相关加权综合营养状态指数法在三峡水库富营养化评价中的应用

阮嘉玲，范喜梅，雷 航，陈高波，谢佳燕，余晓丽

(1.武汉工业学院生物与制药工程学院，湖北武汉 430023;2.焦作师范高等专科学校 理工学院，河南 焦作 454100;3.武汉工业学院数学与计算机学院，湖北武汉 430023)

三峡工程是治理和开发长江的关键性工程。三峡水库于2003年6月开始二期蓄水，坝前水位保持在135 m。2006年第三期工程蓄水位为150 m，2009年三峡工程建成时，水库正常蓄水位为175 m。建库后，过水面积增大，在流量不变的情况下，流速从库尾至坝前逐渐减缓［1］。随着水动力学条件的变化，经济发展和人口增长，污染物排放增加，水体中营养物质浓度升高，浮游植物的种属和数量随之发生改变［2］，库区水环境污染面临严峻形势。

三峡水库是一个河道型水库，分为河流类型区、过渡类型区和湖泊类型区［3］，库区水体的水力学特征条件变化较大，不同水域对富营养化的敏感程度差异显著。目前，针对三峡水库的评价多参照湖泊类型区的营养状态指标阈值和评价标准，三峡水库(过渡类型区和河流类型区)营养状态评价方法的建立及评价标准的制定需待解决。为此，本文拟针对三峡水库河道型水库的特点，初步建立叶绿素a(Chlorophyll-a，Chl-a)与各营养物的回归关系模型，并运用相关加权综合营养状态指数法对水库进行评价。

1 材料和方法

1.1 取材

在长江干流库首宜昌秭归至库区尾重庆江津共设置十一个采样点，包括秭归、巴东、巫山、奉节、云阳、万州、忠县、石柱、涪陵、长寿、江津、重庆朝天门。时间为2006年11月、2007年1月、2007年7月、2007年11月。每个采样点分别取三份水样:用于水质、泥沙和浮游植物的分析。分析指标为:浮游植物多样性、浮游植物生物量、浮游植物密度、泥沙、总氮、总磷、温度、溶解氧、pH、电导率等。

1.2 仪器和设备

Lovibond ET9906;防水型袖珍pH温度微电脑测试笔HI98128;手提式溶氧测量仪YSI55;电导率仪DDB-303A;玻璃纤维滤膜watmanGF/B;真空泵抽滤器;电热鼓风干燥箱DHG－9070A;电子天平BT124S(0.1 mg/120 g)。

1.3 方法

1.3.1 相关性分析

用SPSS17对11个监测点的浮游植物生物量、浮游植物密度、泥沙、总氮、总磷、温度、溶解氧、pH、电导率等数据作相关分析。

1.3.2 营养度指数的确定

用卡森(Carlson)营养评价指数评价库区水质状况［4］。

TLI(j)表示第 j种参数的营养状态指数;aj、bj表示第j种参数的两个待定系数;Cjx表示因子j的实测值。由于不同指标的同级营养状态标准值的差异很大，因此，式1中不同指标的系数aj、bj各不相同。

aj，bj的计算公式为:

Cjmin表示第j个因子相应于营养度为0%时的质量浓度值;Cjmax表示第j个因子相应于营养度为100%时的质量浓度值。

1.3.3 各参数权重的确定

水体的营养状态可以用几个主要参数的状态指数来描述，但这些参数的状态指数对营养状态的重要性是不等同的，若把TLI(Chl-a)营养状态指数的重要性作为1，如果第j种参数与Chl-a的相关关系为rij(j=1，2，…，m)，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为:

