词： 皂重茎些灿 壁煎 丑水，逮 酉期·
A PH0lsPH0RUS CIRCULAT10N DYNAM ICS M 0DEL IN
THE EC0lsYSTEM F0R THE W EST LAKE AFTER
DRAW ING ，HANGZH0U
-
Pei Hongping Wang Weiwei He Jingtu Zhou Hong
(Hangzhou Univgrsity，ltangzhou 310028．China)
Abstract Focuses the researches on a eutrophication model after drainage of waste water
and drawing water from the Qiantang River tO the West Lake，the state variables in the
model are phosphorus in algae cells，orthophosphate．phosphorus in detritus and phospho—
n|s in sediment．The model describes phosphorus circulation in the ecosystem of the W est
Lake．The results of model calibration and verification show that the model can reasonably
respond to the changes of forcing functions for drawing quantity and temperature of water．
The model has been used to make the forecasts of water quality in the different drawing
quantity．The predictions given by the mod el are also believed to the useful tO comprehen—
sively harness the West Lake．
Key word：eutrophication model，phosphorus circulation，drawing water，the West Lake
湖泊富营养化是一个极为复杂的生态过程 根据目前研究结果表明0叫：，影响富营养化的固子众多 ，如
富营养性物质磷，氨、碳等。所谓富营养化实质上是指初级生产力异常增大的现象 支配这种初级生产力的
营养性物质，是富营养化的极为重要的指标，也是主要控制固子埔 制藻类生产量的主要物质是磷、氮。西
湖中总氮与总磷之比高T20．远大于7，表明磷是西湖的限制性营养日子。因此控制水体中的磷含量是防治
* 国家自然科学基金项目(39170169)和浙江省 自然科学基金资助项目(3931190)
收稿日期：1996—04·O6 修改稿收到 日期 1997—04 25。
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裴洪平等：杭州西湖引水后生态系统中磷循环模型 649
西湖富营养化的关键 本模型试图通过对引水后的磷循环动态变化的描述，进行水质变化预测，以研究弓
永和疏浚湖泥的效益，为进一步综合治理西湖提供数据资料。
1 湖泊的基本概况
西湖是位于杭州市城区西侧的小型浅永湖泊。水
面积为5，66kra ，平均水株1+56m。湖内白堤和苏堤把
西湖分隔成外湖，北里湖，岳湖，西里湖，小南潮等5十 出 日
湖区 (图1)。由于长期的营养盐累积 ，永质 日益富营养
化，藻类过度繁殖，影响了永色和透明度以及它的旅辩
价值 。为改善西湖水质，巳建立 了截污工程和钱塘江引
水工程 根据杭州西湖水域管理处提供的资料估算．西
湖截污后，平均进水量约为1，9616×10 m。，a，扣除蒸发
量4．1710×10 m ／a。在不弓【水的情况 下，其泄流量为
1．5445×1O1m ／a。总磷(扣赊渔获物所移出的磷)平均
输入量为2，4t／a，正磷酸盐输入量约为0，88,／a。自1986
年引水工程建成后，年平均引水量约为1．3×10 m。
2 模型结构
本模 型以西湖生态系统为研究对象，对营养盐磷
