湖库营养状态评价方法及适用性分析

沈晓飞，马 巍，罗佳翠，陈 欣

（1.中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038；2.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021）

湖库富营养化是指湖泊、水库水体在自然因素和人类活动的双重影响下，大量营养盐物质输入湖库水体，使湖库由贫营养状态逐步向富营养状态变化的一种现象。富营养化是当前我国湖泊、水库面临的主要水环境问题，而营养状态评价方法是识别湖库营养状态和水体污染程度的主要技术手段。湖库富营养状态评价，通常通过与湖库水体的营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系，对湖库的营养状态作出相应的判断。本文主要针对行业主管部门已经颁布的相关技术规程中的湖库营养状态评价方法，通过2个案例对湖库营养状态评价方法的适用性进行分析，并提出湖库水体营养状态指数评价方法选择的基本原则，为湖库营养状态评价的规范化管理提供科学依据。

1 评价方法

一般认为，碳、氮、磷是富营养化发生的基本物质基础，是营养源指标；透明度和叶绿素是考察富营养化发生程度的外在指标，是状态指标。以这5种水质指标为评价对象，中国人民共和国水利部和环境保护部分别以行业标准和部门文件形式颁布了湖库营养状态评价标准和分级方法，其中水利部于2007年8月颁布了《地表水资源质量评价技术规程（SL395-2007）》，环境保护部2011年3月颁发《地表水环境质量评价办法（试行）》（环办[2011]22号）。

1.1 营养状态指数法根据《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395-2007）[1]的相关规定，湖库营养状态应采用营养状态指数法进行评价，评价项目包括总磷（TP）、总氮（TN）、叶绿素a、高锰酸盐指数（CODMn）和透明度（SD），其中叶绿素a为必评项目，其营养状态评价标准与分级方法应符合表1的规定。

湖库营养状态指数评价包括以下几个步骤：

（1）采用线性插值法将各项水质评价项目浓度值转化为赋分值。为更准确的进行插值，建立了相对科学的各评价项目浓度值与赋分值之间的相关关系式，其结果见图1所示；

（2）按下式计算湖库的营养状态指数EI。

表1 湖泊（水库）营养状态评价标准及分级方法

图1 水质评价项目浓度值与赋分值间的相关关系

式中：EI为营养状态指数；En为评价项目赋分值；N为评价项目个数。

（3）参照表1，根据营养状态指数确定营养状态分级。

表2 湖泊（水库）营养状态评价标准

1.2 综合营养状态指数法根据《地表水环境质量评价办法（试行）》（环办[2011]22号）[2]中的相关规定，湖库营养状态应采用综合营养状态指数法（TLI（∑））进行评价，其分级评价标准应符合表2中的规定。

综合营养状态指数计算公式为：

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；TLI（j）为第j种营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

以叶绿素a（chla）作为基准参数，则第j种参数归一化的相关权重计算公式为：

式中：rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数；m为评价参数的个数。

中国湖泊（水库）的chla与其他参数之间的相关系数rij及见表3。

表3 中国湖泊部分参数与chla的相关关系

各项目的营养状态指数计算公式分别为：

2 典型湖库营养状态评价

以密云水库（北京市）和滇池（云南省昆明市）为代表，分别采用营养状态指数法和综合营养状态指数法对密云水库和滇池的营养状态进行评价。

2.1 密云水库营养状态评价（1）密云水库水环境质量现状。密云水库位于北京市密云县北部山区，由2座主坝和5座副坝拦截潮河、白河而形成，分为白河、潮河和内湖3个库区，最高蓄水位为159.9m，最大水面积188km2，最大蓄水量43.75亿m3，密云水库目前是北京唯一的地表饮用水水源地，2010年最高蓄水位为136.16m，最大蓄水量约为10.66亿m3。2010年密云水库整体水质状况为：pH值为8.26， CODMn为2.61mg/L，NH3-N为0.15mg/L，TP为0.015mg/L，TN为0.90mg/L，chla为0.0046mg/L，SD为2.46m，各指标类别分别为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类，密云水库整体水质总体较好。

