撫仙湖營養狀態評價及營養物水質標準制定

張蕊，蘇婧 ，霍守亮，陳艷卿，紀丹鳳，3，王月，呂寧磬

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001

3.北京師范大學環境學院，北京 100875

我國湖泊眾多且分布廣泛，不僅為人類提供航 運、防洪、旅游及生活、漁業、工業等用水，還是人類生存的繁衍地［1］。但是，隨著工農業及城市的快速發展，人類活動的加劇，使湖泊富營養化程度日益惡化［2］。目前對于湖泊營養狀態評價方法較多，各有利弊。雖然近年來不斷加大治理力度，但由于制定營養物水質標準的依據缺乏科學性，治理目標不明確，效果并不理想，湖泊富營養化總體狀況仍呈不斷加重趨勢［3］。美國自1998年確定了區域性營養物水質標準的國家戰略后，又用八年時間先后完成了湖泊水庫、河流、河口海岸和濕地(草案)的營養物水質標準技術指南，從而有效地控制了湖泊富營養化的程度。歐盟、日本等都開始借鑒美國經驗［3-5］。

撫仙湖是我國深水性湖泊的代表，目前基本處于貧營養狀態，但水質呈下降趨勢。為有效控制水質惡化現象，制定撫仙湖營養物水質標準的初始建議值，以反降級政策為前提，加大保護治理撫仙湖的力度，具有重要意義。筆者運用綜合營養狀態指數法和國際公認的葉綠素a濃度分級法對撫仙湖營養狀態進行評價，經過對比分析擬定了撫仙湖營養物水質標準的初始建議值。

1 研究方法

1.1 研究區域自然概況

撫仙湖是我國第二大深水湖泊，位于云南省玉溪市境內，居于滇中盆地中心，距昆明市東南60 km，跨澄江、江川和華寧三縣，徑流面積1053 km2，湖面面積212 km2，平均水深87 m，容水量189.30億m3，約占云南高原湖泊淡水湖泊總儲量的70%。撫仙湖是一個半封閉外流湖泊，屬珠江流域南盤江水系，具有防洪、灌溉、工業用水、漁業、生活用水及旅游等綜合功能［6］。

根據近幾年的監測數據［7-8］可知，湖泊整體處于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅰ類水質，但部分區域已接近Ⅱ類水質。撫仙湖隸屬于云貴高原湖區，營養類型屬于協調型-貧營養-藻型。撫仙湖的污染源分為點源和非點源兩種。點源污染源為一般工業廢水和城鎮生活污水。非點源污染源包括生活污水、農村生活垃圾、農村化肥、農村固體廢棄物、東北部磷礦區污染、大氣干濕沉降及水土流失等。其中，非點源是撫仙湖的主要入湖污染源，非點源污染TN占總污染源TN的94.8%，非點源污染TP占總污染源TP的97.0%［7-8］。

1.2 營養物水質標準的指標選擇

營養物水質控制指標與富營養化評價指標密切相關，富營養化評價分為營養鹽判別標準［9-13］和多因子判別標準［14-23］。早期的研究只考慮氮、磷指標，隨著研究的深入，大多數學者認為應采用多因子的判別標準，通過綜合分析來劃分營養等級。

湖泊富營養化評價指標的選擇也可以結合湖泊基準指標的選取原則及考慮因素。可以用來衡量湖泊水質，評價或預測湖泊水體營養狀況和富營養化程度的變量，包括氮、磷、有機碳、葉綠素、透明度、溶解氧、大型植物、生物群落結構、營養狀態指標等［24］。這些指標可分為原因變量和響應變量。由于各項指標均具有代表性，其實用性和可操作性亦存在差異。因此，在上述諸多候選指標選擇時，需要對其進行全面的科學分析與綜合考慮。

造成湖泊富營養化的原因大部分是營養鹽濃度(主要是氮磷濃度)超標。雖然在水體中氮以有機氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸鹽氮四種形態存在，但各形態之間可通過氨化作用、硝化作用和反硝化作用轉化。考慮到指標選取原則要求不易受其他外界因素的影響，選擇總氮(TN)為評價指標。磷作為湖泊富營養化的重要指標，考慮到測定的實際情況及數據的準確與可用性，選擇總磷(TP)為評價指標。對于湖泊富營養化的反應變量，通過大量的研究可知，葉綠素a(Chl-a)和透明度(SD)是最主要的響應指標。有些指標是受有機污染物污染水體測定的主要指標，而不是因藻類引起的湖泊富營養化水體測定的指標。溶解氧、pH、溫度等雖然與湖泊富營養化有一定的關聯度，但不是評價湖泊富營養化的必選指標。

