一种湖泊水华防控指标获取方法

本发明属于环境科学领域，具体涉及一种湖泊水华防控指标获取方法。

背景技术：

1、湖泊（包括水库）是一类重要的国土资源，湖泊及其流域是人类赖以生存的主要场所，具有调节地表径流、维持生物多样性和区域生态平衡等功能；在社会经济中湖泊具有水资源供给、水产品生产、旅游休闲、气候调节、农业灌溉及航运交通等众多功能。然而，人类活动导致了大量的氮、磷等营养盐排入湖泊水体，使得藻类水华问题成为最为普遍的湖泊生态环境问题之一。

2、经典湖沼学研究通过叶绿素 a（chl a，表征藻类生物量）和总氮（tn）、chl a和总磷（tp）、chl a和透明度（sd）的量化关系，制定了湖泊的氮磷阈值和营养状态指数评估方程，为湖泊富营养化评估与治理提供了基本依据。以经典的卡尔森营养状态指数为例（carlson，1977），上述水华管控措施提出一般流程如下：

3、a. 经验方程获取：carlson（1977）根据美国和澳大利亚的深水湖泊得出如下关系式: 1）lnchl a=1.449*lntp-2.616和关系式2）lnsd=2.04-0.68*lnchl a，其中chl a和tp单位均为μg/l；湖泊sd单位为m；

4、b. 营养盐阈值提出： 应用关系式1）一般认为chl a<20 μg/l水华发生概率低，则carlson (1977)对应的美国和澳大利亚湖泊tp阈值是48 μg/l；

5、c. 营养状态指数构建：卡尔森提出了营养状态指数(trophic state index, tsi)，其将报道sd的最大值（日本masyuko湖，sd=41.6 m）在“log2”坐标上的下一个最大整数值（即sd=64 m）假定为藻类浊度为0，记为 tsi(sd)=0，并认为sd的二倍衰减(隐含藻类生物量的成倍增大)对应了 tsi(sd)的10分增值，进而得出基础评估公式①: tsi(sd)=10*(6-lnsd/ln2)；通过步骤a中的关系式1）和关系式2），推导出衍生评估公式②： tsi(chl a)=10*[6-(2.04-0.68*lnchl a)/ln2]和评估公式③： tsi(tp)10*[6-ln(48/tp)/ln2]步骤a中的关系式1）和关系式2）可推到近似关系：sd=48/tp)。

6、然而，现有资料得出经验关系一般基于区域尺度甚至跨区域尺度，即“大尺度模式”。显然，区域间光热背景或区域内水文形态背景等差异很可能对应了复杂多变的经验关系（图1 a），基于“大尺度模式”经验关系得出的水华管控技术方案无法满足水华精准防控的目标，因而可能造成巨大的经济浪费。此外，现有资料中一般使用线性最小二乘法回归确定lntn（或lntp）、lnchl a和lnsd的经验关系，该方法前提是因变量主要受单个自变量影响（图1 b）。而事实往往并非如此，如区域尺度上藻类生物量常受多种因子影响，导致lntn（或lntp）和lnchl a、lnchl a和lnsd的散点图表现为楔形而非线性（图1 b）。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种湖泊水华防控指标获取方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种湖泊水华防控指标获取方法，所述防控指标包括氮磷阈值和营养状态指数，所述方法包括：

4、获取待评估湖泊的多年湖泊营养参数数据集并对营养参数数据进行自然对数转换，所述营养参数包括tn、tp、sd和chl a；

5、利用自然对数转换后的湖泊营养参数数据，基于散点图潜在约束线形态对湖泊chl a受tn限制、chl a受tp限制和chl a主导sd变化的约束线方程进行分类量化；

6、以水华暴发对应的chl a浓度经验值为因变量，基于tn对chl a的约束线方程、tp对chl a的约束线方程，计算对应的tn、tp值，即待评估湖泊的氮磷浓度阈值；

7、将所述tn对chl a的约束线方程、tp对chl a的约束线方程、chl a主导sd变化的约束线方程，分别代入营养状态指数基础评估方程，获得待评估湖泊的营养状态指数评估方程。

8、作为一种优选的实施方式，获取待评估湖泊5年以上的湖泊营养参数数据集。

9、作为一种优选的实施方式，所述数据集包含湖泊春季和夏季的tn、tp、sd和chl a数据。

10、作为一种优选的实施方式，利用自然对数转换后的湖泊营养参数数据，分别建立对数转换后的chl a与tn、chl a与tp、chl a与sd的散点图，对三个散点图的约束线方程进行分类量化。

11、作为一种优选的实施方式，所述约束线方程的构建方式为：

12、基于散点图上边界的潜在约束线形态进行分类量化：

13、如果散点图上边界约束线呈线性，则采用95%分位数回归模型量化约束线方程；

14、如果散点图上边界约束线存在拐点，则使用区间最大值法结合断点回归量化约束线方程。

15、作为一种优选的实施方式，所述潜在约束线形态通过目视判断。

16、作为一种优选的实施方式，所述使用区间最大值法结合断点回归获得约束线方程的方法包括：

17、采用区间最大值法，根据自变量变异梯度将其切割为若干区间，并将各区间内的因变量最大值乘以0.95，和对应的自变量值确立新的上边界散点，然后通过断点回归得出新确定散点的回归方程。

18、作为一种优选的实施方式，所述水华暴发对应的chl a浓度经验值为水华爆发风险对应的chl a临界值。

19、作为一种优选的实施方式，所述chl a浓度经验值为20 μg/l。此处浓度经验值参考国家管理部门相关技术标准设置，如本发明提供的浓度经验值是参考《重点湖库水华预警工作机制（试行）》给出的大型浅水湖泊水华预警chl a经验值。

20、作为一种优选的实施方式，所述营养状态指数基础评估方程为深水湖泊营养状态指数 tsi方程或改进营养状态指数 tsim方程。

21、本发明的原理如下：本发明发现针对湖泊，在多因子影响下，lntn和lnchl a、lntp和lnchl a散点图上边界约束线，而非平均效应线，才体现氮(或磷)对藻类生物量的限制作用；同理lnchl a和lnsd上边界表征了透明度主要受藻类浊度衰减的约束线，因此通过针对特定湖泊通过约束线的方法得出lntn(或lntp)、lnchl a和lnsd的回归方程，进而制定“一湖一策”的氮磷阈值和营养状态评估方程。

22、本发明具有如下有益效果：

23、本发明所涉及约束线回归方法具有充分的生态学依据，分类结果具备客观性；同时，本发明得出“一湖一策”的氮磷阈值和营养状态指数和可显著提高湖库保护效率，节约经济成本，有利于富营养化和水华防控措施的精准实施。