撫仙湖營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)及營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制定

張蕊，蘇婧 ，霍守亮，陳艷卿，紀(jì)丹鳳，3，王月，呂寧磬

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001

3.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875

我國湖泊眾多且分布廣泛，不僅為人類提供航 運(yùn)、防洪、旅游及生活、漁業(yè)、工業(yè)等用水，還是人類生存的繁衍地［1］。但是，隨著工農(nóng)業(yè)及城市的快速發(fā)展，人類活動(dòng)的加劇，使湖泊富營養(yǎng)化程度日益惡化［2］。目前對于湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)方法較多，各有利弊。雖然近年來不斷加大治理力度，但由于制定營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)缺乏科學(xué)性，治理目標(biāo)不明確，效果并不理想，湖泊富營養(yǎng)化總體狀況仍呈不斷加重趨勢［3］。美國自1998年確定了區(qū)域性營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的國家戰(zhàn)略后，又用八年時(shí)間先后完成了湖泊水庫、河流、河口海岸和濕地(草案)的營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指南，從而有效地控制了湖泊富營養(yǎng)化的程度。歐盟、日本等都開始借鑒美國經(jīng)驗(yàn)［3-5］。

撫仙湖是我國深水性湖泊的代表，目前基本處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，但水質(zhì)呈下降趨勢。為有效控制水質(zhì)惡化現(xiàn)象，制定撫仙湖營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的初始建議值，以反降級政策為前提，加大保護(hù)治理撫仙湖的力度，具有重要意義。筆者運(yùn)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和國際公認(rèn)的葉綠素a濃度分級法對撫仙湖營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，經(jīng)過對比分析擬定了撫仙湖營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的初始建議值。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

撫仙湖是我國第二大深水湖泊，位于云南省玉溪市境內(nèi)，居于滇中盆地中心，距昆明市東南60 km，跨澄江、江川和華寧三縣，徑流面積1053 km2，湖面面積212 km2，平均水深87 m，容水量189.30億m3，約占云南高原湖泊淡水湖泊總儲(chǔ)量的70%。撫仙湖是一個(gè)半封閉外流湖泊，屬珠江流域南盤江水系，具有防洪、灌溉、工業(yè)用水、漁業(yè)、生活用水及旅游等綜合功能［6］。

根據(jù)近幾年的監(jiān)測數(shù)據(jù)［7-8］可知，湖泊整體處于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ類水質(zhì)，但部分區(qū)域已接近Ⅱ類水質(zhì)。撫仙湖隸屬于云貴高原湖區(qū)，營養(yǎng)類型屬于協(xié)調(diào)型-貧營養(yǎng)-藻型。撫仙湖的污染源分為點(diǎn)源和非點(diǎn)源兩種。點(diǎn)源污染源為一般工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水。非點(diǎn)源污染源包括生活污水、農(nóng)村生活垃圾、農(nóng)村化肥、農(nóng)村固體廢棄物、東北部磷礦區(qū)污染、大氣干濕沉降及水土流失等。其中，非點(diǎn)源是撫仙湖的主要入湖污染源，非點(diǎn)源污染TN占總污染源TN的94.8%，非點(diǎn)源污染TP占總污染源TP的97.0%［7-8］。

1.2 營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)選擇

營養(yǎng)物水質(zhì)控制指標(biāo)與富營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)密切相關(guān)，富營養(yǎng)化評價(jià)分為營養(yǎng)鹽判別標(biāo)準(zhǔn)［9-13］和多因子判別標(biāo)準(zhǔn)［14-23］。早期的研究只考慮氮、磷指標(biāo)，隨著研究的深入，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為應(yīng)采用多因子的判別標(biāo)準(zhǔn)，通過綜合分析來劃分營養(yǎng)等級。

