基于營養狀態指數和灰色模式識別模型的青山國家濕地公園水質評價

饒繼剛 張婷 饒興旺 毛圣明 鐘學斌 陳志

摘要：以青山國家濕地公園2014—2016年的季度水質數據為基礎資料，采用營養狀態指數和灰色模式識別模型對青山國家濕地公園水域水質變化趨勢和所受污染情況做出了綜合分析和評價。結果表明，青山國家濕地公園水體水質整體上達到了地表水Ⅱ類的水質標準，保持在貧營養到中營養程度的營養化狀況，有部分年月水質甚至可以達到地表水Ⅰ類標準，水體的自我修復能力較強。說明青山國家濕地公園的水環境管理措施使得濕地水域能夠達到地表水水域環境功能和保護目標，生態系統健康狀態良好，保證了該濕地生態系統功能的正常發揮。

關鍵詞：濕地公園;水質評價;營養狀態;灰色模式識別

中圖分類號：X824? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）01-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.009? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Water Quality Assessment of Qingshan National Wetland Park Base on the Nutrition Status Index and Grey-mode Identification Model

RAO Ji-gang1，ZHANG Ting2，RAO Xing-wang1，MAO Sheng-ming1，ZHONG Xue-bin2，CHEN Zhi2

（1.Hubei Chongyang Qingshan National Wetland Park Management Office，Chongyang 437500，Hubei，China;

2.School of Resources Environmental Science and Engineering，Hubei University of Science and Technology，Xianning 437100，Hubei，China）

Abstract： Based on the quarterly water quality data of Qingshan National Wetland Park from 2014 to 2016， the trend of water quality change and pollution situation in Qingshan National Wetland Park were comprehensively analyzed and evaluated by using the nutrition status index and grey-mode identification model. The results showed that the surface water of Qingshan National Wetland Park were the Ⅱ class water quality standards on the whole， kept in a "poor nutrition" to "nutrition" in the degree of eutrophication status， and some years could even reach the Ⅰ class water quality standard， water bodys self-healing ability was stronger. It can be seen that the water environment management measures of Qingshan National Wetland Park enable the water area of the wetland to achieve the environmental function and protection goal of the surface water area， the ecosystem is in good health， and the function of the wetland ecosystem is guaranteed.

Key words： wetland park; water quality assessment; nutritional status; grey-mode identification model

濕地公園的水質狀況反映了濕地生態系統的功能狀況，其優劣直接關系到濕地公園的生態保護成效、生態恢復狀況和濕地資源的可持續利用[1，2]。濕地水環境作為濕地系統中最為重要的部分，對其的評價結果可以為濕地公園生態環境保護，濕地水資源的合理開發利用提供科學依據[3-5]。

青山國家濕地公園位于湖北省崇陽縣的東南部，是青山水庫的主庫區，擁有豐富的水生生物資源，是青山河中、下游地區居民重要的飲用水源地，其水質的優劣直接關系到下游地區居民的用水安全和社會經濟的發展，甚至影響著整個陸水河流域的生態安全，具有重要的保護與利用價值。因此，必須加強對青山國家濕地水質的監測與保護。為了更加客觀地分析評價青山國家濕地公園的水質狀況，本試驗結合青山國家濕地公園管理處對濕地主庫區2014—2016年的水質監測數據，采用營養狀態指數和灰色模式識別模型對青山國家濕地公園水域水質變化趨勢和所受污染情況做出了綜合分析和評價，并根據評價結果對青山國家濕地公園今后的水環境保護提出了相應建議。

