如何从监测到的指标中洞察湖库水质变动的前因后果？

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引

INTRODUCTION

前面我已经说过了，我们对所监测的湖泊的监测结果，不能只停留在分析其氮或磷哪个指标更高，是否超标或者是否符合国家的某个标准阈值等等这样的表面工作上，特别是长期的监测工作更不应以满足评价氮磷哪个高或低为目标，而是应揭示：氮磷在监测期内的变化，能否给我们更多或应有的启示：如给我们指出是受哪些可能的因素影响而出现了这样的变化；或者为我们过去的管理对氮磷的削减有没有效果的评价提供依据，或者为我们接下来的环境管理提供指导，即针对这些主要因素，我们接下来应该在哪些方面着力才能使环境管理更有针对性、或者目前的管理是否得当、未来的水环境还可能怎么变化（如是否会暴发蓝藻水华等）做出准确的预判等等。

我这么说，可能很多朋友还是感觉云里雾里，不知道我所云。那我就更系统地给大家做个介绍。当然我的方法，都是经不起专家评审所以不能在正规的科技论文得到发表、与正统的环境科学上的方法完全不同的土办法。但我相信我的方法，能让你对环境问题的认识更透彻，不妨来听我瞎掰掰吧。

我们在对水环境的监测结果进行分析的过程中，一定要有时空的概念。即要对不同的采样点，要能与湖库的水动力过程、方向相关联，要能区分出水流的上下游方向，因为上下游的氮磷来源和贡献、表征和寓意是不同的。有人说，水库有严格的上下游，湖泊有时是难以区分上下游的。这个说法不无道理。但至少就我了解的江苏滆湖、太湖等湖泊，我们仍然非常容易分清上下游。还有，对于水库，风成流影响不大，而湖泊的风成流有时很强，确实，但风成流也要分情况，如果不是持续的季风，风成流形成的水质格局同样不会持久，或者不足以打破上下游的梯度。因此，我们在分析氮磷的时候首先要有时空的尺度上去分析不同采样点氮磷等指标的变化，才能了解氮磷的内外源影响强度、湖库自身净化作用的强弱、理化过程与生物作用的强弱等等。分清上下游，就是要让你明白：上游点位的氮磷会影响下游点位（且受水动力强度的影响），但下游点位一般不会影响到上游点位，因此你可以根据不同点位的监测结果，更能分辨影响氮磷浓度的内外源不同驱动因素的影响。我以前也曾提到过，国内对水环境的分析，常引用了物理学的理想模型：质点，即将一个受力物体理想化地看作一个质点。我们的环境科学研究中，人们也普遍将一个湖库看作四处均匀的一个水体，因此将不同采样点的指标完全平均化对待。但实际上，不但上下游的采样点不同，而且更主要是：主流方向的采样点与非主流方向上的采样点，其水质影响也是很不相同的。因此分析过程中将主次不同的水流方向上的氮磷进行加权分析，才能更科学合理。甚至在研究中，采样点的布设就应该要如此考量。但目前的各种水环境监测规范，都并没有这样指导大家按照主次流的重要性设置采样点和进行加权统计分析。所以我的解读方法是一种非主流方法。第三，在时间尺度上的分析，我们还可以至少从这样两个角度去思考和分析：1. 考虑汛期与非汛期的差异；2. 随时间变化的氮磷变动情况。目前，我国的环境管理指标都是僵化的，如地表水标准是一条“死人的心跳图”——一根僵化的水平线。但众所周知，没有一个湖库的水质，不会在汛期出现大的波动。降雨越大，外源输入就越大，水体短期内的氮磷含量就会越高。难道此时的氮磷超标，就是管理不当造成的吗？由于僵化的指标，导致：要么管理者数据造假来满足管理要求，要么管理者无辜受到不应有的追责。汛期大量降水，必然会使面源输入在短期内迅速增加，这是任何系统都不可能短期内就消解掉的，这是生态系统故有的特点，我们的水环境管理理应尊重规律。同时我们也不应该因为特大暴雨造成的短期内氮磷增加超过了某个标准，就认为某某湖泊（或水库）水质变坏了，更不应该将这种超标，就认为是养殖了鲢鳙鱼造成的（这在国内某个水库，环境部门就是这么认为的，他们会让所有的锅，都要叫鲢鳙来背）。因此如果你了解了时空的这些过程，你就会对水质的变化更了如指掌。那么我们如何区分暴雨输入与水质恶化的区别呢？而且其实我们还能较好地分析：系统的自净能力大小，即暴雨输入的氮磷，能在多长时间里被湖泊的自净能力消解，显然，相同的暴雨输入量，消解时间越长，说明湖库的自净能力越弱，因此可以根据历年暴雨后氮磷回复到暴雨前的水平所需时间的长短，来判断湖泊自净能力的变化。

