近26年大明湖水質(zhì)變化趨勢及富營養(yǎng)化特征

代雪靜，王兆軍，劉 楊

(山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 濟(jì)南 250101)

1 引言

城市湖泊是城市生態(tài)的重要組成部分，受人類活動如汽車尾氣、生活污水的影響較大。大明湖位于山東省濟(jì)南市。濟(jì)南素以“泉城”著稱，城內(nèi)百泉爭涌，分布著久負(fù)盛名的趵突泉、黑虎泉、五龍?zhí)?、珍珠泉四大泉群，?.6 km2的老城范圍內(nèi)從黑虎泉出發(fā)，經(jīng)泉城廣場—西門—五龍?zhí)丁竺骱珗@北側(cè)—老東門—青龍橋，密布著大大小小100多處天然甘泉，匯流至護(hù)城河、大明湖。大明湖作為典型的城市湖泊，是泉域地下水的匯集地，對濟(jì)南市水生態(tài)系統(tǒng)健康有著十分重要的意義[1]。

大明湖水體流動緩慢，導(dǎo)致其水環(huán)境容量有限，過多的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物排入時，可能導(dǎo)致其富營養(yǎng)化嚴(yán)重。特別是在北方城市，由于水資源缺少、降水量偏少等客觀因素，多數(shù)城市湖泊水質(zhì)較差、污染狀況嚴(yán)重[2]。近年來，許多研究者對城市湖泊進(jìn)行了調(diào)查和研究[3～7]，對城市湖泊進(jìn)行評價分析應(yīng)用廣泛的方法有單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法等[8～10]。本文以大明湖為研究對象，基于近26年的長序列水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過單因子污染指數(shù)法、改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法及綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，分析大明湖水質(zhì)的變化趨勢、分析富營養(yǎng)化特征和變化規(guī)律，分析原因，進(jìn)而為城市湖泊污染治理提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

大明湖位于濟(jì)南市中心位置，由趵突泉、珍珠泉、五龍?zhí)逗秃诨⑷戎車T泉注入的泉水及西護(hù)城河匯集的地表徑流為主要水源，水域面積58.2 hm2，湖水容量116萬m3，平均水深2 m，湖體東西長、南北段，湖底為火成巖巖床[11]。大明湖周邊人口密集，分布大量居住區(qū)及商業(yè)區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)為大明湖，主要監(jiān)測斷面包括歷下亭、無名亭、匯波橋3個斷面，研究時段為1996～2021年，本文選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中pH值、溶解氧、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量等8項指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)分析研究。

2.3 研究方法

2.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是水體指標(biāo)實測濃度與評價標(biāo)準(zhǔn)的比值，根據(jù)結(jié)果可直接確定水體的主要污染因子，計算公式如下：

(1)

式(1)中：Ii為單因子污染指數(shù)；Ci為第i項水體指標(biāo)的實測濃度；Si為第i項水質(zhì)指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)，大明湖為人體非直接接觸的景觀娛樂用水區(qū)，執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，本文選用Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)來計算各項污染因子的單因子污染指數(shù)。

2.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法及改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[12,13]突出了污染最重的指標(biāo)，在水體及土壤因子評價中應(yīng)用廣泛。計算公式如下：

(2)

其中：

(3)

改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法引入了各評價指標(biāo)的權(quán)重，而權(quán)重又與各評價指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)，在一定程度上削弱了最大值的影響，計算公式如下：

(4)

(5)

式(4)、(5)中：I'imax為修正后的水質(zhì)指標(biāo)中污染指數(shù)最大值；Iw為權(quán)重最高指標(biāo)的污染指數(shù)。

(6)

(7)

式(6)、(7)中：Smax為所有水質(zhì)指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)的最大值，本文選用Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)來計算大明湖各項污染因子的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Wi為權(quán)重值。

改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級分級標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 綜合污染指數(shù)分級

