百花湖水體水質參數時空變化分析與富營養化評價

楊家芳，孫小瓊

(貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001)

1 引言

水體富營養化是指湖泊、水庫以及緩慢流動的河流等水體中營養物質過量而引起水體植物的大量生長[1～7]。富營養化會引起水質惡化，從而使湖泊生態功能和水功能遭受破壞。我國富營養化問題引起關注始于1950年代。近20年來，國內大量學者分別對東湖、巢湖、太湖、洞庭湖等湖泊的富營養化狀況開展了大量的研究，并取得許多成功的經驗[8，9]。目前對云貴高原地區湖泊水庫的研究落后于東部淺水湖泊。李娜等研究了全國范圍內的湖泊結果表明：2010～2011年, 59.1%的調研湖泊處于不同程度的富營養化狀態，其中云貴湖區的富營養化程度最為嚴重[10]。李秋華通過調查2014年12月至2015年1月份( 枯水期)，2015年7～8月份(豐水期)貴州省20座代表性的水庫水質，對貴州高原水庫富營養化特征進行評價；研究表明：貴州省內貴陽市水庫水質最差，其次遵義市和安順市的水庫水質也比較差，以黔南州和黔西南州水質較好[11]。百花湖是重要的城市飲用水源地，2014年高廷進等對2011年百花湖3個時期富營養化狀態指數進行分析，評價結果顯示百花湖水庫呈富營養型，其中豐水期>枯水期>平水期[12]。趙夢等采用修正后的卡爾森指數法計算2012～2016年百花湖表層水的富營養狀態指數，得出百花湖 2012～2016 年皆屬中營養狀態[13]。2021年賀康康等，采用綜合營養狀態指數對2009～2018年的水質監測數據進行分析評價，得出百花湖營養狀態由輕度富營養化狀態轉變為中營養狀態，水質整體向好[14]。以上學者對百花湖富營養化的評價較多以百花湖各采樣點水體富營養化均值來描述百花湖富營養水平，對各采樣點水體富營養水平代表性不強。此外，百花湖屬云貴高原亞深水型水庫，具有獨特的地質背景和生態環境特征，水體滯留時間長，水動力較弱，被污染后治理難度更大[15]。因此，研究選取貴陽市主要飲用水源地百花湖作為研究對象，開展百花湖水體水質參數的時空變化分析與多時段的水體富營養化評價，對湖泊健康和區域居民飲用水安全具有重要的意義。

2 研究區概況

百花湖位于貴陽西北郊，地處長江上游烏江右岸一級支流貓跳河的中游，地理位置為E106° 27′～ 106° 34′，N26° 35′～ 26°42′。百花湖是人工建設的河道型深水水庫，于1966年竣工，是貴陽市第二大人工湖。百花湖屬亞熱帶季風氣候區，為低中山丘陵地貌，兩岸多河谷臺地，緩丘坡地。平均海拔1200 m，年平均氣溫在15 ℃，年平均降雨量為1200 mm左右，5～9月份降水量占全年降水量的70%。湖中島嶼眾多，沿岸農村居民點、農家樂較多。據貴陽市飲用水源地公報記載，2006年百花湖水質評價為Ⅱ類水；2010年花橋段曾被評價為IV類或V類水[16]，目前水質長期評價為Ⅲ類水(圖1)。

圖1 研究區水系和采樣點分布(自繪)

3 實驗方法

3.1 水樣的采集與分析

水質數據通過設置采樣點進行水質采樣和分析化驗獲得。根據百花湖水庫的特點，在研究區設5個采樣點；采樣點S1位于花橋，S2位于巖腳寨，S3位于麥西河，S4位于貴鋁泵房，S5位于大壩。選取葉綠素 a(Chl-a)、總磷 (TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(CODMn)、透明度(SD)等水質指標進行調查。依據中華人民共和國《地表水環境質量標準》( GB3838-2002) 對水質評價指標的規定，利用5 L有機玻璃采水器采集水深0.5 m處水樣，裝入500 mL潔凈聚乙烯瓶，采用改良的反復凍融、丙酮浸提測定葉綠素Chl-a；采用鉬酸銨分光光度法測定總磷；采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定TN；采用酸性高錳酸鉀氧化法測定CODMn；采用塞式盤法測定透明度。

3.2 水體富營養化的評價

目前，我國環保部門對湖泊富營養化評價的基本方法主要有營養狀態指數法(如Carlson營養狀態指數、修正的營養狀態指數、綜合營養狀態指數等)、營養度指數法(AHP-PCA法)和評分法。研究采用王明翠等學者提出的綜合營養指數(TLI)評價方法[3]。該方法目前被我國環保部門廣泛使用，主要通過選擇Chl-a、TP、TN、CODMn、SD等5項指標作為富營養化評價指標對湖泊營養狀態進行連續數值分級評價。

綜合營養狀態指數：

(1)

式(1)中，TLI(∑)為綜合營養狀態指數；Wj為以chl-a為基準參數計算的第j種參數的營養狀態指數的歸一化相關權重，其取值來源于我國26個典型湖泊(水庫)調查數據計算獲得的相關系數；TLI(j)為第j種參數的營養狀態指數。

Wj權重計算公式：

(2)

式(2)中:為第j種參數與基準參數Chl-a的相關系數，取值見表1;m為評價參數的個數。

表1 2017～2019年百花湖不同時期的富營養化評價

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086ln(Chl-a)

(3)

TLI(SD)=10(5.118-1.94ln(SD)

(4)

TLI(TP)=10(9.436+1.624ln(TP)

(5)

