基于營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和灰色模式識(shí)別模型的青山國(guó)家濕地公園水質(zhì)評(píng)價(jià)

饒繼剛 張婷 饒興旺 毛圣明 鐘學(xué)斌 陳志

摘要：以青山國(guó)家濕地公園2014—2016年的季度水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，采用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和灰色模式識(shí)別模型對(duì)青山國(guó)家濕地公園水域水質(zhì)變化趨勢(shì)和所受污染情況做出了綜合分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，青山國(guó)家濕地公園水體水質(zhì)整體上達(dá)到了地表水Ⅱ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，保持在貧營(yíng)養(yǎng)到中營(yíng)養(yǎng)程度的營(yíng)養(yǎng)化狀況，有部分年月水質(zhì)甚至可以達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，水體的自我修復(fù)能力較強(qiáng)。說(shuō)明青山國(guó)家濕地公園的水環(huán)境管理措施使得濕地水域能夠達(dá)到地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)良好，保證了該濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：濕地公園;水質(zhì)評(píng)價(jià);營(yíng)養(yǎng)狀態(tài);灰色模式識(shí)別

中圖分類號(hào)：X824? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）01-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.009? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Water Quality Assessment of Qingshan National Wetland Park Base on the Nutrition Status Index and Grey-mode Identification Model

RAO Ji-gang1，ZHANG Ting2，RAO Xing-wang1，MAO Sheng-ming1，ZHONG Xue-bin2，CHEN Zhi2

（1.Hubei Chongyang Qingshan National Wetland Park Management Office，Chongyang 437500，Hubei，China;

2.School of Resources Environmental Science and Engineering，Hubei University of Science and Technology，Xianning 437100，Hubei，China）

Abstract： Based on the quarterly water quality data of Qingshan National Wetland Park from 2014 to 2016， the trend of water quality change and pollution situation in Qingshan National Wetland Park were comprehensively analyzed and evaluated by using the nutrition status index and grey-mode identification model. The results showed that the surface water of Qingshan National Wetland Park were the Ⅱ class water quality standards on the whole， kept in a "poor nutrition" to "nutrition" in the degree of eutrophication status， and some years could even reach the Ⅰ class water quality standard， water bodys self-healing ability was stronger. It can be seen that the water environment management measures of Qingshan National Wetland Park enable the water area of the wetland to achieve the environmental function and protection goal of the surface water area， the ecosystem is in good health， and the function of the wetland ecosystem is guaranteed.

Key words： wetland park; water quality assessment; nutritional status; grey-mode identification model

濕地公園的水質(zhì)狀況反映了濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能狀況，其優(yōu)劣直接關(guān)系到濕地公園的生態(tài)保護(hù)成效、生態(tài)恢復(fù)狀況和濕地資源的可持續(xù)利用[1，2]。濕地水環(huán)境作為濕地系統(tǒng)中最為重要的部分，對(duì)其的評(píng)價(jià)結(jié)果可以為濕地公園生態(tài)環(huán)境保護(hù)，濕地水資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)[3-5]。

青山國(guó)家濕地公園位于湖北省崇陽(yáng)縣的東南部，是青山水庫(kù)的主庫(kù)區(qū)，擁有豐富的水生生物資源，是青山河中、下游地區(qū)居民重要的飲用水源地，其水質(zhì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到下游地區(qū)居民的用水安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，甚至影響著整個(gè)陸水河流域的生態(tài)安全，具有重要的保護(hù)與利用價(jià)值。因此，必須加強(qiáng)對(duì)青山國(guó)家濕地水質(zhì)的監(jiān)測(cè)與保護(hù)。為了更加客觀地分析評(píng)價(jià)青山國(guó)家濕地公園的水質(zhì)狀況，本試驗(yàn)結(jié)合青山國(guó)家濕地公園管理處對(duì)濕地主庫(kù)區(qū)2014—2016年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和灰色模式識(shí)別模型對(duì)青山國(guó)家濕地公園水域水質(zhì)變化趨勢(shì)和所受污染情況做出了綜合分析和評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)青山國(guó)家濕地公園今后的水環(huán)境保護(hù)提出了相應(yīng)建議。

