水质标识指数法在太湖渔业生态环境评价中的应用

2016-08-06张莉樊祥科郑浩段翠兰杨振

水产养殖 2016年1期

关键词：平水丰水期太湖

张莉，樊祥科，郑浩，段翠兰，杨振

（江苏省渔业技术推广中心，江苏　南京　210036）

水质标识指数法在太湖渔业生态环境评价中的应用

张莉，樊祥科，郑浩，段翠兰，杨振

（江苏省渔业技术推广中心，江苏南京210036）

根据2009—2014年太湖整个湖区平水期和丰水期的实际监测结果，依据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》，选取溶解氧（DO）、化学需氧量（CODcr）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）6项参数作为主要评价指标，应用水质标识指数法对太湖水环境状况分别综合水质评价。单因子水质标识指数评价结果表明，太湖主要污染因子的污染程度排列次序是：TP＞TN＞CODcr＞CODMn＞NH3-N＞DO，TP、TN的超标造成太湖出现严重的富营养化问题，DO全年处于Ⅰ—Ⅱ类水质。综合水质标识指数评价结果表明：2009—2014年间，太湖丰水期水质总体优于平水期，且有继续变好的趋势，能达到水环境功能区目标要求。

太湖；综合水质标识指数；单因子水质标识指数；水质评价

太湖地处长江三角洲核心区域，是我国第三大淡水湖，横跨江、浙两省，北临无锡，南濒湖州，西依宜兴，东近苏州，水域面积2 338 km2［1］。太湖是一座天然的平原调蓄水库，具有蓄洪、灌溉、航运、供水、水产养殖、旅游等多项经济功能［2］，更重要的是太湖是苏州、无锡两市的主要饮用水水源，也是浙东地区与上海的主要水源补给地［3，4］。随着环太湖地区经济的高速发展，人类在开发利用太湖的水资源过程中，将大量污染物和营养盐不断排入太湖，严重影响了太湖水环境安全和水生态功能［5-7］。近年来，太湖水体富营养化问题日趋加剧，蓝藻水华事件频繁暴发［8，9］，已严重威胁到社会经济的可持续发展和人类健康［10-13］。为了解太湖水环境状况，制定合理的太湖开发和管理措施，我国诸多学者对太湖进行了大量调查，并用不同的评价方法对其进行评价分析［14-17］。

目前，我国河流、湖泊水环境质量综合评价方法有模糊分析法［18，19］、内梅罗污染指数法［20］、人工神经网络评价法［21］、灰色聚类法［22］等。这些方法对我国水环境质量评价起到了积极作用，但也存在着一些不足，既不能对主要污染因子的污染程度定量描述，也不能估测水体状况是否达到功能区标准［23］。水质标识指数法［24-26］作为近年来提出的一种全新的综合水质评价方法，不仅能够完整表达单因子的水质类别，还可以定性、定量地评价综合水质状况。

该文以2009—2014年太湖整个湖区的水质监测数据为基础，采用水质标识指数法对太湖6年间的渔业水质状况进行系统的评价和分析，并研究太湖水质在时间上的变化规律，以期掌握该水体水质特征，研究结论对水质监测数据评价有一定指导作用，同时对水质保护有一定参考价值。

1　材料与方法

1.1监测时间

根据江苏省渔业生态环境监测站对太湖渔业生态环境的长期监测，选取2009—2014年平水期（4—5月）和丰水期（8—9月）6年来的监测数据，水质数据为平水期均值和丰水期均值。

1.2监测站位

在太湖敞水区、主要进出湖河道、保护区、网围养殖区等四个功能区共布设35个监测站位。其中敞水区15个，网围养殖区4个，保护区4个，入湖河道7个，出湖河道5个站。图1为太湖渔业生态环境监测站位示意图。

图1　太湖渔业生态环境监测站位示意图

1.3监测方法

DO采用HJ 506-2009《水质溶解氧的测定电化学探头法》，CODcr采用GB 11914-1989《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》，CODMn采用 GB 11892-1989《水质高锰酸盐指数的测定》，NH3-N采用HJ 535-2009《水质氨氮的测定钠氏试剂分光光度法》，TN采用HJ 636-2012《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》，TP采用GB 11893-1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》。

