葠窩水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀及其正態(tài)分布特征分析

劉姍姍

(遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，沈陽(yáng) 110003)

隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的崛起以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，葠窩水庫(kù)入庫(kù)河流和地表徑流攜帶的工業(yè)廢棄物、面源污染等排入湖庫(kù)，水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)日趨顯現(xiàn)。調(diào)查顯示，1996-2015年葠窩水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)(SLI)從37波動(dòng)增長(zhǎng)至52，對(duì)庫(kù)區(qū)供水水源和水環(huán)境保護(hù)造成極大影響。因此，研究葠窩水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀及其分布特征極具現(xiàn)實(shí)意義。

目前，分級(jí)加權(quán)平均法、綜合指數(shù)法以及單一參數(shù)法等為評(píng)價(jià)葠窩水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的常用方法，然而在揭示湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化變化規(guī)律及其分布特點(diǎn)時(shí)這些方法的適用性、準(zhǔn)確性較低。

為更加全面地評(píng)價(jià)湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)狀，文章引入正態(tài)分布法和修正的內(nèi)梅羅指數(shù)，結(jié)合正態(tài)分布規(guī)律探究葠窩水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化特征，并對(duì)豐、枯水期滯留、過(guò)渡、河道3種不同水域的富營(yíng)養(yǎng)化程度科學(xué)分析。

1 研究方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

葠窩水庫(kù)入庫(kù)河流有一級(jí)支流蘭河、細(xì)河和主河道太子河，每年汛期來(lái)水量增加，水域面擴(kuò)大、河水漫攤；春、冬季節(jié)水面變小，河灘顯露、河水落槽，豐、枯水期的庫(kù)容和水域范圍存在較大變化。結(jié)合葠窩水庫(kù)洪水一片、枯水一線的水文特征，采用滯留、過(guò)渡、河道3種典型水域劃分葠窩水庫(kù)水系[1-2]。

河道水域存在流速大、更新快的特點(diǎn)，在河道徑流處以及各入庫(kù)口按照斷面監(jiān)測(cè)原則，合理布設(shè)監(jiān)測(cè)垂線；考慮到滯留區(qū)與過(guò)渡區(qū)無(wú)明顯分區(qū)界線，則引入均勻布設(shè)的網(wǎng)格法，并結(jié)合湖庫(kù)面積確定網(wǎng)格大小。最后，依據(jù)葠窩水庫(kù)的地貌形態(tài)特征，遵循以上原則合理布設(shè)采樣點(diǎn)。

1.2 樣本的采集

根據(jù)葠窩水庫(kù)特殊的水文狀況對(duì)庫(kù)水及其下游支流地表水，選擇2018-2019年兩個(gè)代表時(shí)期枯水期(1-2月)、豐水期(7-8月)實(shí)行系統(tǒng)采集。采用聚四氟乙烯瓶裝入采集的樣品，并加入保護(hù)液以盡快完成相應(yīng)的監(jiān)測(cè)。

1.3 項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)

一般地，評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化的參數(shù)有生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)指標(biāo)。其中，TP|(總磷)、TN(總氮)、COD(化學(xué)需氧量)為控制葠窩水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的主要因子，另外湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化程度還受到總氮與總磷比值的影響。所以，本研究選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有TN/TP(總氮與總磷比值)、TP|(總磷)、TN(總氮)、COD(化學(xué)需氧量)。

采用紫外分光光度法測(cè)定樣本中的TN含量，先把純化的堿性過(guò)硫酸鉀融入水樣中加熱30min，溫度控制在126-127℃，自然冷卻后測(cè)其275nm、220n處的吸光度，并以無(wú)氨水為基準(zhǔn)加以對(duì)比。采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定水樣中的TP含量，將過(guò)硫酸鉀融入水樣中加熱20min，溫度控制≤140℃，將鉬酸銨與抗壞血酸待自然冷卻后加入，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為700nm處的吸光度，若吸光度測(cè)定受水樣中色度的影響還要補(bǔ)償色度。在酸性條件下采用高錳酸鉀氧化樣本中的還原性物質(zhì)以及有機(jī)物，并用過(guò)量的草酸處理過(guò)量的高錳酸鉀，通過(guò)對(duì)高錳酸鉀消耗量的計(jì)算，求解出水樣中的化學(xué)需氧量。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

為直觀地反映地表水受污染程度，有學(xué)者最先提出了內(nèi)梅羅污染指數(shù)。該方法具有物理概念清晰、運(yùn)算方便、數(shù)學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及求解的評(píng)價(jià)區(qū)綜合指數(shù)，就可以反映某要素的環(huán)境質(zhì)量整體情況，從而為決策者提供可靠的依據(jù)。