1? 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1? 研究區(qū)概況

青山國(guó)家濕地公園位于湖北省咸寧市崇陽(yáng)縣南部青山鎮(zhèn)，是青山水庫(kù)的主體。崇陽(yáng)縣位于湖北省南部，幕阜山脈中段北麓，長(zhǎng)江右岸一級(jí)支流陸水中游，湘、鄂、贛三省交界處。青山國(guó)家濕地公園內(nèi)的濕地總面積為1 229.95 hm2，占濕地公園規(guī)劃面積的54.69%。青山國(guó)家濕地公園是以庫(kù)區(qū)為主體的濕地，庫(kù)塘濕地的面積最大，為1 188.6 hm2，占濕地總面積的96.64%。庫(kù)塘平均水深27 m，總蓄水量4.29億m3，調(diào)洪庫(kù)容量0.82億m3，興利庫(kù)容2.084億m3，是以防洪、灌溉為主，兼具發(fā)電、供水水源、航運(yùn)、養(yǎng)殖等綜合利用效益的水利工程，水資源極為豐富，是陸水水系的重要水源。

青山國(guó)家濕地公園所有水系均為陸水水系，公園內(nèi)大小溪流均匯入陸水二級(jí)支流青山河。濕地公園水域主體為青山河上游，屬于青山水庫(kù)主庫(kù)區(qū)。水系主流方向自南向北，匯入陸水水系，最后經(jīng)陸水注入長(zhǎng)江。入庫(kù)溪流包括雙港和大溪港等。

1.2? 數(shù)據(jù)來(lái)源

各水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)來(lái)源于湖北省崇陽(yáng)縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，水質(zhì)指標(biāo)包括pH、葉綠素a、溶解氧、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮和透明度。

1.3? 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化是指湖泊水體在自然因素和（或）人類活動(dòng)的影響下， 大量營(yíng)養(yǎng)鹽輸入湖泊水體， 使湖泊逐步由生產(chǎn)力水平較低的貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)向生產(chǎn)力水平較高的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化的一種現(xiàn)象[6]。湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)就是通過(guò)與湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)的一系列指標(biāo)及指標(biāo)間的相互關(guān)系對(duì)湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的代表性，采用綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法[7]，選取葉綠素a、總氮、總磷、透明度和高錳酸鹽指數(shù)作為評(píng)價(jià)參數(shù)，以葉綠素a為基準(zhǔn)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算其他參數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，計(jì)算青山國(guó)家濕地公園不同時(shí)期、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[TLI（∑）]。水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，包括貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)、輕度富營(yíng)養(yǎng)、中度富營(yíng)養(yǎng)和重度富營(yíng)養(yǎng)，與污染程度關(guān)系如表1所示。

1.4? 灰色模式識(shí)別模型

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性、可得性以及評(píng)價(jià)指標(biāo)的代表性，主要選取總氮、總磷、CODMn和氨氮4項(xiàng)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)青山國(guó)家濕地公園水質(zhì)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用GB 3838-2002。

為了更好地分析青山國(guó)家濕地公園水質(zhì)的變化趨勢(shì)，采用灰色模式識(shí)別模型并利用水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法求出水質(zhì)綜合指數(shù)?；疑Ｊ阶R(shí)別模型是在灰色關(guān)聯(lián)度的基礎(chǔ)上引入加權(quán)關(guān)聯(lián)差異度的概念，采用模糊識(shí)別的思想解出最優(yōu)權(quán)系數(shù)，即灰色從屬度，最后利用綜合指數(shù)法求出水質(zhì)綜合指數(shù)，判定水質(zhì)級(jí)別[8，9]。該方法可以充分利用環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出青山國(guó)家濕地公園不同時(shí)期、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)綜合指數(shù)，根據(jù)水質(zhì)綜合指數(shù)（GC）進(jìn)行水質(zhì)優(yōu)劣評(píng)價(jià)。GC的取值在1～5，最小值為1，最大值為5，只有當(dāng)各指標(biāo)都達(dá)到一級(jí)水要求時(shí)，GC=1;當(dāng)所有指標(biāo)都超過(guò)或等于5級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，GC=5;其余情況，1

2? 結(jié)果與分析

2.1? 水質(zhì)單指標(biāo)分析

2.1.1? pH? 青山國(guó)家濕地公園各調(diào)查點(diǎn)的pH如圖1所示，2014—2016年取水口水體pH的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為7.60±0.62，最大值為8.32，最小值為6.50;庫(kù)心水體pH的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為7.51±0.57，最大值為8.41，最小值為6.84。取水口和庫(kù)心兩個(gè)采樣點(diǎn)的pH在監(jiān)測(cè)期間都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)?？傮w而言濕地公園水體呈弱堿性，不同采樣點(diǎn)間pH差異不明顯。

