廈門市杏林灣水庫水環境質量評價分析

王 靜，劉瑞志，李 捷，錢 驍

（1.青島理工大學環境與市政工程學院，山東青島 266033；2.中國環境科學研究院，北京 100012）

廈門市杏林灣水庫水環境質量評價分析

王 靜1，2，劉瑞志2*，李 捷1，錢 驍1，2

（1.青島理工大學環境與市政工程學院，山東青島 266033；2.中國環境科學研究院，北京 100012）

杏林灣水庫是廈門市重要的中型水庫之一，是兼具防洪、灌溉等功能的集美區重要水利樞紐工程。根據杏林灣水庫“十一五”期間的水質監測數據，采用單因子水質標識指數法、綜合污染指數法、綜合營養狀態指數法和有機污染指數法，對杏林灣水庫水質狀況進行分析與評價。結果表明，杏林灣水庫主要污染指標是總氮和總磷；綜合污染指數法表明，杏林灣水庫處于基本合格狀態；綜合營養狀態指數表明杏林灣水庫基本處于中度富營養-重度富營養化狀態；水庫有機污染指數為一般狀態。其中，上半年和豐水期是各類污染相對集中的時段，各類污染風險相對較高。

杏林灣水庫；水質評價；綜合污染指數；綜合營養狀態指數；有機污染指數

杏林灣水庫（24°35'N，118°04'E）位于福建省廈門市集美區和杏林區的交界處，1979年由海灘圍堤而成，為近似封閉的水域［1］。杏林灣水庫北部是淡水水域，主要受上游坂頭水庫和降水的匯流補給，而南部水域呈現表層淡水底層咸水，主要由廈門西海域海水滲透進入所致。杏林灣水庫流域面積142 km2，集水面積67.3 km2，庫容面積約2.2 km2，平均水深約2.5 m，最大深度達5.5 m，該地區主要災害性天氣有臺風、暴雨、雷暴等，本區域年平均降雨量約1 188.4 mm，主要集中在豐水期［2-3］。

杏林灣水庫最重要的作用是調蓄洪水，它擔負著周邊大學城、園博園和城區的防洪排澇任務，保護下游多項重要基礎設施和庫區周邊人民生命財產安全，其防汛泄洪功能主要通過水庫的集美水閘來完成［4］。此外，杏林灣水庫還是廈門市的主要旅游景點。但是，長期以來杏林灣水庫承接上游大量污染，包括生活污水、工業廢水、養殖廢水以及地表徑流帶來的面源污染［5］。為了掌握杏林灣水庫的環境質量狀況，識別其環境質量和變化趨勢，診斷存在的環境質量問題，本研究采用單因子水質標識指數法、綜合污染指數法、綜合營養狀態指數法及有機污染指數法對杏林灣水庫“十一五”期間水質污染狀況進行綜合評價，以期對杏林灣水庫污染防治及上游流域綜合整治工作提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 監測數據

樣品采集于2006年1月至2010年12月，采集頻率為每月1次，樣品采集、保存及指標的檢測嚴格按照地表水和污水監測技術規范（HJ/T 91-2002）、地表水環境質量標準（GB 3838-2002）等開展。水質監測指標包括溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、石油類、葉綠素a（chla）和陰離子表面活性劑等。

根據廈門市環境功能區劃，杏林灣水庫執行GB 3838-2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類水環境質量標準，主要功能為養殖、農業灌溉和景觀用水。

1.2 評價方法

為全面評價杏林灣水庫水環境質量狀況，診斷存在的問題，本研究綜合采用單因子水質標識指數法、綜合污染指數法、綜合營養狀態指數法以及有機污染指數法對杏林灣水庫“十一五”期間的水環境質量進行評價。其中，分水期評價時采用焦衛東等［6］對廈門石兜-坂頭水庫水質評價時的水期劃分結果，即豐水期為3-6月，平水期為7-10月，其余月份為枯水期。