針對(duì)總污染指數(shù)的計(jì)算內(nèi)梅羅指數(shù)法具有較好的適用性，它是一種用途多樣的無(wú)量綱數(shù)值，能夠?qū)λ兴|(zhì)參數(shù)利用統(tǒng)計(jì)公式來(lái)確定。實(shí)踐表明，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和能夠反映富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的檢測(cè)指標(biāo)，可以客觀、真實(shí)的揭示水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Si為項(xiàng)目i的濃度檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值之比；n為參與水質(zhì)評(píng)價(jià)的因子數(shù)；P為內(nèi)梅羅指數(shù)。

遵循科學(xué)性、可行性、簡(jiǎn)潔性、相關(guān)性等原則，本研究選擇湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化參評(píng)因子有TN/TP(總氮與總磷比值)、TP|(總磷)、TN(總氮)、COD(化學(xué)需氧量)，故n值取4。

1.4.2 生態(tài)分布法

實(shí)驗(yàn)表明，能夠利用正態(tài)分布近似地表征隨機(jī)變量的概率分布。結(jié)合文獻(xiàn)資料，為了使得N、P等數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，可以對(duì)其數(shù)據(jù)利用正態(tài)分布法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度依據(jù)求解的μ、σ值確定，其表達(dá)式為：

(2)

式中：σ、μ為標(biāo)準(zhǔn)差與均值。

1.5 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于尚未形成統(tǒng)一規(guī)范、普遍適用的湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)劃分標(biāo)準(zhǔn)，文章借鑒地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)資料所列標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合葠窩水庫(kù)實(shí)際情況確定最終的評(píng)價(jià)等級(jí)，湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 富營(yíng)養(yǎng)化特征

現(xiàn)階段，葠窩水庫(kù)整體上處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，局部的氮磷含量達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，且呈現(xiàn)出向富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展的趨勢(shì)，隨季節(jié)的變化營(yíng)養(yǎng)程度存在明顯差異，總體上呈年內(nèi)豐水期氮磷入庫(kù)量較低、枯水期較高的變化特征[3-6]。葠窩水庫(kù)的內(nèi)梅羅指數(shù)整體上呈出庫(kù)河段高于庫(kù)區(qū)、而庫(kù)區(qū)低于各入庫(kù)河段的趨勢(shì)，其“內(nèi)低外高”的富營(yíng)養(yǎng)化特征較為明顯。

2.2 富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)間分布

采用對(duì)應(yīng)于不同營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的內(nèi)梅羅指數(shù)，繪制出平行于Y軸的各級(jí)營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)線，其中富營(yíng)養(yǎng)、中-富營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、貧-中營(yíng)養(yǎng)、貧營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的X值為146.925、58.396、29.308、14.604、5.842、2.196。設(shè)橫、縱坐標(biāo)為各采樣點(diǎn)求解的內(nèi)梅羅指數(shù)及其對(duì)應(yīng)的概率，從而繪出散點(diǎn)圖，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和平均值生成生態(tài)分布曲線。

2.2.1 枯水期正態(tài)分布特征

枯水期葠窩水庫(kù)的內(nèi)梅羅指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ為16.581、平均值μ為25.516，表明曲線平坦、數(shù)據(jù)分散且離散度較大，研究區(qū)總體上達(dá)到中營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。枯水期處于中-富營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、貧-中營(yíng)養(yǎng)、貧營(yíng)養(yǎng)和極貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水體占50%、20%、10%、20%和5%，水質(zhì)整體較差且呈不均勻分散富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)，枯水期正態(tài)分布特征，見(jiàn)圖1。

圖1 枯水期正態(tài)分布特征

較正常年份葠窩水庫(kù)的現(xiàn)狀庫(kù)容量明顯偏小，水質(zhì)分析時(shí)段與歷史同期相比降低60%以上，太子河水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較歷史同期水位明顯下降，庫(kù)容量和水域面均顯著偏小。

2.2.2 豐水期正態(tài)分布特征

豐水期葠窩水庫(kù)的內(nèi)梅羅指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.552、平均值μ為1.288，可見(jiàn)曲線高陡、數(shù)據(jù)集中且離散度較小，研究區(qū)總體上達(dá)到極貧營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。豐水期處于貧營(yíng)養(yǎng)、極貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水體占12.2%、87.8%，水質(zhì)整體較好且呈較均勻分散程度。豐水期正態(tài)分布特征，見(jiàn)圖2。