1? 數據來源與研究方法

1.1? 研究區概況

青山國家濕地公園位于湖北省咸寧市崇陽縣南部青山鎮，是青山水庫的主體。崇陽縣位于湖北省南部，幕阜山脈中段北麓，長江右岸一級支流陸水中游，湘、鄂、贛三省交界處。青山國家濕地公園內的濕地總面積為1 229.95 hm2，占濕地公園規劃面積的54.69%。青山國家濕地公園是以庫區為主體的濕地，庫塘濕地的面積最大，為1 188.6 hm2，占濕地總面積的96.64%。庫塘平均水深27 m，總蓄水量4.29億m3，調洪庫容量0.82億m3，興利庫容2.084億m3，是以防洪、灌溉為主，兼具發電、供水水源、航運、養殖等綜合利用效益的水利工程，水資源極為豐富，是陸水水系的重要水源。

青山國家濕地公園所有水系均為陸水水系，公園內大小溪流均匯入陸水二級支流青山河。濕地公園水域主體為青山河上游，屬于青山水庫主庫區。水系主流方向自南向北，匯入陸水水系，最后經陸水注入長江。入庫溪流包括雙港和大溪港等。

1.2? 數據來源

各水質指標的數據來源于湖北省崇陽縣環境監測站，水質指標包括pH、葉綠素a、溶解氧、總氮、總磷、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮和透明度。

1.3? 營養狀態評價

湖庫富營養化是指湖泊水體在自然因素和（或）人類活動的影響下， 大量營養鹽輸入湖泊水體， 使湖泊逐步由生產力水平較低的貧營養狀態向生產力水平較高的富營養狀態變化的一種現象[6]。湖庫富營養化評價就是通過與湖庫營養狀態有關的一系列指標及指標間的相互關系對湖泊的營養狀態做出準確的判斷。

根據評價指標的代表性，采用綜合營養指數法[7]，選取葉綠素a、總氮、總磷、透明度和高錳酸鹽指數作為評價參數，以葉綠素a為基準參數，通過計算其他參數的歸一化相關權重和營養狀態指數，計算青山國家濕地公園不同時期、不同監測點的綜合營養狀態指數[TLI（∑）]。水庫營養狀態分級采用0～100的一系列連續數字對水庫營養狀態進行分級，包括貧營養、中營養、富營養、輕度富營養、中度富營養和重度富營養，與污染程度關系如表1所示。

1.4? 灰色模式識別模型

根據實際監測數據的完整性、可得性以及評價指標的代表性，主要選取總氮、總磷、CODMn和氨氮4項指標來綜合評價青山國家濕地公園水質，評價標準采用GB 3838-2002。

為了更好地分析青山國家濕地公園水質的變化趨勢，采用灰色模式識別模型并利用水質綜合評價方法求出水質綜合指數。灰色模式識別模型是在灰色關聯度的基礎上引入加權關聯差異度的概念，采用模糊識別的思想解出最優權系數，即灰色從屬度，最后利用綜合指數法求出水質綜合指數，判定水質級別[8，9]。該方法可以充分利用環境監測數據，計算出青山國家濕地公園不同時期、不同監測點的水質綜合指數，根據水質綜合指數（GC）進行水質優劣評價。GC的取值在1～5，最小值為1，最大值為5，只有當各指標都達到一級水要求時，GC=1;當所有指標都超過或等于5級水質標準時，GC=5;其余情況，1

2? 結果與分析

2.1? 水質單指標分析

2.1.1? pH? 青山國家濕地公園各調查點的pH如圖1所示，2014—2016年取水口水體pH的平均值±標準差為7.60±0.62，最大值為8.32，最小值為6.50;庫心水體pH的平均值±標準差為7.51±0.57，最大值為8.41，最小值為6.84。取水口和庫心兩個采樣點的pH在監測期間都呈現先降低后升高的趨勢。總體而言濕地公園水體呈弱堿性，不同采樣點間pH差異不明顯。

2.1.2? 溶解氧? 青山國家濕地公園各調查點的溶解氧含量如圖2所示，2014—2016年取水口水體溶解氧含量的平均值±標準差為8.45±0.73 mg/L，最大值為9.3 mg/L，最小值為6.5 mg/L。取水口近3年11次的溶解氧含量監測結果中，有10次的監測結果可以達到地表水Ⅰ類的水質標準（≥7.5 mg/L）。2014—2016年庫心水體溶解氧含量的平均值±標準差為8.48±0.73 mg/L，最大值為10.0 mg/L，最小值為7.7 mg/L。庫心水體溶解氧的監測結果已經100%達到地表水Ⅰ類的水質標準。季節變化上，水庫溶解氧含量呈現出夏季低于其他季節的變化趨勢。