湖泊富營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)的選擇也可以結(jié)合湖泊基準(zhǔn)指標(biāo)的選取原則及考慮因素?？梢杂脕砗饬亢此|(zhì)，評價(jià)或預(yù)測湖泊水體營養(yǎng)狀況和富營養(yǎng)化程度的變量，包括氮、磷、有機(jī)碳、葉綠素、透明度、溶解氧、大型植物、生物群落結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)狀態(tài)指標(biāo)等［24］。這些指標(biāo)可分為原因變量和響應(yīng)變量。由于各項(xiàng)指標(biāo)均具有代表性，其實(shí)用性和可操作性亦存在差異。因此，在上述諸多候選指標(biāo)選擇時(shí)，需要對其進(jìn)行全面的科學(xué)分析與綜合考慮。

造成湖泊富營養(yǎng)化的原因大部分是營養(yǎng)鹽濃度(主要是氮磷濃度)超標(biāo)。雖然在水體中氮以有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸鹽氮四種形態(tài)存在，但各形態(tài)之間可通過氨化作用、硝化作用和反硝化作用轉(zhuǎn)化?？紤]到指標(biāo)選取原則要求不易受其他外界因素的影響，選擇總氮(TN)為評價(jià)指標(biāo)。磷作為湖泊富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)，考慮到測定的實(shí)際情況及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與可用性，選擇總磷(TP)為評價(jià)指標(biāo)。對于湖泊富營養(yǎng)化的反應(yīng)變量，通過大量的研究可知，葉綠素a(Chl-a)和透明度(SD)是最主要的響應(yīng)指標(biāo)。有些指標(biāo)是受有機(jī)污染物污染水體測定的主要指標(biāo)，而不是因藻類引起的湖泊富營養(yǎng)化水體測定的指標(biāo)。溶解氧、pH、溫度等雖然與湖泊富營養(yǎng)化有一定的關(guān)聯(lián)度，但不是評價(jià)湖泊富營養(yǎng)化的必選指標(biāo)。

僅使用原因變量或反應(yīng)變量都容易導(dǎo)致湖泊的過保護(hù)或欠保護(hù)。因此，在湖泊營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)的選擇中宜統(tǒng)籌考慮原因變量和反應(yīng)變量。根據(jù)撫仙湖的情況，參考美國各州指標(biāo)的制定，選擇TN、TP、Chl-a濃度及SD作為撫仙湖標(biāo)準(zhǔn)制定的評價(jià)指標(biāo)。

1.3 富營養(yǎng)化評價(jià)方法

湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)是在富營養(yǎng)化評價(jià)方法的基礎(chǔ)上完成的。富營養(yǎng)化評價(jià)方法包括綜合評價(jià)方法(如特征法、參數(shù)法、卡爾森指數(shù)法、修正的卡爾森指數(shù)法、綜合營養(yǎng)指數(shù)法、生物學(xué)方法、評分法、營養(yǎng)度指數(shù)法)和以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的評價(jià)方法(如模糊評價(jià)法、灰色預(yù)測法、層次分析法，神經(jīng)網(wǎng)格法等)。

富營養(yǎng)化評價(jià)方法各有利弊。特征法比較簡單直觀，能夠真實(shí)反映水體環(huán)境質(zhì)量的整體效應(yīng)，但受主觀因素的影響較多;參數(shù)法、卡爾森指數(shù)法和修正的卡爾森指數(shù)法存在單一性和片面性，不能真實(shí)評價(jià)湖泊的營養(yǎng)狀態(tài);評分法通過分值來劃分營養(yǎng)等級，各評價(jià)因子分級濃度差值很大，而撫仙湖基本處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，分值幾乎不超過10，所以該方法不適用;營養(yǎng)度指數(shù)法，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)格的富營養(yǎng)化評價(jià)方法計(jì)算比較復(fù)雜，評價(jià)結(jié)果趨于均化。筆者選擇綜合營養(yǎng)指數(shù)法和國際公認(rèn)的葉綠素a濃度分級方法作為撫仙湖營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)的主要方法和依據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)的來源及分析方法

撫仙湖水質(zhì)資料主要來自云南省玉溪市環(huán)境監(jiān)測站［7］。監(jiān)測站在1990—2010年對撫仙湖湖心、路居、哨嘴、尖山四個(gè)有代表性的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行不間斷采樣。采樣深度為表層水，采樣頻率為每月兩次。

