基于單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法與綜合營養(yǎng)指數(shù)法分析豐樂水庫水質(zhì)狀況

吳 束，查 鵬

（安徽省黃山水文水資源局，安徽 黃山 245000）

1 基本概況

1.1 背景介紹

隨著人民生活水平的日益提高，居民對(duì)生活飲用水的水質(zhì)也提出了更高的要求。飲用水的安全問題影響國計(jì)民生，做好水污染防治和監(jiān)察工作刻不容緩。黃山市豐樂水庫位于黃山市徽州區(qū)境內(nèi)，是歙縣縣城飲用水源地和徽州區(qū)備用水源地，供水量為1500 萬m3/a，供水人口15 萬人，其水質(zhì)健康狀態(tài)直接影響其供水安全。水質(zhì)健康主要受到自然環(huán)境因素及人員活動(dòng)的影響，存在一定的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)性。黃山市豐樂水庫，坐落在歙縣西北練江的支流豐樂河上，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水主要集中在5～7月份，豐樂水庫汛期為每年的5～9月份，非汛期為前年10 月份到次年4 月份，汛期降雨量增加，大量雨水夾雜泥土進(jìn)入水庫，土壤中的氮、磷等元素隨雨水沖刷進(jìn)入水中，同時(shí)河底沉積的元素也被釋放出來，對(duì)水庫水質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。豐樂水庫周邊是黃山毛峰主要的生產(chǎn)基地，隨著茶葉的生長(zhǎng)采摘及施肥等活動(dòng)，水庫水質(zhì)變化也明顯符合這一周期性活動(dòng)。目前對(duì)豐樂水庫水生態(tài)環(huán)境的相關(guān)調(diào)查研究較少。本文首次利用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法與綜合營養(yǎng)指數(shù)法對(duì)豐樂水庫水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。揭示了其水質(zhì)營養(yǎng)化狀態(tài)和周期性動(dòng)態(tài)變化的根本原因，為科學(xué)監(jiān)控治理水庫及附近水生態(tài)環(huán)境提供了數(shù)據(jù)支持。

1.2 采樣點(diǎn)介紹

采樣點(diǎn)布設(shè)以及采樣方法按《污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（系列）》(HJ 91-2019)進(jìn)行。豐樂水庫采樣點(diǎn)設(shè)在豐樂水庫大壩壩前，為保證數(shù)據(jù)的有效性，單個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)采集3個(gè)同量的樣品。每月月末在固定地點(diǎn)，使用相同手法進(jìn)行采樣，這可以有效反映出匯入豐樂水庫的水質(zhì)情況，具體如圖1所示。

圖1 豐樂水庫取樣點(diǎn)分布圖

2 豐樂水庫水質(zhì)情況分析

2.1 豐樂水庫水質(zhì)評(píng)價(jià)方法及結(jié)果

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[1]是指，評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)在水源地所有參評(píng)指標(biāo)中，選取類別最高的一項(xiàng)確定該水源地類別的方法。目前，我國在評(píng)價(jià)集中式飲用水源地水質(zhì)時(shí)主要采用該方法。

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi由一位整數(shù)、小數(shù)點(diǎn)后2位有效數(shù)字組成，可以表示為：

其中，X1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2指代檢測(cè)數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間所處的位置，按四舍五入的原則在0～9 之間確定取值；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染程度，為1位或2位有效數(shù)字。

單項(xiàng)指標(biāo)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)計(jì)算公式如下：

當(dāng)水質(zhì)介于I～V類水之間時(shí)：

當(dāng)水質(zhì)劣于V類水時(shí)：

其中Ki為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度；ρik上、ρik下分別為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在K類水質(zhì)區(qū)間的上限值與下限值。