1.2.1 單因子水質標識指數法

單因子水質標識指數法［7］表達式由一位整數位和一位小數位組成，其中，整數位表示評價指標所處的水質類別，小數位表示該指標超標的程度及在所處的水質類別變化區間中的位置，既可以判定水質指標所屬水質類別，又可以評價超標程度。單因子水質標識指數越大，距離達標越遠，水質越差，各取值所對應的水質范圍如表1所示。評價指標包括DO，CODMn，BOD5，TN，TP，NH3-N，石油類和陰離子表面活性劑。其計算公式：

式中：Pi為第i項水質評價指標的單因子水質標識指數；X1是第i項水質評價指標所屬水質類別；X2為水質評價指標值在X1類水質變化區間中所處的位置，X2按四舍五入的原則取整。

表1 單因子水質標識指數的水質類別

當水質評價指標介于Ⅰ類～Ⅴ類水時，X1和X2的確定方法為：

水質評價指標為Ⅰ類～Ⅴ類，它所對應的X1值分別為1-5。

非溶解氧指標（X2）：

式中：Ci是第i項水質評價指標的實測濃度；Sij上和Sij下分別是第i項水質評價指標在第j類水區間的上限濃度值和下限濃度值，j=X1。

溶解氧（X2）：

式中：CDO是溶解氧的實測濃度；SDOj上和SDOj下分別是第j類水溶解氧上限濃度值和下限濃度值，j=X1。

當水質評價指標為Ⅴ類、劣Ⅴ類時，X1，X2不單獨確定，而以X1X2的方式共同確定。

非溶解氧指標（X1X2）：

式中：Ci是第i項水質評價指標的實測濃度；Si5上是第i項水質評價指標Ⅴ類水上限濃度值。

溶解氧（X1X2）：

式中：CDO是溶解氧的實測濃度；SDO5下是Ⅴ類水溶解氧下限濃度值，SDO5下=2 mg·L-1；m為公式修正系數，取值為4。

1.2.2 綜合污染指數法

綜合污染指數法［8］是在單項污染指數法［9］基礎上計算得出的，能夠對水污染狀況進行綜合判斷，選擇DO，CODMn，BOD5，TP，TN，NH3-N，石油類和陰離子表面活性劑8項水質參數進行綜合污染指數評價。

單因子污染指數（Pi）：

式中：Ci為第i項水質評價指標在環境中的實測濃度，mg·L-1；Si為該評價指標相應水環境功能區類別的標準值，mg·L-1；Pi為單因子污染指數，無量綱。

綜合污染指數法（P）［10］：

式中：P為綜合污染指數，無量綱；n為參與評價的水質指標數。

水質綜合污染指數的計算與水質類別標準密切相關，因此綜合污染指數的比較只能在同一類別標準基礎上進行，不同類別水體之間不具有可比性（表2）。

表2 綜合污染指數分級評價體系

1.2.3 綜合營養狀態指數法

湖庫綜合營養狀態指數法［11-12］選取chla，TP，TN，CODMn進行評價。

綜合營養狀態指數計算公式［13］：

式中：TLI（∑）為綜合營養狀態指數；Wj為第j種參數的營養狀態指數的權重；TLI（j）代表第j種參數的營養狀態指數，其中葉綠素a單位為mg·m-3，其他指標單位均為mg·L-1。

以chla作為基準參數，則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式：

式中：rij為第j種參數與基準參數chla的相關系數；m為評價參數的個數。

采用金相燦［14］研究的全國主要湖泊調查rij值，中國湖泊（水庫）的chla與其他參數之間的相關關系rij及rij2如表3所示。

表3 中國湖泊（水庫）部分參數與chla的相關關系rij及rij2值

采用0～100的一系列連續數字對湖泊營養狀態分級，在同一營養狀態下，指數值越高，其營養程度越重（表4）。

表4 水質類別與評分值的對應結果

1.2.4 有機污染指數法

有機污染指數法［15］是評價水體有機污染狀況的一種綜合評價方法，能夠反映出水體的有機污染狀況。選擇BOD5，CODMn，NH3-N，DO等4項指標計算有機污染指數。