式中:rij—第j种参数与基准参数 Chl-a的相关系数;m—评价参数的个数。

1.3.4 Chl-a与水库营养因子的回归关系

运用统计学方法对水体的叶绿素浓度、泥沙含量等数据进行归一化处理。基于11个监测点4次调查，建立了叶绿素a与泥沙、总氮、温度、溶解氧、pH和电导率的回归关系式。

1.3.5 相关加权综合营养状态指数式

式中:TLI(Σ)—综合营养状态指数;TLI(j)—第j种参数的营养状态指数;Wj—第j种参数的营养状态指数的相关权重。

2 结果与分析

2.1 浮游植物生物量与水库各变量因子的相关性

结果显示，浮游植物密度与生物量、温度成显著正相关，相关系数分别达0.996，0.952;浮游植物密度与泥沙、溶解氧成显著负相关，相关系数分别达0.940，0.974。影响浮游植物生长的主要因子为:泥沙、溶解氧和温度。

2.2 营养状态指数

根据数据显示，湖泊生产层中Chla浓度值均不超过 1 000 mg/m3［4］，因此取 cChlamin为 0 mg/m3，cchlamax为1 000 mg/m3。计算得到叶绿素a的营养状态指数计算式(6)。

其中，A为Chl-a的浓度。

2.3 各参数的权重

各参数的权重如表1所示。

表1 各因子与Chl-a的相关性系数及权重

2.4 叶绿素a与水库营养因子的回归关系

叶绿素a与水库营养因子的回归关系如表2所示。

表2 叶绿素a与营养盐、泥沙等因子的回归关系式

2.5 水库相关加权综合营养状态指数

用2007年7月(枯水期)的实测资料计算各因子营养状态指数(TLI)，加权分析后综合营养状态平均得分TLI(∑)见表3。

表3 三峡水库各监测点营养状态评价结果

根据中国湖泊富营养化水体营养分级标准，朝天门至秭归江段的营养状态指数为16.3—24.5，其中涪陵最低，巴东最高，均属于贫营养范围，与实际情况相符。

2.6 与湖库富营养化评价方法的比较

参考湖泊营养类型评价的藻类生物学指标与标准［5］对三峡水库2007年7月各监测点营养状态进行评价，并与表3进行比较(图1)用两种方法得到的营养状态综合指数都不大于30，营养状态为贫营养。但是湖库富营养化评价方法的评价结果明显高于河道型水库综合营养状态指数法的评价结果。原因在于湖泊型水体流速缓慢，藻类爆发阶段的营养盐阈值小于河道型水体，较低的营养盐浓度就能对水体营养状态产生较大影响，而在河道型水体中，营养盐处于被大量稀释的状态，对营养状态影响没有湖泊型水体明显。

图1 三峡水库各监测点综合营养状态指数变化

3 结论

本研究利用相关性分析初步探索了影响浮游植物生长的主要因子:泥沙、溶解氧和温度。并用基于河道型水库叶绿素a与营养物回归关系的相关加权综合营养状态指数法计算2006年7月到2007年11月三峡水库共11个采样点的营养状态，其结果均为贫营养。

同湖库富营养化评价方法相比，基于河道型水库综合营养状态指数法的评价结果偏低。原因可能在于河道型水体营养盐处于被大量稀释的状态，对营养状态影响没有湖泊型水体明显。当水体稳定后，用相关加权综合营养状态指数法对多种因子进行综合评价，能够比较真实地反映水体营养状况。

本研究仅提供一种基于河道型水库营养状态分析的思路和方法探讨。要建立成熟的叶绿素a与各因子回归关系模型还需175m蓄水后大量的数据支持。

［1］Wei G L，Yang Z F，Cui B S，et al.Impact of dam construction on water quality and water selfpurification capacity of the lancang river，China［J］.Water Resources Management，2009，23(9):1763－1780.

［2］Luo H J，Liu D F，Huang Y P.Support vector regression model of chlorophyll-a during spring algal bloom in xiangxi bay of three gorges reservoir，China［J］.Journal of EnvironmentalProtection，2012(3):420－425.

［3］张远，郑丙辉，富国，等.河道型水库基于敏感性分区的营养状态标准与评价方法研究［J］.环境科学学报，2006，26(6):1016-1021.

［4］金相灿，刘鸿亮，屠清瑛，等.中国湖泊富营养化［M］.北京:中国环境出版社，1995:133－134.

［5］Marglef D R.Information theory in Ecology［J］.GeneralSystems，1958(3):36－37.