的循环作定量描述。模型由状态变量．强制函数 、状态
方程、速率方程以及参数组成 状态变量共设4十 ，即浮
游植物磷(Pc)、正磷酸盐(P )、碎屑磷(PD)和沉积物
磷 (P )。模型对西朝磷循环的描述．按图2所示线路进
圈1 西湖湖区厦采样点的分布
Fig 1 DJstdbut[on ot the basins of W est Lake
行。强制函数为引水量、水温和营养物的输入量 引水量资料由西湖泵站提供．每月按 日平均量输入 ，永温
按湖泊实拯j数据 ，使用月平均温度 模型将西湖作为1个单元来处理。本文各项实测值均为5十湖区面积大
小所求的加权平均值。
图2 西湖生志系统中磷循环模型的结构
Fig 2 Structure of phosphoru~circulation model in ecosystem 0 W est Lake
2．1 状态方程
状态方程是模型中用以描述磷循环系统中物理、化学和生物过程的方程式。它们是按物质守恒定律建
立的确定性微分方程所组成 每个方程描述一个状态变量与强制函数以及参数闻的关系。其方程组为；
dPC’let UPxPHYT—MORTPC—sETPC—
PC×(01+02)／V (1)
dPI／dt：DPI+LPI+MINPDTExCHP—
UP×P胛 —P (01-_02)／V (2)
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65O 生 态 学 报 18卷
dPD 血= DPD+ LPD+MORTPc—MiNPD—
SE什 D—PD×(O1+O2)／V (3)
dPs dc— Sl rPc+sETPD— ExcHP t41
其中 01、O2分别为湖泊不引水情况下的泄流量和引水量。L 和 LPD分别为不引水情况下湖泊单位
体积的正磷酸盐和碎屑磷的负荷量。DPI和 DPD为引水量带来的湖泊单位体积的正磷酸盐和碎屑磷的
负荷量。
二2 速率方程
二2．1 磷的提取(UP×P脚 ) 浮游植物的生长是湖泊富营养化的关键。磷是能限翩浮游植物生长的
主要营养盐之一，这关系可用Michaelis—Menten动力学公式描述，即按照藻类细胞的营养盐水平稳定不变
的假定，把藻类的生长作为环境营养物浓度的函数来描述。其公式是：
己，P — UP × FPl× FP2 (5)
FP1一 (FPA n． 一 FPA)／(FPAm 一 FPA ) (6)
FP2一 PI／(PI+ KP) (7)
FPA — PC／1"H玎 (8)
其中 乙 是藻类细胞对磷的摄取率 FP1和 FP2分别是藻类细胞含磷量和湖水磷浓度对其最大摄取
率的制约函数，PHyr为藻类生物量。由于假设浮游植物细胞内营养物稳定不变，P卸 ’可用洋辨植物磷
PC来表示。一般认 为，浮辨植物磷可按浮游植物生物量干重的含磷量为0．1 算得，故 FPA为1 ，即
0_01
二2，2 浮游植物磷的丢失(MORTPC)及碎屑和沉积物磷的矿化(MINPD，MINPS) 在建立模型时，未
将消费者生物列为状态变量，而是将各级消费者生物所摄取的磷全部归入浮游植物磷的损失。为此，本模
型赋予浮游植物较高死亡率。浮辨植物死亡造成浮辨植物磷的失去以及碎屑和沉积物磷的矿化过程均受
温度制约。按照Van’t Hof方程采用标准温度2o℃，其速率方程为：
MORTPC — Kd × Od 一 。 × PC (9)
M INPD — Kml× ml 一 × PD (10)
MINPS = Km2× 2 一 。 × (1一 rs)× PS (11)
二2．3 浮游植物磷(SETPC)和碎屑磷(SETPD)的沉降 浮辨植物磷和碎屑磷的沉降是指除去风力或其
它因素引起再悬浮后的平均沉降作用 困垒湖水探相差不大，故西湖采用同一沉降速率方程 其方程为：
SETPC — PC × (VSl／D) (12)
S日 PD— PD × (1一 rd)× (VS2／D) (13)
二2．4 水与沉积物之界面磷交换(EXCHP) 磷在水与沉积物中同时有沉降作用和分解作用(即动态平
衡)。本模型对这过程的描述以磷在沉积物或水中某种存在状态措着浓度梯度扩散所进行的转移过程为依
据，其过程受温度制约，速率方程为：
EXCH P — KEX × (MINPS — P ) (14)
2．3 参数
模型所采用参数共l7个，其中部分系西湖实测值，部分则根据文献选用参考范围，并采用参数调试推
导法算得(表1)。
