重慶市長壽湖水質營養狀態調查評價及特征分析

安 杰 楊 梅 黃 韻 蘇 鵬 李 羲 幸良淑

(重慶市長壽區生態環境監測站,重慶 401220)

水質富營養化是我國湖泊面臨的普遍性問題,嚴重的富營養化會影響水生態系統安全。我國湖泊分布廣,地域跨度大,形成原因各不相同,富營養化特征各異。開展湖泊營養狀態調查與評價,有助于弄清湖泊的富營養狀態及特征,為湖泊水污染治理提供必要的技術支撐[1]。

長壽湖是西南地區最大的人工湖,也是重慶市境內最大的淡水湖,是20世紀50年代攔截龍溪河修建獅子灘水力發電站而形成的湖庫。主體位于重慶市長壽區境內,水域面積65.5 km2,庫容10億m3[2]。20世紀90年代,長壽湖開展網箱肥水養魚,造成庫區水質富營養化十分嚴重,對水生態系統造成極大破壞[3]。為防止水質進一步惡化,自2001年起,全面拆除網攔、網箱,嚴禁肥水養魚,堅持投放鰱鳙等魚改善水質,取得一定的效果。近年來,受多方面因素的影響,長壽湖整體水質仍未達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質要求,其富營養化程度較重,水華現象時有發生。為全面摸清長壽湖水質營養狀態,探明富營養化發生的原因,進而采取有針對性的水環境保護措施,重慶市長壽區生態環境監測站自2019年7月開始連續開展了每季度一次的水質普查監測工作,為進一步改善湖區水生態環境質量提供依據。

1 研究方法

1.1 樣品采集與分析

如圖1所示,根據長壽湖補水、出水條件及地理特征,在長壽湖設置19個監測點位,樣品采集時間為2019年7月至2022年8月,采樣頻次為每季度一次,采集表層水。監測項目為水溫、pH、溶解氧、電導率、透明度(SD)、葉綠素a、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數,樣品采集及保存方法參照《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002),水溫采用內標式玻璃溫度計測定,pH、電導率采用哈希HQ40d型便攜式多參數測定儀測定,溶解氧采用JPBJ-609L型便攜式溶解氧儀測定,SD根據塞氏盤法[4]測定,葉綠素a根據《水質 葉綠素a的測定 分光光度法》(HJ 897—2017)測定,TP根據《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)測定,TN根據《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測定,高錳酸鹽指數根據《水質 高錳酸鹽指數的測定》(GB 11892—1989)測定。

圖1 長壽湖水質普查監測點位分布Fig.1 Sites distribution of water quality investigation monitoring

1.2 營養狀態評價

營養狀態指數評價方法較多,常用的有卡爾森指數法、改進的卡爾森指數法、模糊邏輯法、綜合營養狀態指數法等[5-7],其中綜合營養狀態指數法評價指標較全面,應用較廣。本研究采用綜合營養狀態指數法對長壽湖營養狀態進行評價,綜合營養狀態指數(TLI)計算公式見式(1)至式(7)[8-9],富營養化評價標準:TLI<30,貧營養;30≤TLI≤50,中營養;5070,重度富營養。

(1)

(2)

TIL1=10×(2.5+1.086×lnCchla)

(3)

TIL2=10×(5.118-1.940×lnCSD)

(4)

TIL3=10×(9.436+1.624×lnCTP)

(5)

TIL4=10×(5.453+1.694×lnCTN)

(6)

TIL5=10×(0.109+2.661×lnCCODMn)

(7)

式中:Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重;TLIj為第j種參數的營養狀態指數,以葉綠素a作為基準參數;rj為第j種參數與基準參數葉綠素a的相關系數,具體數值參考文獻[8];TIL1、TIL2、TIL3、TIL4、TIL5分別為葉綠素a、SD、TP、TN、高錳酸鹽指數的營養狀態指數;Cchla為葉綠素a的質量濃度,mg/m3;CSD為SD,m;CTP、CTN、CCODMn分別為TP、TN、高錳酸鹽指數的質量濃度,mg/L。

