基于加和型普適指數公式的水庫群富營養化指數綜合評估研究

田金鳳，王 洋

(遼寧省本溪水文局,遼寧 本溪 117000)

當前,水庫群已成為遼寧東部區域供水的主要來源,而水庫水體富營養化已經成為影響和制約水庫供水的主要瓶頸。為有效加強水庫水體富營養化指數的控制,保障水庫供水水體的水質安全,需要對水庫進行富營養化指數的綜合評估,為此國內許多學者針對水庫富營養綜合評估的問題展開相關研究[1- 6],但是這些成果大都基于單一水庫的富營養化指數進行評估,而近些年來,隨著流域內水庫的大量建設,區域水庫之間互相影響,需要對水庫整體群富營養化指數進行綜合評估,從而保障整個區域內水庫的供水水質安全。當前有學者采用加和型普適指數公式對湖泊水體以及河道水體的富營養化指數進行綜合評估,研究結果表明加和型普適指數公式可結合不同評價指標進行綜合評估[7- 9],評估效果較好,但該指數在水庫群富營養化指數還未進行相關應用。為此本文引入加和型普適指數公式對水庫群富營養化指數進行綜合評估。研究成果可為水庫群的富營養化指數提供綜合評估的方法。

1 加和型普適指數計算原理

加和型普適指數采用加冪函數對水體的富營養化指數進行綜合評估,其方程為：

(1)

式中，EI—水庫富營養化綜合評估指數；a、b—評估參數；wj—評估歸一化權重值；n—評估水庫個數；Ij—營養化評估分解指標,其中Ij分級指標計算方程分別為：

(2)

式中，Cj—指標j的采樣監測值；Cjmax—不同指標的最大富營養化指數值。

加和型普適指數在進行富營養化指數評估時,需要對參數a、b進行優選,優先方程為：

(3)

式中，EIk—不同級別營養狀態綜合值；EIk0—不同級別營養狀態目標值；K—富營養化指數評價級別。

其次在計算時需要對各指標的歸一化指標的權重值進行計算,計算方程為：

(4)

式中，rij—第j水庫富營養化指數與基準參數之間的相關指數；m—評估參數。

此外為對比不同富營養化評估指數的計算方法,本文引進國外應用較多的修正卡爾森修正指數,

表1 加和型普適指數水庫群富營養化指數評價指標及等級

該綜合評估參數計算方程分別為：

TSIM(Chl)=10{2.46+(ln(Chla/2.5)}

(5)

TSIM(SD)=10{2.46+[(3.69-1.53lnSD)/ln2.5]}

(6)

TSIM(TP)=10{2.46+[(6.71+1.15lnSD)/ln2.5]}

(7)

式中，Chla—水庫水體中葉綠素濃度，μg/L；TP—水庫群水體中監測的總磷的濃度，μg/L；SD—水體的透明度指數。

2 實例分析

2.1 水庫群概況

本文以遼寧東部某區域為研究區域,區域內主要有4座中小型水庫,并形成區域內的水庫群,近些年來,水庫群整體富營養化指數得到一定程度的控制。區域內對各水庫富營養化指數進行有常規序列的采樣和水質監測工作,主要采樣的指標包括葉綠素、總氮、總磷、COD、BOD、氨氮、DO等常規監測指標。本文結合這些監測指標,應用加和型普適指數對水庫群富營養化指數進行年尺度和季節尺度的綜合評估。

2.2 加和型普適指數評估等級的確定

加和型普適指數采樣5級評價標準進行綜合評估,各級指標對應的水質指數評價等級值和目標值可詳見表1,本文選取對水庫群富營養化指數影響較大的7個指標進行綜合評估。

2.3 不同指數富營養化評估標準

為對比不同評估指數的評估結果,本文分別列舉了加和型普適指數EI和卡爾森營養指數TSI的不同等級的評價標準,詳見表2。

從表2中可以看出,各評估指數劃分的等級相同,分別劃分5個等級進行富營養指數的綜合評估,但不同指數在各等級下的評估標準不同,這主要和不同指數考慮指標有關,加和型普適指數綜合考慮的要素要多于卡爾森營養指數TSI。

表2 不同富營養化指數評價標準

2.4 不同指數富營養化評估結果對比

為對比不同指數在水庫群富營養化的評估結果,本文分別采用加和型普適指數EI和卡爾森營養指數TSI對研究區域水庫群8種指標進行富營養化指數的綜合評估,綜合評估結果見表3、4。

表3 基于不同評價指數的水庫群評價結果

表3、4分別為8種指標下各水庫的富營養化指數評估結果,從表中可以看出,采用加和型普適指數評估的富營養化程度均要好于修正的卡爾森營養指數,通過對區域實地富營養化程度的調研情況可以發現,加和型普適指數計算結果和實際情況吻合度較高,而修正的卡爾森營養指數評估的富營養化程度和實際情況吻合度低于加和型普適指數,這主要是因為加和型普適指數對各指標的歸一化指標的權重值進行計算,綜合考慮了不同水質指標和不同水庫之間的富營養化的影響,評估結果好于修正的卡爾森營養指數,更適合于研究區域水庫群的富營養化指數綜合評估。

圖1 區域水庫群加和型普適富營養化月評估指數過程

2.5 基于加和型普適指數水庫群月尺度富營養指數演變分析

在對比分析的基礎上,結合加和型普適指數對水庫群月尺度富營養指數演變情況進行了分析,分析結果如圖1所示。

從圖1中可看出,各水庫月富營養化指數變化較為相似,均在6～9月份(夏季)易出現富營養高峰值,雖然在夏季進入水庫的水量要大于其他幾個季節,但是進入水體的污染物指標也較高,而且在夏季,水體溫度也要高于其他幾個季節,而水溫有利于區域的富營養化集聚現象,因此使得在夏季各水庫富營養化程度較高。其次為春季和秋季,在冬季由于水庫來水量減少,水體溫度也相對較低,不利于水庫富營養化程度的集聚,使得在冬季其富營養程度要低于其他幾個季節。

2.6 基于加和型普適指數水庫群年尺度富營養指數演變分析

在月尺度演變分析的基礎上,對水庫群年尺度富營養化指數演變進行了分析,分析結果見表5。

表5 水庫群富營養化指數年演變結果

從表5中可以分析出,各水庫群區域水庫群從2005～2016年總體處于中等富營養化指數狀態,各水庫富營養化綜合評估指數在30.95～39.32之間。從各水庫群綜合評估值可以看出,水庫群綜合評估值在26.23～44.96之間,從年演變過程來看,在2008年和2009年出現富營養指數高峰值,這主要是因為這兩個年份區域內由于進入水體的污染物增多,使其富營養化指數升高。而自2014年以來,區域水庫群的富營養化指數有逐漸減小的變化趨勢,這主要和區域污染控制措施的加強有關。

3 結語

本文采用加和型普適指數對遼寧東部某區域水庫群進行富營養化指數的綜合評估,取得以下結論。

(1)加和型普適指數在區域水庫富營養化評估的結合和實際情況吻合度較高,該方法在水庫群富營養化指數評估的實用性較強；

(2)水庫群在夏季易出現富營養化的高峰值,應加強夏季水庫水體富營養化控制,減少進入水體的污染物濃度,加大水庫在夏季的生態調控措施。

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