湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價方法及適用性分析

沈曉飛，馬 巍，羅佳翠，陳 欣

（1.中國水利水電科學研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021）

湖庫富營養(yǎng)化是指湖泊、水庫水體在自然因素和人類活動的雙重影響下，大量營養(yǎng)鹽物質(zhì)輸入湖庫水體，使湖庫由貧營養(yǎng)狀態(tài)逐步向富營養(yǎng)狀態(tài)變化的一種現(xiàn)象。富營養(yǎng)化是當前我國湖泊、水庫面臨的主要水環(huán)境問題，而營養(yǎng)狀態(tài)評價方法是識別湖庫營養(yǎng)狀態(tài)和水體污染程度的主要技術手段。湖庫富營養(yǎng)狀態(tài)評價，通常通過與湖庫水體的營養(yǎng)狀態(tài)有關的一系列指標及指標間的相互關系，對湖庫的營養(yǎng)狀態(tài)作出相應的判斷。本文主要針對行業(yè)主管部門已經(jīng)頒布的相關技術規(guī)程中的湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價方法，通過2個案例對湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價方法的適用性進行分析，并提出湖庫水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價方法選擇的基本原則，為湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價的規(guī)范化管理提供科學依據(jù)。

1 評價方法

一般認為，碳、氮、磷是富營養(yǎng)化發(fā)生的基本物質(zhì)基礎，是營養(yǎng)源指標；透明度和葉綠素是考察富營養(yǎng)化發(fā)生程度的外在指標，是狀態(tài)指標。以這5種水質(zhì)指標為評價對象，中國人民共和國水利部和環(huán)境保護部分別以行業(yè)標準和部門文件形式頒布了湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價標準和分級方法，其中水利部于2007年8月頒布了《地表水資源質(zhì)量評價技術規(guī)程（SL395-2007）》，環(huán)境保護部2011年3月頒發(fā)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》（環(huán)辦[2011]22號）。

1.1 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價技術規(guī)程》（SL 395-2007）[1]的相關規(guī)定，湖庫營養(yǎng)狀態(tài)應采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進行評價，評價項目包括總磷（TP）、總氮（TN）、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和透明度（SD），其中葉綠素a為必評項目，其營養(yǎng)狀態(tài)評價標準與分級方法應符合表1的規(guī)定。

湖庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價包括以下幾個步驟：

（1）采用線性插值法將各項水質(zhì)評價項目濃度值轉化為賦分值。為更準確的進行插值，建立了相對科學的各評價項目濃度值與賦分值之間的相關關系式，其結果見圖1所示；

（2）按下式計算湖庫的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI。

表1 湖泊（水庫）營養(yǎng)狀態(tài)評價標準及分級方法

圖1 水質(zhì)評價項目濃度值與賦分值間的相關關系

式中：EI為營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；En為評價項目賦分值；N為評價項目個數(shù)。

（3）參照表1，根據(jù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)確定營養(yǎng)狀態(tài)分級。

表2 湖泊（水庫）營養(yǎng)狀態(tài)評價標準

1.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》（環(huán)辦[2011]22號）[2]中的相關規(guī)定，湖庫營養(yǎng)狀態(tài)應采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TLI（∑））進行評價，其分級評價標準應符合表2中的規(guī)定。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為：

式中：TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI（j）為第j種營養(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)的相關權重。

以葉綠素a（chla）作為基準參數(shù)，則第j種參數(shù)歸一化的相關權重計算公式為：

式中：rij為第j種參數(shù)與基準參數(shù)chla的相關系數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)。

中國湖泊（水庫）的chla與其他參數(shù)之間的相關系數(shù)rij及見表3。

表3 中國湖泊部分參數(shù)與chla的相關關系

各項目的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式分別為：

2 典型湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價

以密云水庫（北京市）和滇池（云南省昆明市）為代表，分別采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對密云水庫和滇池的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價。

2.1 密云水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價（1）密云水庫水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。密云水庫位于北京市密云縣北部山區(qū)，由2座主壩和5座副壩攔截潮河、白河而形成，分為白河、潮河和內(nèi)湖3個庫區(qū)，最高蓄水位為159.9m，最大水面積188km2，最大蓄水量43.75億m3，密云水庫目前是北京唯一的地表飲用水水源地，2010年最高蓄水位為136.16m，最大蓄水量約為10.66億m3。2010年密云水庫整體水質(zhì)狀況為：pH值為8.26， CODMn為2.61mg/L，NH3-N為0.15mg/L，TP為0.015mg/L，TN為0.90mg/L，chla為0.0046mg/L，SD為2.46m，各指標類別分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，密云水庫整體水質(zhì)總體較好。

