不同方法在高塘湖富營養化評價中的對比研究

戴 然

(1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院，合肥 230088；2.安徽省建筑工程質量監督檢測站，合肥 230088)

近年來，隨著經濟的快速發展、人口的大量增加、水資源的大量開發及不合理利用[1]，我國湖、庫、河流等重要水體均出現不同程度的富營養化現象[2]。富營養化是指氮、磷等營養物質的過多引起的水體污染，導致藻類等水生生物大量繁殖等現象。水體富營養化后，原有生態系統失衡，水體功能大量退化[3]、大量研究表明[4,5]：一些重要的水質指標(如總氮、總磷、葉綠素a、透明度、生化需氧量)能一定程度上反應水體富營養化狀態。目前，在富營養化評價上并沒有統一的方法和標準，國內外學者采用較多的方法主要有[6-11]：神經網絡法、主成分分析法、綜合營養狀態指數法、遙感與模型綜合法、聚類分析法、營養狀態指數法等，這些方法的不斷完善在我國水體富營養化評價方面發揮了巨大的作用，如李林衡[12]等采用綜合營養狀態指數法揭示了鄞州區六個水庫水體的富營養化狀況；尚佰曉[13]等根據模糊綜合評價最大隸屬度原則較好的判斷了鐵嶺蓮花湖水體的富營養化等級；郝有志[14]等采用修正的卡爾森營養狀態指數法以及氮磷比確定了長河灣富營養化限制因子；趙琳琳[15]等通過建立線性回歸方程探討了新立城水庫富營養化與水質因子之間的關系。綜合營養指數法和營養狀態指數法分別是我國環保部門和水利部門認可的兩種富營養化評價方法，同時也由于這兩種方法計算較為方便，因此這兩種方法應用較多。目前在對湖、庫進行富營養化研究時，對處于不同等級的水體面積進行統計相關文章較少，由于Arcgis軟件由于具有強大的空間分析功能，本文擬采用綜合營養指數法和營養狀態指數法兩種方法對高塘湖水體富營養化進行評價，結合Arcgis軟件的各種插值方法和“柵格計算器”進行深入分析，研究結論以期為水體富營養化評價結果的深入分析提供參考。

1 研究區概況

高塘湖(117°07′～ 117°13′E 、32°29′～ 32°43′N)又名窯河，原屬淮河支流窯河河道一部分，后由于泥沙封淤河口積水成湖。高塘湖歷來有“魚米之鄉”之稱，湖岸良田萬頃，湖內魚鴨成群，南納洛河、嚴澗河來水，北入窯河，位于淮河中游南岸，跨越定遠、長豐、鳳陽、淮南等縣市(主要屬于淮南市)，淮南市年均氣溫15.3 ℃，年均日照時數2 262 h，無霜期230 d，年均降水量874.2 mm，高塘湖長約20 km，最大寬3.0 km，平均寬2.45 km，常年水位17.5 m，湖面面積49.0～160 km2，最大水深5.43 m，平均水深1.73 m，最大入湖年徑流總量3.9 億m3。湖內浮游植物、浮游動物、底棲動物、魚類、鳥類、原生動物等物產種類豐富，是淮南市重要的水產基地，近幾年來由于水產養殖力度的不斷加大，湖內水質逐年惡化，高塘湖重要程度不言而喻，而有關湖區水質、水環境方面的研究卻鮮有報道，因此，了解高塘湖水體營養化狀態顯得尤為必要。

2 材料與方法

2.1 水樣采集及檢測

根據高塘湖形體特征，共設8個監測點位(S1：嚴澗河來水、S2：洛河來水、S4和S5：水產養殖集中區、S8：入窯河口)，監測點位見圖1。課題組于2016年3月至2017年2月對高塘湖進行了為期一年的水質監測，采樣時間為每月的中旬，水樣采集過濾完后立即送入實驗室進行檢測，透明度(SD)采用透明度盤現場測定，其他檢測指標有：總氮TN、總磷TP、葉綠素a Chla、化學需氧量CODMn，檢測方法嚴格按照相關規范進行。

圖1 監測點位

2.2 營養狀態指數法

根據《地表水資源質量評價技術規程》(SL 395-2007)，評價項目包括TN、TP、Chla、SD、CODMn，計算公式如下：

(1)

式中：EI為營養狀態指數；N為參評項目個數；En為單個評價項目分值，各評價因子濃度標準對應的分值見表1，根據表1中標準采用線性插值計算En。

表1 營養狀態指數法評價標準及賦分值

2.3 綜合營養狀態指數法

參照《地表水環境質量評價方法》中對綜合營養狀態指數法的描述，本文選取Chla、TN、TP、CODMn、SD共5個水質指標計算各監測點的綜合營養狀態指數，計算公式如下：

(2)

式中：TLI(∑)為該監測點位的綜合營養狀態指數；TLI(j)為第j種物質營養狀態指數；Wj為第j種物質在該評價體系中所占重，TLI(j)以及Wj計算公式參考相關文獻[4,12]，評價標準見表2。