2.1.3? CODMn? CODMn是反映水體中有機以及無機可氧化物質的常用指標，也是富營養化水體水質評價中的重要指標。青山國家濕地公園各調查點的CODMn含量如圖3所示，2014—2016年取水口水體CODMn含量的平均值±標準差為2.17±0.61 mg/L，最大值為3.5 mg/L，最小值為1.5 mg/L，監測結果中CODMn含量達到地表水Ⅰ類（≤2 mg/L）和Ⅱ類標準（≤4 mg/L）的樣本占比分別為27%和73%。2014—2016年庫心水體CODMn含量的平均值±標準差為2.43±0.50 mg/L，最大值為3.5 mg/L，最小值為2.0 mg/L，庫心水體的CODMn含量100%達到了地表水Ⅱ類標準。

2.1.4? 氨氮? 湖水中以無機氮為主，主要形態有氨氮、硝態氮、亞硝態氮。氨氮是水體中含氮有機物在有氧條件下經微生物分解的產物，氨氮通過硝化作用過程可形成亞硝態氮，并最終形成硝態氮。一般根據水體中氨氮含量的變化可判斷水體的有機物污染狀況[12]。青山國家濕地公園各調查點的氨氮含量如圖4所示，2014—2016年取水口水體氨氮含量的平均值±標準差為0.10±0.007 mg/L，最大值為0.250 mg/L，最小值為0.026 mg/L;除2015年9月和12月兩次監測結果外，其他時間的監測結果均達到了地表水Ⅰ類標準（≤0.15 mg/L）。2014—2016年庫心水體氨氮含量的平均值±標準差為0.14±0.13 mg/L，最大值為0.390 mg/L，最小值為0.025 mg/L;除2014年9月、2015年12月和2016年3月監測結果外，其他時間的監測結果均達到了地表水Ⅰ類標準。以上分析說明青山國家濕地公園水體基本不受有機物污染。

2.1.5? 總氮? 總氮作為表征地表水水質的主要指標，也是評價湖泊水體富營養化程度的重要指標。青山國家濕地公園各調查點的總氮含量如圖5所示，2014—2016年取水口水體總氮含量的平均值±標準差為0.39±0.09 mg/L，最大值為0.500 mg/L，最小值為0.290 mg/L;庫心水體總氮含量的平均值±標準差為0.42±0.08 mg/L，最大值為0.550 mg/L，最小值為0.316 mg/L。除2014年9月庫心的總氮濃度為0.550 mg/L外，2014—2016年兩個監測點的總氮監測結果均達到了地表水Ⅱ類的水質標準（≤0.5 mg/L），超標的可能原因是島上居民生活污水和生活垃圾任意排放帶來的污染導致氨氮濃度的升高。

2.1.6? 總磷? 青山國家濕地公園各調查點的總磷含量如圖6所示，2014—2016年取水口水體總磷含量的平均值±標準差為0.02±0.00 mg/L，最大值為0.021 mg/L，最小值為0.010 mg/L，2016年5月青山國家濕地公園總磷含量低至0.010 mg/L，達到了地表水Ⅰ類的水質標準（≤0.01 mg/L），監測時間段內其余監測結果均可達到地表水Ⅱ類的水質標準（≤0.025 mg/L）。2014—2016年庫心水體總磷含量的平均值±標準差為0.02±0.01 mg/L，最大值為0.042 mg/L，最小值為0.010 mg/L，監測結果中總磷含量達到地表水Ⅰ類和Ⅱ類標準的樣本分別占36%、64%。以上分析說明，2014—2016年青山國家濕地公園水體總磷含量單項指標評定結果為Ⅰ～Ⅱ類。