2.1.2? 溶解氧? 青山國(guó)家濕地公園各調(diào)查點(diǎn)的溶解氧含量如圖2所示，2014—2016年取水口水體溶解氧含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為8.45±0.73 mg/L，最大值為9.3 mg/L，最小值為6.5 mg/L。取水口近3年11次的溶解氧含量監(jiān)測(cè)結(jié)果中，有10次的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以達(dá)到地表水Ⅰ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≥7.5 mg/L）。2014—2016年庫(kù)心水體溶解氧含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為8.48±0.73 mg/L，最大值為10.0 mg/L，最小值為7.7 mg/L。庫(kù)心水體溶解氧的監(jiān)測(cè)結(jié)果已經(jīng)100%達(dá)到地表水Ⅰ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。季節(jié)變化上，水庫(kù)溶解氧含量呈現(xiàn)出夏季低于其他季節(jié)的變化趨勢(shì)。

2.1.3? CODMn? CODMn是反映水體中有機(jī)以及無(wú)機(jī)可氧化物質(zhì)的常用指標(biāo)，也是富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo)。青山國(guó)家濕地公園各調(diào)查點(diǎn)的CODMn含量如圖3所示，2014—2016年取水口水體CODMn含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為2.17±0.61 mg/L，最大值為3.5 mg/L，最小值為1.5 mg/L，監(jiān)測(cè)結(jié)果中CODMn含量達(dá)到地表水Ⅰ類（≤2 mg/L）和Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)（≤4 mg/L）的樣本占比分別為27%和73%。2014—2016年庫(kù)心水體CODMn含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為2.43±0.50 mg/L，最大值為3.5 mg/L，最小值為2.0 mg/L，庫(kù)心水體的CODMn含量100%達(dá)到了地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4? 氨氮? 湖水中以無(wú)機(jī)氮為主，主要形態(tài)有氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮。氨氮是水體中含氮有機(jī)物在有氧條件下經(jīng)微生物分解的產(chǎn)物，氨氮通過(guò)硝化作用過(guò)程可形成亞硝態(tài)氮，并最終形成硝態(tài)氮。一般根據(jù)水體中氨氮含量的變化可判斷水體的有機(jī)物污染狀況[12]。青山國(guó)家濕地公園各調(diào)查點(diǎn)的氨氮含量如圖4所示，2014—2016年取水口水體氨氮含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為0.10±0.007 mg/L，最大值為0.250 mg/L，最小值為0.026 mg/L;除2015年9月和12月兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果外，其他時(shí)間的監(jiān)測(cè)結(jié)果均達(dá)到了地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)（≤0.15 mg/L）。2014—2016年庫(kù)心水體氨氮含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為0.14±0.13 mg/L，最大值為0.390 mg/L，最小值為0.025 mg/L;除2014年9月、2015年12月和2016年3月監(jiān)測(cè)結(jié)果外，其他時(shí)間的監(jiān)測(cè)結(jié)果均達(dá)到了地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。以上分析說(shuō)明青山國(guó)家濕地公園水體基本不受有機(jī)物污染。

2.1.5? 總氮? 總氮作為表征地表水水質(zhì)的主要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)。青山國(guó)家濕地公園各調(diào)查點(diǎn)的總氮含量如圖5所示，2014—2016年取水口水體總氮含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為0.39±0.09 mg/L，最大值為0.500 mg/L，最小值為0.290 mg/L;庫(kù)心水體總氮含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為0.42±0.08 mg/L，最大值為0.550 mg/L，最小值為0.316 mg/L。除2014年9月庫(kù)心的總氮濃度為0.550 mg/L外，2014—2016年兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總氮監(jiān)測(cè)結(jié)果均達(dá)到了地表水Ⅱ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤0.5 mg/L），超標(biāo)的可能原因是島上居民生活污水和生活垃圾任意排放帶來(lái)的污染導(dǎo)致氨氮濃度的升高。

2.1.6? 總磷? 青山國(guó)家濕地公園各調(diào)查點(diǎn)的總磷含量如圖6所示，2014—2016年取水口水體總磷含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為0.02±0.00 mg/L，最大值為0.021 mg/L，最小值為0.010 mg/L，2016年5月青山國(guó)家濕地公園總磷含量低至0.010 mg/L，達(dá)到了地表水Ⅰ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤0.01 mg/L），監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)其余監(jiān)測(cè)結(jié)果均可達(dá)到地表水Ⅱ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤0.025 mg/L）。2014—2016年庫(kù)心水體總磷含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為0.02±0.01 mg/L，最大值為0.042 mg/L，最小值為0.010 mg/L，監(jiān)測(cè)結(jié)果中總磷含量達(dá)到地表水Ⅰ類和Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)的樣本分別占36%、64%。以上分析說(shuō)明，2014—2016年青山國(guó)家濕地公園水體總磷含量單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)定結(jié)果為Ⅰ～Ⅱ類。