TLI(TN)=10(5.453+1.694ln(TN)

(6)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661ln(CODMn)

(7)

式(3)～式(7)中:Chl-a質量濃度單位為mg/m3;SD單位為m;其他指標單位均為mg/L。

根據富營養化分級標準，采用0～100的數字對湖泊營養狀態分成5級: 貧營養(0，30)，中營養[30，50]，輕度富營養(50，60]，中度富營養(60，70]，重度富營養(70，100)(表2)。

表2 中國湖泊(水庫)部分參數與chl-a的相關關系rij及值

4 結果與分析

4.1 水質參數的時空變化分析

研究根據2017～2019年百花湖水質監測資料，分析百花湖平水期、豐水期、枯水期3個時期Chl-a、TP、TN、CODMn、SD等5項水質參數的時空變化情況；其中，水質參數濃度取每個時期所有監測點的平均值。分析得出(圖2)：①百花湖水體水質參數存在較大時空分異，葉綠素a、總氮和高錳酸鹽3個水質參數濃度值浮動較大，總磷和透明度2個水質參數濃度值相對較平穩；其中，葉綠素a整體上呈豐水期普遍高于其他時期、平水期次之，枯水期較低的特征，符合水體藻類生長的客觀規律；總氮和高錳酸鹽總體上呈平水期較高，豐水期次之，枯水期較低的特征，這與農作物生長施肥、降雨等密切相關；②總體上，2017～2019年除透明度外的其他水質參數濃度值在枯水期濃度較平水期和豐水期有所下降，但又存在個別差異(如2017年8月豐水期葉綠素a濃度處于較低水平)，這與湖泊生態環境本身具有復雜性和外源(降雨、湖庫人工泄洪)等影響因素的多樣性密切相關[17，18]。

圖2 百花湖不同時期水質參數變化

4.2 富營養化評價

通過對平水期、豐水期、枯水期百花湖多個采樣點水質進行分析，采用綜合營養狀態指數法對百花湖富營養化狀態進行評價(表1)。

結果顯示，2017～2019年期間，百花湖營養水平為中營養至中度富營養之間。總體上呈以下特點：

(1)2017～2019年，百花湖水庫富營養水平均值處于中營養狀態至中度富營養之間，年均值營養水平整體呈緩慢增高后降低的趨勢，主要原因可能與國家及地區環保等相關部門加強對環境的保護密切相關。如，2018年1月，貴州省河長制辦公室印發《貴州省河長巡河制度》。同年9月，貴州省副總河長吳強簽署第1號總河長令，在全省范圍內開展亂占、亂采、亂堆、亂建等河湖管理保護突出問題“清四亂”行動等，促進全省水生態環境持續改善。

(2)綜合富營養評價數值分析，5個采樣點中，花橋營養狀態最差，2018年4月(平水期)達到最大(61.901)；已達到中度富營養水平；巖腳寨和麥西河情況次之，貴鋁泵房和大壩情況較好，多呈中營養狀態。總體而言，百花湖上游到下游水體富營養化有降低趨勢，表明湖泊水體有一定的自凈能力。此外，在百花湖流域野外調研中發現，一方面百花湖上游花橋段的富營養化主要受支流東門橋河污染水體匯入的影響；另一方面，花橋段居民點較多，人類活動強度大，生活污水基數大，但其水域面積小，水體自凈能力有限。巖腳寨段雖居民點較少，但其受上游花橋水體流入及其流域內村寨小型生活污水處理廠運行狀態不佳，存在生活污水、養殖污水和農用地排水直接進入湖庫的情況，其富營養化水平在中營養至輕度富營養之間。

(3)百花水庫營養水平季節差異較大，整體上枯水期水質好于平水期和豐水期，個別時期評價結果截然相反。出現這種差異的原因一方面是因為湖泊生態環境本身具有復雜性；另一方面存在外源影響因素多樣性，如降雨、旅游、農田施肥、水庫泄洪、采樣時間等。

5 討論與建議

(1)運用綜合營養狀態指數評價多時期湖泊水庫富營養化狀態有利于環保部門盡早規劃部署以防范富營養化的發生、降低富營養化造成的危害。但由于湖泊水庫自身的復雜性和外源影響的多樣性，相同區域不同時期的研究結果可能存在一定差異，故研究建議應根據湖泊水庫自身特征進行長時間系列的綜合富營養化評價模型的修正，實行的“一類一策”或“一湖一策”的湖泊富營養化評估方法[19]。此外，應加強野外調研，以找出造成富營養的主要原因并用于印證評價結果。

(2)在文獻閱讀和百花湖野外調查中發現，麥西河人為干擾強度次于花橋，其水體輕度污染[11,17]，上游、中游雖存在水體發臭、發黑的情況，由于下游到入湖口種植著多種水生植物，較大程度上有效截留了百花湖麥西河小流域水體中的營養鹽。因而，建議其他小流域加大治理力度，實施建設生態工程。即在城市建設的同時，提升城鎮生活污水和生活垃圾處理能力，岸邊或入湖口一定范圍內建設緩沖帶，栽種水生植物等措施以降低水體發生富營養化的風險，改善百花湖的水質現狀，以減輕生活污水對百花湖水環境的影響。

(3)后續研究建議分別對降雨前后水樣進行采樣化驗分析，以提高評價結果精度。結合遙感與GIS等手段，研究多時段的水質與土地利用景觀類型的響應關系，對于非完整性小流域，建議將上游水體中的污染衰減系數納入考量[20]，以便更好的調整土地用途和周邊土地的種植結構，進而減少富營養化的發生。