基于層次分析法改進的綜合營養狀態指數評價閱海湖富營養化

林海成，司 旭，徐佳強

（中交基礎設施養護集團寧夏工程有限公司，銀川 750002）

湖泊富營養化是湖泊中營養鹽（主要是氮、磷等）含量在自然因素或人為活動等作用下急劇增大，使生產力低下的貧營養湖泊逐漸轉向高生產力的富營養湖泊。閱海湖濕地是銀川市面積最大的一塊生態濕地，對銀川市經濟發展和環境的改善起到重要作用，其位于寧夏回族自治區銀川市金鳳區西北部5 km，地理坐標為東經 106°19′—106°30′，北緯 38°50′—38°59′，南起典農河北京路碼頭，北通銀川市繞城高速，南北長10 km，東西平均寬2.7 km，呈南窄北寬的倒梯形，總面積16.44 km2，其中湖泊面積8 km2，湖泊水深 2.5～3.0 m［1］。本研究采用綜合營養狀態指數法和基于層次分析法改進的綜合營養狀態指數對閱海湖四季的富營養狀態進行評價，旨在為閱海湖的水生態環境保護和水資源合理開發利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣點布設與采樣時間

根據閱海湖地理位置及實際水文特征，布設以下采樣點，其中S1 位于進水口附近，S2 和S5 位于深水區，S3 位于滑雪場和游樂園附近，S4 位于淺水區，S6 位于出水口附近，能夠代表閱海湖不同水文條件及人類活動對水環境的影響。采樣時間為2020 年1月（冬季）、4 月（春季）、7 月（夏季）、10 月（秋季），具體采樣點位置如圖1 所示。

1.2 樣品的采集和測定

水樣采集按照采樣技術指導（HJ494—2009）、采樣方案設計技術（HJ495—2009）和水質樣品的保存和管理技術（HJ493—2009）要求進行。水質監測項目及規范包括水溫（WT）、pH、溶解氧（DO），透明度（SD）現場測定，氨氮（NH3-N，《HJ535—2009》）、總磷（TP，《GB/T11893—1989》）、高錳酸鹽指數（CODMn，《GB/T11892—92》）、總 氮（TN，《HJ636-2012》）、葉綠素 a（Chl-a，《SL 88—2012》）等指標帶回測定。

1.3 綜合營養狀態指數法

選取Chl-a、TP、TN、SD和CODMn作為評價因子［2］。

1.4 基于層次分析法確定權重的綜合營養狀態指數

1.4.1 層次分析法確定權重 采用改進的層次分析法確定各指標權重，先由專家對各指標之間的相對重要性進行評判打分，構造判斷矩陣，得出各指標的權重［3］。

1.4.2 評價指標的選取和得分 在確定各項指標閾值和標準中，各指標以《地表水環境質量標準（GB3838—2002）》確定級別，并對評價指標賦分，一類為100 分，二類為90 分，三類為80 分，四類為70分，五類為 60 分。WT、pH、SD 這 3 個指標均按 60 分計［4］。

1.4.3 富營養化評價分級 采用綜合指數法對閱海湖富營養化進行評價［5］。綜合評價值的表達式如下。

式中，P總為富營養化評價得分，Wi為指標權重值，Li為指標得分，i為評價指標總個數。富營養化分級標準為80≤P總為貧營養，70≤P總＜80 為中營養，60≤P總＜70 為富營養，P總≤60 為高富營養。

2 結果與分析

2.1 閱海湖水體指標分析

2.1.1 閱海湖水體物理指標分析 由表1 可知，WT在四季中波動幅度較大，秋季WT 最高，冬季WT 最低。pH 四季變化幅度不大，冬季較高，呈弱堿性。DO 季節變化幅度較大，冬季最高，DO 隨WT 升高而降低。SD 四季變化幅度不大。

表1 閱海湖水體物理指標

2.1.2 閱海湖水體化學指標分析 由圖2 可知，閱海湖水體夏季Chl-a 最低，春季最高，由大到小依次為春季＞秋季＞冬季＞夏季，季節分布特征明顯。各點位間 Chl-a 值由大到小依次為 S5＞S4＞S6＞S3＞S2＞S1，各點位間差異較大。在NH3-N 方面，春、秋季的含量大于夏、冬季；春季S4 和S6 點位，夏季S2 點位，秋季S1 點位的NH3-N 含量明顯高于其他季節。各季節TN 含量由大到小依次為秋季＞夏季＞冬季＞春季，各點位間差異較為明顯，其中S2、S5、S6 點位TN含量相對較高。秋季TP 含量最高，遠大于其他季節，春、夏、冬季含量變化趨勢較為穩定。S3、S5、S6含量遠大于其他點位。夏季CODMn含量遠大于其他季節，各點位間CODMn含量差異不大。

圖2 閱海湖水體化學指標

2.2 綜合營養指數法富營養化評價

由表2 可知，閱海湖整體富營養化水平為輕度富營養狀態，秋季整體營養化水平高于其他季節。其中，S1 點位春、秋季呈輕度富營養化，夏、冬季為中營養狀態；S2 點位春、冬季呈中營養化，夏、秋季為輕度富營養狀態；S3 點位秋季情況較差，呈現為中度富營養化；春、夏和冬季呈現輕度富營養化；S4點位春、夏和秋季呈現輕度富營養化，冬季為中營養狀態；S5 點位夏、冬季呈輕度富營養化，春季呈中營養化，秋季情況差，為中度富營養化；S6 點位秋季情況較差，為中度富營養化，春、夏季呈輕度富營養化，冬季呈中營養化。秋季營養級別高，主要是TN、TP營養鹽在秋季含量高，說明TN、TP 是水體營養化的主要影響因子。