根據(jù)地表水評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB 3838-2002 和單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)豐樂水庫2020～2021全年進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與評(píng)價(jià)。選取高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、溶解氧、六價(jià)鉻5個(gè)指標(biāo)計(jì)算年均值，再根據(jù)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果。通過表1、表2 得到2020～2021 年大多數(shù)指標(biāo)均有不同幅度的增加，而水中的溶解氧含量開始下降，這是由于氨氮和磷含量的增加以及藻類種類和數(shù)量增加造成的富氧環(huán)境。其中總磷由0.018mg/L 上升至0.024mg/L，影響指數(shù)從2.53 增加至2.93，遠(yuǎn)超其它影響因子。由此可知影響豐樂水庫全年水質(zhì)狀況的主要影響指標(biāo)是總磷。

表1 2020～2021年豐樂水庫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均值

表2 2020～2021豐樂水庫單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)豐樂水庫2020～2021年各月數(shù)據(jù)以單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)得出以下結(jié)果，豐樂水庫水質(zhì)變化范圍為I～Ⅳ類水，其中I類水3 次、Ⅱ類水15次、Ⅲ類水5 次、Ⅳ類水1 次。總體Ⅱ類水居多，I～Ⅲ類水合占比95.8%，適合于集中供水的水源。2020～2021年豐樂水庫水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表3。

表3 2020～2021年豐樂水庫各月水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3 繪制豐樂水庫水質(zhì)變化趨勢(shì)圖，由圖2可知2020～2021全年水質(zhì)變化態(tài)勢(shì)基本相似。豐樂水庫的水質(zhì)管理目標(biāo)Ⅲ類水，2020 年達(dá)標(biāo)率為100%。而2021 年達(dá)標(biāo)率為91.7%，主要是由于7 月超標(biāo)為Ⅳ類水。

圖2 2020～2021年豐樂水庫水質(zhì)斷面水質(zhì)類別變化情況

2.2 豐樂水庫營養(yǎng)化評(píng)價(jià)

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[2-3]，以《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL395-2007)中湖泊（水庫）營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)方法計(jì)算各指標(biāo)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，最后再計(jì)算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

綜合營養(yǎng)指數(shù)模型為：

TLI（∑）表示綜合營養(yǎng)指數(shù)；TLI（j）代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

單一水質(zhì)模型：

TLI(Chl-a)為葉綠素營養(yǎng)狀態(tài)，Chl-a 為葉綠素濃度，單位mg/L；TLI(TN)為總氮營養(yǎng)狀態(tài)，TN 為總氮濃度，單位mg/L；TLI(SD)為透明度營養(yǎng)狀態(tài)，SD為透明度，單位m；TLI(COD)為化學(xué)需氧量營養(yǎng)狀態(tài)，COD 為化學(xué)需氧量，單位mg/L；TLI(TP)為總磷營養(yǎng)化狀態(tài)，TP 為總磷濃度，單位mg/L。對(duì)照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算制表，見表4。

表4 2020～2021年豐樂水庫營養(yǎng)化指數(shù)

豐樂水庫2020 年全年?duì)I養(yǎng)化指數(shù)均值為39.7，2021 年?duì)I養(yǎng)化指數(shù)均值為37.5，2020～2021 全年均為中營養(yǎng)化狀態(tài)，單月營養(yǎng)指數(shù)最高值分別達(dá)42.1和46.1，有富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。2020～2021 年豐樂水庫營養(yǎng)化指數(shù)隨著季節(jié)有著相似的變化趨勢(shì)，推測(cè)全年指數(shù)變化與季節(jié)性的降水存在密切關(guān)系。

2.3 豐樂水庫營養(yǎng)化指數(shù)影響因子分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法得出豐樂水庫2020～2021 年高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、葉綠素a4 項(xiàng)參數(shù)的全年平均濃度，并綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法給予賦分。由表5 可知總磷和總氮的變化率最大為27.8%和35.3%。影響豐樂水庫營養(yǎng)化指數(shù)最強(qiáng)因子是總氮和總磷。