2.1.7? 葉綠素a? 水體葉綠素含量是衡量水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的重要指標(biāo)，水體中葉綠素含量的高低主要與水體中浮游藻類的分布有關(guān)。青山國(guó)家濕地公園各調(diào)查點(diǎn)的葉綠素a含量如圖7所示，2014—2016年取水口水體葉綠素a含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為10.73±14.41 mg/L，最大值為50 mg/L，最小值為0.109 mg/L。2014—2016年庫(kù)心水體葉綠素a含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為8.25±11.07 mg/L，最大值為33 mg/L，最小值為0.002 mg/L。青山國(guó)家濕地公園水體葉綠素a含量在2014—2016年總體呈下降趨勢(shì)，但葉綠素a含量的空間分布差異波動(dòng)較大。水體葉綠素a含量與水生植被的生長(zhǎng)密切相關(guān)，一般水體透明度較高、水生植被豐富的水體，葉綠素a濃度較低。

2.1.8? 透明度? 青山國(guó)家濕地公園各調(diào)查點(diǎn)的水體透明度如圖8所示，2014—2016年取水口水體透明度的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為5.54±1.49 m，最大值為8.0 m，最小值為2.6 m。2014—2016年庫(kù)心水體透明度的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為5.96±1.18 m，最大值為8.0 m，最小值為4.2 m。青山國(guó)家濕地公園水體透明度較高，在2014—2016年總體呈上升趨勢(shì)，與葉綠素a含量的變化趨勢(shì)相反，說(shuō)明青山國(guó)家濕地公園的水環(huán)境治理措施已經(jīng)產(chǎn)生了較好的效果。

2.2? 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

根據(jù)2014—2016年崇陽(yáng)縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站在青山國(guó)家濕地公園監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算出青山國(guó)家濕地公園不同時(shí)期、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，2014—2016年11次水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，取水口水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為中營(yíng)養(yǎng)的水體樣本占比為55%，水質(zhì)狀態(tài)良好;處于貧營(yíng)養(yǎng)的水體樣本占比為45%，水質(zhì)狀態(tài)優(yōu)。庫(kù)心水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為中營(yíng)養(yǎng)的水體樣本占比為50%，水質(zhì)狀態(tài)良好;處于貧營(yíng)養(yǎng)的水體樣本占比為50%，水質(zhì)狀態(tài)優(yōu)。說(shuō)明青山國(guó)家濕地公園水域的水質(zhì)保持在優(yōu)到良好程度的營(yíng)養(yǎng)化狀況。

2.3? 灰色模式識(shí)別模型評(píng)價(jià)

根據(jù)2014—2016年崇陽(yáng)縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站在青山國(guó)家濕地公園監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用灰色模式識(shí)別模型計(jì)算出青山國(guó)家濕地公園不同時(shí)期、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)綜合指數(shù)，如圖9所示。由圖9可知，2014—2016年取水口監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別有18%和82%的時(shí)間段水質(zhì)達(dá)到了地表水Ⅰ類和II類的標(biāo)準(zhǔn);庫(kù)心監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別有9%和91%的時(shí)間段水質(zhì)達(dá)到了地表水Ⅰ類和II類的標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明近3年來(lái)青山國(guó)家濕地公園水體水質(zhì)整體上達(dá)到了Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，青山國(guó)家濕地公園作為崇陽(yáng)縣47萬(wàn)人的分散式飲用水源地，水體的自我修復(fù)能力較強(qiáng)，達(dá)到了地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)。

3? 小結(jié)與討論

通過(guò)對(duì)2014—2016年青山國(guó)家濕地公園水環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示2014—2016年青山國(guó)家濕地公園水體水質(zhì)整體上達(dá)到了地表水Ⅱ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，保持在貧營(yíng)養(yǎng)到中營(yíng)養(yǎng)程度的營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，有部分年月水質(zhì)甚至可以達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，水體的自我修復(fù)能力較強(qiáng)。說(shuō)明青山國(guó)家濕地公園的水環(huán)境管理措施使得濕地水域能夠達(dá)到地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)良好，保證了該庫(kù)塘濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。青山國(guó)家濕地公園目前主要面臨的污染包括化肥和農(nóng)藥使用帶來(lái)的面源污染、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)污染、生產(chǎn)生活污染和旅游業(yè)發(fā)展所帶來(lái)的污染。應(yīng)加強(qiáng)控制周邊地區(qū)的點(diǎn)源和面源污染，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、減少化肥、農(nóng)藥的使用量;加強(qiáng)坡岸帶治理，改善坡岸帶景觀;加強(qiáng)污水設(shè)施建設(shè)與配置，加強(qiáng)生活垃圾的管理和有效處理，加強(qiáng)旅游及航運(yùn)船舶的運(yùn)行管理，控制總量，增強(qiáng)保護(hù)措施。

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