東昌湖水質評價及富營養化分析

郭中偉，鄭 蕾，趙紅金，陳成勇

（聊城市水文中心，山東 聊城 252000）

引言

湖泊生態系統在維持生物多樣性、支持人類生存發展和提供各種生態系統服務方面發揮著關鍵作用。湖泊水質是指決定湖泊生態系統健康和功能的物理、化學和生物特征。湖泊富營養化是自然或人類引起的營養物質過度富集的過程，是導致湖泊水質惡化的主要原因之一，主要是因為營養物質（如氮和磷）輸入的增加，導致湖泊藻類過度生長、氧氣耗盡和生態失衡，了解湖泊水質和評估富營養化水平對于湖泊管理和淡水資源保護至關重要。本文以東昌湖為研究對象，分析其水質狀況及富營養化情況，以期為城市內陸湖泊的管理提供技術支撐和方法借鑒。

1 研究區概況

聊城市位于山東省西部，與河北省、河南省接壤，境內有衛運河、馬頰河、徒駭河、京杭大運河、金堤河、黃河、東昌湖等河流、湖泊，年平均降水量為560.0 mm。東昌湖位于聊城市中心城區，總面積約為6.3 km2，湖岸線長達16 km，水深為3～5 m，除自然降雨外，湖泊主要水源為“引黃補水”，是我國江北地區罕見的大型城內湖泊。

2 分析方法

水質是指水的化學、物理和生物特性，它決定了水是否適合于各種特定用途，如生活飲用、娛樂活動、農業灌溉、工業使用和生態系統支持等，它是衡量水體與其預期用途的重要指標。

富營養化是一個自然或人類活動引起的過程，其特點是水生生態系統，如湖泊、河流和沿海地區的營養物質過度富集，特別是氮和磷過度富集。這種過度的營養輸入刺激了藻類和其他水生植物的生長，導致生物量過剩，繼而改變了生態系統的結構和功能。富營養化會導致溶解氧的耗盡，藻類大量繁殖，生物多樣性喪失，以及水質的整體退化。

2.1 單因子評價法

單因子評價法[1]是將每個評價指標的實測濃度與《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）[2]中Ⅲ類水指標限制進行比較，以確定各個評價指標的水質類別，并以最差的水質類別作為斷面水質類別。

式中：Ri為第i個水質指標的單因子評價指數；ρi為第i個水質指標的實測值（mg/L）；ρs為第i個水質指標的評價標準值（mg/L）。

2.2 季節性Kendall檢驗法

季節性Kendall檢驗是一種非參數統計方法，它不需要對數據的分布進行任何假設，可以處理缺失數據和異常值，不受數據中的離群值或極端值的影響，可以對數據進行更準確和更完整的動態分析，在水質分析中常用于檢測水質數據隨時間變化的趨勢，劉敏[3]等人對季節性Kendall檢驗法的原理進行了詳細闡述。本文運用基于季節性Kendall檢驗方法的水質趨勢分析軟件PWQTrend進行分析，它能夠定量描述并表達水質的演變趨勢[4]。

2.3 綜合營養指數法

綜合營養指數法通過對葉綠素a（Chl-a）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總氮（TN）、總磷（TP）和透明度（SD）劃分等級來判斷水體富營養化程度，具體計算方法如下。

2.3.1 營養狀態指數的計算

TLI（Chl-a）=10（2.5+1.086lnCChl-a）

TLI（CODMn）=10（0.109 +2.661lnCCODMn）

TLI（TN）=10（5.453+1.694lnCTN）

TLI（TP）=10（9.436+1.624lnCTP）

TLI（SD）=10（5.118-1.940lnCSD）

式中，TLI為營養狀態指數；C為濃度，其中，Chl-a采用μg/L為單位；SD采用m為單位；其他指標采用mg/L為單位。

2.3.2 各指數相關權重的計算

ηj為第j種指標的營養狀態指數的相關權重。以Chl-a作為基準指標，則第j種指標的歸一化的相關權重計算公式如下。

式中，Nij為第j種指標與基準指標Chl-a的相關系數，其取值詳見表1；m為評價指標的個數。

表1 湖泊部分指標與Chl-a的相關關系

2.3.3 綜合營養指數（TLI）

采用0～100的數值對湖泊營養狀態進行分級：TLI<30，代表貧營養；30≤TLI≤50，代表中營養；5070，代表重度富營養。在同一營養狀態下，綜合營養指數越高，其富營養程度越高。