表2 基于綜合營養指數法的營養化評價

2.3 基于層次分析法改進的綜合營養指數富營養化評價

綜合營養指數只包含了 Chl-a、TP、TN、SD 和CODMn幾種指標，而影響富營養化的指標遠不止這些指標，導致分析結果不全面。層次分析法可以將更多的指標納入評價體系中，使評價結果更為合理。

2.3.1 層次分析法確定指標權重及指標得分 根據閱海湖的水文特征和水質指標監測結果，建立閱海湖水域富營養狀況的遞階層次結構（圖3）。

圖3 閱海湖水域富營養狀況遞階層次結構

1）綜合營養狀態（標度，權重值）。構造矩陣A-B，得到成對比較矩陣（表3）。得到歸一化特征向量w=（0.75，0.25）T。

表3 A-B 層矩陣

2）營養鹽指標（標度，權重值）。構造矩陣B1-C，得到對比較矩陣（表4）。歸一化特征向量w=（0.514 0，0.210 0，0.061 4，0.079 3，0.135 3）T。

表4 B1-C 層矩陣

3）耗氧物指標（標度，權重值）。構造矩陣B2-C，得到成對比較矩陣（表5）。

表5 B2-C

得歸一化特征向量w=（0.48，0.24，0.21，0.07）T。

各指標歸一化權重值見表6，根據權重計算各采樣點位的指標得分。

表6 各指標歸一化權重值

2.3.2 富營養化評價分級 閱海湖的營養化分級結果見圖4。閱海湖整體為貧-中營養化，全年秋季營養狀態指數低，即營養化級別高。其中，S1 點位春、秋季呈現中營養狀態，夏、冬季呈現貧營養化；S2 點位夏、冬季呈現貧營養化，春、秋季呈現中營養化；S3點位夏、冬季呈現貧營養化，春季呈現中營養化，秋季呈現富營養化狀態；S4 點位夏季呈現貧營養化，春、秋、冬季呈現中營養化；S5 點位春季呈現中營養化，夏、冬季為貧營養化狀態，秋季呈現富營養化；S6點位夏、冬季呈現貧營養化狀態，春、秋季為富營養化狀態。

圖4 基于層次分析法富營養化評價

對2 種方法評價富營養化的結果進行比較，均為秋季營養級別明顯高于其他季節，造成營養等級高的因子是TN 和TP。綜合營養指數評價結果顯示，閱海湖整體呈輕度富營養化，其中點位S3、S5、S6 在秋季呈現中度富營養化狀態，用層次評價法改進的指數評價結果顯示閱海湖整體呈現貧-中營養化，其中點位 S3、S5、S6 在秋季為富營養化，S6 的春季也為富營養化。層次分析法確定權重的指數進行富營養化評價時指標更為全面，因此營養化程度也相對較高，更能客觀反映閱海湖的富營養化程度。

2.4 富營養化指標與水質指標的相關性

由 表 7 可 知 ，2020 年 閱 海 湖TLI值 與 Chl-a、NH3-N、TN、TP、WT 指標呈顯著正相關，秋季的富營化程度最高，TN、TP 秋季含量明顯高于其他季節，相關研究表明，N、P 營養鹽是藻類生長所必需的元素，決定了藻類的生長，因此N、P 營養鹽是影響水體富營養化的主要因子。Chl-a 的含量在一定程度上能代表富營養化程度，Chl-a 與 NH3-N、TP、TN 呈正相關，進一步確定了造成富營養的因素主要是N、P 營養鹽。N、P 污染可能來源于農田灌溉退水，閱海湖的補水源主要為典農河，雖沒有工業和生活污染源直接排入典農河，但良渠溝與典農河間接相連，良渠溝屬于接納生活、工業廢水、農田退排水的排污溝，由于良渠溝與典農河交叉口虹吸管道設計通過流量偏小，當良渠溝水量大時，會導致良渠溝上游農田受淹，上游農民會打開良渠溝設置應急排放閘口，將水向典農河排放，導致典農河水體受污染，致使農田灌溉退水中的N、P 營養鹽沿著典農河流入閱海湖，致使閱海湖富營養化。除農田退排水中的N、P 影響外，補水不足，排水不暢，水體循環受限，也可能會造成典農河水體污染和富營養化繼而影響閱海湖，最終導致閱海湖水體富營養化。

表7 閱海湖富營養化與水質指標person 相關性

pH、SD、DO 與Chl-a 均呈負相關，pH、SD、DO 與水體富營養化也存在一定聯系。秋季的富營化程度最高，同時WT 也是最高的，即WT 會影響富營養化。pH、DO、CODMn與TLI呈負相關，研究顯示當富營養化過高時，會負反饋于藻類使溶解氧下降，因此pH、DO、CODMn可能是富營養化的表現因子［6］。SD 與TN呈正相關，而SD 的濃度主要與湖泊的懸浮物和藻類生長繁殖的數量有關，受N 源影響較大，因此SD 也可能是富營養化的表現因子［7］。

3 小結

1）閱海湖富營養化水平具有較強的季節性變化。春、秋季營養化程度高，夏、冬季營養化程度低。

2）層次分析法評價時指標更為全面，評價值相對較高，更能客觀反映閱海湖的富營養化程度。

3）影響閱海湖水體富營養化的主要因素是N、P營養鹽，富營養化程度的季節差異主要歸因于WT，建議控制N、P 的含量。