其計算公式［16］：

式中：A為有機污染指數；BODi為水體的5日生化需氧量的實測濃度；CODi為水體的高錳酸鹽指數的實測濃度；NH3-Ni為氨氮的實測濃度；DOi為溶解氧的實測濃度；BODo，CODo，NH3-No， DOo分別為水體上述各項指標的評價標準值，單位均為mg·L-1。

有機污染指數評價法將水體有機污染程度分為6個級別，能夠較好地反映出水體中有機污染情況，有機污染指數A值越大，說明有機污染程度越嚴重（表5）。

表5 有機污染指數分級評價體系

2 結果和分析

2.1 單因子水質標識指數評價

采用單因子水質標識指數法對杏林灣水庫水質指標進行評價，并對各評價指標的污染程度進行排序，結果如表6所示。“十一五”期間，TN，TP，NH3-N和BOD5是杏林灣水庫的主要污染因子。分別統計上述4種主要污染因子的超標月份情況可知，“十一五”期間，TN的超標月份最多，達57個月，超標率為95%，表明TN是最為主要的超標因子，幾乎每年都全年超標；TP的超標月份其次，達39個月，超標率為65%；NH3-N和BOD5分別有12個和10個月超標，超標率分別為20%和16.7%。

逐月統計“十一五”期間杏林灣水庫污染指標超標個數，進而判斷超標因子的月份集中程度。研究表明，4種主要的超標污染因子主要集中在1年中的上半年，尤其是3-5月。每年3-5月正值杏林灣水庫豐水期，降雨量較充沛，上游流域的各類污染物進入雨水隨地表徑流匯入杏林灣水庫［1］，杏林灣水庫環境功能區劃要求為地表水Ⅴ類水，主要用于養殖、周邊農業灌溉和景觀旅游，除暴雨泄洪外，杏林灣水庫平時很少向外排水，因此，在豐水期大量污染物進入水庫，從而導致多項水質指標超標。

2.2 綜合污染指數評價

2.2.1 年際變化情況

2006-2010年杏林灣水庫平均綜合污染指數年際變化見表7，結果表明，“十一五”期間年平均綜合污染指數均處于0.8～1.0，綜合污染水平為基本合格狀態。

表6 杏林灣水庫污染指標排序及單因子水質標識指數

表7 杏林灣水庫綜合污染指數年際變化（2006-2010年）

2.2.2 逐月變化情況

計算“十一五”期間杏林灣逐月綜合污染指數，分析月變化趨勢。如圖1所示，杏林灣水庫綜合污染指數在“合格-基本合格-污染”之間波動，呈現顯著的季節性變化趨勢。

圖1 2006-2010年杏林灣水庫綜合污染指數逐月變化

2006年和2007年杏林灣水庫綜合污染指數變化趨勢基本一致，呈現典型的“N”字形變化。即每年1-4月綜合污染指數呈上升趨勢，5-8月呈下降趨勢，9-12月水庫綜合污染指數又呈小幅上升趨勢。其中，每年4月份水庫綜合污染指數為全年最高，水質最差，達污染水平；至8月綜合污染指數又降至全年最低，水質最好，為合格水平。

2008年水庫綜合污染指數總體呈上升趨勢，可大致分為兩個階段：1-9月水庫綜合污染指數在0.62～0.91浮動，一直處于“合格-基本合格”水平；9月之后，變化幅度較大，其中10月水庫綜合污染指數由0.76上升至1.09，為全年污染情況最為嚴重的月份，11-12月水庫進入枯水期，水庫綜合污染水平又轉變為合格狀態。

2009年和2010年杏林灣水庫綜合污染指數變化特點較為相似，均是年內波動較大，總體呈下降趨勢。2009年1-4月水庫綜合污染指數處于0.8～1.2，綜合污染水平為“基本合格-污染”，從5月開始水庫綜合污染指數出現下降趨勢，水庫綜合污染指數在0.49～0.94波動，綜合污染水平為“合格-基本合格”；2010年1-6月杏林灣水庫綜合污染指數處于0.42～1.73，變化波動較大，綜合污染水平在“污染-合格”之間，6月開始水庫綜合污染指數較穩定，在0.52～1.0浮動，處于“合格-基本合格”狀態。

