抚仙湖营养状态评价及营养物水质标准制定

2012-12-24张蕊苏婧霍守亮陈艳卿纪丹凤王月吕宁磬

环境工程技术学报 2012年3期

张蕊，苏婧，霍守亮，陈艳卿，纪丹凤，3，王月，吕宁磬

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001

3.北京师范大学环境学院，北京 100875

我国湖泊众多且分布广泛，不仅为人类提供航运、防洪、旅游及生活、渔业、工业等用水，还是人类生存的繁衍地［1］。但是，随着工农业及城市的快速发展，人类活动的加剧，使湖泊富营养化程度日益恶化［2］。目前对于湖泊营养状态评价方法较多，各有利弊。虽然近年来不断加大治理力度，但由于制定营养物水质标准的依据缺乏科学性，治理目标不明确，效果并不理想，湖泊富营养化总体状况仍呈不断加重趋势［3］。美国自1998年确定了区域性营养物水质标准的国家战略后，又用八年时间先后完成了湖泊水库、河流、河口海岸和湿地(草案)的营养物水质标准技术指南，从而有效地控制了湖泊富营养化的程度。欧盟、日本等都开始借鉴美国经验［3-5］。

抚仙湖是我国深水性湖泊的代表，目前基本处于贫营养状态，但水质呈下降趋势。为有效控制水质恶化现象，制定抚仙湖营养物水质标准的初始建议值，以反降级政策为前提，加大保护治理抚仙湖的力度，具有重要意义。笔者运用综合营养状态指数法和国际公认的叶绿素a浓度分级法对抚仙湖营养状态进行评价，经过对比分析拟定了抚仙湖营养物水质标准的初始建议值。

1 研究方法

1.1 研究区域自然概况

抚仙湖是我国第二大深水湖泊，位于云南省玉溪市境内，居于滇中盆地中心，距昆明市东南60 km，跨澄江、江川和华宁三县，径流面积1053 km2，湖面面积212 km2，平均水深87 m，容水量189.30亿m3，约占云南高原湖泊淡水湖泊总储量的70%。抚仙湖是一个半封闭外流湖泊，属珠江流域南盘江水系，具有防洪、灌溉、工业用水、渔业、生活用水及旅游等综合功能［6］。

根据近几年的监测数据［7-8］可知，湖泊整体处于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ类水质，但部分区域已接近Ⅱ类水质。抚仙湖隶属于云贵高原湖区，营养类型属于协调型-贫营养-藻型。抚仙湖的污染源分为点源和非点源两种。点源污染源为一般工业废水和城镇生活污水。非点源污染源包括生活污水、农村生活垃圾、农村化肥、农村固体废弃物、东北部磷矿区污染、大气干湿沉降及水土流失等。其中，非点源是抚仙湖的主要入湖污染源，非点源污染TN占总污染源TN的94.8%，非点源污染TP占总污染源TP的97.0%［7-8］。

1.2 营养物水质标准的指标选择

营养物水质控制指标与富营养化评价指标密切相关，富营养化评价分为营养盐判别标准［9-13］和多因子判别标准［14-23］。早期的研究只考虑氮、磷指标，随着研究的深入，大多数学者认为应采用多因子的判别标准，通过综合分析来划分营养等级。

湖泊富营养化评价指标的选择也可以结合湖泊基准指标的选取原则及考虑因素。可以用来衡量湖泊水质，评价或预测湖泊水体营养状况和富营养化程度的变量，包括氮、磷、有机碳、叶绿素、透明度、溶解氧、大型植物、生物群落结构、营养状态指标等［24］。这些指标可分为原因变量和响应变量。由于各项指标均具有代表性，其实用性和可操作性亦存在差异。因此，在上述诸多候选指标选择时，需要对其进行全面的科学分析与综合考虑。