1.4评价方法

综合水质标识指数法是以国家标准GB 3838-2002《地表水环境质量标准》为评价标准，分别求出单因子水质标识指数（P）和综合水质标识指数（I）。

1.4.1单因子水质标识指数单因子水质标识指数（P）由1位整数、小数点后2位或3位有效数字组成，表示为：式中：X1为第i项水质指标的水质类别；X2为监测结果在X1类水质区间所处的位置，按四舍五入计算；X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果。X1、X2、X3的确定参见文［27］。

1.4.2综合水质标识指数综合水质标识指数（I）由整数位和小数点后3位或4位有效数字组成，表示为：

式中：X1为水质总体的综合水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间所处的位置；X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区的比较结果。n为参加水质评价因子的个数。X1、X2、X3、X4的确定参见文［24］。

1.4.3水质类别的判定综合水质标识指数的级别判定见表1。

2　综合水质标识指数法在太湖渔业水质中的应用

根据GB 11607-1989《渔业水质标准》［28］、GB 3838-2002《地表水环境质量标准》［29］和太湖2009—2012年平水期和丰水期的可靠监测数据，并参考多年来太湖的水质特征，以DO、CODcr、CODMn、NH3-N、TN、TP 6项参数作为综合水质标识法的主要评价指标［30-31］，应用综合水质标识指数法进行水质评价。该水体水功能区划为地表水Ⅲ类水体。

2.12009—2012年太湖水质监测结果

如表2所示，依据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》评价，DO全部处于Ⅰ—Ⅱ类水质，CODcr在2014年均处于Ⅲ类水质，在2011年属于劣Ⅴ类水质，其余均处于Ⅳ—Ⅴ类水质之间CODMn除在2012年丰水期属于Ⅳ类水质外，其余时间均介于Ⅱ—Ⅲ类水质之间，NH3-N在2010年平水期处于Ⅳ类水质，其余时间均在Ⅰ—Ⅲ类水质之间，TN仅在2012年平水期和2014年丰水期达到水质指标要求，TP均超过Ⅲ类水质要求。根据水质指标计算单因子标识指数。

表1　综合水质标识指数的综合水质级别判定

表2　2009—2012年太湖水质监测结果mg/L

表3　单因子水质标识指数评价结果

2.2太湖单因子水质标识指数评价结果及分析

2.2.1单因子水质标识指数评价结果单因子水质标识指数评价结果见表3。如太湖2011年丰水期的NH3-N单因子水质标识指数为3.90，“3”表示氨氮为Ⅲ类水，“9”表示氨氮值位于Ⅲ类水区间中距下限值90%的位置，“0”表示监测值好于或达到水质功能目标。同样，2011年平水期总磷指数为4.51，“4”表示总磷为Ⅳ类，“5”表示值位于Ⅳ类水区间中距下限50%的位置，“1”表示水质监测值劣于目标值1个类别。

2.2.2单因子水质标识指数评价结果分析由表3可得到以下4点结论。①太湖主要污染因子的污染程度大小排列次序是：TP＞TN＞CODcr＞CODMn＞NH3-N＞DO。②TP质量浓度有所下降，但还是严重超标，是第一污染因子；TN质量浓度略有下降，但依然超标严重，是重点控制的污染指标，而TP、TN是导致水体富营养化的主要植物营养物质，因而造成太湖出现严重的富营养化问题；CODcr在2014年达到水环境功能区目标要求，在2009—2013年件均不能满足功能区目标。③CODMn和NH3-N除个别时间不能达到太湖水环境功能区目标要求外，其他时间均达到Ⅲ类水质标准。④其他单项指标均满足太湖水环境功能区目标要求。

2.3太湖综合水质标识指数评价结果

根据单因子水质标识指数，计算太湖综合水质标识指数，并进行综合水质评价，评价结果如表4所示。由表4可得到以下4点结论。①从时间分布上看，2011—2014年间平水期和丰水期综合水质标识指数平均值基本一致，说明太湖水质比较稳定。2009—2010年间丰水期综合水质标识指数平均值小于平水期，说明丰水期水质好于平水期，太湖水环境质量不太稳定。②2009—2011年间平水期综合水质标识指数平均值为Ⅳ类水质，水环境质量劣于功能区要求1个类别，但距离Ⅳ类水质变化区0～20%的位置，有转为Ⅲ类水质的趋势；2012—2014年间综合水质标识指数平均值为Ⅲ类水质，达到水环境质量功能区要求。③丰水期除2011年综合水质标识指数平均值为Ⅳ类水质外，其余5年均达到Ⅲ类水质，说明丰水期水质优于平水期，这与丰水期的强降水稀释作用分不开。④若采用国家标准，选择最差的指标，按照分类进行评价的方法评价太湖渔业水质，其结果是太湖渔业水质属于劣Ⅴ类水，这与水质现状明显不符，可见综合水质标识指数法的合理性。

