2015—2017年江西南昌軍山湖水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)演變特征

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

水資源是人類生產(chǎn)及生活不可或缺的基礎(chǔ)物質(zhì)之一[1]，大規(guī)模的水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇給我國(guó)當(dāng)前水資源管理帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。目前，有關(guān)湖泊、水庫(kù)和河流等水體富營(yíng)養(yǎng)化的機(jī)理研究較多。王輝等[3]運(yùn)用突變模型勢(shì)函數(shù)定量判別了連云港近岸海域的富營(yíng)養(yǎng)化程度；鮑管強(qiáng)等[4]綜合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法較好地評(píng)價(jià)了黑河流域富營(yíng)養(yǎng)化狀況；王丹宇等[5]采用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法得出了尼爾基水庫(kù)的主要超標(biāo)水質(zhì)因子；趙建國(guó)等[6]采用對(duì)數(shù)型冪函數(shù)指數(shù)法解析了永定河懷來(lái)段的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)；殷守敬等[7]將遙感技術(shù)和綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法結(jié)合應(yīng)用評(píng)價(jià)了巢湖富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法較多[8-10]，主要有聚類分析法、主成分分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊評(píng)價(jià)法和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TLI）等。各種評(píng)價(jià)方法在運(yùn)用中或多或少都有一定的缺點(diǎn)，如聚類分析法在權(quán)重的確定上主觀性較大[11]、主成分分析法數(shù)據(jù)處理計(jì)算量較大[12]、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法不能反映出個(gè)別污染較重因子的貢獻(xiàn)率[13]、模糊評(píng)價(jià)法在隸屬函數(shù)的確定上客觀準(zhǔn)確性較差、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不能統(tǒng)一各評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱[14,15]。綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法分別是我國(guó)環(huán)保部門和水利部門認(rèn)可的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法，加之計(jì)算較為方便，應(yīng)用較多。目前應(yīng)用綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法大多都是在最后評(píng)價(jià)結(jié)果上深入分析以及在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行細(xì)分[13]。軍山湖原屬于鄱陽(yáng)湖，1959年建閘筑堤隔斷了與鄱陽(yáng)湖的聯(lián)系。隔斷后水流變緩，水生態(tài)系統(tǒng)變化較大，水體自凈能力下降。湖內(nèi)養(yǎng)殖強(qiáng)度加大，面源污染加劇，水體營(yíng)養(yǎng)水平明顯上升[16]。近年來(lái)，有關(guān)軍山湖的研究較多[17-19]，但主要集中在水質(zhì)因子的分析、浮游動(dòng)物等，有關(guān)軍山湖水體營(yíng)養(yǎng)狀況卻鮮有報(bào)道。軍山湖水質(zhì)有惡化趨勢(shì)，分析及評(píng)價(jià)軍山湖水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)尤為必要。軍山湖水質(zhì)目前整體較好，沒(méi)有個(gè)別污染較重的水質(zhì)因子，且豐水期和枯水期的污染物濃度差異性不大[17]，故分不同時(shí)期對(duì)軍山湖進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)可能意義不大。判別軍山湖水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)時(shí)，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法可能精度更高。因此，本文選用該方法分析評(píng)價(jià)2015—2017年軍山湖水體的營(yíng)養(yǎng)，以期為軍山湖水資源管理及水環(huán)境治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與檢測(cè)方法

軍山湖（116°15'～116°21'E、28°23'～28°39'N）水體面積185～210km2，長(zhǎng)約25km，寬約5km，最寬處達(dá)16km，流域面積為616km2，最大水深約6.5m，平均水深4.3m，是江西省南昌市進(jìn)賢縣最大內(nèi)湖，與金溪湖、青嵐湖相連。軍山湖盛產(chǎn)甲魚Trionyx sinensis、鱖Siniperca chuatsi、銀魚Hemisalanx prognathus Regan 等名貴水產(chǎn)品，為“無(wú)公害水產(chǎn)品養(yǎng)殖基地”。研究區(qū)山水環(huán)繞，地勢(shì)東南高、西北低，屬于熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，雨量充沛，四季分明，丘陵地帶主要以黃棕壤為主，崗地以黃土為主，平原地主要以水稻土為主，年均氣溫17.1℃，冬季平均氣溫5.4℃，年均降水量為1075mm，年平均日照時(shí)間為2063h，年均風(fēng)速為3m/s，并以東南風(fēng)為主。