表2 綜合營養狀態指數法評價標準

3 結果與分析

3.1 高塘湖2016年水質狀況

根據當地水文特征，將6-9月劃分為豐水期、12月至次年的2月劃分為枯水期，其他時候為平水期，求得各時期水質指標平均濃度值，監測期間水質情況如圖2所示，分析可知：高錳酸鉀指數濃度為2.14～18.26 mg/L，在S4、S5點位濃度較高，在枯水期時S4點位達到最大值(低于Ⅴ類標準值)，平水期的S1點位為最小值(Ⅱ類)，高錳酸鉀指數濃度值整體表現為枯水期>平水期>豐水期；TN濃度為0.41～1.39 mg/L，在豐水期的S1點位最小(Ⅱ類)，枯水期的S7點位最大(Ⅳ類)，不同水期的TN濃度全年變化不大；TP濃度超標嚴重，均低于Ⅴ類標準值，濃度變動范圍為0.22～2.37 mg/L，在豐水期的S2點位最小，枯水期的S6點位達到最大值，TP濃度值整體表現為枯水期>豐水期>平水期；Chla濃度為0.021～0.072 mg/L，平水期的S1點位最小，枯水期的S4點位最大，豐水期S5、S6、S7、S8點位的濃度值遠大于其他點位，其他點位各時期濃度值相差不大，Chla濃度值整體表現為豐水期>枯水期>平水期，TP與Chla在不同水期的濃度變化與常規結論“水質指標優劣排序應為豐水期、平水期、枯水期”不一致，筆者推測可能是因為豐水期研究區水體面積增大，水產養殖中黃鱔、魚類等養殖比率大大增加，且養殖添加的飼料中P元素含量較大，而TP濃度與Chla濃度具有正相關性，進而引起Chla濃度增大；SD變動范圍為0.23～0.82 m，在枯水期SD值較大，其次是平水期，豐水期SD值最低，這主要是因為夏季干旱，上游開閘放水滿足周邊城市灌溉需求，因此下游水體較為渾濁。

圖2 監測期間水質狀況(注：圖中SD單位為m，其他因子單位為mg/L)

3.2 綜合營養狀態指數法評價結果

將各點位每月水質監測值求和平均，通過綜合營養狀態指數法評價出高塘湖營養狀態，結果如表3所示，分析可知：所有點位處于輕度富營養化狀態，TLI(∑)值從51.53到59.34不等，其中S4、S5的TLI(∑)值較高，分別為59.34和58.84，說明轉化為中度富營養的風險較大；五種水質因子中SD營養狀態指數最高(70.8)，其次是Chla、CODMn、TP，TN營養狀態指數值最低(指數值為36.4)，說明TN是高塘湖發生水華的主要限制因子；各點位的Chla營養狀態指數值波動不大，其他營養物質的指數值在各點位波動較大，TLI(TN)在S4點位最大、S1點位最小，TLI(TP)在S5點位最大、S8點位最小，TLI(CODMn)在S4點位最大、S2點位最小，TLI(SD)在S4點位最大、S8點位最小，雖規律不太明顯，但總體說明S4點位污染較為嚴重。

表3 綜合營養狀態指數法評分結果及營養等級

3.3 營養狀態指數法評價結果

采用營養狀態指數法評價結果如表4所示，分析可知：高塘湖整體處于輕度-中度富營養，其中S4、S5、S6點位處于中度富營養，其他點位為輕度富營養，但EI值都接近中度富營養，EI綜合得分為56.1～63.7(營養源得分48.5～62.7，營養狀態得分62.4～68.9)，三種營養鹽物質中TN的EI值最低(40.6)，TP跟CODMn相差不大(EI值為61左右)，說明TN是發生水華的限制因子。

3.4 高塘湖營養狀態空間分布

為更直觀的判斷高塘湖在兩種富營養化評價方法的空間分布，根據各監測點位的TLI和EI分值采用Arcgis軟件進行插值生成全湖富營養化評價空間分布圖，繼而采用軟件中“柵格計算器”對其進行分級顯示并統計各分值下的占比(圖3、圖4)，分析可知：全湖綜合營養狀態指數得分為50～60，處于輕度富營養等級，其中58～60分的水體面積占比27.26%，主要集中在水產養殖區域，說明該部分水體轉化為中度富營養等級的風險較大；全湖營養狀態指數得分為56～64，處于輕度—中度富營養等級，處于中度富營養(60～64分)等級的水體面積占比19.91%，EI得分為56～58分水體面積占比20.66%，EI得分為58～60的水體面積占比59.43%，說明全湖全部轉化為中度富營養等級風險較大。