太湖综合水质标识指数随时间变化如图2所示，图2表明，太湖综合水质标识指数在2012年后均是先上升后下降，并且有继续下降的趋势，表明太湖水质有继续转好的趋势。

表4　太湖综合水质标识指数评价结果

3　结语

综合水质标识指数法对太湖渔业水质的评价结果与水质现状一致，很好地确定了水质所属级别、水质现状及与水环境功能区类别的差距，具有计算简单、可操作性强、分析直观、评价科学合理的优点。

太湖渔业水质状况的时间分布表明，2009—2014年间丰水期水质总体优于平水期，水体水质良好，属于Ⅲ类水体，符合水质目标要求，且水质有转好的趋势。

太湖主要污染物为氮、磷营养元素，TN、TP的过量均会使浮游植物大量繁殖，水体出现富营养化，破坏水体中的氧气平衡，导致水质恶化，同时，藻类等浮游植物的死亡将释放毒素，引起水体进一步受到污染，因此应引起足够的重视，建议科学合理地计算与分配太湖养殖承载力和流域水环境承载力，建立生态养殖模式，全面修复并养护太湖水体生态环境。加大引江济太线路和增大引江水量，尽早使整个太湖的水质得以改善。

图2　太湖综合水质标识指数随时间变化图

［1］Qiu X H，Zhu T，Wang F，et al.Air-Water gas exchange of organochlorine pesticides in Taihu Lake［J］.China Environmental Science and Technology，2008，42:1928-1932.

［2］Jin X，Wang S，Yan P，et al.Phosphorus fractions and the effect of pH onthe phosphorus release of the sediments from different tropic areas in Taihu Lake China［J］.Environmental Pollution，2006，139:288-295.

［3］Yang S，Liu P.Strategy of water pollution prevention in Taihu Lake and its effects analysis［J］.Journal of Great Lakes Research，2010，36:150-158.

［4］王同生.太湖流域防洪与水资源管理［M］.北京:中国水利水电出版社，2006:10-11.

［5］Ye W J，Liu X，Tan J，et al.Diversity and dynamics of microcystin-Producing cyanobacteria in China's third largest lake，Lake Taihu［J］.Harmful Algae，2009，8（5）:637-644.

［6］濮培民，王国祥，李止魁，等.健康水生态系统的退化及其修复理论、技术及应用［J］.湖泊科学，2001，13（3）:193-203.

［7］Kunwar P S，Amrita M，Sarita S.Water quality assessment and apportionment of pollution sources of Gomti river（India）using multivariate statistical techniques-a case study［J］.Analytica Chimica Acta，2005，538:355-374.

［8］Shen P P，Shi Q，Hua Z C，et al.Analysis of microcystins in cyanobacteria blooms and surface water samples from Meiliang Bay，Taihu Lake，China［J］.Environment International，2003，29（5）:641-647.

［9］Duan H T，Ma R H，Xu X F，et al.Two-decade reconstruction of algal blooms in China's Lake Taihu［J］.Environmental Science and Technology，2009，43（10）:3522-3528.

［10］金相灿.中国湖泊环境：第一册［M］.北京:海洋出版社，1995:234-278.

［11］Li R G，Xia Y L，Wu A Z.Pollutants sources andtheir discharging amount in Taihu Lake area of Jiangsu Province［J］. Journal of Lake Sciences，2000，12:147-153.

［12］Zeng Y，Tang J，Lian S，et al.Study on the conversion of cyanobacteria of Taihu Lake water blooms to biofuels［J］. Biomass and Bioenergy，2015，73:95-101.

［13］Wang X，Lu Y，Han J，et al.Identification of anthropogenic influences on water quality of rivers in Taihu watershed ［J］.Journal of Environmental Sciences，2007，19:475-481.

