一種判斷市內(nèi)河湖富營養(yǎng)狀態(tài)的簡便計(jì)算方法
——以天印湖為例

王克磊，王 婷，李 楨

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，濟(jì)南，250100；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)生存居住環(huán)境也開始日益關(guān)注。城市內(nèi)湖泊或河道的水環(huán)境狀況，對(duì)其周圍居住人群的生活質(zhì)量影響很大，不僅能影響到人們的身體健康，還能影響到人們的幸福感指數(shù)。目前城市內(nèi)的河湖水體最普遍的問題就是富營養(yǎng)化[1-2]，因此，對(duì)其營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)是水務(wù)工作者的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。目前，國內(nèi)外對(duì)湖泊富營養(yǎng)化的評(píng)價(jià)方法主要有卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、營養(yǎng)度指數(shù)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和評(píng)分法等。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法克服了單一因子評(píng)價(jià)富營養(yǎng)化的片面性，而是綜合各項(xiàng)參數(shù)，將單變量的簡易與多變量綜合判斷的準(zhǔn)確性相結(jié)合。本文采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算天印湖[3]的營養(yǎng)化程度，并對(duì)多年來天印湖營養(yǎng)化程度的變化趨勢進(jìn)行分析。

1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)模型[4-5]主要選取葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等為參數(shù)，對(duì)湖泊富營養(yǎng)化狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)模型為：

(1)

式中：TLI(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；

TLI(j)代表第j種參數(shù)的營養(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)的權(quán)重。

以Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為

(2)

式中，rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chla的相關(guān)系數(shù)；M為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

中國湖泊的Chla與其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系見表1。

表1 中國湖泊部分參數(shù)與Chla的相關(guān)關(guān)系

葉綠素a(Chla)、總氮、總磷、透明度(SD)和COD的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)通過下列公式進(jìn)行計(jì)算。

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.794lnTN)

(4)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(5)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(6)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

(7)

式中：Chla的濃度單位為mg/m3；TN、TP、CODMn的單位均為mg/L；SD的單位為m。

綜合營養(yǎng)度的計(jì)算公式為：

(8)

(9)

(10)

式中：TLIc為湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的綜合營養(yǎng)度；

TLIj為第j個(gè)因子的分營養(yǎng)度；

Wj為第j個(gè)因子的綜合權(quán)；

Cjx為第j個(gè)因子的檢測值；

Cjmin和Cjmax分別為第j個(gè)因子相應(yīng)于營養(yǎng)度為0～100時(shí)的濃度值。

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)域概況

天印湖是南京市江寧區(qū)一天然湖泊，水面面積約為24.37hm2，由南北兩湖組成，目前蓄水量為21800m3～60500m3，水深為2.9m～4.9m，北湖平均水深較大。天印湖的主要水源補(bǔ)給為湖體周邊的降雨，南北湖由三個(gè)溢流通道連接，北湖與南湖水面有較大落差，當(dāng)北湖水位高于溢流口高程14.62m時(shí)，湖水由北湖溢流至南湖；當(dāng)南湖水位高于10.85m時(shí)，由西南角的溢流口溢出至外秦淮河。

2.2 布點(diǎn)及采樣方法

按照常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測采樣布點(diǎn)的方法，在天印湖共選取了四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行長期采樣，主要測定葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等指標(biāo)，采樣點(diǎn)布置見圖1所示。采樣周期為每月采集一次水樣，一次取水1L左右，用聚乙烯瓶密封。水樣取回后立刻進(jìn)行分析檢測，不能及時(shí)檢測的指標(biāo)則將水樣于4℃以下保存，并在一周之內(nèi)完成檢測。各指標(biāo)分析檢測方法均采用國標(biāo)法。數(shù)據(jù)從2009年持續(xù)到2016年。

圖1 天印湖采樣點(diǎn)布置

2.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

從每年的數(shù)據(jù)中僅挑選1月和7月的數(shù)據(jù)，利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算，得到各采樣點(diǎn)的綜合營養(yǎng)度，見表2。從2009年至2016年間各采樣點(diǎn)綜合營養(yǎng)度的變化趨勢如圖2所示。

表2 天印湖各采樣點(diǎn)的綜合營養(yǎng)度

圖2 天印湖各采樣點(diǎn)2009-2016年綜合營養(yǎng)度變化趨勢

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

為了說明湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)情況，采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，如表3所示。

表3 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)

可以看出，2#與4#采樣點(diǎn)，基本上一直處于中營養(yǎng)狀態(tài)，這兩片湖區(qū)，遠(yuǎn)離人類活動(dòng)區(qū)，較少受到人類活動(dòng)的影響。1#采樣點(diǎn)在2012年1月進(jìn)入輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，2013年1月達(dá)到中度富營養(yǎng)狀態(tài)，2015年1月又恢復(fù)為中營養(yǎng)狀態(tài)。1#采樣點(diǎn)位于學(xué)校圖書館附近，為人員活動(dòng)密集區(qū)，受人類活動(dòng)影響較大。后由環(huán)境工程學(xué)院主持舉辦了一系列的“愛護(hù)學(xué)校環(huán)境，保護(hù)天印湖”宣講及展覽活動(dòng)，提高廣大師生環(huán)保意識(shí)，近年來該片湖區(qū)水質(zhì)已有明顯改善。3#采樣點(diǎn)在2010年1月由中營養(yǎng)狀態(tài)直接進(jìn)入中度富營養(yǎng)狀態(tài)，甚至在2011年7月和2013年1月達(dá)到了重度富營養(yǎng)狀態(tài)。2010年水質(zhì)監(jiān)測出現(xiàn)異常后，進(jìn)行了原因調(diào)查，發(fā)現(xiàn)是雨污分流工程中雨水管道與污水管道接反，導(dǎo)致生活污水直接排入湖內(nèi)，造成湖水水質(zhì)變壞。后對(duì)排污管道進(jìn)行了整改，并采取了在湖內(nèi)種植蓮藕、放養(yǎng)魚類、打撈收割過剩水草等補(bǔ)救措施。2013年后3#采樣點(diǎn)湖區(qū)水質(zhì)開始逐漸變好，但截止2016年7月，依然處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。

3 結(jié)論

利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)模型對(duì)天印湖四個(gè)采樣區(qū)域進(jìn)行營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，2009-2016年間，受人類活動(dòng)影響較小的2#與4#區(qū)域，營養(yǎng)狀態(tài)變化不大，一直處于中營養(yǎng)狀態(tài)，受人類活動(dòng)影響較大的1#區(qū)域從2012年開始出現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢，水質(zhì)惡化，經(jīng)人工干預(yù)后，水質(zhì)開始好轉(zhuǎn)。3#區(qū)域由于工程失誤，導(dǎo)致湖區(qū)受到污染破壞，2011年達(dá)到了重度富營養(yǎng)化，由于及時(shí)排查原因并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，水質(zhì)已在逐漸好轉(zhuǎn)。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)模型能夠考慮多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)綜合全面，且計(jì)算相對(duì)簡單，能夠方便快捷地對(duì)城市內(nèi)湖泊水質(zhì)做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，對(duì)水質(zhì)的變化響應(yīng)及時(shí)迅速，在湖泊水質(zhì)的長期監(jiān)測與水環(huán)境保護(hù)中，能夠及時(shí)提出預(yù)警，對(duì)我們的實(shí)際工作可起到重要的輔助作用。