表5 2020～2021豐樂水庫營養(yǎng)化指數(shù)影響因子

水體富營養(yǎng)化的主要原因?yàn)闋I養(yǎng)元素（氮、磷等）相對(duì)較充足；水流流態(tài)趨于緩慢；溫度、光照條件相對(duì)適宜以及溶解氧含量充足等。氮、磷為浮游植物生長(zhǎng)的必要元素，當(dāng)?shù)⒘椎葼I養(yǎng)鹽含量豐富時(shí)，藻類等浮游植物快速生長(zhǎng)，造成水體滯流、缺氧等現(xiàn)象，導(dǎo)致富營養(yǎng)化問題惡化。水藻生長(zhǎng)的主要元素是氮、磷，當(dāng)TN/TP＞14 時(shí)，磷是限制水藻生長(zhǎng)的主要元素[4]。

2.4 豐樂水庫營養(yǎng)化指數(shù)與降水量、總磷濃度關(guān)系分析

如圖3 為2020～2021 年豐樂水庫各月水質(zhì)總磷濃度變化特征，圖4 為2020～2021 年豐樂水庫雨量站降水量情況。

圖3 2020-2021豐樂水庫各月水質(zhì)總磷濃度變化特征圖

圖4 2020-2021豐樂水庫雨量站降水量情況

結(jié)合總磷變化趨勢(shì)與豐樂水庫雨量站逐月的降水量情況，5～7 月份正值黃山雨季的高峰期，雨水對(duì)土地有沖刷作用，隨著降雨的發(fā)生，雨水將大量富含有機(jī)物的泥土帶入水庫，泥土中的氮、磷隨即逐漸釋放出來。伴隨夏季的到來，水溫逐漸升高水中的含氧量逐漸降低，水庫底泥中的有機(jī)磷開始釋放出來，總磷含量的爆發(fā)性升高，使得7月份水庫總磷含量明顯較高。

同時(shí)豐樂水庫周邊是黃山毛峰主要的生產(chǎn)基地，觀看近兩年的含量變化趨勢(shì)，總磷的含量在2月份開始逐步攀升，4 月份達(dá)到小高點(diǎn)之后開始下降。7 月份達(dá)到最高點(diǎn)然后下降，10 月又出現(xiàn)小高點(diǎn)后開始下降，符合茶葉的種植施肥規(guī)律。茶葉的種植是在入春天氣變暖的2 月開始施第一波肥，春季茶葉生長(zhǎng)速度快，3 月需要追肥，清明前后茶葉采摘后暫緩，5 月汛期開始后雨水增多，雨水將大量富含有機(jī)物的泥土帶入水庫，使得水庫總磷含量不斷升高，在7月達(dá)到最高峰后隨著雨量減少明顯下降，在入秋的9、10月為了使茶葉能夠安然過冬，這時(shí)也會(huì)增肥。

3 結(jié) 論

通過單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)法及綜合營養(yǎng)指數(shù)法對(duì)豐樂水庫水質(zhì)情況進(jìn)行定性分析，找出影響水質(zhì)的關(guān)鍵因素，將季節(jié)性降雨與人類活動(dòng)和水庫營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行時(shí)間序列分解，從宏觀角度解釋了他們的趨勢(shì)變化。

1.通過單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)法得出，影響豐樂水庫全年水質(zhì)狀況的主要影響指標(biāo)是總磷；豐樂水庫總體水質(zhì)常年保持為Ⅱ類水，I～Ⅲ類水合占比95.8%，受季節(jié)性降雨影響，汛期磷元素釋放增加，導(dǎo)致水質(zhì)環(huán)境變差。

2.豐樂水庫水質(zhì)常年保持在中營養(yǎng)化狀態(tài)，利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行分析可知總磷和總氮的變化率最大為27.8%和35.3%，是影響豐樂水庫營養(yǎng)化指數(shù)的最強(qiáng)因子。雨水沖刷和季節(jié)性的施肥耕種，富含有機(jī)物的泥土進(jìn)入水庫，氮、磷含量增加，水質(zhì)營養(yǎng)化狀態(tài)明顯存在周期性變化。

3.建立更加全面的管理機(jī)制和完善水質(zhì)監(jiān)控體系，實(shí)施更加科學(xué)的水量-水質(zhì)聯(lián)合管理措施，將更能保證豐樂水庫的水質(zhì)生態(tài)環(huán)境和供水安全。