大明湖水污染物因子分析及富營養化評價

2023-11-08 03:07:31劉光正王明森劉健林琳

濟南大學學報(自然科學版) 2023年6期

劉光正王明森劉健林琳

文章編號：1671-3559（2023）06-0696-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230329.001

摘要：為了對濟南市大明湖水質進行科學、合理的評價，基于2019年枯水期與豐水期的水質數據，使用Pearson相關分析和主成分分析對主要水污染物因子進行數據分析，并采用綜合營養狀態指數法對水質進行富營養化評價，探究大明湖水質時空變化特征。結果表明：大明湖水污染物因子中超標因子為總氮，超出Ⅴ類水標準，且水質空間差異顯著，煙波橋進水口為污染來源的主要途徑；枯水期水質處于中營養水平，豐水期水質處于輕度富營養化水平，大明湖富營養化因子主要為總氮和葉綠素a，受到外來氮營養鹽和水溫的控制；結合歷史年份的綜合營養狀態指數可知，近年來大明湖水質呈逐年好轉趨勢。

關鍵詞：水質評價；水污染物因子；富營養化；主成分分析；大明湖

中圖分類號： X824

文獻標志碼： A

Water Pollutant Factor Analysis and Eutrophication Evaluation of the Daming Lake

LIU Guangzheng1，2，WANG Mingsen2，LIU Jian2，LIN Lin2

（1.School of Water Conservancy and Environment，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong，China;

2.Water Resources Research Institute of Shandong Province，Jinan 250014，Shandong，China）

Abstract：To scientifically and reasonably evaluate water quality of the Daming Lake in Jinan city，Pearson correlation analysis and principal component analysis were used to conduct data analysis of main water pollutant factors on the basis of water quality data in dry season and wet season in 2019.Comprehensive nutritional status index method was used to evaluate eutrophication of the water quality and explore spatio-temporal variation characteristics of the water quality in the Daming Lake.The results show that in the water pollutant factors of the Daming Lake，the overstandard factor is total nitride，which exceeds the standard of Class V water，and the spatial difference of the water quality is significant.Yanbo Bridge inlet is the main source of pollution.The water quality in dry season is at the mesotrophic level，and the water quality in wet season is at the mild eutrophic level.Eutrophication factors of the Daming Lake are mainly total nitride and chlorophyll a，which are controlled by exotic nitrogen nutrients and water temperature.Combined with comprehensive nutritional status indexes in historical years，the water quality of the Daming Lake shows a trend of improvement year by year in recent years.

Keywords：water quality evaluation;water pollutant factor;eutrophication;principal component analysis;the Daming Lake

收稿日期： 2022-09-04??????? 網絡首發時間：2023-03-29T14∶46∶23

基金項目：國家自然科學基金項目（42007397）

第一作者簡介：劉光正（1997—），男，江西豐城人。碩士研究生，研究方向為環境水文水資源。E-mail：1639476837@qq.com。

通信作者簡介：林琳（1979—），女，山東濟南人。博士，高級工程師，研究方向為環境水文水資源。E-mail：llin_mail@126.com。

網絡首發地址： https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230329.1326.002.html

近些年來，伴隨著社會經濟高速發展的潮流，大量人口涌入城市，人類活動加重了城市湖泊水體有機物以及氮、磷等營養物質的負荷污染［1］。由于城市湖泊基本為緩流甚至是靜止的水體形態，且水環境容量和水域面積十分有限，因此，與自然流域湖泊相比，城市湖泊本身的自凈能力較低［2］，水生態環境較為脆弱，更容易遭受到城市工業廢水、生活廢水、地表徑流等影響，最終導致大部分城市湖泊水體富營養化嚴重。城市湖泊水環境問題日益突出［3-4］，不僅影響城市的對外形象，甚至會惡化湖泊周邊的生態環境，對城市居民的生活產生負面影響，所以在當下快速城市化的時代背景下，對城市湖泊的水污染物因子進行研究是十分必要的。

