基于加和型普適指數(shù)公式的水庫群富營養(yǎng)化指數(shù)綜合評估研究

田金鳳，王 洋

(遼寧省本溪水文局,遼寧 本溪 117000)

當前,水庫群已成為遼寧東部區(qū)域供水的主要來源,而水庫水體富營養(yǎng)化已經(jīng)成為影響和制約水庫供水的主要瓶頸。為有效加強水庫水體富營養(yǎng)化指數(shù)的控制,保障水庫供水水體的水質(zhì)安全,需要對水庫進行富營養(yǎng)化指數(shù)的綜合評估,為此國內(nèi)許多學者針對水庫富營養(yǎng)綜合評估的問題展開相關(guān)研究[1- 6],但是這些成果大都基于單一水庫的富營養(yǎng)化指數(shù)進行評估,而近些年來,隨著流域內(nèi)水庫的大量建設(shè),區(qū)域水庫之間互相影響,需要對水庫整體群富營養(yǎng)化指數(shù)進行綜合評估,從而保障整個區(qū)域內(nèi)水庫的供水水質(zhì)安全。當前有學者采用加和型普適指數(shù)公式對湖泊水體以及河道水體的富營養(yǎng)化指數(shù)進行綜合評估,研究結(jié)果表明加和型普適指數(shù)公式可結(jié)合不同評價指標進行綜合評估[7- 9],評估效果較好,但該指數(shù)在水庫群富營養(yǎng)化指數(shù)還未進行相關(guān)應(yīng)用。為此本文引入加和型普適指數(shù)公式對水庫群富營養(yǎng)化指數(shù)進行綜合評估。研究成果可為水庫群的富營養(yǎng)化指數(shù)提供綜合評估的方法。

1 加和型普適指數(shù)計算原理

加和型普適指數(shù)采用加冪函數(shù)對水體的富營養(yǎng)化指數(shù)進行綜合評估,其方程為：

(1)

式中，EI—水庫富營養(yǎng)化綜合評估指數(shù)；a、b—評估參數(shù)；wj—評估歸一化權(quán)重值；n—評估水庫個數(shù)；Ij—營養(yǎng)化評估分解指標,其中Ij分級指標計算方程分別為：

(2)

式中，Cj—指標j的采樣監(jiān)測值；Cjmax—不同指標的最大富營養(yǎng)化指數(shù)值。

加和型普適指數(shù)在進行富營養(yǎng)化指數(shù)評估時,需要對參數(shù)a、b進行優(yōu)選,優(yōu)先方程為：

(3)

式中，EIk—不同級別營養(yǎng)狀態(tài)綜合值；EIk0—不同級別營養(yǎng)狀態(tài)目標值；K—富營養(yǎng)化指數(shù)評價級別。

其次在計算時需要對各指標的歸一化指標的權(quán)重值進行計算,計算方程為：

(4)

式中，rij—第j水庫富營養(yǎng)化指數(shù)與基準參數(shù)之間的相關(guān)指數(shù)；m—評估參數(shù)。

此外為對比不同富營養(yǎng)化評估指數(shù)的計算方法,本文引進國外應(yīng)用較多的修正卡爾森修正指數(shù),

表1 加和型普適指數(shù)水庫群富營養(yǎng)化指數(shù)評價指標及等級

該綜合評估參數(shù)計算方程分別為：

TSIM(Chl)=10{2.46+(ln(Chla/2.5)}

(5)

TSIM(SD)=10{2.46+[(3.69-1.53lnSD)/ln2.5]}

(6)

TSIM(TP)=10{2.46+[(6.71+1.15lnSD)/ln2.5]}

(7)

式中，Chla—水庫水體中葉綠素濃度，μg/L；TP—水庫群水體中監(jiān)測的總磷的濃度，μg/L；SD—水體的透明度指數(shù)。

2 實例分析

2.1 水庫群概況

本文以遼寧東部某區(qū)域為研究區(qū)域,區(qū)域內(nèi)主要有4座中小型水庫,并形成區(qū)域內(nèi)的水庫群,近些年來,水庫群整體富營養(yǎng)化指數(shù)得到一定程度的控制。區(qū)域內(nèi)對各水庫富營養(yǎng)化指數(shù)進行有常規(guī)序列的采樣和水質(zhì)監(jiān)測工作,主要采樣的指標包括葉綠素、總氮、總磷、COD、BOD、氨氮、DO等常規(guī)監(jiān)測指標。本文結(jié)合這些監(jiān)測指標,應(yīng)用加和型普適指數(shù)對水庫群富營養(yǎng)化指數(shù)進行年尺度和季節(jié)尺度的綜合評估。

2.2 加和型普適指數(shù)評估等級的確定

加和型普適指數(shù)采樣5級評價標準進行綜合評估,各級指標對應(yīng)的水質(zhì)指數(shù)評價等級值和目標值可詳見表1,本文選取對水庫群富營養(yǎng)化指數(shù)影響較大的7個指標進行綜合評估。