3 模型实施与校准
模型采用 Runge—ketta数值积分法，用 FORTRAN语言由 Del 486微型计算机执行运算，按生态模型
一 般采用的ld为步长。
模型按照西湖1989年实测数据逐 月校准 其状态变量的初值采用1988年12fl的实测值(表2)。其中浮
潍植物磷由浮游植物生物量求得，浮游植物的生物量则由叶绿素a的实测值按0 05rag碳一lstg叶绿素a
换算所得
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6期 裴洪平等：杭州西湖引水后生态系统中磷循环模型 651
表1 模型参数
Table 1 Model parameters
符号 古义 单位 数值 符号 古义 单位 数值
Symbol Meaning Unit VMue Symbo] Meaning Unlt Value
uP 一 藻类细胞对磷的最大摄取率 1／d 0．01 FPAma 藻类细胞最高古礴量 g／m 0 0143
J ’ 藻类摄磷的Michaelis常数 g／m 0．022 " A 藻类细胞最低古碡量 g／m 0．002
碎屑磷中溶解有机磷所占比率 一 0．38 Oral Kin1时温度系数 一 1 15
KEX 水与沉积物间磷交换系数 1／d 0．OZ VS1 藻类沉降速度 m／d 0．05
Kin2 20E时沉积物磷的矿化率 ：／a 0．0025 V,S2 碎屑沉降速度 mid 0．13
2 Kd的温度系数 一 1．I5 Kin1 20C时碎屑矿化率 1／d 0．022
沉积物磷中布可交换磷所占比率 一 0．18 湖泊体积 m I．I×l0
Kd 20"C时藻类死亡率 1／d 0．35 D 湖泊水裸 m I．56
附 20℃时藻类死亡的温度系数 一 1．02
各项指标的模拟值和实测值见图2．其中透明度(s_D)的模拟值是按照西湖透明度与总磷(丁P)同的统
计经验公式 In(SD)一一8．777—1．0251n(丁P)算得 从图2中可见，模型较好地描述了西湖引水后的生态系统
中磷循环动态变化过程 虽然有些指标的模拟值和实测值不完全拟合，但两者变动的趋势基本上是一致
的 这可以用3个校准指标来说明．即控验期状态变量校对误差( ) 平均状态变量校对误差(R)和最大状态
变量校对误差(A)定量表示，其公式为：
( )； f( ( — ) ) }，l × 100 (15)
R( )一 ( 一 )／ × 100 (16)
A( )一 ( ．～ 一 y⋯ 。) ⋯ × 100 (17)
式中： ， ， ．～分别为校验期模拟值，平均模拟值和最高模拟值， ， ， ．，⋯分别为校验期实测
值，平均实测值和最高实{赠值
表3蛤出了模型中3个主要状态变量校验指标 Y、R和 A值，从表3中可以看出，在3个校验指标中，这3
个状态变量没有一个达到1O 。这表明此模型有作为预测工具的价值。
4 横型对引水工程及蔬浚效益的评价
为了作出对西湖引水效益的估计 t研究引水后官营养化的发展趋势 。本文还候设不引水和增加1989年
引水量的1倍两种情况，按l989年的初值条件进行模型的模拟计算，并与1989年的模拟结果作比较(见表
1) 模拟计算表明t弓f水对提高透明度较明显 每年引水1．33×10 t或2、66×10 t入西湖比不引水情况下平
均透 明度分别提高2、9cm和4．2cm，即分别提高5、7 和8．3 。特别是在5月，可分别提高7．8cm。能在春季
较大幅度提高透明度是十分理想的 但在另一个旅游旺季—— 秋天，透明度提高不明显
表2 模型状态变量的韧位 (g／m )
Table 2 Initial values of the state va riableS in the
model
表3 3个主要状态变量校准指标( )
Tahie 3 Three main calibration indexes
of state variables
从计算表明还可以看出，引水1．33×10 t／a和2．66×10 t／a，叶绿素 a含量比不弓f永情况下平均分别
降低l、4~g／l和2·0／~g／／，分别下降了2．2 和2．6 。叶绿素a降低最明显的月份是7月．分别降低ya．O~g／1
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652 生 态 学 报
圈3 西湖1989年叶绿素a 总磷和正磷酸盐的观测值与横拙值的比较