1.3 監測數據處理與綜合分析

箱線圖是一種非常簡單實用的統計分析方法,廣泛用于地表水水質分析評價。本研究采用Origin軟件的箱線圖分析環境監測及評價數據在不同時間的分布。

本研究采用ArcGIS分析環境監測及評價結果的空間分布。ArcGIS是美國環境系統研究所公司開發的地理信息系統軟件,具有強大的空間分析能力,廣泛應用于環境質量評價、污染源監測與環境影響評價等諸多方面,能很好反映污染物空間分布情況[10-14]。

本研究利用ArcGIS 10.8對原始監測數據及計算結果進行空間插值分析。由于長壽湖特殊地理條件的限制,島嶼星羅棋布、湖汊縱橫交錯,反距離權重插值及克里金插值均不能獲得滿意的插值效果。采用含障礙的樣條函數插值能有效避開島嶼、不規則湖岸線等障礙,得到較滿意的插值分析效果。

對于營養狀態主要影響因子,本研究采用SPSS 26進行相關性分析。SPSS是世界上應用最早的統計分析軟件,其理論嚴瑾、內容豐富、功能齊全,在各個自然科學諸多領域得到廣泛的應用[15-17]。其中,相關性分析功能在環境保護領域常用于污染溯源、主控因子分析等方面,適用性較好。

2 結果與討論

2.1 營養狀態評價指標的時空分析

2.1.1 營養狀態評價指標時間分布規律

2019年7月至2022年8月,為綜合分析長壽湖水體營養特征的時空分布規律,每季監測一次長壽湖各個監測點位的參數并評價營養狀態指標,每個評價指標獲取247個監測數據,監測結果采用Origin進行分析營養狀態評價指標時間變化情況。由于葉綠素a變化不明顯,暫不具體分析。

長壽湖水體TP、TN分別為(0.10±0.04)、(1.45±0.50) mg/L,整體呈下降趨勢,但仍不符合GB 3838—2002中Ⅲ類水質要求;SD為(1.02±0.54) m,整體呈下降趨勢,影響了整體水質;高錳酸鹽指數為(5.0±1.3) mg/L,總體趨于平穩(見圖2)。高錳酸鹽指數呈秋冬季偏低、春夏季偏高的特點,以2021年為例,1、4、7、10月均值分別為4.1、6.4、6.0、3.9 mg/L。

圖2 長壽湖營養狀態指標時間分布情況Fig.2 Time distribution of trophic state indicators in Changshouhu Lake

2.1.2 營養狀態指標空間分布規律

長壽湖西部、東部湖區TP均值分別為0.12、0.07 mg/L,TN均值分別為1.62、1.15 mg/L,高錳酸鹽指數均值分別為5.1、4.9 mg/L,SD均值分別為0.90、1.05 m(見圖3)。由此可見,主要營養狀態指標TP、TN、高錳酸鹽指數均呈西部湖區較高、東部湖區相對較低,SD在西部湖區相對較低、中東部湖區相對較高,主要是由于西部湖區龍溪河為長壽湖的補水源,來水受周邊工農業污染影響較大,水體中泥沙、藻類等含量較大,水質相對較差;東部湖區作為長壽湖的生態涵養區,進入湖區的污染物較少,水質相對較好。

圖3 長壽湖營養狀態指標空間分布情況Fig.3 Spatial distribution of trophic state indicators in Changshouhu Lake

2.2 長壽湖營養狀態的評價

2.2.1 長壽湖水質營養狀態空間分布

取2019年7月至2022年8月各監測點位TP、TN、葉綠素a、SD和高錳酸鹽指數的監測數據平均值,計算TLI,結果見表1。

表1 長壽湖營養狀態評價結果Table 1 Trophic evaluation result of Changshouhu Lake

長壽湖水質整體呈中營養至輕度富營養狀態(見圖4),全湖TLI為51.9。其中,東部湖區水質相對較好,TLI為51.0,部分區域呈中營養狀態;西部湖區受上游龍溪河補水水質的影響較大,水質相對較差,TLI為54.5,呈輕度富營養狀態。