TN濃度采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定;TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定;Chl-a濃度采用丙酮萃取分光光度法測定;SD采用塞氏盤法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的計(jì)算結(jié)果

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法需要計(jì)算各指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，其計(jì)算方法［14，25］:

式中，TLIj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重;rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)，其值為金相燦等［14］學(xué)者對全國湖泊調(diào)查后的結(jié)論，如表1所示。

表1 Chl-a與其他參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)［14］Table 1 Relationship between Chl-a and other parameters

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計(jì)算公式［14］:

分級方法:TLI≤30，貧營養(yǎng);30 ＜ TLI≤50，中營養(yǎng);50＜TLI≤60，輕度富營養(yǎng);60＜TLI≤70，中度富營養(yǎng);TLI＞70，重度富營養(yǎng)。

由湖泊(水庫)富營養(yǎng)化狀況評價(jià)方法計(jì)算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級。將所有采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分級歸類，分別得到對應(yīng)的TN、TP、SD樣本群，針對每個(gè)樣本群采用SPSS軟件得到頻率為5%、25%、50%、75%、95%的統(tǒng)計(jì)特征值。頻率分布在50%，意味著選取的是富營養(yǎng)化控制指標(biāo)值的平均水平，代表該級營養(yǎng)水平對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)的平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法分級的各指標(biāo)特征值Table 2 Result from the method of TLI

通過對比分析，根據(jù)反降級政策，選取各控制指標(biāo)的50%頻率分布值，同時(shí)參考云貴湖區(qū)水質(zhì)分析情況，得到對撫仙湖營養(yǎng)狀態(tài)的評價(jià)及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。有少量數(shù)據(jù)顯示撫仙湖存在中營養(yǎng)狀態(tài)，由于樣本群很少，不足以體現(xiàn)整個(gè)湖泊的水質(zhì)狀況，故文中不予考慮。富營養(yǎng)化控制分級標(biāo)準(zhǔn)建議值如表3所示。

表3 富營養(yǎng)化控制分級標(biāo)準(zhǔn)建議值Table 3 Suggested standards of lake euthophication control

2.2 國際公認(rèn)的葉綠素a濃度分級法

葉綠素a濃度分級法是按照葉綠素濃度水平將湖泊營養(yǎng)物控制標(biāo)準(zhǔn)分為六級:Ⅰ級貧營養(yǎng)(＜1.6 mg/m3)、Ⅱ級中營養(yǎng)(1.6～10 mg/m3)、Ⅲ級輕富營養(yǎng)(10～26 mg/m3)、Ⅳ級中富營養(yǎng)(26～64 mg/m3)、Ⅴ級重富營養(yǎng)(64～160 mg/m3)、Ⅵ級極端富營養(yǎng)(＞160 mg/m3)。對撫仙湖的TN、TP、SD樣本做頻率統(tǒng)計(jì)分析。將所有采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)根據(jù)葉綠素a濃度分級歸類，得到對應(yīng)的TN、TP、SD的樣本群，針對每個(gè)樣本群采用SPSS軟件分別得到5%、25%、50%、75%、95%頻率的統(tǒng)計(jì)特征值。頻率分布在50%，意味著選取的是富營養(yǎng)化控制指標(biāo)值的平均水平，代表該級營養(yǎng)水平對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)的平均值。初步確定控制標(biāo)準(zhǔn)值后，參考25%頻率的分布規(guī)律，并根據(jù)專家法校驗(yàn)指標(biāo)值，得到營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表4 國際公認(rèn)的葉綠素濃度(Chl-a法)分級的各指標(biāo)特征值Table 4 Results from the method of Chl-a

通過對比分析，根據(jù)反降級政策，選取各控制指標(biāo)的50%頻率分布值，同時(shí)參考云貴湖區(qū)水質(zhì)分析情況，得到對撫仙湖營養(yǎng)狀態(tài)的評價(jià)及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。有少量數(shù)據(jù)顯示撫仙湖存在中營養(yǎng)狀態(tài)，由于樣本群很少，不足以體現(xiàn)整個(gè)湖泊的水質(zhì)狀況，故不予考慮。富營養(yǎng)化控制分級標(biāo)準(zhǔn)建議值如表5所示。