Fig．3 Compar~oa between obse~ed (—— )and simulated (⋯ ⋯ )values of transparency．ch]orophy1]y a．total
phosphorus atd orthophosphate in the W est Lake，1989
和4，2~g／1，但就总体而言，弓f水能降低水体的叶素踩a含量，但效果并不理蟓。这可髓与钱塘江水中正磷酸
盐偏高有直接的关系。
由于钱塘江水中正磷酸盐过高，使引水后的西湖水体正磷酸盐的含量升高。年弓『水量达到1．33x10 t
或2．66×1o t时，水体中正磷酸盐浓度比未弓『水情况时分别升高0．O0058mg／I和0，00084mg／[，即分别升高
了9．4 和13．6 。一般认为，溶解的正磷酸盐是被植物吸收的最主要形式 这表明，它是浮游植物增长的
潜在因素之一
从模型的分析知道．主要原 因在于系统内作为营养物贮存库的沉积物磷所趋的作用。许多湖泊的调查
资料表明，湖泊外部污染源被控制以后，由于沉积物 中营养盐的内负荷的存在，仍然可以发生富营养化 为
此，本文设想，将西湖沉积物移出其现存量的1／3或1／2以后，仍按1989年引水量引水，进行模型的模拟计
算。计算结果(表5)表明，和1 989年的指标比较，在移出1／3或1／2沉积物后，透明度的年平均值分别提高
24．9％和 43．4。叶绿素 a的浓度年平均值分别下降20．5 和29．2 ，正磷酸盐浓度分别下降11．9 和
19．4 ，总磷浓度分别下降了20．5 和30，1 由此可见，挖泥对于改善水质的救果是十分明显的。
表4 3种引水量下水质状态变量的变化预测 表5 不同挖泥量对西湖水质状态变量的变化预测
Table 4 The predictions of water quality in three Table 5 The pred iction of water q~ality in the
quantity of drawing water different quantity of sed iment rem oved
注：】、I和 I分别表示不引水、引水1 33×10 t／a和2．66 注一均以1989年的引水量计算
×10 t／a。引水量的单位是 t／a。
5 讨论
5·l 本模型仅注重于磷对浮游植物的限制作用，是考虑到磷为可能的限制性营养盐 本模型的模拟结果
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6期 裴洪平等：杭州西湖引水后生态系统中磷循环模型 653
显示 ，按照磷的循环来反映酉胡水体 的变化，基本上是台理的。但也不能完全排除在某段时间内存在其他
营养物质限制的可能性
5．2 本模型对西湖磷循环动态的描述，基本上是以每月4次的观测结果的平均值作为当月观察值(叶绿索
a的观测次数为每月1～2次)。每次拌本包括9个观测点的有关资料。因此，观测数据还是基本可信的。但引
水量是根据每月的总弓I水量求得该月的 日平均引水量输凡模型的。这同实际情况有一定的出凡，另一方
面，模型对于生态系统的确定性描述在某些方面可能过于简化，可能还有其它一些因素存在，使不步模拟
值未能很好地拟台实测值。但从模型校准和检验的指标看，特别是模拟值与实测值的趋势基本一致。
5．3 由于钱塘江水体中的悬浮物主要是泥沙，特别在潮讯和雨水期间，大量的悬殍泥沙影响了引水。根据
测定知道，1年中约有]_35d钱塘江水的透 明度达90cm 上，因此，虽然 日抽水能力可达30万吨 固种种原
因，每年的最高引水量估计在2．5×10 ～3 0×10 t，文中将1989年的引水量增加l倍正处于这区间内，所
以，取2．66×10 t／a作为高引水量年份的状况以考察引水的效益 表4中可以看出，提高1倍的引水量，即从
1．33×10 t提高到2．66×lO 时，水质指标在这期间里提高骚慢 。原固是多方面的，模型的分析以及表5中可
以看出，影响西湖水体喜营养化的最主要的原因是底泥 西猢底泥含磷量甚高，对于水柱营养物浓度的变
动有重要影响。将底泥的沉积物移出对西湖水质的变化影响极为显著。因此，要进一步提高西湖水质，仅靠
引水是不够的。要太幅度提高水质．疏浚底泥是必要的。
参 考 文 献
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