圖2 密云水庫富營養(yǎng)化監(jiān)測點分布

（2）密云水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價。利用2010年密云水庫常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測站點（站點名稱和空間位置分布詳見圖2，下同）逐月的水質(zhì)監(jiān)測資料，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TLI（∑））（環(huán)辦[2011]22號文規(guī)定的方法，下同），評價得到2010年密云水庫各站點的富營養(yǎng)化評分結果和富營養(yǎng)化等級見表4所示；采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（EI）（SL395-2007規(guī)定的方法，下同），評價得到2010年密云水庫各站點的富營養(yǎng)化評分結果和富營養(yǎng)化等級見表5所示。

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，2010年密云水庫各水質(zhì)監(jiān)測站點的綜合營養(yǎng)指數(shù)為34～41，都處于中營養(yǎng)水平，其中金溝和庫東2站（TLI（∑）≥40）明顯高于其它站點，表明金溝和庫東所在庫區(qū)發(fā)生水華的概率要明顯大于其它監(jiān)測站點所代表的庫區(qū)；5種營養(yǎng)狀態(tài)指標中，葉綠素a的狀態(tài)指數(shù)值最高，其次是TN，TP和CODMn指數(shù)值最低，表明TP是當前密云水庫發(fā)生水華的限制性營養(yǎng)因子。

采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[3]，2010年密云水庫各水質(zhì)監(jiān)測站點的營養(yǎng)狀態(tài)綜合評分為41～47（其中營養(yǎng)源評分為45～49，營養(yǎng)狀態(tài)評分為33～46），都處于中營養(yǎng)水平，并十分接近富營養(yǎng)水平，同時表明密云水庫發(fā)生水華的營養(yǎng)源條件已經(jīng)具備。3種營養(yǎng)源中，TN的評分最高（屬輕中度富營養(yǎng)）、CODMn和TP的評分值明顯低于TN，TP是當前水庫發(fā)生水華的限制性因子。營養(yǎng)狀態(tài)指標評分中，白河主壩、庫西、套里和第九水廠出口指標較低（狀態(tài)評分為33），庫東、金溝站點（營養(yǎng)狀態(tài)評分為44～45）較為接近富營養(yǎng)化水平，說明該水域可能已經(jīng)發(fā)生輕度水華。

表4 密云水庫及各站點富營養(yǎng)化評分結果和營養(yǎng)化等級（綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法）

表5 密云水庫及各站點富營養(yǎng)化評分結果和營養(yǎng)化等級（營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法）

2.2 滇池富營養(yǎng)化狀態(tài)評價（1）滇池水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。滇池屬典型的高原淺水湖泊，隸屬金沙江水系，位于昆明市下游，湖體略呈弓形，弓背向東，南北長約40km，東西最寬處12.5km，湖岸長156km；當?shù)岢厮辉谡８咚? 887.40m（黃海高程）時，平均水深5.3m，最大水深10.9m，湖泊面積309km2，庫容15.6億m3。滇池分為草海和外海，其中草海位于滇池北部，外海為滇池主體，面積約占滇池96.7%。自20世紀80年代以來，受昆明市中心城區(qū)的快速發(fā)展及其對周邊地區(qū)的帶動效應影響，滇池承納的入湖污染物日益增多，嚴重超過了湖泊的水體納污能力，滇池水質(zhì)急劇惡化，水體富營養(yǎng)化異常嚴重。2010年，草海整體水質(zhì)狀況CODMn為8.49mg/L、TP為0.60mg/L、TN為11.14mg/L、Chla為0.071mg/L和SD為0.94m，外海整體水質(zhì)狀況為CODMn為10.03mg/L、TP為0.20mg/L、TN為2.62mg/L、Chla為0.091mg/L和SD為0.34m，草外海的綜合水質(zhì)類別均為劣Ⅴ類，且草海污染程度遠較外海嚴重。

（2）滇池富營養(yǎng)狀態(tài)評價。利用2010年滇池常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測站點（站點名稱和空間位置分布詳見圖3，下同）逐月的水質(zhì)監(jiān)測資料，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TLI（∑）），評價得到2010年滇池各站點的富營養(yǎng)化評分結果和富營養(yǎng)化等級見表6所示；采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價得到2010年滇池各站點的富營養(yǎng)化評分結果和富營養(yǎng)化等級見表7所示。

圖3 滇池常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測站點

表6 滇池及各站點富營養(yǎng)評價（綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法）

表7 滇池及各站點富營養(yǎng)評價（營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法）

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，2010年滇池草外海各水質(zhì)監(jiān)測站點的綜合營養(yǎng)指數(shù)為68～73，處于中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)水平，其中草海和外海觀音山西為重度富營養(yǎng)水平，外海其它站點亦十分接近重度富營養(yǎng)水平，滇池外海各站點的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)空間分布差異較小。5種營養(yǎng)狀態(tài)指標中，葉綠素a的狀態(tài)指數(shù)值最高，其余4指標的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值差異不顯著，無明顯的限制性因子。