2.3.3 Pearson相關(guān)系數(shù)

Pearson相關(guān)系數(shù)[14]是描述兩個隨機(jī)變量線性相關(guān)程度的統(tǒng)計量。本文用來研究年份與各項污染指標(biāo)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)之間的相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)的符號表示兩個變量間的關(guān)聯(lián)方向，若為正，表示兩者呈正相關(guān)關(guān)系，否則為負(fù)相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)的絕對值大小表示相關(guān)程度，數(shù)值越大，則相關(guān)程度越高。相關(guān)系數(shù)范圍及相關(guān)程度如下：相關(guān)系數(shù)為0.8～1.0，為極強(qiáng)相關(guān)；相關(guān)系數(shù)為0.6～0.8，為強(qiáng)相關(guān)；相關(guān)系數(shù)為0.4～0.6，為中等強(qiáng)度相關(guān)；相關(guān)系數(shù)為0.2～0.4，為弱相關(guān)；相關(guān)系數(shù)為0.0～0.2，為極弱無相關(guān)。

2.3.4 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

湖庫富營養(yǎng)化程度的評價采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[15、16]，公式如下：

(8)

式(8)中：TLI(∑)為綜合營養(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)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)，包括5種：葉綠素a(chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)。 以chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計算公式為：

(9)

表2 中國湖泊(水庫)部分參數(shù)與chla的相關(guān)關(guān)系rij及值

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為：

TLI(chl)=10(2.5+1.086lnchl)

(10)

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

(11)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(12)

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

(13)

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

(14)

式(11)～式(14)中：葉綠素a chl單位為mg/m3，透明度SD單位為m；其它指標(biāo)單位均為mg/L。

采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級，在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重。分級情況見表3。

表3 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)情況分級

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)評價

3.1.1 單因子水質(zhì)評價結(jié)果

大明湖1996～2021年監(jiān)測年均值單因子評價結(jié)果詳見表4。當(dāng)單因子污染指數(shù)值大于1時，說明該項污染因子濃度超標(biāo)，且指數(shù)越大，污染程度越重。根據(jù)表1，大明湖主要超標(biāo)年份主要集中在1996～2004年，主要超標(biāo)項目為高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮及總磷。

表4 大明湖1996～2021年單因子評價結(jié)果

3.1.2 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果

根據(jù)大明湖1996～2021年監(jiān)測年均值，依據(jù)公式(2)～式(7)計算了大明湖各年份改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)，結(jié)果見圖1。根據(jù)圖1，1996～2002年，改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)均大于1.826，大明湖水質(zhì)類別均為Ⅴ類；2003年，大明湖改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)為1.66，水質(zhì)類別為Ⅳ類；2004～2021年，改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)均小于1，水質(zhì)類別為Ⅰ～Ⅲ類。

3.2 大明湖逐年變化趨勢

3.2.1 單因子逐年變化趨勢

3.2.1.1 pH值、溶解氧

根據(jù)圖1，1996～2021年，pH值常年保持穩(wěn)定，范圍為7.91～9.22；溶解氧波動變化，范圍為8.12～14.57。

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3.2.1.2 氮磷污染狀況

湖庫的富營養(yǎng)化問題主要由氮、磷的過量排放造成的。由圖3可知，總磷1996～2004年污染較重，氨氮1997、1998年污染較重。從趨勢上看，1996～2021年，總磷、氨氮濃度呈現(xiàn)先下降后保持穩(wěn)定的趨勢，總磷、氨氮最高值均出現(xiàn)在1997年，濃度分別為1.178 mg/L、2.884 mg/L，分別超標(biāo)10.8倍、0.92倍?？偟尸F(xiàn)波動變化，范圍為3.58～7.68 mg/L。

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3.2.1.3 有機(jī)污染狀況

化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量是表征水體有機(jī)污染的重要指標(biāo)。由圖4可知，高錳酸鹽指數(shù)1996～2001年污染相對較重，最大值出現(xiàn)在2000年，濃度為25.38 mg/L，超標(biāo)1.54倍；生化需氧量、化學(xué)需氧量1996～2004年污染相對較重，最大值分別出現(xiàn)在1997年、2000年，濃度分別為24.02 mg/L、95.95 mg/L，超標(biāo)4.0倍、3.20倍。從趨勢上看，1996～2021年，化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量濃度呈現(xiàn)先下降后保持穩(wěn)定的趨勢。