［14］Ma T，Huang Q，Wang H，et al.Selection of benthic macroinvertebrate-based multimetrics and preliminary establishment of biocriteria for the bioassessment of the water quality of Taihu Lake，China［J］.Acta Ecologica Sinica，2008，28（3）: 1192-1200.

［15］Wang M，Shi W，Tang J.Water property monitoring and assessment for China's inland Lake Taihu from MODIS-Aqua measurements［J］.Remote Sensing of Environment，2011，115: 841-854.

［16］Zhao D，Cai Y，Jiang H，et al.Estimation of water clarity in Taihu Lake and surrounding rivers using Landsat imagery［J］. Advances in Water Resources，2011，34:165-173.

［17］Ying X X，Zheng Q X，Guang X X，et al.Assessment of nitrogen pollutant sources in surface saters of Taihu Lake region［J］.Pedosphere，2007，17（2）:200-208.

［18］Wang Y，Sheng D，Wang D，et al.Variable fuzzy set theory to assess water quality of the meiliang bay in taihu lake basin［J］.Water Resources Management，2014，28（3）:867-880.

［19］Chang N B，Chen H W，Ning S K，Identification of river water quality using the fuzzy synthetic evaluation approach［J］. Journal of Environmental Management，2001，63:293-305.

［20］Gong Q，Deng J，Xiang Y，et al.Calculating pollution indices by heavy metals in ecological geochemistry assessment and a case study in parks of beijing［J］.Journal of China University of Geosciences，2008，19（3）:230-241.

［21］Singh K P，Basant A，Malik A，et al.Artificial neural network modeling of the river water quality-a case study［J］.E－cological Modelling，2009，220（6）:888-895.

［22］Ip W C，Hu B Q，Wong H，et al.Applications of grey relational method to river environment quality evaluation in China［J］.Journal of Hydrology，2009，379（3-4）:284-290.

［23］周真明，沈春花，涂帆，等.山美水库综合水质标识指数评价［J］.华侨大学学报：自然科学版，2010，31（2）:215-217.

［24］徐祖信.我国河流综合水质标识指数评价方法研究［J］.同济大学学报:自然科学版，2005，33（4）:482-488.

［25］尹海龙，徐祖信.河流综合水质评价方法比较研究［J］.长江流域资源与环境，2008，17（5）:729-733.

［26］Miao Q，Gao Y，Liu Z，et al.Application of comprehensive water quality identification index in water quality assessment of river［C］.//Intelligent Systems，2009.GCIS'09.WRI Global Congress on.IEEE，2009，1:333-337.

［27］徐祖信.我国河流单因子水质标识指数评价方法研究［J］.同济大学学报:自然科学版，2005，33（3）:321-325.

［28］GB 11607-1989.渔业水质标准［S］.

［29］GB 3838-2002.地表水环境质量标准［S］.

［30］马倩，刘俊杰，高明远.江苏省入太湖污染量分析（1998-2007）［J］.湖泊科学，2010，22（1）:29-34.

［31］刘瑞民，王学军.太湖污染与环境动态监测信息系统研究［J］.中国环境监测，2001，17（13）:2-5.

Application of water quality identification index method in water quality evaluation of Taihu Lake

Zhang Li，Fan Xiangke，Zheng Hao，Duan Cuilan，Yang Zhen
（Fisheries Technology Extension Center of Jiangsu Province，Nanjing 210036，China）

According to the actual monitoring results of average water period and flood period from 2009 to 2014 and Surface Water Environmental Quality Standard（GB 3838-2002），six parameters which were DO，COD－cr，CODMn，NH3-N，TN and TP were selected as the main index to evaluate water quality of Taihu Lake with the method of water quality identification index.Single factor quality identification index results show that the pollution degree of Taihu Lake is as follows:TP＞TN＞CODcr＞CODMn＞NH3-N＞DO.The serious problem of excessive eutrophication was caused by TP and TN，and the water quality wasⅠ—Ⅱbased on DO results.Comprehensive water quality identification index indicates that the water quality was better in flood period than in average water period，and the trend had continued to change for the better，with the requirements of water environment functional area could be achieved.

Taihu lake；comprehensive water quality identification index；single factor identification index；water assess