采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[4]，2010年滇池各水質(zhì)監(jiān)測站點的營養(yǎng)狀態(tài)綜合評分為71～74，均處于中度富營養(yǎng)水平，草海略較外海差，全湖以暉灣中最高（EI=74），以滇池南站點最低（EI=70），空間差異不顯著。從各指標的營養(yǎng)狀態(tài)評分結果差異來看，草海各指標差異性顯著（TN指標評分值高達94，屬重度富營養(yǎng)化水平，而透明度評分值僅為52，屬輕度富營養(yǎng)化水平）；外海各指標的空間差異性不顯著。

3 不同營養(yǎng)狀態(tài)評價方法的特點及其適用性

3.1 兩種營養(yǎng)狀態(tài)評價方法的特點綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，以chla為基本參數(shù)，采用金相燦等[5]基于國內(nèi)26個主要湖泊的調(diào)查數(shù)據(jù)資料，建立湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價指標與chla間的相關關系，進而確定各評價指標的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關權重，并采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算式得到各參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值，通過累加得到評價水體的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的最大特點是各參評指標對湖庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權重（或貢獻率）存在一定的差異，其中chla權重最大，其次是TP，TN、CODMn和SD 3指標基本相當；同時，當評價水體缺乏chla資料，或者chla資料代表性不夠，或者缺少其它評價參數(shù)時，則無法應用該方法進行湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價。

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，基于湖庫水體富營養(yǎng)化發(fā)生的基本原理和表現(xiàn)特征，將參評指標分為2類：即營養(yǎng)源指標（TP、TN和CODMn）和營養(yǎng)狀態(tài)指標（chla和SD），并分別給出各評價參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)分級濃度值區(qū)間和營養(yǎng)狀態(tài)賦分值（見表1），從等權重角度計算得到評價水體的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的最大特點是從富營養(yǎng)狀態(tài)發(fā)生的機理出發(fā)，對各營養(yǎng)源指標和營養(yǎng)狀態(tài)指標分別進行了營養(yǎng)狀態(tài)分級評價，最后按等權重加和計算得到評價水體的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和營養(yǎng)狀態(tài)分級。較綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法而言，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對于那些基礎資料相對較為匱乏的湖庫或未來情景下chla指標濃度很難準確預測的水體具有更好的適用性。

3.2 兩種營養(yǎng)狀態(tài)評價方法的適用性對比南方重污染湖泊（以滇池為例）和北方水污染程度相對較輕、水質(zhì)相對較好的水庫（以密云水庫為例）采用不同評價方法的營養(yǎng)狀態(tài)評價結果，可以對綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的適用性歸納總結如下。

（1）綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。①適用于各參評指標（包括chla、TP、TN、CODMn和SD）基礎資料較為齊全的湖庫水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價（其中chla指標濃度應具有較好的代表性）；②對于北方地區(qū)湖庫（如密云水庫），受氣溫偏低（影響chla濃度水平）和磷因素限制影響，基于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的評價結果較實際情況偏好；③對于南方地區(qū)污染較重、非磷因子限制影響的湖泊（如滇池草、外海），其評價結果較營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法合理。

（2）營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。①適用于各類湖庫水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價，其適用范圍受基礎資料的制約相對較??；②能夠識別評價水體的主要特征污染因子，有利于指導湖庫水體的富營養(yǎng)化防治與對策制定；③對于污染相對較輕的湖庫水體，評價結果分級較為合理；④對于污染相對較重的湖庫水體，評價結果分級較綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法偏好。

3.3 湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價方法選擇原則綜合2種評價方法的特點、適用范圍和評價成果存在的一些特征性差異，并遵從評價結果相對不利的原則，在湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價方法選擇中提出如下原則：①對于污染相對較輕的湖庫水體，建議選用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進行評價；②對于污染相對較重的湖庫水體，建議選用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進行評價；③在環(huán)境影響評價工作中，如評價水體資料較全，常采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進行評價；④評價水體資料稀缺或chla指標濃度代表性（或準確性）不足時，建議采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進行評價。

[1]SL 395-2007，地表水資源質(zhì)量評價技術規(guī)范[S].

[2]中國人民共和國環(huán)境保護部.地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）（環(huán)辦[2011]22號）[E].2011.

[3]黃振芳，陶亮，孫峰.密云水庫的富營養(yǎng)化態(tài)勢及對策研究[C]//中國水利學會2006年學術年會，2006：59-65.

[4]王紅梅，陳燕.滇池近20a富營養(yǎng)化變化趨勢及原因分析[J].環(huán)境科學導刊，2009，28（3）：57-60.

[5]金相燦，等.中國湖泊環(huán)境[M].第二冊.北京：海洋出版社，1995.