表5 富營養(yǎng)化控制分級標(biāo)準(zhǔn)建議值Table 5 Suggested standards of lake eutrophication control

2.3 分析與討論

綜合2.1節(jié)和2.2節(jié)并結(jié)合表3和表5，得出TLI法與Chl-a法的富營養(yǎng)化控制分級標(biāo)準(zhǔn)建議值，如表6所示。

表6 TLI法與Chl-a法的富營養(yǎng)化控制分級標(biāo)準(zhǔn)建議值Table 6 Rresults from the methods of TLI and Chl-a

由表6可知，兩種方法得出的撫仙湖的營養(yǎng)狀態(tài)均為貧營養(yǎng)，TP、TN、SD和Chl-a四個(gè)指標(biāo)的建議值相差不大。其中，TN相差0.002 mg/L。撫仙湖的水環(huán)境容量為 189.30 ×108m3［6］，預(yù)測 2012 年 TN的入湖量:低負(fù)荷時(shí)為1112.6 t/a，高負(fù)荷時(shí)為1207.6 t/a。假設(shè)進(jìn)入湖體的污水最終以完全混合狀態(tài)存在于湖體，當(dāng)以濃度為0.002 mg/L的差值進(jìn)入湖體后，在兩種負(fù)荷時(shí)差值均小于10-11mg/L，可見兩種方法得到的TN濃度差值0.002 mg/L對整個(gè)湖體來說幾乎沒有影響。

綜合營養(yǎng)指數(shù)法是一種常用的方法，但其要求各營養(yǎng)因子的相關(guān)性較高。對于藻型湖泊，富營養(yǎng)化是由于湖水中磷氮等營養(yǎng)物濃度增加，導(dǎo)致藻類過量繁殖所致。因而，一般均以反映湖泊藻類數(shù)量多寡的綜合指標(biāo)Chl-a作為占主導(dǎo)地位的評價(jià)因子。通過對撫仙湖近20年的數(shù)據(jù)分析，可得TN、TP和SD分別與Chl-a的相關(guān)性(表7)，進(jìn)而確定綜合營養(yǎng)指數(shù)法的適用性。

表7 各因子相關(guān)性Table 7 Relationships among the factors

選取 Chl-a、TP、TN和 SD作為評價(jià)指標(biāo)，對1990—2010年撫仙湖的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示:Chl-a與SD在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，與TN在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，而與TP幾乎不相關(guān)。所以綜合營養(yǎng)指數(shù)法對撫仙湖的適用存在限制。國際公認(rèn)的葉綠素a濃度分級法能夠單獨(dú)分析各指標(biāo)的分布情況，不涉及相關(guān)系數(shù)計(jì)算問題，因此，以國際公認(rèn)的葉綠素a濃度分級法為主，考慮綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，確定撫仙湖營養(yǎng)狀態(tài)及營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn):Chl-a濃度為1.600 mg/m3;TP濃度為0.006 mg/L;TN濃度為0.173 mg/L;SD為7.000 m。

3 結(jié)論

通過對湖泊多個(gè)生化指標(biāo)的對比，確定撫仙湖的營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)為 TP、TN、Chl-a和 SD。在營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)建議值的制定過程中可選擇富營養(yǎng)化評價(jià)方法中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和國際公認(rèn)的葉綠素a濃度分級法與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中的頻率分布法相結(jié)合，運(yùn)用SPSS軟件計(jì)算各因子分級統(tǒng)計(jì)特征值，得出營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)初始建議值。但是因綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法要求各因子之間有較好相關(guān)性，所以撫仙湖的營養(yǎng)物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)初始建議值由國際公認(rèn)的葉綠素a濃度分級的方法制定。初始建議值Chl-a濃度為1.600 mg/m3;TP濃度為0.006 mg/L;TN濃度為0.173 mg/L;SD為7.000 m。

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