僅使用原因變量或反應變量都容易導致湖泊的過保護或欠保護。因此，在湖泊營養化評價指標的選擇中宜統籌考慮原因變量和反應變量。根據撫仙湖的情況，參考美國各州指標的制定，選擇TN、TP、Chl-a濃度及SD作為撫仙湖標準制定的評價指標。

1.3 富營養化評價方法

湖泊營養狀態評價是在富營養化評價方法的基礎上完成的。富營養化評價方法包括綜合評價方法(如特征法、參數法、卡爾森指數法、修正的卡爾森指數法、綜合營養指數法、生物學方法、評分法、營養度指數法)和以數理統計為基礎的評價方法(如模糊評價法、灰色預測法、層次分析法，神經網格法等)。

富營養化評價方法各有利弊。特征法比較簡單直觀，能夠真實反映水體環境質量的整體效應，但受主觀因素的影響較多;參數法、卡爾森指數法和修正的卡爾森指數法存在單一性和片面性，不能真實評價湖泊的營養狀態;評分法通過分值來劃分營養等級，各評價因子分級濃度差值很大，而撫仙湖基本處于貧營養狀態，分值幾乎不超過10，所以該方法不適用;營養度指數法，應用模糊數學、灰色理論、神經網格的富營養化評價方法計算比較復雜，評價結果趨于均化。筆者選擇綜合營養指數法和國際公認的葉綠素a濃度分級方法作為撫仙湖營養狀態評價的主要方法和依據。

1.4 數據的來源及分析方法

撫仙湖水質資料主要來自云南省玉溪市環境監測站［7］。監測站在1990—2010年對撫仙湖湖心、路居、哨嘴、尖山四個有代表性的監測點進行不間斷采樣。采樣深度為表層水，采樣頻率為每月兩次。

TN濃度采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定;TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定;Chl-a濃度采用丙酮萃取分光光度法測定;SD采用塞氏盤法測定。

2 結果與討論

2.1 綜合營養狀態指數法的計算結果

綜合營養狀態指數(TLI)法需要計算各指標的營養狀態指數，其計算方法［14，25］:

式中，TLIj為第j種參數的營養狀態指數;Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重;rij為第j種參數與基準參數Chl-a的相關系數，其值為金相燦等［14］學者對全國湖泊調查后的結論，如表1所示。

表1 Chl-a與其他參數之間的相關系數［14］Table 1 Relationship between Chl-a and other parameters

營養狀態指數的計算公式［14］:

分級方法:TLI≤30，貧營養;30 ＜ TLI≤50，中營養;50＜TLI≤60，輕度富營養;60＜TLI≤70，中度富營養;TLI＞70，重度富營養。

由湖泊(水庫)富營養化狀況評價方法計算綜合營養狀態指數，根據綜合營養狀態指數對湖泊營養狀態進行分級。將所有采樣點的數據根據綜合營養狀態指數分級歸類，分別得到對應的TN、TP、SD樣本群，針對每個樣本群采用SPSS軟件得到頻率為5%、25%、50%、75%、95%的統計特征值。頻率分布在50%，意味著選取的是富營養化控制指標值的平均水平，代表該級營養水平對應的水質指標的平均值，結果如表2所示。

表2 綜合營養狀態指數(TLI)法分級的各指標特征值Table 2 Result from the method of TLI

通過對比分析，根據反降級政策，選取各控制指標的50%頻率分布值，同時參考云貴湖區水質分析情況，得到對撫仙湖營養狀態的評價及評價標準。有少量數據顯示撫仙湖存在中營養狀態，由于樣本群很少，不足以體現整個湖泊的水質狀況，故文中不予考慮。富營養化控制分級標準建議值如表3所示。