圖4 長壽湖TLI空間分布Fig.4 Spatial distribution of TLI in Changshouhu Lake

2.2.2 長壽湖水質營養狀態時間變化特征

2019—2022年的長壽湖TLI為51.9±6.4(見圖5),營養狀態總體保持相對穩定,評價為中營養至輕度富營養狀態。

圖5 2019—2022年長壽湖水質TLI變化規律Fig.5 Variation of TLI in Changshouhu lake from 2019 to 2022

長壽湖水質營養狀態呈現出非常鮮明的季節特征,主要表現在秋冬季營養狀態較輕、春夏季營養狀態較重。以2021年為例,冬季長壽湖水質較好,TLI為49.2(見圖6),大部分區域水環境呈中營養狀態。春夏季,長壽湖周邊工業、農業活動較頻繁,上游來水污染物含量較大,光照較充足,水溫升高,藻類生長較快,SD下降,水質營養狀態加重,整體水質較差,TLI分別為57.7、56.5,呈輕度富營養至中度富營養狀態。秋季水質相對較好,TLI為52.3,全湖水質呈輕度富營養狀態。

2.3 長壽湖營養狀態影響因素分析

為弄清長壽湖營養狀態的主要影響因子,利用SPSS 26對長壽湖2019年7月至2022年8月的TLI與監測項目進行皮爾遜相關性分析,結果如表2所示。長壽湖TLI與SD、高錳酸鹽指數、TP、水溫、溶解氧、葉綠素a、TN顯著相關,其中與SD呈顯著負相關(相關系數為-0.816);SD、高錳酸鹽指數與TLI相關系數絕對值最高,是影響TLI的主要因素。水溫是富營養化的重要推動力,水溫越高、光照作用越強,藻類繁殖越快,產生的有機物越多、釋放大量的氧氣,高錳酸鹽指數、葉綠素a和溶解氧相應增加,SD相應降低[18],這也是夏秋季富營養化較重的原因。葉綠素a、SD、溶解氧是富營養化的重要表現,TN、TP是藻類生長所必須的無機營養物質。氮、磷含量越高,藻類生長越快,是富營養化發生的重要原因。

圖6 2021年長壽湖綜合營養狀態季節變化Fig.6 Seasonal variations of comprehensive trophic level index in Changshouhu Lake in 2021

表2 長壽湖TLI與監測項目皮爾遜相關性分析結果1)Table 2 Pearson correlation analysis result of TLI and monitoring factors

3 結論與建議

(1) 長壽湖水體TP、TN分別為(0.10±0.04)、(1.45±0.50) mg/L,整體呈下降趨勢,但仍不符合GB 3838—2002中Ⅲ類水質要求;SD為(1.02±0.54) m,整體呈下降趨勢;高錳酸鹽指數為(5.0±1.3) mg/L,總體趨于平穩,呈秋冬季偏低、春夏季偏高的特點。從空間上看,西部湖區營養狀態指標相對較差,東部湖區營養狀態指標相對較好。

(2) 營養狀態總體保持相對穩定,評價為中營養至輕度富營養狀態。其中,西部湖營養狀態較重,TLI均值為54.5;東部湖區營養狀態較輕,TLI為51.0。秋冬季營養狀態較輕,春夏季營養狀態較重。

(3) SD、高錳酸鹽指數與TLI相關系數絕對值最高,是影響TLI的主要因素。為使長壽湖滿足GB 3838—2002中Ⅲ類水質要求、減少富營養化現象發生、持續改善長壽湖水質,建議加強長壽湖水體中磷、氮及有機污染物的控制,尤其是加強西部入湖龍溪河水污染物的控制,減少輸入性有機物及無機營養鹽類物質的影響,從而減少富營養化現象發生。