大明湖位于山東省濟南市，是泉城濟南著名的城市景觀湖泊和重要“名片”，因此大明湖水環境問題一直受到社會各界廣泛關注。近幾年來，大明湖水體渾濁、發黑的問題時有發生，而且作為城市景觀湖泊，大明湖水環境與居民、游客健康密切相關，因此，本文中通過識別大明湖主要水污染物因子和重點污染區域，探究各典型時期的水質特征，并對湖泊的水質進行科學、合理的評價，以此為依據采取有效、合理的防范和控制措施，為大明湖水資源綜合治理和利用提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 研究區域

大明湖處于濟南市中心位置。濟南市位于魯西北沖積平原與魯中低山丘陵的中間帶，地勢呈現南高北低的特征，有利于地表徑流和地下水向中心城區匯流，成為大明湖的主要水源。濟南市處于暖溫帶氣候區，因特殊的地理特征而形成了夏熱冬冷、四季分明的氣候，夏秋兩季降雨較為集中，平均降雨量約為450 mm，占全年降水量的60%以上，是全年的豐水期；冬季平均降雨量約為20 mm，僅占全年降水量的3%，是全年的枯水期。大明湖湖泊形狀主要為東西寬、南北窄的扁矩形［5］，水域面積約為0.58 km2，湖水平均深度為2～3 m。

1.2? 水樣采集及測定方法

結合湖區各空間斷面的實際污染狀況，對大明湖枯水期（2019年1月）和豐水期（2019年9月）共選取南門碼頭、雨荷廳、北極閣碼頭、湖心亭、雙橋和煙波橋6個采樣點，具體位置分布見圖1。其中南門碼頭、煙波橋為進水口采樣點，雨荷廳、雙橋為出水口采樣點。

選取水溫、透明度（SD）2項物理指標及酸堿度pH、氨氮（NH3-N）、硝態氮（NO-3-2N）、總磷（TP）、總氮（TN）、高錳酸鉀指數（CODMn）6項化學指標和營養狀態指標葉綠素a（Chl.a）作為水污染物因子。

水污染物因子的測定方法：水溫使用溫度計進行現場測量，透明度（SD）使用塞氏盤法，pH使用Delta320型pH計。TN、TP、NH3-N、NO-3-N、CODMn等指標依據《湖泊富營養化調查規范》［6］和《水和廢水監測分析方法》［7］的方法測定，Chl.a含量采用丙酮萃取分光光度法測定［8］。

1.3? 評價方法

綜合營養狀態指數法是根據《湖泊富營養化評價方法及分級標準》對湖泊富營養化狀態進行綜合評價的方法［9-13］，本文中共選擇TP、TN、SD、CODMn和Chl.a共5項在大明湖富營養化狀態變化中最為重要的指標，對湖水營養狀態進行評價，表達式為