表3 富營養化控制分級標準建議值Table 3 Suggested standards of lake euthophication control

2.2 國際公認的葉綠素a濃度分級法

葉綠素a濃度分級法是按照葉綠素濃度水平將湖泊營養物控制標準分為六級:Ⅰ級貧營養(＜1.6 mg/m3)、Ⅱ級中營養(1.6～10 mg/m3)、Ⅲ級輕富營養(10～26 mg/m3)、Ⅳ級中富營養(26～64 mg/m3)、Ⅴ級重富營養(64～160 mg/m3)、Ⅵ級極端富營養(＞160 mg/m3)。對撫仙湖的TN、TP、SD樣本做頻率統計分析。將所有采樣點的數據根據葉綠素a濃度分級歸類，得到對應的TN、TP、SD的樣本群，針對每個樣本群采用SPSS軟件分別得到5%、25%、50%、75%、95%頻率的統計特征值。頻率分布在50%，意味著選取的是富營養化控制指標值的平均水平，代表該級營養水平對應的水質指標的平均值。初步確定控制標準值后，參考25%頻率的分布規律，并根據專家法校驗指標值，得到營養狀態評價標準，如表4所示。

表4 國際公認的葉綠素濃度(Chl-a法)分級的各指標特征值Table 4 Results from the method of Chl-a

通過對比分析，根據反降級政策，選取各控制指標的50%頻率分布值，同時參考云貴湖區水質分析情況，得到對撫仙湖營養狀態的評價及評價標準。有少量數據顯示撫仙湖存在中營養狀態，由于樣本群很少，不足以體現整個湖泊的水質狀況，故不予考慮。富營養化控制分級標準建議值如表5所示。

表5 富營養化控制分級標準建議值Table 5 Suggested standards of lake eutrophication control

2.3 分析與討論

綜合2.1節和2.2節并結合表3和表5，得出TLI法與Chl-a法的富營養化控制分級標準建議值，如表6所示。

表6 TLI法與Chl-a法的富營養化控制分級標準建議值Table 6 Rresults from the methods of TLI and Chl-a

由表6可知，兩種方法得出的撫仙湖的營養狀態均為貧營養，TP、TN、SD和Chl-a四個指標的建議值相差不大。其中，TN相差0.002 mg/L。撫仙湖的水環境容量為 189.30 ×108m3［6］，預測 2012 年 TN的入湖量:低負荷時為1112.6 t/a，高負荷時為1207.6 t/a。假設進入湖體的污水最終以完全混合狀態存在于湖體，當以濃度為0.002 mg/L的差值進入湖體后，在兩種負荷時差值均小于10-11mg/L，可見兩種方法得到的TN濃度差值0.002 mg/L對整個湖體來說幾乎沒有影響。

綜合營養指數法是一種常用的方法，但其要求各營養因子的相關性較高。對于藻型湖泊，富營養化是由于湖水中磷氮等營養物濃度增加，導致藻類過量繁殖所致。因而，一般均以反映湖泊藻類數量多寡的綜合指標Chl-a作為占主導地位的評價因子。通過對撫仙湖近20年的數據分析，可得TN、TP和SD分別與Chl-a的相關性(表7)，進而確定綜合營養指數法的適用性。

表7 各因子相關性Table 7 Relationships among the factors

選取 Chl-a、TP、TN和 SD作為評價指標，對1990—2010年撫仙湖的水質數據進行相關性分析，結果顯示:Chl-a與SD在0.01水平(雙側)上顯著相關，與TN在0.05水平(雙側)上顯著相關，而與TP幾乎不相關。所以綜合營養指數法對撫仙湖的適用存在限制。國際公認的葉綠素a濃度分級法能夠單獨分析各指標的分布情況，不涉及相關系數計算問題，因此，以國際公認的葉綠素a濃度分級法為主，考慮綜合營養狀態指數法，確定撫仙湖營養狀態及營養物水質標準:Chl-a濃度為1.600 mg/m3;TP濃度為0.006 mg/L;TN濃度為0.173 mg/L;SD為7.000 m。

3 結論

通過對湖泊多個生化指標的對比，確定撫仙湖的營養物水質標準的指標為 TP、TN、Chl-a和 SD。在營養物水質標準建議值的制定過程中可選擇富營養化評價方法中的綜合營養狀態指數法和國際公認的葉綠素a濃度分級法與統計學方法中的頻率分布法相結合，運用SPSS軟件計算各因子分級統計特征值，得出營養物水質標準初始建議值。但是因綜合營養狀態指數法要求各因子之間有較好相關性，所以撫仙湖的營養物水質標準初始建議值由國際公認的葉綠素a濃度分級的方法制定。初始建議值Chl-a濃度為1.600 mg/m3;TP濃度為0.006 mg/L;TN濃度為0.173 mg/L;SD為7.000 m。

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