造成湖泊富营养化的原因大部分是营养盐浓度(主要是氮磷浓度)超标。虽然在水体中氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸盐氮四种形态存在，但各形态之间可通过氨化作用、硝化作用和反硝化作用转化。考虑到指标选取原则要求不易受其他外界因素的影响，选择总氮(TN)为评价指标。磷作为湖泊富营养化的重要指标，考虑到测定的实际情况及数据的准确与可用性，选择总磷(TP)为评价指标。对于湖泊富营养化的反应变量，通过大量的研究可知，叶绿素a(Chl-a)和透明度(SD)是最主要的响应指标。有些指标是受有机污染物污染水体测定的主要指标，而不是因藻类引起的湖泊富营养化水体测定的指标。溶解氧、pH、温度等虽然与湖泊富营养化有一定的关联度，但不是评价湖泊富营养化的必选指标。

仅使用原因变量或反应变量都容易导致湖泊的过保护或欠保护。因此，在湖泊营养化评价指标的选择中宜统筹考虑原因变量和反应变量。根据抚仙湖的情况，参考美国各州指标的制定，选择TN、TP、Chl-a浓度及SD作为抚仙湖标准制定的评价指标。

1.3 富营养化评价方法

湖泊营养状态评价是在富营养化评价方法的基础上完成的。富营养化评价方法包括综合评价方法(如特征法、参数法、卡尔森指数法、修正的卡尔森指数法、综合营养指数法、生物学方法、评分法、营养度指数法)和以数理统计为基础的评价方法(如模糊评价法、灰色预测法、层次分析法，神经网格法等)。

富营养化评价方法各有利弊。特征法比较简单直观，能够真实反映水体环境质量的整体效应，但受主观因素的影响较多;参数法、卡尔森指数法和修正的卡尔森指数法存在单一性和片面性，不能真实评价湖泊的营养状态;评分法通过分值来划分营养等级，各评价因子分级浓度差值很大，而抚仙湖基本处于贫营养状态，分值几乎不超过10，所以该方法不适用;营养度指数法，应用模糊数学、灰色理论、神经网格的富营养化评价方法计算比较复杂，评价结果趋于均化。笔者选择综合营养指数法和国际公认的叶绿素a浓度分级方法作为抚仙湖营养状态评价的主要方法和依据。

1.4 数据的来源及分析方法

抚仙湖水质资料主要来自云南省玉溪市环境监测站［7］。监测站在1990—2010年对抚仙湖湖心、路居、哨嘴、尖山四个有代表性的监测点进行不间断采样。采样深度为表层水，采样频率为每月两次。

TN浓度采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定;TP浓度采用钼酸铵分光光度法测定;Chl-a浓度采用丙酮萃取分光光度法测定;SD采用塞氏盘法测定。

2 结果与讨论

2.1 综合营养状态指数法的计算结果

综合营养状态指数(TLI)法需要计算各指标的营养状态指数，其计算方法［14，25］:

式中，TLIj为第j种参数的营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重;rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数，其值为金相灿等［14］学者对全国湖泊调查后的结论，如表1所示。

表1 Chl-a与其他参数之间的相关系数［14］Table 1 Relationship between Chl-a and other parameters

营养状态指数的计算公式［14］:

分级方法:TLI≤30，贫营养;30 ＜ TLI≤50，中营养;50＜TLI≤60，轻度富营养;60＜TLI≤70，中度富营养;TLI＞70，重度富营养。

由湖泊(水库)富营养化状况评价方法计算综合营养状态指数，根据综合营养状态指数对湖泊营养状态进行分级。将所有采样点的数据根据综合营养状态指数分级归类，分别得到对应的TN、TP、SD样本群，针对每个样本群采用SPSS软件得到频率为5%、25%、50%、75%、95%的统计特征值。频率分布在50%，意味着选取的是富营养化控制指标值的平均水平，代表该级营养水平对应的水质指标的平均值，结果如表2所示。

表2 综合营养状态指数(TLI)法分级的各指标特征值Table 2 Result from the method of TLI

通过对比分析，根据反降级政策，选取各控制指标的50%频率分布值，同时参考云贵湖区水质分析情况，得到对抚仙湖营养状态的评价及评价标准。有少量数据显示抚仙湖存在中营养状态，由于样本群很少，不足以体现整个湖泊的水质状况，故文中不予考虑。富营养化控制分级标准建议值如表3所示。