根據(jù)軍山湖形狀特征，本研究共設(shè)12 個(gè)采樣點(diǎn)，分別為S1（入湖口）、S2（軍山湖與鄱陽(yáng)湖閘相通處）、其他點(diǎn)位（S3～S12）根據(jù)梅花布點(diǎn)設(shè)置原則，以4km×4km 為間距，設(shè)置于網(wǎng)格交叉點(diǎn)處。研究區(qū)地理位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位見(jiàn)圖1。2015年至2017年每年的1月、3月、5月、7月、9月和11月中旬采集軍山湖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)表層0.5m 處的水樣，用透明度盤現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定各點(diǎn)位的透明度（SD）。水樣經(jīng)過(guò)濾后裝入經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間酸浸泡的聚乙烯瓶中，立即送至實(shí)驗(yàn)室測(cè)定高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素a（Chla）含量共4 個(gè)指標(biāo)。TP 濃度采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定、TN 濃度用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定、Chla 濃度用分光光度法測(cè)定。各水質(zhì)因子檢測(cè)時(shí)嚴(yán)格按照《水和廢水測(cè)定方法》中相關(guān)操作步驟進(jìn)行，每一項(xiàng)指標(biāo)均平行測(cè)定三次。

用SPASS 19 求取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中各營(yíng)養(yǎng)因子的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，采用T 檢驗(yàn)法剔除離群值（各點(diǎn)位的營(yíng)養(yǎng)因子以年份為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)），若個(gè)別離群數(shù)據(jù)被剔除后則求取剩下數(shù)據(jù)的平均值作為該點(diǎn)位營(yíng)養(yǎng)因子在該年份的平均濃度。

1.2 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》中對(duì)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的描述，選取Chla、TN、TP、CODMn和SD 五個(gè)水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算軍山湖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：TLI（∑），綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI（j），第j 種物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj，第j 種物質(zhì)在該評(píng)價(jià)體系中所占比重。

各水質(zhì)指標(biāo)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)公式分別為：

取Chla 作為基準(zhǔn)參數(shù)，第j 種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)歸一化以后的權(quán)重計(jì)算方法如下：

式中：rij，第j 種物質(zhì)與葉綠素a 的相關(guān)系數(shù)；m，參評(píng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的個(gè)數(shù)。查相關(guān)規(guī)范[13]，各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與Chla 的相關(guān)性系數(shù)及計(jì)算后的權(quán)重值如表1所示，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表1 軍山湖水中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與Chla 的相關(guān)性系數(shù)與計(jì)算權(quán)重值Tab.1 Correlation coefficient and calculated weight value between each nutrient content and Chla content in Junshan Lake

2 結(jié)果與分析

2.1 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)空間變化特征

對(duì)2015—2017年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（表3）分析可知：三年來(lái)，軍山湖北半部監(jiān)測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)低于南半部，且三年來(lái)S1、S2、S3、S4 點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)指數(shù)值相差不大，說(shuō)明三年來(lái)湖泊入口處（S1）來(lái)水水質(zhì)較好，附近無(wú)新增污染源排放；2015年12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中只有S7、S10、S11、S12 點(diǎn)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其他點(diǎn)位處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且這三個(gè)點(diǎn)的綜合狀態(tài)指數(shù)均接近于30（貧營(yíng)養(yǎng)與中營(yíng)養(yǎng)分界值），這主要是由于軍山湖水產(chǎn)養(yǎng)殖主要集中在S7、S10 兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，而S11、S12 處于中營(yíng)養(yǎng)可能是該兩點(diǎn)處于湖泊末端，水體交換周期較長(zhǎng)，水質(zhì)受S10 點(diǎn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響。S7 點(diǎn)的五種營(yíng)養(yǎng)因子指數(shù)中TLI（TP） 最高，S10、S11 和S12 三個(gè)點(diǎn)位均是TLI（CODMn）最高。推測(cè)可能是：在湖泊交叉點(diǎn)兩邊圈養(yǎng)不同的水產(chǎn)種類；2016年12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中僅有S1、S2、S3、S4、S5 五個(gè)點(diǎn)位處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其他點(diǎn)位處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，這是因?yàn)樵撃戤?dāng)?shù)卣哟罅藢?duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的鼓勵(lì)力度，養(yǎng)殖水域面積大幅度增加，軍山湖中所圈養(yǎng)的水產(chǎn)種類也有所增加；2017年S1、S2、S3、S4 4 個(gè)點(diǎn)位處于貧營(yíng)養(yǎng)，其他點(diǎn)位處于中營(yíng)養(yǎng)，且養(yǎng)殖區(qū)域及附近的點(diǎn)位營(yíng)養(yǎng)指數(shù)較2016年增大較多，這可能是因?yàn)檐娚胶儆谙鄬?duì)封閉的湖泊，水體交換周期長(zhǎng)，再加上養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染物常年積累所致；2017年S10、S11、S12 三個(gè)點(diǎn)位的綜合指數(shù)值均為40 以上，尤其是S11，綜合指數(shù)值為46.2，說(shuō)明有轉(zhuǎn)化為輕度富營(yíng)養(yǎng)的趨勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)控制養(yǎng)殖規(guī)模。