2.2.3 水期變化情況

“十一五”期間每年水期水庫綜合污染指數變化見圖2。除2009年外，均是豐水期綜合污染指數最高，表明豐水期水庫污染風險較高。

2006，2007和2010年的水期變化趨勢相同，綜合污染指數均是豐水期＞枯水期＞平水期，且豐水期綜合污染指數均在1.0～2.0，水體為污染狀態，其中以2006年豐水期的綜合污染指數最高；而枯水期和平水期水庫綜合污染指數均小于0.8，為合格狀態。

2008年杏林灣水庫綜合污染指數豐水期＞平水期＞枯水期，豐水期和平水期水庫綜合污染指數相差不大，均在0.8～1.0，水體綜合污染水平均為基本合格，枯水期的綜合污染指數為五年枯水期的最低水平，為合格狀態。

2009年水庫綜合污染指數枯水期＞豐水期＞平水期，均＜1.0，水期間差異較小，其中豐水期和枯水期綜合污染水平為基本合格狀態，平水期處于合格狀態。

圖2 2006-2010年杏林灣水庫綜合污染指數水期變化

2.3 綜合營養狀態指數評價

從杏林灣水庫綜合營養狀態指數變化趨勢來看，水庫一直處于中度和重度富營養化水平（表8），其中TN和TP是主要的富營養化因子。2005年統計數據顯示，排入杏林灣水庫的污水以畜禽養殖廢水為主，TN排放量每年為1 195～1 605 t，TP年排放量101.7～245.91 t，占杏林灣水庫氮磷污染源的92%［2］，高濃度的TN，TP是導致杏林灣水庫水體富營養化的主要因素。豐水期流域內大量面源污染物隨雨水匯入河流，隨地表徑流進入杏林灣水庫，入庫水中含有大量泥沙、有機物和氮磷等營養鹽類，加之較高的氣溫，水庫中浮游生物大量繁殖，從而使水庫一直處于較高的富營養化水平［1］。

2.3.1 年際變化情況

“十一五”期間杏林灣水庫綜合營養狀態指數年際變化如表8所示，2006-2009年水庫綜合營養狀態指數呈穩步上升趨勢，由2006年的中度富營養狀態迅速升高，2007年時已是重度富營養狀態，之后富營養狀態不斷升高，至2009年水庫富營養化程度最高，綜合營養狀態指數達到73.01；2010年水庫綜合營養狀態指數小幅下降，為72.03，但仍處于重度富營養化狀態。

表8 杏林灣水庫綜合營養狀態指數年際變化（2006-2010年）

2.3.2 逐月變化情況

“十一五”期間杏林灣水庫綜合營養狀態指數的逐月變化趨勢如圖3所示。2006年杏林灣水庫綜合營養狀態指數基本呈“V”字形變化。除1月份為重度富營養、9月份為輕度富營養狀態外，其他月份均處于中度富營養狀態。其中1-9月份水庫綜合營養狀態指數總體呈下降趨勢，而9月份后，綜合營養狀態指數逐漸升高。

2007年杏林灣水庫綜合營養狀態指數基本呈“N”字形變化，整體處于“重度富營養-中度富營養”狀態。其中1-3月延續2006年底的升高趨勢，綜合營養狀態指數不斷上升，到3月份達到最高，而3-9月綜合營養狀態指數總體呈下降趨勢，9-12月又出現升高趨勢。2007年上半年水質富營養化程度較高，2-5月水庫綜合營養狀態指數均大于70，呈重度富營養化狀態，其他月份均處于中度富營養化狀態。