在此我再向各位引入一种物理学的思考方法：就是我们将水体及其食物链看成是一个个连通器，湖泊/水库是第一个连通器，其氮磷的浓度是输入的氮与流出的氮（即被藻类吸收的氮）的净值。如果输入大于流出，总氮（或总磷）含量就升高，反之，就越低。因此我们可以根据氮磷浓度与输入量的大小的对比，来判断这种变化过程。也许你会说，我们怎么知道输入的氮（或磷）是多少呢？是的，在我国的环境监测中，缺少对面源污染输入的监测，在国外，我们可以经常看到有关nutrient loading的统计和估算。但我们必须要知道：是输入量的多少，而非水体的氮磷浓度本身，是影响藻类生产力的最主要因素。但即使缺少了对氮磷输入量的合理评估，我们仍可以根据多方面的因素来做出评判，例如我们可以根据上游点位的氮磷浓度的时间序列变化，来推断上游面源污染输入的变动情况。而输出的量与水体的食物链特别是藻类的群落结构、优势种和生物量有着紧密关系，而后者又与鲢鳙的生物量有着紧密关系。但藻类和鲢鳙又各自是相互连通的连通器，因此其前后是相承的关系。即藻类吸收的氮磷，最终主要是流向鲢鳙等高营养级生物的。反过来讲，只要水体中有着较高的鲢鳙生物量，水体中的磷（或氮），除了沉降，其他的都会迟早经藻类而转移到鲢鳙有机体中。但是藻类等食物链环节转移的氮磷是按一定的比例的，如果氮磷比过高，多余的氮就不会随食物链迁移转化。有科学家说，水环境治理只要控磷，其实不完全准确，如果该水环境是磷污染为主，那么控磷是有效的，但如果某个湖泊/水库主要是氮污染，那么控磷解决不了氮污染。磷含量越低，氮越容易被积累。这主要是因为藻类吸收氮磷存在着一定的比例的缘故（这是我个人的认识，不要问我科学依据来自于哪里）。我国很多地区由于受农业面源污染影响，一些饮用水水源水库的总氮浓度甚至超过了5mg/L，而总磷浓度非常低，当然水质看上去不错，但高总氮（因此也必然是高硝酸氮）对于饮用水而言毕竟是不合适或是有风险的，因此有必要采取相应的对策来控制这些水库总氮的污染（当然目前的研究而言，硝酸盐是毒性非常低的，在集约化养殖系统中，超过150mg/L的硝酸盐氮才会对鱼类产生毒性作用；但饮用水中的硝酸盐氮不可能这么高，尽管如此，长期饮用较高硝酸盐氮的饮用水，如超过3mg/L，因我国国民有煮水喝的习惯，可能存在亚硝酸盐升高的风险，这个风险有待科学研究来证实。）

总之，要深入洞察湖库水质的变动规律，需要对氮磷变化规律的理论认识、对这些水体水动力、食物链的了解，以及需要从时空角度去分析，只有从不同的角度去综合分析，那么我们的水环境监测结果，才可能被得到更合理的解读，否则就可能是对水环境的一种就事论事的肤浅理解。

当然影响水环境变化的因素非常多，所以很多厉害的科学家都会把每个因素都罗列在其中，这表面看给人感觉很全面，也更正确，但实际上，不能区分不同因素的权重的全面分析，反而无助于问题的解决和对产生问题的驱动因素的更正确把我，对环境问题的最终解决也不见得更有益。而我，更愿意透过现象，直面问题，把问题的最主要原因揭示出来，希望这样的分析思路，也能帮助到您对水环境问题的深入洞察。对于环境问题的理解和剖析，是可以通过实践来检验，因此无论分析的对与错，都可以让实践、时间来予以检验。不知道您能认同吗？（本来想举一些具体的例子来分析，想想还是让这些数据留给我们的研究生去发论文，所以带数据的分析，就留给各位读者朋友了。）