2.2 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)時(shí)間變化分析

由表4 可知：三年來(lái)，軍山湖水質(zhì)處于貧營(yíng)養(yǎng)—中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。2015年TLI（∑）為24.34～31.75、2016年TLI（∑）為25.17～35.62、2017年TLI（∑）為26.43～46.2，說(shuō)明湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度逐年加??；2015—2017年各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的TLI 最大值逐年增加，說(shuō)明Chla、TN、TP、CODMn四種污染物質(zhì)濃度均有所上升；2017年各營(yíng)養(yǎng)元素的TLI 變化范圍遠(yuǎn)大于2015年和2016年，且各營(yíng)養(yǎng)元素的TLI 最大值均出現(xiàn)在2017年，說(shuō)明2017年軍山湖水質(zhì)惡化嚴(yán)重；2017年?duì)I養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)中最大值為TLI（TP），說(shuō)明2017年軍山湖污染最嚴(yán)重的指標(biāo)為TP。

2.3 Arcgis 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

目前有關(guān)Arcgis 在水環(huán)境中的應(yīng)用不少見(jiàn)，但大多數(shù)用于提取一些基本信息（如邊界信息、底高程坐標(biāo)、土地利用類型等），而對(duì)其空間分析工具應(yīng)用較少。本文中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距較大，若以現(xiàn)有的幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)全湖的富營(yíng)養(yǎng)化狀況具有一定的片面性，嘗試在該軟件構(gòu)建模型解決這一問(wèn)題。模型構(gòu)建步驟如下：①在線地圖提取出研究區(qū)邊界信息，隨后導(dǎo)入各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)；②在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位屬性表中輸入對(duì)應(yīng)年份和月份的TLI 值；③通過(guò)“字段計(jì)算器”算出對(duì)應(yīng)年份的TLI 值；④采用“克里金插值”、“反距離權(quán)重插值”法內(nèi)插生成空間分布圖（以2015年的數(shù)據(jù)為例，內(nèi)插時(shí)扣除S3、S5 點(diǎn)位的信息）；⑤根據(jù)生成后的圖提取S3 和S5 點(diǎn)位的TLI得分，將該提取值與實(shí)際值進(jìn)行比較，選取精度較好的一種方法對(duì)12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)重新進(jìn)行插值；⑥采用“創(chuàng)建漁網(wǎng)”工具以500×500m 在研究區(qū)共提取到83 個(gè)點(diǎn)位及其TLI 值；⑦根據(jù)這83 個(gè)點(diǎn)位的TLI 值重新內(nèi)插生成空間分布圖。

表2 軍山湖水中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Trophic status evaluation criteria in water of Junshan Lake

表3 2015—2017年軍山湖水中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)Tab.3 Nutritional status index of each monitoring point in water of Junshan Lake from 2015 to 2017

表4 2015—2017 年軍山湖水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Trophic status evaluation of water in Junshan Lake from 2015 to 2017