图2 密云水库富营养化监测点分布

（2）密云水库营养状态评价。利用2010年密云水库常规水质监测站点（站点名称和空间位置分布详见图2，下同）逐月的水质监测资料，采用综合营养状态指数法（TLI（∑））（环办[2011]22号文规定的方法，下同），评价得到2010年密云水库各站点的富营养化评分结果和富营养化等级见表4所示；采用营养状态指数法（EI）（SL395-2007规定的方法，下同），评价得到2010年密云水库各站点的富营养化评分结果和富营养化等级见表5所示。

采用综合营养状态指数法，2010年密云水库各水质监测站点的综合营养指数为34～41，都处于中营养水平，其中金沟和库东2站（TLI（∑）≥40）明显高于其它站点，表明金沟和库东所在库区发生水华的概率要明显大于其它监测站点所代表的库区；5种营养状态指标中，叶绿素a的状态指数值最高，其次是TN，TP和CODMn指数值最低，表明TP是当前密云水库发生水华的限制性营养因子。

采用营养状态指数法[3]，2010年密云水库各水质监测站点的营养状态综合评分为41～47（其中营养源评分为45～49，营养状态评分为33～46），都处于中营养水平，并十分接近富营养水平，同时表明密云水库发生水华的营养源条件已经具备。3种营养源中，TN的评分最高（属轻中度富营养）、CODMn和TP的评分值明显低于TN，TP是当前水库发生水华的限制性因子。营养状态指标评分中，白河主坝、库西、套里和第九水厂出口指标较低（状态评分为33），库东、金沟站点（营养状态评分为44～45）较为接近富营养化水平，说明该水域可能已经发生轻度水华。

表4 密云水库及各站点富营养化评分结果和营养化等级（综合营养状态指数法）

表5 密云水库及各站点富营养化评分结果和营养化等级（营养状态指数法）

2.2 滇池富营养化状态评价（1）滇池水环境质量现状。滇池属典型的高原浅水湖泊，隶属金沙江水系，位于昆明市下游，湖体略呈弓形，弓背向东，南北长约40km，东西最宽处12.5km，湖岸长156km；当滇池水位在正常高水位1 887.40m（黄海高程）时，平均水深5.3m，最大水深10.9m，湖泊面积309km2，库容15.6亿m3。滇池分为草海和外海，其中草海位于滇池北部，外海为滇池主体，面积约占滇池96.7%。自20世纪80年代以来，受昆明市中心城区的快速发展及其对周边地区的带动效应影响，滇池承纳的入湖污染物日益增多，严重超过了湖泊的水体纳污能力，滇池水质急剧恶化，水体富营养化异常严重。2010年，草海整体水质状况CODMn为8.49mg/L、TP为0.60mg/L、TN为11.14mg/L、Chla为0.071mg/L和SD为0.94m，外海整体水质状况为CODMn为10.03mg/L、TP为0.20mg/L、TN为2.62mg/L、Chla为0.091mg/L和SD为0.34m，草外海的综合水质类别均为劣Ⅴ类，且草海污染程度远较外海严重。

（2）滇池富营养状态评价。利用2010年滇池常规水质监测站点（站点名称和空间位置分布详见图3，下同）逐月的水质监测资料，采用综合营养状态指数法（TLI（∑）），评价得到2010年滇池各站点的富营养化评分结果和富营养化等级见表6所示；采用营养状态指数法评价得到2010年滇池各站点的富营养化评分结果和富营养化等级见表7所示。

图3 滇池常规水质监测站点

表6 滇池及各站点富营养评价（综合营养状态指数法）

表7 滇池及各站点富营养评价（营养状态指数法）

采用综合营养状态指数法，2010年滇池草外海各水质监测站点的综合营养指数为68～73，处于中度富营养和重度富营养水平，其中草海和外海观音山西为重度富营养水平，外海其它站点亦十分接近重度富营养水平，滇池外海各站点的综合营养状态指数空间分布差异较小。5种营养状态指标中，叶绿素a的状态指数值最高，其余4指标的营养状态指数值差异不显著，无明显的限制性因子。

采用营养状态指数法[4]，2010年滇池各水质监测站点的营养状态综合评分为71～74，均处于中度富营养水平，草海略较外海差，全湖以晖湾中最高（EI=74），以滇池南站点最低（EI=70），空间差异不显著。从各指标的营养状态评分结果差异来看，草海各指标差异性显著（TN指标评分值高达94，属重度富营养化水平，而透明度评分值仅为52，属轻度富营养化水平）；外海各指标的空间差异性不显著。