表4 營養狀態指數法評價結果

圖3 綜合營養狀態指數空間分布

圖4 營養狀態指數空間分布

為探討兩種方法在不同水期的評價結果，筆者分別采用上述方法內插生成不同水期的富營養化空間分布圖，結果見圖5和圖6。

圖5 不同水期綜合營養狀態指數空間分布

圖6 不同水期營養狀態指數空間分布

圖5分析可知：豐水期TLI值介于48～59之間，處于中營養-輕度富營養狀態，中營養水體面積占比3%；平水期TLI值介于47～59之間，處于中營養-輕度富營養狀態，中營養水體面積占比4.1%；枯水期TLI值介于52～61之間，處于輕度-中度富營養狀態，中度富營養水體面積占比0.1%；雖然不同水期水體所處富營養狀態等級不一致，但大體均處于輕度富營養等級。圖6分析知：豐水期、枯水期和平水期的EI值分別介于54～63、53～63、57～66之間，均處于輕度-中度富營養狀態，中度富營養水體面積占比分別為17.1%、13.3%和32%。圖5和圖6對比發現，兩種評價方法均是在枯水期結果較大，說明研究區枯水期污染物濃度較大，這與上文水質分析結論一致；綜合營養指數法評價在豐水期和平水期結果只有少數差異，營養狀態指數法結果也一樣，說明研究區豐水期和平水期水質相差不大，這與上文水質分析結論有差異，可能是因為富營養化評價時綜合考慮了各項水質因子的權重有關。

4 討 論

營養狀態指數法特點將參評因子分為營養源因子和營養狀態因子，主要是從水體發生富營養化的機理以及特征方面考慮，所有參評因子時在計算時權重取值相等，不能反映出超標污染嚴重的因子的影響，根據上文水質分析，研究區五個水質因子中CODMn和TP污染較重，在綜合營養狀態指數法評價中權重值分別為0.183 5和0.179，而在營養狀態指數法中權重值均是0.2，因此本研究中營養狀態評價結果更真實。綜合營養狀態指數法所有參評因子的計算都是以Chla為基本參數，Chla所占的權重最大，其他因子權重主要是根據其與Chla的相關性確定，本文中各因子的權重值采用金相燦等[16]對國內26個具有代表性湖泊的調查數據給出的權重數據，當各參評指標(Chla、TN、TP、SD、CODMn)基礎資料較為齊全且Chla濃度具有較好的代表性時評價結果較好，但當Chla的資料相對匱乏時無法用該法進行評價，或者當Chla的濃度不具有代表性時評價結果可能偏保守。根據上文水質情況分析表明研究區P污染較重，而N元素污染并不嚴重，有研究表明當水體氮磷比介于7～10時水體易發生富營養化[17]，很顯然本研究中N元素為發生富營養化的主要限制性因子，綜合營養狀態指數法計算公式中Chla和TN的權重分別為0.266、0.188，權重大小位居五個評價指標中的第一和第二，因此本文中綜合營養指數法評價結果偏小。另外本文中營養狀態指數法結果與綜合營養狀態指數法結果有差異，還有一個原因是各采樣點的Chla濃度相差不大，Chla在反應研究區富營養化狀態時不具有代表性，且SD值受上游開閘放水灌溉的影響，SD值與Chla濃度相關性不明顯，因此營養狀態指數法能更好地反映出研究區水體營養狀態。綜上說明下列情況采用營養狀態指數法進行富營養化評價結果更真實：①當水體中Chla濃度具有代表性；②N元素為富營養化限制因子時；③研究區污染水平不高時。

目前大部分水體富營養化的研究未從水體處于各營養等級的面積占比上進行分析，由于Arcgis軟件具有強大的空間分析功能，且被廣泛應用于各行各業[7]，Arcgis與水體富營養化評價更深層次的結合運用也許是個值得深入研究的課題，本文在生成空間分布圖時僅是對“克里金插值”、“反距離權重插值”進行了試探，最后決定選用“克里金插值”法內插出空間分布圖，由于該軟件中有很多種插值方法，而對于應選用哪種插值方法會使結果精度更高有待進一步研究。

5 結 論

本文以高塘湖為研究對象，在分析湖泊水質現狀基礎上，采用綜合營養狀態指數法和營養狀態指數法對湖泊水體富營養狀態進行評價，結果表明：

(1)高塘湖TP濃度超標嚴重(TP全年濃度值低于Ⅴ類水質標準)，變動范圍為0.22～2.37 mg/L，枯水期TP濃度值>豐水期>平水期，枯水期高錳酸鉀指數濃度值>平水期>豐水期；TN濃度在不同水期相差不大，豐水期Chla濃度值>枯水期>平水期，枯水期SD值>平水期>豐水期。

(2)采用綜合營養狀態指數法評價湖泊富營養等級時，全湖TLI(∑)得分為50～60，處于輕度富營養等級；采用營養狀態指數法評價時，全湖EI得分56～64，處于輕度-中度富營養等級；兩種方法評價時水產養殖區域水體得分相比其他區域水體得分均較高；不論用何種方法進行高塘湖富營養化評價，豐水期和平水期結果基本一致。

(3)當評價水體資料稀缺、Chla濃度不具有代表性、其他參評因子與Chla相關性不明顯或N因素為水體富營養化主要限制性因子時，采用營養狀態指數法評價湖泊水體富營養等級結果更真實；對于污染較輕的湖泊建議采用營養狀態指數法進行水體富營養化評價。

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