湯河水庫富營養化綜合評價

胡耘赫

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

受自然環境和人類活動影響湖庫水系統被輸入大量營養鹽，使得水系統原來較低的貧營養狀態逐步轉變為富營養水平，這種現象即為富營養化[1- 3]。湖庫富營養化為藻類的生長創造了適宜的自然條件，綠藻、硅藻的大量生長使得原本藍色的水體逐漸變成綠色，經過不斷的積累湖庫水質開始下降。從發展歷程的角度，湖庫富營養化屬于一個正常的過渡過程，自然狀態下其發展速度極為緩慢，一般用地質年代來衡量，然而經濟的發展和不合理的人類活動大大加快了此演化過程[4- 6]。

為科學防治湖庫富營養化以及準確評估富營養狀態，針對富營養化的評價國內外科學家提出了許多方法，并取得了豐富的研究成果。湖庫富營養化受生物因子、湖庫地質狀況、降水、光照、溫度以及氨氮等因素影響顯著，對其狀況評價的常用方法為綜合營養狀態指數法。由此，管理部門可以更加全面地了解湖庫的歷史變化趨勢及其營養化狀況，但仍需進一步預測營養化風險，逐步實現湖庫水體的主動管理。

1 研究方法

1.1 評價方法

本文結合湯河水庫2005—2018年水質監測資料，選用規范推薦的綜合營養狀態指數法評價湯河水庫營養狀態，評價因子選取總氮、總磷、CODMn、葉綠素a(Chla)。湖庫營養狀態按照連續數字0～100劃分，富營養(TLI>50)、中營養(30≤TLI≤50)、貧營養(TLI<30)，同一等級中指數值越大營養程度越高。通過準確評價營養指數變化趨勢，對水庫未來5a風險水平運用累計概率密度函數和線性回歸法預測。

1.2 預測模型

目前，常用的江河、湖泊、水庫等營養化預測方法有支持向量機模型、BP網絡、決策樹法及回歸分析法等[7- 10]。其中，回歸分析法現已普遍應用于海洋懸浮泥沙、大氣污染預測、水質評價與預測等環境領域，該方法以大量的監測數據和相關分析為基礎，將自變量、因變量利用合適的非線性或線性模型加以擬合，利用擬合的回歸方程構造回歸模型[11- 12]。因此，大量環境監測數據為回歸分析法預測的重要基礎，在長序列水質監測及環境穩定的條件下，可以對湖庫富營養化變化進行有效的預測。為保證預測結果的可靠性，假設圍繞期望值波動的綜合營養指數符合正態分布，利用該方法預測和評估湖庫富營養風險。

根據2005—2018年湯河水庫的點位數據，對綜合營養狀態指數(TLI)期望值利用一元線性回歸模型TLI=a×Year+b預測，其中a、b值按照最小二乘法確定，Year為年份。采用以上回歸模型可以獲取任一指定年份i的TLIi值，圍繞期望值TLI第i年的TLIi值存在波動，且服從正態分布：TLI～N(aYear+，σ)，其中σ為無偏估計，表達式如下：

(1)

式中，Year—自變量，指定年份TLI大于50的情況下湖庫發生富營養化，發生概率的計算公式如下：

(2)

1.3 風險等級

將水庫富營養化風險區域按照低、較低、中、高4個風險等級劃分，各風險等級的劃分標準見表1。

表1 富營養化風險等級

2 湯河水庫富營養化評價

2.1 研究區概況

湯河水庫地處東經123°21′46.4″、北緯41°06′41.1″，屬于一座集城市供水、防洪、發電、養護、灌溉等功能的大Ⅱ型水利樞紐工程。集水面積1228km2，庫區面積44km2，總庫容7.23×106m3，最高水位48.5m。在引蘭河、細河引水工程實施后，湯河水庫向工業和城市生活用水的可供水量為2.304×108m3，每年向遼陽市、鞍山市供水8×107m3和1.508×108m3，向下游區間農業用水補償7.55×107m3。因此，湯河水庫的富營養化程度直接關系著鞍山市、遼陽市的經濟社會發展以及居民生活水平[13- 20]。