表3 富营养化控制分级标准建议值Table 3 Suggested standards of lake euthophication control

2.2 国际公认的叶绿素a浓度分级法

叶绿素a浓度分级法是按照叶绿素浓度水平将湖泊营养物控制标准分为六级:Ⅰ级贫营养(＜1.6 mg/m3)、Ⅱ级中营养(1.6～10 mg/m3)、Ⅲ级轻富营养(10～26 mg/m3)、Ⅳ级中富营养(26～64 mg/m3)、Ⅴ级重富营养(64～160 mg/m3)、Ⅵ级极端富营养(＞160 mg/m3)。对抚仙湖的TN、TP、SD样本做频率统计分析。将所有采样点的数据根据叶绿素a浓度分级归类，得到对应的TN、TP、SD的样本群，针对每个样本群采用SPSS软件分别得到5%、25%、50%、75%、95%频率的统计特征值。频率分布在50%，意味着选取的是富营养化控制指标值的平均水平，代表该级营养水平对应的水质指标的平均值。初步确定控制标准值后，参考25%频率的分布规律，并根据专家法校验指标值，得到营养状态评价标准，如表4所示。

表4 国际公认的叶绿素浓度(Chl-a法)分级的各指标特征值Table 4 Results from the method of Chl-a

通过对比分析，根据反降级政策，选取各控制指标的50%频率分布值，同时参考云贵湖区水质分析情况，得到对抚仙湖营养状态的评价及评价标准。有少量数据显示抚仙湖存在中营养状态，由于样本群很少，不足以体现整个湖泊的水质状况，故不予考虑。富营养化控制分级标准建议值如表5所示。

表5 富营养化控制分级标准建议值Table 5 Suggested standards of lake eutrophication control

2.3 分析与讨论

综合2.1节和2.2节并结合表3和表5，得出TLI法与Chl-a法的富营养化控制分级标准建议值，如表6所示。

表6 TLI法与Chl-a法的富营养化控制分级标准建议值Table 6 Rresults from the methods of TLI and Chl-a

由表6可知，两种方法得出的抚仙湖的营养状态均为贫营养，TP、TN、SD和Chl-a四个指标的建议值相差不大。其中，TN相差0.002 mg/L。抚仙湖的水环境容量为 189.30 ×108m3［6］，预测 2012 年 TN的入湖量:低负荷时为1112.6 t/a，高负荷时为1207.6 t/a。假设进入湖体的污水最终以完全混合状态存在于湖体，当以浓度为0.002 mg/L的差值进入湖体后，在两种负荷时差值均小于10-11mg/L，可见两种方法得到的TN浓度差值0.002 mg/L对整个湖体来说几乎没有影响。

综合营养指数法是一种常用的方法，但其要求各营养因子的相关性较高。对于藻型湖泊，富营养化是由于湖水中磷氮等营养物浓度增加，导致藻类过量繁殖所致。因而，一般均以反映湖泊藻类数量多寡的综合指标Chl-a作为占主导地位的评价因子。通过对抚仙湖近20年的数据分析，可得TN、TP和SD分别与Chl-a的相关性(表7)，进而确定综合营养指数法的适用性。

表7 各因子相关性Table 7 Relationships among the factors

选取 Chl-a、TP、TN和 SD作为评价指标，对1990—2010年抚仙湖的水质数据进行相关性分析，结果显示:Chl-a与SD在0.01水平(双侧)上显著相关，与TN在0.05水平(双侧)上显著相关，而与TP几乎不相关。所以综合营养指数法对抚仙湖的适用存在限制。国际公认的叶绿素a浓度分级法能够单独分析各指标的分布情况，不涉及相关系数计算问题，因此，以国际公认的叶绿素a浓度分级法为主，考虑综合营养状态指数法，确定抚仙湖营养状态及营养物水质标准:Chl-a浓度为1.600 mg/m3;TP浓度为0.006 mg/L;TN浓度为0.173 mg/L;SD为7.000 m。

3 结论

通过对湖泊多个生化指标的对比，确定抚仙湖的营养物水质标准的指标为 TP、TN、Chl-a和 SD。在营养物水质标准建议值的制定过程中可选择富营养化评价方法中的综合营养状态指数法和国际公认的叶绿素a浓度分级法与统计学方法中的频率分布法相结合，运用SPSS软件计算各因子分级统计特征值，得出营养物水质标准初始建议值。但是因综合营养状态指数法要求各因子之间有较好相关性，所以抚仙湖的营养物水质标准初始建议值由国际公认的叶绿素a浓度分级的方法制定。初始建议值Chl-a浓度为1.600 mg/m3;TP浓度为0.006 mg/L;TN浓度为0.173 mg/L;SD为7.000 m。

［1］湖泊及流域学科发展战略研究秘书组.湖泊及流域科学研究进展与展望［J］.湖泊科学，2002，14(4):289-300.