3 結果分析

3.1 水質現狀評價結果

東昌湖斷面每月監測1次，年度共監測12次。利用單因子評價法獲得2022年度評價結果，見表2。

表2 2022年東昌湖監測斷面水質評價結果

由表2可以看出，2022年東昌湖水質優于Ⅲ類的占比超過了80%，達83.4%，主要超標指標為化學需氧量和總磷，年度水質級別為Ⅲ類。

3.2 水質指標變化趨勢

對2018～2022年東昌湖斷面的5項水質指標運用PWQTrend軟件計算其變化趨勢，東昌湖水質指標高度顯著上升（↑↑）、顯著上升（↑）、無明顯升降趨勢（?）、顯著下降（↓）和高度顯著下降（↓↓）五類變化趨勢結果見表3。

表3 季節性Kendall 檢驗水質指標趨勢分析結果

由表3可以看出，高錳酸鹽指數和透明度指標均呈現無明顯升降趨勢，總氮、總磷、葉綠素a均呈顯著下降或高度顯著下降趨勢。

3.3 綜合營養指數分析結果

經分析計算，2022年東昌湖的綜合營養狀態指數在汛期（6—9月）為52.4，處于輕度富營養狀態；年平均值為48.7，處于中營養狀態。

4 結論

在2022年的12次監測中，東昌湖水質評價級別優于Ⅲ類的占比達到83.4%，其中化學需氧量和總磷為主要超標指標，東昌湖全年水質級別為Ⅲ類。通過對東昌湖的葉綠素a、高錳酸鹽指數、總磷、總氮和透明度指標進行計算，2022年東昌湖綜合營養指數處于中營養狀態，在汛期處于輕度富營養狀態，汛期降雨形成的城市雨水徑流匯入東昌湖可能是引起營養狀態變化的主要因素。2018—2022年東昌湖的總磷、總氮、葉綠素a水質指標均呈下降趨勢，這對于降低湖泊綜合營養狀態指數較為有利。

5 結語

5.1 湖泊水質評價和富營養化分析的重要性

湖泊水質評價和富營養化分析是環境管理者和決策者的重要工具，這些評價為制定減輕富營養化和恢復受損湖泊生態系統的戰略提供了科學依據。通過確定營養物來源和了解營養物動態，可以實施適當的管理干預措施，以減少營養物的輸入，促進水質改善。

健康的湖泊生態系統支持多樣化的水生生物，包括魚類、水生植物和動物，促進生物多樣性，湖泊水質評價有助于監測和保護這些寶貴的生物多樣性熱點區域。通過評價各種組成的變化和生態相互作用，研究人員和保護人員可以更好地了解富營養化對生物多樣性的影響，并制定相應的保護計劃。

湖水質量直接影響人類的健康和福祉，富營養化造成的不良水質會導致有害藻類大量繁殖，產生毒素并造成魚類種群退化。評價湖泊水質有助于保障公眾健康，維持可持續的漁業生產，并支持依賴旅游業的地方經濟。

5.2 未來研究方向

新興污染物、氣候變化、非點源污染以及收集、分析全面和高質量的數據給水質研究帶來了新的挑戰。因此，本文針對未來東昌湖的水質評價及富營養化分析提出以下研究建議：（1）為東昌湖建立一個全面和長期的監測計劃，其可以提供關于水質參數、營養水平、藻類繁殖和生態動態的寶貴數據。長期的數據收集可以確定湖泊水質變化趨勢，使相關人員了解其季節性變化，并評估相應管理策略的有效性。（2）相關人員需要進一步研究東昌湖營養物質的來源、運輸和歸宿，包括研究來自補水、城市徑流和廢水排放的營養物負荷。了解養分動態將有助于確定養分污染的關鍵途徑，并為有針對性的管理干預措施提供依據。（3）考慮到氣候變化對水質和富營養化的潛在影響至關重要，未來的研究可以探索氣候變化因素（如溫度、降水模式等）與東昌湖富營養化過程之間的相互關系，這包括調查氣候變化如何影響養分循環、藻類生長及湖泊生態系統的整體自我修復能力。（4）開發預測模型可以幫助預測東昌湖的水質變化和富營養化動態，對水動力模型、營養循環模型和生態模型的整合可以幫助相關人員 理解其復雜的相互作用，并為情景分析和決策提供工具。