2.1.7? 葉綠素a? 水體葉綠素含量是衡量水體富營養化水平的重要指標，水體中葉綠素含量的高低主要與水體中浮游藻類的分布有關。青山國家濕地公園各調查點的葉綠素a含量如圖7所示，2014—2016年取水口水體葉綠素a含量的平均值±標準差為10.73±14.41 mg/L，最大值為50 mg/L，最小值為0.109 mg/L。2014—2016年庫心水體葉綠素a含量的平均值±標準差為8.25±11.07 mg/L，最大值為33 mg/L，最小值為0.002 mg/L。青山國家濕地公園水體葉綠素a含量在2014—2016年總體呈下降趨勢，但葉綠素a含量的空間分布差異波動較大。水體葉綠素a含量與水生植被的生長密切相關，一般水體透明度較高、水生植被豐富的水體，葉綠素a濃度較低。

2.1.8? 透明度? 青山國家濕地公園各調查點的水體透明度如圖8所示，2014—2016年取水口水體透明度的平均值±標準差為5.54±1.49 m，最大值為8.0 m，最小值為2.6 m。2014—2016年庫心水體透明度的平均值±標準差為5.96±1.18 m，最大值為8.0 m，最小值為4.2 m。青山國家濕地公園水體透明度較高，在2014—2016年總體呈上升趨勢，與葉綠素a含量的變化趨勢相反，說明青山國家濕地公園的水環境治理措施已經產生了較好的效果。

2.2? 營養狀態評價

根據2014—2016年崇陽縣環境監測站在青山國家濕地公園監測的水質數據，采用綜合營養狀態指數法計算出青山國家濕地公園不同時期、不同監測點的綜合營養指數，結果如表2所示。由表2可知，2014—2016年11次水質監測中，取水口水體營養狀態為中營養的水體樣本占比為55%，水質狀態良好;處于貧營養的水體樣本占比為45%，水質狀態優。庫心水體營養狀態為中營養的水體樣本占比為50%，水質狀態良好;處于貧營養的水體樣本占比為50%，水質狀態優。說明青山國家濕地公園水域的水質保持在優到良好程度的營養化狀況。

2.3? 灰色模式識別模型評價

根據2014—2016年崇陽縣環境監測站在青山國家濕地公園監測的水質數據，利用灰色模式識別模型計算出青山國家濕地公園不同時期、不同監測點的水質綜合指數，如圖9所示。由圖9可知，2014—2016年取水口監測點分別有18%和82%的時間段水質達到了地表水Ⅰ類和II類的標準;庫心監測點分別有9%和91%的時間段水質達到了地表水Ⅰ類和II類的標準，說明近3年來青山國家濕地公園水體水質整體上達到了Ⅱ類水質標準，青山國家濕地公園作為崇陽縣47萬人的分散式飲用水源地，水體的自我修復能力較強，達到了地表水水域環境功能和保護目標。

3? 小結與討論

通過對2014—2016年青山國家濕地公園水環境監測和評價，結果顯示2014—2016年青山國家濕地公園水體水質整體上達到了地表水Ⅱ類的水質標準，保持在貧營養到中營養程度的營養化狀態，有部分年月水質甚至可以達到地表水Ⅰ類標準，水體的自我修復能力較強。說明青山國家濕地公園的水環境管理措施使得濕地水域能夠達到地表水水域環境功能和保護目標，生態系統健康狀態良好，保證了該庫塘濕地生態系統功能的正常發揮。青山國家濕地公園目前主要面臨的污染包括化肥和農藥使用帶來的面源污染、農業養殖業污染、生產生活污染和旅游業發展所帶來的污染。應加強控制周邊地區的點源和面源污染，發展生態農業、減少化肥、農藥的使用量;加強坡岸帶治理，改善坡岸帶景觀;加強污水設施建設與配置，加強生活垃圾的管理和有效處理，加強旅游及航運船舶的運行管理，控制總量，增強保護措施。

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