葠窩水庫富營養化現狀及其正態分布特征分析

劉姍姍

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

隨著鄉鎮企業的崛起以及工農業生產的發展，葠窩水庫入庫河流和地表徑流攜帶的工業廢棄物、面源污染等排入湖庫，水質富營養化趨勢日趨顯現。調查顯示，1996-2015年葠窩水庫的富營養化指數(SLI)從37波動增長至52，對庫區供水水源和水環境保護造成極大影響。因此，研究葠窩水庫富營養化現狀及其分布特征極具現實意義。

目前，分級加權平均法、綜合指數法以及單一參數法等為評價葠窩水庫富營養化的常用方法，然而在揭示湖庫富營養化變化規律及其分布特點時這些方法的適用性、準確性較低。

為更加全面地評價湖庫富營養現狀，文章引入正態分布法和修正的內梅羅指數，結合正態分布規律探究葠窩水庫的富營養化特征，并對豐、枯水期滯留、過渡、河道3種不同水域的富營養化程度科學分析。

1 研究方法

1.1 采樣點布設

葠窩水庫入庫河流有一級支流蘭河、細河和主河道太子河，每年汛期來水量增加，水域面擴大、河水漫攤；春、冬季節水面變小，河灘顯露、河水落槽，豐、枯水期的庫容和水域范圍存在較大變化。結合葠窩水庫洪水一片、枯水一線的水文特征，采用滯留、過渡、河道3種典型水域劃分葠窩水庫水系[1-2]。

河道水域存在流速大、更新快的特點，在河道徑流處以及各入庫口按照斷面監測原則，合理布設監測垂線；考慮到滯留區與過渡區無明顯分區界線，則引入均勻布設的網格法，并結合湖庫面積確定網格大小。最后，依據葠窩水庫的地貌形態特征，遵循以上原則合理布設采樣點。

1.2 樣本的采集

根據葠窩水庫特殊的水文狀況對庫水及其下游支流地表水，選擇2018-2019年兩個代表時期枯水期(1-2月)、豐水期(7-8月)實行系統采集。采用聚四氟乙烯瓶裝入采集的樣品，并加入保護液以盡快完成相應的監測。

1.3 項目的監測

一般地，評價水體富營養化的參數有生物學、化學和物理學指標。其中，TP|(總磷)、TN(總氮)、COD(化學需氧量)為控制葠窩水庫富營養化的主要因子，另外湖庫富營養化程度還受到總氮與總磷比值的影響。所以，本研究選擇監測項目有TN/TP(總氮與總磷比值)、TP|(總磷)、TN(總氮)、COD(化學需氧量)。

采用紫外分光光度法測定樣本中的TN含量，先把純化的堿性過硫酸鉀融入水樣中加熱30min，溫度控制在126-127℃，自然冷卻后測其275nm、220n處的吸光度，并以無氨水為基準加以對比。采用鉬酸銨分光光度法測定水樣中的TP含量，將過硫酸鉀融入水樣中加熱20min，溫度控制≤140℃，將鉬酸銨與抗壞血酸待自然冷卻后加入，監測波長為700nm處的吸光度，若吸光度測定受水樣中色度的影響還要補償色度。在酸性條件下采用高錳酸鉀氧化樣本中的還原性物質以及有機物，并用過量的草酸處理過量的高錳酸鉀，通過對高錳酸鉀消耗量的計算，求解出水樣中的化學需氧量。

1.4 評價方法

1.4.1 內梅羅指數法

為直觀地反映地表水受污染程度，有學者最先提出了內梅羅污染指數。該方法具有物理概念清晰、運算方便、數學過程簡潔等優點，依據相應的分級標準以及求解的評價區綜合指數，就可以反映某要素的環境質量整體情況，從而為決策者提供可靠的依據。

針對總污染指數的計算內梅羅指數法具有較好的適用性，它是一種用途多樣的無量綱數值，能夠對所有水質參數利用統計公式來確定。實踐表明，采用內梅羅指數法和能夠反映富營養化狀態的檢測指標，可以客觀、真實的揭示水體營養狀態，其表達式為：

(1)

式中：Si為項目i的濃度檢測值與標準值之比；n為參與水質評價的因子數；P為內梅羅指數。

遵循科學性、可行性、簡潔性、相關性等原則，本研究選擇湖庫富營養化參評因子有TN/TP(總氮與總磷比值)、TP|(總磷)、TN(總氮)、COD(化學需氧量)，故n值取4。

1.4.2 生態分布法

實驗表明，能夠利用正態分布近似地表征隨機變量的概率分布。結合文獻資料，為了使得N、P等數據符合正態分布，可以對其數據利用正態分布法進行標準化，水體富營養化程度依據求解的μ、σ值確定，其表達式為：

(2)

式中：σ、μ為標準差與均值。

1.5 評價標準

由于尚未形成統一規范、普遍適用的湖庫富營養劃分標準，文章借鑒地表水質量標準和文獻資料所列標準，結合葠窩水庫實際情況確定最終的評價等級，湖庫富營養化標準，見表1。

表1 湖庫富營養化標準

2 結果與分析

2.1 富營養化特征

現階段，葠窩水庫整體上處于中營養狀態，局部的氮磷含量達到富營養化標準，且呈現出向富營養化發展的趨勢，隨季節的變化營養程度存在明顯差異，總體上呈年內豐水期氮磷入庫量較低、枯水期較高的變化特征[3-6]。葠窩水庫的內梅羅指數整體上呈出庫河段高于庫區、而庫區低于各入庫河段的趨勢，其“內低外高”的富營養化特征較為明顯。