2008-2010年杏林灣水庫綜合營養狀態指數整體處于“中度富營養化-重度富營養化”狀態，月份間呈現顯著的階段性波動趨勢。其中2008年大部分月份均處于重度富營養狀態，但年內月份間波動性相對較?。?009年上半年基本上在較高的重度富營養水平波動，僅下半年略有下降，因此全年平均值仍為重度富營養狀態，且為五年內最高；2010年上半年為“十一五”期間月份間波動最大的時段，其中2-3月，富營養化水平急劇升高，3月份即達到重度富營養狀態，且3月份的綜合營養狀態指數為“十一五”期間的最高值，但3-4月綜合營養狀態指數又急劇回落，至4月，為輕度富營養狀態，但到了5月份，又急劇升高為重度富營養狀態；2010年下半年，水庫綜合營養狀態指數僅小幅度升高變化，由中度富營養狀態上升為重度富營養狀態。

圖3 2006-2010年杏林灣水庫綜合營養狀態指數逐月變化

2.3.3 水期變化情況

“十一五”期間杏林灣水庫富營養化狀況分水期變化情況見圖4。2006年枯水期和平水期時，水庫均處于中度富營養狀態，之后出現上升趨勢，至2009年達到最高；豐水期時，2006年水庫富營養化狀況處于最低點，為中度富營養狀態，之后迅速升高，2007-2010年均為重度富營養狀態，其中，在2008年達到最高。分年份來看，2006年水庫的富營養化狀況在平水期最高，在枯水期最低，但3個水期均處于中度富營養狀態；2007-2008年水庫的富營養化狀況均為豐水期最高，枯水期最低，其中，豐水期均是重度富營養狀態，平水期綜合營養狀態指數不斷下降，至枯水期時，下降為中度富營養狀態。2009年各水期水庫富營養化狀況差異較小，均處于重度富營養狀態。2010年水庫的富營養化狀況在豐水期最高，平水期最低，除豐水期為重度富營養狀態外，平水期和枯水期均為中度富營養狀態。

圖4 2006-2010年杏林灣水庫綜合營養狀態指數水期變化

2.4 有機污染指數評價

2.4.1 年際變化情況

“十一五”期間杏林灣水庫有機污染指數年際變化見表9。結果表明，杏林灣水庫有機污染指數呈現先下降、后上升的變化趨勢，其中2007年有機污染指數最低為1.47，到2010年最高為1.81，但“十一五”期間有機污染指數年均值均處于一般狀態。

表9 杏林灣水庫有機污染指數年際變化（2006-2010）

2.4.2 逐月變化情況

“十一五”期間，杏林灣水庫有機污染指數逐月變化情況如圖5所示。2006，2007年杏林灣水庫有機污染指數年內變化趨勢相似。上半年處于“開始污染”狀態，5月份后有機污染指數呈迅速下降趨勢，9，10月達到最低值，為“較好”狀態，年底水庫有機污染指數又出現不同程度的上升。2008年杏林灣水庫除3月和10月為“開始污染”狀態外，其他月份有機污染水平處于“一般”狀態，月間變化較小。2009年杏林灣水庫有機污染指數基本呈“V”字形變化。1-4月份有機污染指數明顯高于其他月份，處于“開始污染-中等污染”狀態，5-6月有機污染指數急劇下降，有機污染水平達到“較好”狀態，之后有機污染指數又逐漸升高。

2010年上半年是有機污染指數變化幅度最大的階段，月間變化極為劇烈，其中2月和4月均為“較好狀態”，而1月為“開始污染”狀態，3月為“嚴重污染”狀態，5月為“中等污染”狀態，其中3月的有機污染指數為“十一五”期間的最高值，有機污染情況最為嚴重。2010年下半年，有機污染基本維持恒定，變化幅度較小，基本處于“一般”狀態。

圖5 2006-2010年杏林灣水庫有機污染指數逐月變化

2.4.3 水期變化情況

“十一五”期間杏林灣水庫有機污染指數分水期變化情況如圖6所示，除2006，2010年豐水期和2009年的枯水期為“開始污染”狀態外，其他階段杏林灣水庫有機污染均處于“一般”水平。除2009年外，均是豐水期有機污染指數最高，表明豐水期的有機污染風險較高。