3.2.2 大明湖綜合污染變化趨勢

根據(jù)1996～2021年大明湖監(jiān)測結(jié)果年均值，計算出年度序列與各項污染指標(biāo)的Pearson相關(guān)系數(shù)，Pearson相關(guān)系數(shù)為正值時，說明污染指標(biāo)濃度隨年份增加呈上升趨勢，水質(zhì)趨于惡化，當(dāng)為負(fù)值時，說明污染指標(biāo)濃度隨年份增加呈下降趨勢，水質(zhì)趨于改善，絕對值越大，則說明濃度變化程度越大。從表5可知，大明湖高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)與年度序列的Pearson相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，大明湖水質(zhì)均呈現(xiàn)改善趨勢。

表5 大明湖各污染指標(biāo)與年度序列的Pearson相關(guān)系數(shù)

據(jù)統(tǒng)計，1976～2003年濟(jì)南各大泉群斷流，以泉水為主要來源的大明湖失去主要補(bǔ)給水源，斷流期間，大明湖來水主要為生活污水及降水[17]，生活污水的大量排入使得大明湖水質(zhì)變差，污染狀況嚴(yán)重，這與近26年主要超標(biāo)年份集中在1996～2004年完全吻合。

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1996年，濟(jì)南市開始對大明湖進(jìn)行治污，但一直到2003年效果仍不明顯。2003年年底，濟(jì)南市通過引入趵突泉、五龍?zhí)度汉驼渲槿旱娜畬Υ竺骱蠹s50%～60%的劣質(zhì)水進(jìn)行了置換[18]，置換后水質(zhì)有短時間的改善，但半年后富營養(yǎng)化再次嚴(yán)重，除對外源污水截留不徹底外，內(nèi)源沉積物也是影響水質(zhì)再次惡化的重要原因[1]。2007年，濟(jì)南市對大明湖進(jìn)行擴(kuò)建和整治，進(jìn)行了挖湖清淤等工程[19]，之后大明湖水體水質(zhì)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 大明湖富營養(yǎng)化程度

根據(jù)公式計算2001～2021年大明湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，詳見圖5。根據(jù)圖5，僅2012～2013年大明湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)<50，為中營養(yǎng)，其余年份均為富營養(yǎng)。2001～2003年為重度富營養(yǎng)，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最高為79.18，2004、2005年為中度富營養(yǎng)，其余年份均為輕度富營養(yǎng)，2001～2021 年水體經(jīng)歷了重度富營養(yǎng)化—中度富營養(yǎng)化—輕度富營養(yǎng)化—中營養(yǎng)—輕度富營養(yǎng)化變化過程?？傮w來看，大明湖近年來營養(yǎng)水平大致為輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，說明大明湖還需加大水體富營養(yǎng)化治理力度。

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4 結(jié)論

(1)大明湖超標(biāo)年份主要集中在1996～2004年，超標(biāo)項目為高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮及總磷。1996～2003年，大明湖改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)均大于1，水質(zhì)類別為Ⅳ類、Ⅴ類；2004～2021年，改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)均小于1，水質(zhì)類別為Ⅰ～Ⅲ類。近26年來，前10年大明湖水質(zhì)呈現(xiàn)改善趨勢，后16年水質(zhì)保持穩(wěn)定。

(2)從趨勢上看，1996～2021年，總磷、氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量濃度呈現(xiàn)先下降后保持穩(wěn)定的趨勢，這與濟(jì)南市政府對大明湖采取的治污工程息息相關(guān)。

(3)2001～2021 年水體經(jīng)歷了重度富營養(yǎng)化—中度富營養(yǎng)化—輕度富營養(yǎng)化—中營養(yǎng)—輕度富營養(yǎng)化變化過程。總體來看，大明湖近年來營養(yǎng)水平大致為輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，說明大明湖還需加大水體富營養(yǎng)化治理力度。