Itl=∑mi=1WiItl，i ，（1）

式中： Itl為綜合營養狀態指數；m為評價參數的個數；Wi 為i項水質指標的營養狀態指數的相關權重；Itl，i為i項水質指標的營養狀態指數。

各項水質指標的營養狀態指數表達式為

Itl，TN=10（5.453+1.694ln ρTN），（2）

Itl，TP=10（9.436+1.624ln ρTP），（3）

Itl，CODMn=10（0.109+2.661ln ρCODMn），（4）

Itl，Chl.a=10（2.5+1.086ln ρChl.a），（5）

Itl，SD=10（5.118-1.94ln λSD），（6）

式中： ρTN、ρTP、ρCODMn 分別為總氮、總磷、高錳酸鉀指數的質量濃度實測值；CChl.a為葉綠素a的質量濃度實測值；λSD為透明度的實測值。

2? 結果與分析

2.1? 水污染物因子參數統計

根據大明湖枯水期和豐水期統計的結果，對水污染物因子進行參數統計，并以《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅳ類水體作為標準，具體結果見表1。大明湖枯、豐水期的水溫與季節氣溫相關，平均水溫分別為7.88、20.85 ℃，豐水期的水溫高于枯水期的。湖水透明度在枯、豐水期的均值分別為1.18、0.73 m，豐水期的透明度有所降低。枯、豐水期湖水的pH分別為7.92～8.27、7.74～8.02，時期差異較小，水體基本為弱堿性。枯水期水體TP的質量濃度由于低于檢測下限（0.02 mg/L），因此未計入統計范圍，豐水期TP含量有所提升，質量濃度均值為0.03 mg/L。枯、豐水期水體中TN的質量濃度分別為7.47～10.22、8.56～10.29 mg/L，TN含量全年不僅嚴重超標，且均超過Ⅴ類水體標準（2 mg/L）。NO-3-N的質量濃度在枯、豐水期分別為8.35～9.49、7.29～10.04 mg/L，臨近飲用水源地標準限值（10 mg/L），甚至部分湖區水質超出限值。 CODMn在枯、豐水期的質量濃度均值分別為0.41、2.3 mg/L，表明湖水在豐水期有機污染稍微加重，但仍滿足Ⅳ類水質標準。 NH3-N含量較低，在枯、豐水期的質量濃度均值分別為0.05、0.31 mg/L，符合水質標準要求。 Chl.a的質量濃度在枯、豐水期分別為7.2～18.4、20.3～42.8 μg/L，時期差異性顯著，豐水期湖水中的Chl.a含量明顯高于枯水期的。

由于枯水期湖水中TP的質量濃度低于檢測下限（0.02 mg/L），未計入統計范圍，因此采用Pearson相關分析法只對豐水期的主要水污染物因子進行分析，結果見表2。TN與NO-3-N、NH3-N呈顯著正相關，相關系數分別為0.954、0.895，說明NO-3-N、NH3-N可能來自于同一污染源，結合參數統計可知水中N元素基本以NO-3-N的形式存在。豐水期Chl.a與水溫呈顯著正相關，而與TN、NO-3-N呈顯著負相關，由此說明水溫對浮游藻類的生長代謝有促進作用，豐水期水溫升高使得浮游藻類生物量增加，Chl.a含量也隨之升高，而TN含量降低，可能是由于藻類主要汲取的營養鹽為氮營養鹽所致。在Chl.a含量較高的情況下，湖泊水體上層浮游藻類生物量較多，導致豐水期水體透明度降低，因此Chl.a與透明度呈顯著負相關。

2.2? 主成分分析

為了探究大明湖水污染物的主要影響因子，采用主成分分析法對大明湖各時期的水污染物因子進行統計分析，枯水期和豐水期均提取了2項主成分，分別用第一主成分F1和第二主成分F2表示，枯水期F1、F2的貢獻率依次為54.79%、31.84%，累計貢獻率之和是86.63%。豐水期F1、F2的貢獻率依次為55.91%、31.04%，累計貢獻率之和是86.95%，豐、枯水期的累計貢獻率均大于85%，表明主成分F1、F2均可以較完整地包含大明湖的主要水質信息，各水污染物因子的主成分荷載值見表3。選取水污染物因子中荷載絕對值大于0.8為主要分析對象，枯水期主成分F1中TN、NO-3-N、NH3-N和pH荷載值較大，反映的是湖水氮營養鹽的特征；主成分F2荷載值較大的指標有透明度、水溫，反映的是湖水物理環境特征。豐水期主成分F1荷載值較大的指標有TN、NO-3-N、透明度、水溫和Chl.a，同時反映出氮營養鹽和浮游藻類的共同影響特征；主成分F2荷載值較大的指標僅有CODMn，反映的是有機污染的特征。

綜合分析表明，大明湖枯水期水質主要受氮營養鹽的影響，豐水期主要受氮營養鹽和浮游藻類的共同影響，因此最主要的水污染物因子TN、Chl.a可表征大明湖的水體營養環境，也是湖水富營養化的重要影響因子。水溫是浮游藻類繁殖的驅動因子，并且相關研究表明大明湖氮營養鹽來自于廢棄肥料和污水［14］，因此水質主要受到水溫和外來氮營養鹽的控制。

2.3? 主要水污染物影響因子空間分布特征

由于大明湖水體營養環境主要受TN、Chl.a影響，并且NO-3-N的質量濃度在枯、豐水期超出標準限值（10 mg/L），因此重點分析TN、NO-3-N和Chl.a的空間分布特征。利用ArcGIS空間插值法分析TN、NO-3-N和Chl.a質量濃度在枯水期與豐水期的空間差異性，結果見圖2。由圖可以看出，枯、豐水期TN高值主要分布在湖西區（煙波橋進水口），整體含量由高到低的順序均為湖西、湖東、湖中。NO-3-N含量的空間分布特征與TN相似，枯水期與豐水期的高值也出現在湖西區（煙波橋進水口），其質量濃度接近或者超過限值（10 mg/L）。豐水期Chl.a的含量明顯高于枯水期的，枯、豐水期Chl.a含量高值都出現在湖東區，含量分布整體呈現均為由西往東逐漸增加的趨勢。