圖6 2006-2010年杏林灣水庫有機污染指數水期變化

逐年來看，2006年和2007年杏林灣水庫有機污染指數變化趨勢相似，均是豐水期＞枯水期＞平水期；而2008年為豐水期＞平水期＞枯水期，均處于“一般”狀態；2009年變化趨勢為枯水期＞豐水期＞平水期；2010年杏林灣水庫豐水期有機污染指數明顯高于枯水期和平水期，豐水期有機污染狀況為“開始污染”，枯水期和平水期水庫有機污染狀況基本相同，均為“一般”狀態。

3 小結與建議

杏林灣水庫上游有大量生活污水、工業廢水及畜禽養殖場的廢水產生，隨杏林灣水庫上游河流最終進入杏林灣水庫，因此杏林灣水庫長期有攜帶大量污染物的上游地表徑流匯入。雖然根據《廈門市環境功能區劃》，杏林灣水庫執行GB 3838-2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類水環境質量標準，主要功能已調整為養殖、農業灌溉和景觀用水，但隨著大量污染物的匯入，近年來，多個水質指標已嚴重超標，杏林灣水庫水質已不能滿足其水環境功能的要求。

“十一五”期間，從單因子水質標識指數法來看，杏林灣水庫的主要污染因子為TN，TP，NH3-N和BOD5，其中TN超標最嚴重，而且上述4種超標因子主要集中在上半年，尤其是3-5月份，表明上半年的污染風險最高。

從綜合污染指數法分析結果來看，雖然“十一五”期間水庫年均綜合污染水平均處于“基本合格”狀態，但存在顯著的季節性變化特征，上半年是污染風險最高的時段。從不同水期來看，以豐水期的污染風險最高，因此豐水期是水庫綜合污染防治的關鍵階段。

從綜合營養狀態指數分析來看，“十一五”期間杏林灣水庫水質年均值一直處于“中度-重度富營養化”狀態，富營養化風險較高。年內逐月變化表現出顯著的季節性變化特征，上半年的營養狀態指數較高，富營養風險較大；各水期中，以豐水期的富營養狀態較為嚴峻。

從有機污染指數分析來看，“十一五”期間杏林灣水庫水質有機污染水平年均值均為“一般”狀態，年內各月份間表現出顯著的季節性變化趨勢，上半年的有機污染指數水平相對較高，具有較高的有機污染風險。各水期中，以豐水期的有機污染指數水平最高，存在較高有機污染風險。

因此，綜合各評價方法可知，“十一五”期間，上半年和豐水期是杏林灣水庫各類污染相對集中的時段，各類污染風險相對較高。針對主要污染物，上半年和豐水期應制定不同的污染防治措施，以降低杏林灣水庫的污染水平，改善杏林灣水庫的生態環境質量。

隨著杏林片區的開發和集美新城建設的啟動，杏林灣水庫的綜合整治工作顯得更為重要。首先要加強源頭治理，控制流域污染源，治理上游及周邊直排入庫區的工業廢水、生活污水及畜禽養殖廢水等，改善水庫水質；二是在周邊新城的建設過程中，要配套建設完善的污水截流系統，建立沿岸污水截污管道和污水處理設施，完善市政管網；三是要加大庫區生態環境治理，通過生態清淤、人工濕地、生態化養殖等措施，降低水庫氮、磷等主要污染物濃度，改善水庫水質；四是要加強高風險時段的污染防治工作，根據污染源的類型，制定不同的污染防治措施，削減入庫污染物總量，改善杏林灣水質。

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（責任編輯：高 峻）

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：0528-9017（2014）10-1599-08

文獻著錄格式：王靜，劉瑞志，李捷，等.廈門市杏林灣水庫水環境質量評價分析［J］.浙江農業科學，2014（10）：1599-1607.

2014-05-06

九龍江-廈門灣海域環境容量評估與總量控制分配示范研究

王 靜（1989-），女，山東濟南人，碩士研究生，主要從事水環境質量評價工作。E-mail：lostparadise2006@163.com。

劉瑞志（1980-），男，博士，副研究員。E-mail：liuruizhi1@163.com。