經(jīng)比較后“反距離權(quán)重”法插值結(jié)果精度更高（誤差在5%范圍內(nèi)），根據(jù)上述方法生成了2015—2017年軍山湖全湖的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)空間分布（圖2）。由圖2 可知：2015年僅養(yǎng)殖區(qū)域附近水體處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其面積占47.5%；2016年在交叉點(diǎn)（S5）湖泊左右兩邊水體均屬于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，2016年處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水體面積繼續(xù)上升（占62.6%）；2017年中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水體面積占78.3%，僅S1、S2、S3 三個(gè)點(diǎn)位附近水體處于貧營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)一步說(shuō)明軍山湖水體營(yíng)養(yǎng)水平逐年上升，由2015年的貧營(yíng)養(yǎng)為主演變?yōu)?017年的中營(yíng)養(yǎng)為主，2017年貧營(yíng)養(yǎng)水體面積僅占21.7%，S11 和S12 附近水體綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)均處于較高值，該部分水體轉(zhuǎn)化為輕度富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)較大。

3 討論

本文結(jié)合Arcgis 與綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法揭示了軍山湖2015—2017年的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)演變特征，結(jié)果表明：（1）軍山湖水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)由2015年的貧營(yíng)養(yǎng)為主演變?yōu)?017年的中營(yíng)養(yǎng)為主，營(yíng)養(yǎng)水平逐年上升，綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)值中處于中營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的水體面積占比由2015年的47.5%升至2017年的78.3%；（2）軍山湖北半部分水質(zhì)明顯優(yōu)于南半部分，入口處與鄱陽(yáng)湖堤壩附近水體三年內(nèi)均處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；（3）2017年軍山湖南半部分水體綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)值較高，轉(zhuǎn)化為輕度富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)較大。

2016年江西南昌軍山湖水體處于貧營(yíng)養(yǎng)-中營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，這與匡武名等[17]的結(jié)論基本一致，但他們僅說(shuō)明了軍山湖水體2016年的綜合等級(jí)，未闡述具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，筆者不僅得出了具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，還分析了影響區(qū)域的水體面積占比。水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入、輸出失衡引起浮游生物大量死亡，藻類等水生生物大量繁殖。氮磷比也是水體富營(yíng)養(yǎng)化限制因子之一，氮磷比過(guò)高或者過(guò)低均抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生，適宜藻類生長(zhǎng)的氮磷比范圍雖大致一樣，但不同的研究區(qū)域還有一定的差別。限于篇幅，本文未探討適宜軍山湖藻類生長(zhǎng)及繁殖的氮磷比，有待進(jìn)一步研究。軍山湖水體在豐水期、枯水期、平水期污染物濃度相差不大，這與“水體中各營(yíng)養(yǎng)物的含量隨季節(jié)變化較大”的結(jié)論有沖突，這是因?yàn)檐娚胶赏饨缗湃氲奈廴疚镙^少，與趙會(huì)等[19]研究結(jié)論基本一致。上文分析軍山湖Chla 與TN、TP呈顯著正相關(guān)，與匡武名等[17]研究結(jié)論一致，說(shuō)明軍山湖TN、TP 的供應(yīng)均有利于浮游植物的快速生長(zhǎng)。推測(cè)雖然研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖種類不一，不同區(qū)域污染物濃度有一定差異，但全湖的TN/TP 始終處于適宜藻類生長(zhǎng)繁殖的比例。

目前關(guān)于水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法雖較多，但采用最多的還是環(huán)保部門和水利部門都認(rèn)可的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[20，21]。這兩種方法所選取的評(píng)價(jià)因子雖然都一樣，但營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法在計(jì)算時(shí)得先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值求出各計(jì)算公式，計(jì)算相對(duì)較為復(fù)雜。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較少，收集的信息代表性不是強(qiáng)時(shí)，采用Arcgis 中“創(chuàng)建漁網(wǎng)”工具可有效解決這一問(wèn)題。目前大部分水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究未分析各營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的面積占比。Arcgis 軟件具有強(qiáng)大的空間分析功能，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[7]。Arcgis 與水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)更深層次的結(jié)合運(yùn)用也許是值得深入研究的課題。本文在生成空間分布圖時(shí)僅試探了“克里金插值”、“反距離權(quán)重插值”，最后決定選用“反距離權(quán)重插值”法內(nèi)插出空間分布圖。該軟件中有很多種插值方法，而選用哪種插值方法會(huì)使結(jié)果精度更高還有待進(jìn)一步研究。