［2］PAER H W.Assessing and managing nutrient enhanced eutrophication in estuarine and coastal waters:inter active effects of human and climatic perturbations［J］.Ecological Engineering，2006，26:40-54.

［3］刘鸿亮，李小平.湖泊营养物控制的国家战略［J］.环境保护，2007(14):16-19.

［4］US EPA.Nutrient criteria technical guidance manual:lakes and reservoirs(EPA-822-B-00-001)［R］.Washington DC:United States Environment Protection Agency，2000.

［5］席北斗，霍守亮，陈奇，等.美国水质标准体系及其对我国水环境保护的启示［J］.环境科学与技术，2011，34(5):100-104.

［6］中国科学院南京地理与湖泊研究所.抚仙湖［M］.北京:海洋出版社，1990.

［7］李荫玺，刘红，陆娅，等.抚仙湖富营养化初探［J］.湖泊科学，2003，15(3):285-288.

［8］刘鸿亮.湖泊富营养化控制［M］.北京:中国环境科学出版社，2011.

［9］WIEDERHOLM T.Chironomidae of the holarctic region-keys and diagnose:partⅠ Larvae［J］.Entom ologica Scandinavica，1983，19(Suppl):1-457.

［10］CARLSON R E，LEE R.A trophic state index for lakes［J］.Limnology and Oceanogrphy，1977，22(2):361-369.

［11］OECD.EutroPhication of water monitoring， assessment and control［M］.Paris:Organization for Economic Cooperation and Development，1982.

［12］VOLLENWEIDER R A.Seientific fundamentals of the eutrophication of lakes and flowing waters，with particular reference to nitrogen and phosphorus as factors in eutrophication(No.DAS/CSI/68.27)［R］.Paris:Organization for Economic Cooperation and Development，1968:192.

［13］SAWYER C N.Fertilization of lakes by agricultural and urban drainage［J］.New England Water Works Association，1947，61:109-127.

［14］金相灿，刘鸿亮，屠清瑛，等.中国营养化调查规范［M］.2版.北京:中国环境科学出版社，1992.

［15］段秀举，刘亚丽.重庆双龙湖富营养化限制性因素确定实验研究［J］.水资源与水工程学报，2006，17(2):14-17.

［16］王孟，邬红娟，马经安.长江流域大型水库富营养化特征及成因分析［J］.长江流域资源与环境，2004，13(5):477-481.

［17］张智，林艳，梁健.水体富营养化及其治理措施［J］.重庆环境科学，2002，24(3):52-54.

［18］王洪敏.里杜湖富营养化综合评价及预测［J］.环境污染与治，2003，25(1):54-56.

［19］张运林，陈伟民，杨顶田，等.天目湖2001—2002年环境调查及富营养化评价［J］.长江流域资源与环境，2005，14(1):99-103.

［20］章宗涉.水生高等植物-浮游植物关系和湖泊营养状态［J］.湖泊科学，1998，10(4):83-86.

［21］濮培民，李正魁，王国祥.提高水体净化能力控制湖泊富营养化［J］.生态学报，2005，25(10):2757-2763.

［22］舒金华.我国湖泊富营养化程度评价方法的探讨［J］.环境污染与防治，1990，12(5):2-7.

［23］郑丙辉，许秋瑾，朱延忠.湖泊营养盐控制标准制定方法的初步研究［J］.环境科学，2009，30(9):2497-2501.

［24］霍守亮，席北斗，陈奇，等.湖泊营养物基准的候选变量和指标［J］.生态环境学报，2010，19(6):1445-1451.