3 不同营养状态评价方法的特点及其适用性

3.1 两种营养状态评价方法的特点综合营养状态指数法，以chla为基本参数，采用金相灿等[5]基于国内26个主要湖泊的调查数据资料，建立湖库营养状态评价指标与chla间的相关关系，进而确定各评价指标的营养状态指数的相关权重，并采用营养状态指数计算式得到各参数的营养状态指数值，通过累加得到评价水体的综合营养状态指数值。综合营养状态指数法的最大特点是各参评指标对湖库营养状态指数的权重（或贡献率）存在一定的差异，其中chla权重最大，其次是TP，TN、CODMn和SD 3指标基本相当；同时，当评价水体缺乏chla资料，或者chla资料代表性不够，或者缺少其它评价参数时，则无法应用该方法进行湖库营养状态评价。

营养状态指数法，基于湖库水体富营养化发生的基本原理和表现特征，将参评指标分为2类：即营养源指标（TP、TN和CODMn）和营养状态指标（chla和SD），并分别给出各评价参数的营养状态分级浓度值区间和营养状态赋分值（见表1），从等权重角度计算得到评价水体的营养状态指数值。营养状态指数法的最大特点是从富营养状态发生的机理出发，对各营养源指标和营养状态指标分别进行了营养状态分级评价，最后按等权重加和计算得到评价水体的营养状态指数和营养状态分级。较综合营养状态指数法而言，营养状态指数法对于那些基础资料相对较为匮乏的湖库或未来情景下chla指标浓度很难准确预测的水体具有更好的适用性。

3.2 两种营养状态评价方法的适用性对比南方重污染湖泊（以滇池为例）和北方水污染程度相对较轻、水质相对较好的水库（以密云水库为例）采用不同评价方法的营养状态评价结果，可以对综合营养状态指数法和营养状态指数法的适用性归纳总结如下。

（1）综合营养状态指数。①适用于各参评指标（包括chla、TP、TN、CODMn和SD）基础资料较为齐全的湖库水体营养状态指数评价（其中chla指标浓度应具有较好的代表性）；②对于北方地区湖库（如密云水库），受气温偏低（影响chla浓度水平）和磷因素限制影响，基于综合营养状态指数法的评价结果较实际情况偏好；③对于南方地区污染较重、非磷因子限制影响的湖泊（如滇池草、外海），其评价结果较营养状态指数法合理。

（2）营养状态指数。①适用于各类湖库水体营养状态指数评价，其适用范围受基础资料的制约相对较小；②能够识别评价水体的主要特征污染因子，有利于指导湖库水体的富营养化防治与对策制定；③对于污染相对较轻的湖库水体，评价结果分级较为合理；④对于污染相对较重的湖库水体，评价结果分级较综合营养状态指数法偏好。

3.3 湖库营养状态评价方法选择原则综合2种评价方法的特点、适用范围和评价成果存在的一些特征性差异，并遵从评价结果相对不利的原则，在湖库营养状态评价方法选择中提出如下原则：①对于污染相对较轻的湖库水体，建议选用营养状态指数法进行评价；②对于污染相对较重的湖库水体，建议选用综合营养状态指数法进行评价；③在环境影响评价工作中，如评价水体资料较全，常采用综合营养状态指数法进行评价；④评价水体资料稀缺或chla指标浓度代表性（或准确性）不足时，建议采用营养状态指数法进行评价。

[1]SL 395-2007，地表水资源质量评价技术规范[S].

[2]中国人民共和国环境保护部.地表水环境质量评价办法（试行）（环办[2011]22号）[E].2011.

[3]黄振芳，陶亮，孙峰.密云水库的富营养化态势及对策研究[C]//中国水利学会2006年学术年会，2006：59-65.

[4]王红梅，陈燕.滇池近20a富营养化变化趋势及原因分析[J].环境科学导刊，2009，28（3）：57-60.

[5]金相灿，等.中国湖泊环境[M].第二册.北京：海洋出版社，1995.