圖2 豐水期正態(tài)分布特征

豐水期葠窩水庫(kù)降水量較大，一級(jí)支流蘭河、細(xì)河和主河道太子河的入庫(kù)流量急劇增大；河水泥沙含量高且流域產(chǎn)水量大，該時(shí)期正值農(nóng)業(yè)生產(chǎn)雙搶季，入庫(kù)污水包括農(nóng)業(yè)灌溉施肥廢水、工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水等[7]。受汛期蘭河、細(xì)河和太子河來(lái)水影響，這在一定程度上降低了葠窩水庫(kù)污染物濃度，并提升了水庫(kù)水質(zhì)狀況。

2.3 不同水域富營(yíng)養(yǎng)化

2.3.1 河道水域營(yíng)養(yǎng)特征

枯水期河道水域TP、TN高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的48.6倍和2.1倍，豐水期河道水域TP高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的1.25倍、TN在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，其它參數(shù)均符合水質(zhì)要求，較豐水期內(nèi)梅羅指數(shù)枯水期高出12-48倍。河道水域的內(nèi)梅羅指數(shù)分布，見(jiàn)圖3。由圖3看出，河道水域的枯、豐水期總體上達(dá)到中-富營(yíng)養(yǎng)和極貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

圖3 河道水域的內(nèi)梅羅指數(shù)分布

2.3.2 過(guò)渡水域營(yíng)養(yǎng)特征

枯水期過(guò)渡水域TP、TN高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的2.0倍和5.1倍，豐水期過(guò)渡水域TP高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的1.0倍、TN在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，其它參數(shù)均符合水質(zhì)要求，較豐水期內(nèi)梅羅指數(shù)枯水期提高3.6倍。河道水域的內(nèi)梅羅指數(shù)分布，見(jiàn)圖4。由圖4看出，過(guò)渡水域的枯、豐水期總體上達(dá)到貧-中營(yíng)養(yǎng)和極貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，較河道水域其整體水質(zhì)有所改善。

圖4 河道水域的內(nèi)梅羅指數(shù)分布

2.3.3 滯留水域營(yíng)養(yǎng)特征

枯水期滯留水域TP、TN均未超標(biāo)，豐水期過(guò)渡水域TP、TN高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的4.2倍、3.1倍，TN在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，較豐水期內(nèi)梅羅指數(shù)枯水期提高3.2倍。河道水域的內(nèi)梅羅指數(shù)分布，見(jiàn)圖5。由圖5看出，滯留水域的枯、豐水期總體上達(dá)到貧-中營(yíng)養(yǎng)和極貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，較過(guò)渡、河道水域其整體水質(zhì)明顯提高。

圖5 河道水域的內(nèi)梅羅指數(shù)分布

綜上分析，隨季節(jié)變化內(nèi)梅羅指數(shù)在3種功能區(qū)均呈不斷上升的變化特征，其中滯留水域富營(yíng)養(yǎng)化變化存在滯后性，而河道具有明顯差異。滯留水域響應(yīng)污染狀況快慢不同以及滯留、過(guò)渡、河道水域變化較為緩慢的主要原因?yàn)樗臈l件差異，污染物在水流湍急的河道水域內(nèi)直接進(jìn)入河道[8-9]；由水域擴(kuò)展形成的過(guò)渡水域，其水體環(huán)境直接受到污染物的影響，所以對(duì)于污染物過(guò)渡水域、河道水域的反應(yīng)迅速；過(guò)渡水與河道水?dāng)U散滯留形成的滯留水域，其水體自凈功能較強(qiáng)且水流交換速度緩慢，因此污染物濃度在過(guò)渡水域與河道水域快速升高時(shí)，滯留水域具有緩慢的增加趨勢(shì)[10]；而污染物濃度在過(guò)渡水域與河道水域減少時(shí)，原先較高污染物濃度的滯留水仍然存在，所以內(nèi)梅羅指數(shù)仍然持續(xù)增加。

3 結(jié) 論

葠窩水庫(kù)整體上處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，局部的氮磷含量達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，并且呈現(xiàn)出向富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展的趨勢(shì)。研究區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)總體上呈出庫(kù)河段高于庫(kù)區(qū)、而庫(kù)區(qū)低于各入庫(kù)河段的趨勢(shì)，其“內(nèi)低外高”的富營(yíng)養(yǎng)化特征較為明顯。

從時(shí)間分布上，豐水期水質(zhì)要優(yōu)于枯水期，豐水期COD、TP、TN等濃度要明顯低于枯水期；從空間分布上，滯留水域富營(yíng)養(yǎng)化最小、河道水域最高，而過(guò)渡水域居中，在空間上呈現(xiàn)出明顯的差異性特征。水域流量越少則滯留、過(guò)渡、河道水域的營(yíng)養(yǎng)程度差異越大，滯留水域富營(yíng)養(yǎng)化變化存在滯后性，而河道具有明顯差異。