2.2 富營養化時間分布

采用對應于不同營養等級的內梅羅指數，繪制出平行于Y軸的各級營養標準線，其中富營養、中-富營養、中營養、貧-中營養、貧營養標準的X值為146.925、58.396、29.308、14.604、5.842、2.196。設橫、縱坐標為各采樣點求解的內梅羅指數及其對應的概率，從而繪出散點圖，并依據標準差和平均值生成生態分布曲線。

2.2.1 枯水期正態分布特征

枯水期葠窩水庫的內梅羅指數標準差σ為16.581、平均值μ為25.516，表明曲線平坦、數據分散且離散度較大，研究區總體上達到中營養化狀態。枯水期處于中-富營養、中營養、貧-中營養、貧營養和極貧營養狀態的水體占50%、20%、10%、20%和5%，水質整體較差且呈不均勻分散富營養化趨勢，枯水期正態分布特征，見圖1。

圖1 枯水期正態分布特征

較正常年份葠窩水庫的現狀庫容量明顯偏小，水質分析時段與歷史同期相比降低60%以上，太子河水文站監測數據較歷史同期水位明顯下降，庫容量和水域面均顯著偏小。

2.2.2 豐水期正態分布特征

豐水期葠窩水庫的內梅羅指數標準差σ為0.552、平均值μ為1.288，可見曲線高陡、數據集中且離散度較小，研究區總體上達到極貧營養化狀態。豐水期處于貧營養、極貧營養狀態的水體占12.2%、87.8%，水質整體較好且呈較均勻分散程度。豐水期正態分布特征，見圖2。

圖2 豐水期正態分布特征

豐水期葠窩水庫降水量較大，一級支流蘭河、細河和主河道太子河的入庫流量急劇增大；河水泥沙含量高且流域產水量大，該時期正值農業生產雙搶季，入庫污水包括農業灌溉施肥廢水、工業廢水和城鎮生活污水等[7]。受汛期蘭河、細河和太子河來水影響，這在一定程度上降低了葠窩水庫污染物濃度，并提升了水庫水質狀況。

2.3 不同水域富營養化

2.3.1 河道水域營養特征

枯水期河道水域TP、TN高于Ⅲ類標準的48.6倍和2.1倍，豐水期河道水域TP高于Ⅲ類標準的1.25倍、TN在Ⅲ類標準以內，其它參數均符合水質要求，較豐水期內梅羅指數枯水期高出12-48倍。河道水域的內梅羅指數分布，見圖3。由圖3看出，河道水域的枯、豐水期總體上達到中-富營養和極貧營養狀態。

圖3 河道水域的內梅羅指數分布

2.3.2 過渡水域營養特征

枯水期過渡水域TP、TN高于Ⅲ類標準的2.0倍和5.1倍，豐水期過渡水域TP高于Ⅲ類標準的1.0倍、TN在Ⅲ類標準以內，其它參數均符合水質要求，較豐水期內梅羅指數枯水期提高3.6倍。河道水域的內梅羅指數分布，見圖4。由圖4看出，過渡水域的枯、豐水期總體上達到貧-中營養和極貧營養狀態，較河道水域其整體水質有所改善。

圖4 河道水域的內梅羅指數分布

2.3.3 滯留水域營養特征

枯水期滯留水域TP、TN均未超標，豐水期過渡水域TP、TN高于Ⅲ類標準的4.2倍、3.1倍，TN在Ⅲ類標準以內，較豐水期內梅羅指數枯水期提高3.2倍。河道水域的內梅羅指數分布，見圖5。由圖5看出，滯留水域的枯、豐水期總體上達到貧-中營養和極貧營養狀態，較過渡、河道水域其整體水質明顯提高。

圖5 河道水域的內梅羅指數分布

綜上分析，隨季節變化內梅羅指數在3種功能區均呈不斷上升的變化特征，其中滯留水域富營養化變化存在滯后性，而河道具有明顯差異。滯留水域響應污染狀況快慢不同以及滯留、過渡、河道水域變化較為緩慢的主要原因為水文條件差異，污染物在水流湍急的河道水域內直接進入河道[8-9]；由水域擴展形成的過渡水域，其水體環境直接受到污染物的影響，所以對于污染物過渡水域、河道水域的反應迅速；過渡水與河道水擴散滯留形成的滯留水域，其水體自凈功能較強且水流交換速度緩慢，因此污染物濃度在過渡水域與河道水域快速升高時，滯留水域具有緩慢的增加趨勢[10]；而污染物濃度在過渡水域與河道水域減少時，原先較高污染物濃度的滯留水仍然存在，所以內梅羅指數仍然持續增加。

3 結 論

葠窩水庫整體上處于中營養狀態，局部的氮磷含量達到富營養化標準，并且呈現出向富營養化發展的趨勢。研究區的內梅羅指數總體上呈出庫河段高于庫區、而庫區低于各入庫河段的趨勢，其“內低外高”的富營養化特征較為明顯。

從時間分布上，豐水期水質要優于枯水期，豐水期COD、TP、TN等濃度要明顯低于枯水期；從空間分布上，滯留水域富營養化最小、河道水域最高，而過渡水域居中，在空間上呈現出明顯的差異性特征。水域流量越少則滯留、過渡、河道水域的營養程度差異越大，滯留水域富營養化變化存在滯后性，而河道具有明顯差異。