近年來，經濟的快速發展以及環境保護工程的滯后，使得大量工業廢水、農田灌溉和生活污水排入江河、湖庫中，導致江河、湖海近岸營養鹽大量富集，水體富營養化問題日趨突出，并為藻類的生長提供了有利自然條件，其中夏秋季5—10月屬于藻類生長旺季，對城市供水安全產生潛在威脅。湯河水庫共設置了東叉頭、東叉中、西叉頭、西叉中、壩前、庫中6個監測點位，從而了解二道河支流入庫后水質、庫區東叉頭中心區域水質、下達河支流入庫后水質、庫區西叉中心區域水質、庫區流出水質以及庫區中心區域水質。依據湯河水庫2005—2018年逐月監測數據，將其富營養化狀態及其風險等級利用上述方法和模型進行評價預測。

2.2 綜合營養分析

隨時間變化各點位綜合營養狀態指數均呈現出波動上升趨勢，如圖1所示。其中，庫中、西叉中、東叉中和東叉頭4個斷面未出現富營養狀態，TLI波動變化區間為16～51，且上升趨勢不明顯；西叉頭、壩前2個斷面大多數時間為中營養，2005—2018年間出現輕度富營養的僅有1次，TLI波動區間16～54；總體而言，外界污染對湯河水庫水質干擾較低，水體總體較好，但存在富營養化風險。

統計計算各點位TLI均值，壩前、庫中、西叉中、東叉中、西叉頭、東叉頭TLI平均值依次為32.5、34.6、35.1、36.0、36.5、37.2，表明從下游至上游湯河水庫營養狀態不斷上升，TLI平均值表現出逐漸增大趨勢，但各點位TLI值不超過40；此外，從下游至上游高危害程度的富營養化事件也不斷上升，特征污染物在水庫下游的輸入較小，所以在水體自凈和稀釋作用下污染物濃度不斷減少。

根據湯河水庫水環境監測數據，2014年湯河水庫發生的金藻門的色金藻水華涉及水體水域面積不大、持續時間較短，對供水影響較小，但相關部門絕不能放松警惕，農業及農村生活等面源污染含有大量的營養物質，隨著入庫河流流入到庫區內，有利于藻類的繁衍及富營養化程度的上升，尤其在持續高溫的時期。因此，建議對水源保護區按照污染防治相關要求實行監督管理、水源衛生和生態保護行動；嚴格控制水功能區納污排放與達標考核，建立受水區生態補償及內供水制度；為及時掌握藻類變化情況以及有效防范局部藻類水華現象，建議增加監測頻次并將監測數據及時上報，為實施科學有效的措施提供數據支持。

2.3 富營養化風險預測

根據TLI變化趨勢，正態檢驗壩前、庫容、東叉頭、西叉頭、東叉中、西叉中6個點位的綜合營養指數數據，見表2。

表2 各點位TLI正態檢驗

根據表2檢驗結果，對數正態分布(p>0.05)為各點位TLI分布特征，并對綜合營養狀態指數利用對數正態分布曲線擬合。對湯河水庫2020—2024年富營養化風險利用回歸分析法進行預測，見表3。從表3可知，各點位富營養化風險概率處于0.82%～7.20%范圍，總體達到低風險狀態，隨著時間的推移風險概率呈增大趨勢，為有效防止富營養化應引起管理部門的重視。然后對風險預測結果利用2020年實測數據加以驗證，結果顯示TLI實測值和預測值為40.6、38.2，二者存在較小偏差，可見對水庫富營養化風險利用該方法進行預測具有較高準確度，評價結果能夠較為客觀的反映庫區水體營養狀態。

圖1 各點位TLI變化趨勢

表3 富營養化風險概率 單位：%

3 結論

引蘭河、細河引水工程實施后，湯河水庫承擔著鞍山、遼陽等地區的生產生活和工業用水任務，水庫富營養化程度對推動區域經濟發展及保障居民生活質量極為重要。根據2005—2018年湯河水庫TLI變化趨勢，對水庫富營養化狀態及其未來風險程度運用線性回歸法、累計概率密度法進行預測分析。結果顯示，各點位富營養化風險概率處于0.82%～7.20%范圍，總體達到低風險狀態，但隨著時間的推移風險概率呈增大趨勢，為有效防范富營養化應引起管理部門的重視。