結合時空分布的特征，大明湖水質空間差異顯著，煙波橋進水口的污染狀況明顯比其他湖區嚴重，且大明湖的主要污染來源為周圍護城河河水經進水口匯入湖泊，導致進水口氮營養鹽含量明顯增加，可以推斷煙波橋進水口為污染來源的主要途徑。

2.4? 富營化評價

采用綜合營養狀態指數法對大明湖枯水期、豐水期對各個采樣點進行富營養化評價，由于枯水期采樣點水體中TP的質量濃度均低于檢出限（0.02 mg/L），按照《地表水環境質量監測數據統計技術規定（試行）》，當檢測數據低于檢出限時，以1/2檢出限值參與計算和統計。大明湖枯、豐水期各采樣點水體綜合營養狀態指數計算結果如表4所示。

枯水期Itl值為35.024～2.49，平均值是38.37，基本為中營養水平；豐水期Itl值為53.31～59.59，平均值是57.59，基本為輕度富營養化水平。煙波橋采樣點的富營養化水平略低于其他采樣點的，原因是該采樣點水位較淺，浮游藻類生長受到限制。除此之外，其他采樣點的富營養化水平的差異并不顯著，可以看出，大明湖各時期富營養化水平的空間分布較穩定。豐水期富營養化水平加重的主要原因如下：一是水溫升高，導致浮游藻類生長較活躍，湖水中Chl.a含量增加；二是TP和CODMn含量有一定程度地增加，有相關研究表明，這可能與湖泊底部沉積磷的釋放有關［15］。

為了了解大明湖歷史年份的水質情況和富營養化水平，查閱已有資料和相關研究［16］，并結合相關數據，整理出2008—2019近10 a大明湖4項營養指標（TP、TN、CODMn、Chl.a）的年平均水平，并以Ⅳ類水體作為標準，結果如圖3所示，近10 a年平均綜合營養狀態指數Itl如圖4所示。可以看出：TN含量逐年升高，遠超Ⅳ類水標準，因此TN是大明湖首要污染因子；其次是TP和CODMn。2008年之后由于大明湖完成了擴建和整治，并采取了有效的清淤措施，CODMn、Chl.a和TP含量持續降低，所以Itl值明顯減小，但TN含量并沒有隨之降低，表明湖水磷營養鹽和有機污染主要來自于湖底沉積物的釋放，而氮營養鹽來自于外部輸入。2012、2013年CODMn、Chl.a和TP含量有了一定程度的回升，且2013年Chl.a含量達到了峰值，主要原因是當年夏季豐水期水溫比往年高出2～3 ℃，溫度的升高導致藻類爆發式生長，水體富營養化程度加重，因此Itl值直線上升。2016年山東出現了汛情，濟南地區降雨量驟增，導致地表受暴雨徑流、灌溉等作用產生土壤流失，土壤含有大量含磷營養物及有機物［17］在水中形成富集，所以該年CODMn和TP含量上升，致使Itl值達到了峰值70.96，為重度富營養化水平。2016—2019年CODMn、Chl.a和TP含量均明顯回落，Itl值隨之減小，說明大明湖的水質逐年好轉。

3? 結論

1）大明湖枯、豐水期水質均超出GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類水標準，主要水污染物因子是TN，其次是NO-3-N，在年內枯、豐水時期接近限值。水質空間差異顯著，煙波橋進水口污染情況明顯比其他湖區嚴重，可認為大明湖水體主要污染來自煙波橋進水口。

2）大明湖枯水期水質主要受氮營養鹽的影響，豐水期主要受氮營養鹽和浮游藻類的共同影響，TN、Chl.a是湖水富營養化的重要影響因子。

3）2019年大明湖枯水期水質為中營養水平，豐水期水質為輕度富營養化水平，結合歷史年份的綜合營養狀態指數來看，大明湖水質近年來呈逐年好轉的趨勢。

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