2.3 不同指數(shù)富營養(yǎng)化評估標準

為對比不同評估指數(shù)的評估結(jié)果,本文分別列舉了加和型普適指數(shù)EI和卡爾森營養(yǎng)指數(shù)TSI的不同等級的評價標準,詳見表2。

從表2中可以看出,各評估指數(shù)劃分的等級相同,分別劃分5個等級進行富營養(yǎng)指數(shù)的綜合評估,但不同指數(shù)在各等級下的評估標準不同,這主要和不同指數(shù)考慮指標有關(guān),加和型普適指數(shù)綜合考慮的要素要多于卡爾森營養(yǎng)指數(shù)TSI。

表2 不同富營養(yǎng)化指數(shù)評價標準

2.4 不同指數(shù)富營養(yǎng)化評估結(jié)果對比

為對比不同指數(shù)在水庫群富營養(yǎng)化的評估結(jié)果,本文分別采用加和型普適指數(shù)EI和卡爾森營養(yǎng)指數(shù)TSI對研究區(qū)域水庫群8種指標進行富營養(yǎng)化指數(shù)的綜合評估,綜合評估結(jié)果見表3、4。

表3 基于不同評價指數(shù)的水庫群評價結(jié)果

表3、4分別為8種指標下各水庫的富營養(yǎng)化指數(shù)評估結(jié)果,從表中可以看出,采用加和型普適指數(shù)評估的富營養(yǎng)化程度均要好于修正的卡爾森營養(yǎng)指數(shù),通過對區(qū)域?qū)嵉馗粻I養(yǎng)化程度的調(diào)研情況可以發(fā)現(xiàn),加和型普適指數(shù)計算結(jié)果和實際情況吻合度較高,而修正的卡爾森營養(yǎng)指數(shù)評估的富營養(yǎng)化程度和實際情況吻合度低于加和型普適指數(shù),這主要是因為加和型普適指數(shù)對各指標的歸一化指標的權(quán)重值進行計算,綜合考慮了不同水質(zhì)指標和不同水庫之間的富營養(yǎng)化的影響,評估結(jié)果好于修正的卡爾森營養(yǎng)指數(shù),更適合于研究區(qū)域水庫群的富營養(yǎng)化指數(shù)綜合評估。

圖1 區(qū)域水庫群加和型普適富營養(yǎng)化月評估指數(shù)過程

2.5 基于加和型普適指數(shù)水庫群月尺度富營養(yǎng)指數(shù)演變分析

在對比分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合加和型普適指數(shù)對水庫群月尺度富營養(yǎng)指數(shù)演變情況進行了分析,分析結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可看出,各水庫月富營養(yǎng)化指數(shù)變化較為相似,均在6～9月份(夏季)易出現(xiàn)富營養(yǎng)高峰值,雖然在夏季進入水庫的水量要大于其他幾個季節(jié),但是進入水體的污染物指標也較高,而且在夏季,水體溫度也要高于其他幾個季節(jié),而水溫有利于區(qū)域的富營養(yǎng)化集聚現(xiàn)象,因此使得在夏季各水庫富營養(yǎng)化程度較高。其次為春季和秋季,在冬季由于水庫來水量減少,水體溫度也相對較低,不利于水庫富營養(yǎng)化程度的集聚,使得在冬季其富營養(yǎng)程度要低于其他幾個季節(jié)。

2.6 基于加和型普適指數(shù)水庫群年尺度富營養(yǎng)指數(shù)演變分析

在月尺度演變分析的基礎(chǔ)上,對水庫群年尺度富營養(yǎng)化指數(shù)演變進行了分析,分析結(jié)果見表5。

表5 水庫群富營養(yǎng)化指數(shù)年演變結(jié)果

從表5中可以分析出,各水庫群區(qū)域水庫群從2005～2016年總體處于中等富營養(yǎng)化指數(shù)狀態(tài),各水庫富營養(yǎng)化綜合評估指數(shù)在30.95～39.32之間。從各水庫群綜合評估值可以看出,水庫群綜合評估值在26.23～44.96之間,從年演變過程來看,在2008年和2009年出現(xiàn)富營養(yǎng)指數(shù)高峰值,這主要是因為這兩個年份區(qū)域內(nèi)由于進入水體的污染物增多,使其富營養(yǎng)化指數(shù)升高。而自2014年以來,區(qū)域水庫群的富營養(yǎng)化指數(shù)有逐漸減小的變化趨勢,這主要和區(qū)域污染控制措施的加強有關(guān)。

3 結(jié)語

本文采用加和型普適指數(shù)對遼寧東部某區(qū)域水庫群進行富營養(yǎng)化指數(shù)的綜合評估,取得以下結(jié)論。

(1)加和型普適指數(shù)在區(qū)域水庫富營養(yǎng)化評估的結(jié)合和實際情況吻合度較高,該方法在水庫群富營養(yǎng)化指數(shù)評估的實用性較強；

(2)水庫群在夏季易出現(xiàn)富營養(yǎng)化的高峰值,應(yīng)加強夏季水庫水體富營養(yǎng)化控制,減少進入水體的污染物濃度,加大水庫在夏季的生態(tài)調(diào)控措施。

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