基于营养状态指数和灰色模式识别模型的青山国家湿地公园水质评价

饶继刚 张婷 饶兴旺 毛圣明 钟学斌 陈志

摘要：以青山国家湿地公园2014—2016年的季度水质数据为基础资料，采用营养状态指数和灰色模式识别模型对青山国家湿地公园水域水质变化趋势和所受污染情况做出了综合分析和评价。结果表明，青山国家湿地公园水体水质整体上达到了地表水Ⅱ类的水质标准，保持在贫营养到中营养程度的营养化状况，有部分年月水质甚至可以达到地表水Ⅰ类标准，水体的自我修复能力较强。说明青山国家湿地公园的水环境管理措施使得湿地水域能够达到地表水水域环境功能和保护目标，生态系统健康状态良好，保证了该湿地生态系统功能的正常发挥。

关键词：湿地公园;水质评价;营养状态;灰色模式识别

中图分类号：X824         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）01-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.009           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Water Quality Assessment of Qingshan National Wetland Park Base on the Nutrition Status Index and Grey-mode Identification Model

RAO Ji-gang1，ZHANG Ting2，RAO Xing-wang1，MAO Sheng-ming1，ZHONG Xue-bin2，CHEN Zhi2

（1.Hubei Chongyang Qingshan National Wetland Park Management Office，Chongyang 437500，Hubei，China;

2.School of Resources Environmental Science and Engineering，Hubei University of Science and Technology，Xianning 437100，Hubei，China）

Abstract： Based on the quarterly water quality data of Qingshan National Wetland Park from 2014 to 2016， the trend of water quality change and pollution situation in Qingshan National Wetland Park were comprehensively analyzed and evaluated by using the nutrition status index and grey-mode identification model. The results showed that the surface water of Qingshan National Wetland Park were the Ⅱ class water quality standards on the whole， kept in a "poor nutrition" to "nutrition" in the degree of eutrophication status， and some years could even reach the Ⅰ class water quality standard， water bodys self-healing ability was stronger. It can be seen that the water environment management measures of Qingshan National Wetland Park enable the water area of the wetland to achieve the environmental function and protection goal of the surface water area， the ecosystem is in good health， and the function of the wetland ecosystem is guaranteed.

Key words： wetland park; water quality assessment; nutritional status; grey-mode identification model

濕地公园的水质状况反映了湿地生态系统的功能状况，其优劣直接关系到湿地公园的生态保护成效、生态恢复状况和湿地资源的可持续利用[1，2]。湿地水环境作为湿地系统中最为重要的部分，对其的评价结果可以为湿地公园生态环境保护，湿地水资源的合理开发利用提供科学依据[3-5]。

青山国家湿地公园位于湖北省崇阳县的东南部，是青山水库的主库区，拥有丰富的水生生物资源，是青山河中、下游地区居民重要的饮用水源地，其水质的优劣直接关系到下游地区居民的用水安全和社会经济的发展，甚至影响着整个陆水河流域的生态安全，具有重要的保护与利用价值。因此，必须加强对青山国家湿地水质的监测与保护。为了更加客观地分析评价青山国家湿地公园的水质状况，本试验结合青山国家湿地公园管理处对湿地主库区2014—2016年的水质监测数据，采用营养状态指数和灰色模式识别模型对青山国家湿地公园水域水质变化趋势和所受污染情况做出了综合分析和评价，并根据评价结果对青山国家湿地公园今后的水环境保护提出了相应建议。

1  数据来源与研究方法

1.1  研究区概况

青山国家湿地公园位于湖北省咸宁市崇阳县南部青山镇，是青山水库的主体。崇阳县位于湖北省南部，幕阜山脉中段北麓，长江右岸一级支流陆水中游，湘、鄂、赣三省交界处。青山国家湿地公园内的湿地总面积为1 229.95 hm2，占湿地公园规划面积的54.69%。青山国家湿地公园是以库区为主体的湿地，库塘湿地的面积最大，为1 188.6 hm2，占湿地总面积的96.64%。库塘平均水深27 m，总蓄水量4.29亿m3，调洪库容量0.82亿m3，兴利库容2.084亿m3，是以防洪、灌溉为主，兼具发电、供水水源、航运、养殖等综合利用效益的水利工程，水资源极为丰富，是陆水水系的重要水源。

青山国家湿地公园所有水系均为陆水水系，公园内大小溪流均汇入陆水二级支流青山河。湿地公园水域主体为青山河上游，属于青山水库主库区。水系主流方向自南向北，汇入陆水水系，最后经陆水注入长江。入库溪流包括双港和大溪港等。

1.2  数据来源

各水质指标的数据来源于湖北省崇阳县环境监测站，水质指标包括pH、叶绿素a、溶解氧、总氮、总磷、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮和透明度。

1.3  营养状态评价

湖库富营养化是指湖泊水体在自然因素和（或）人类活动的影响下， 大量营养盐输入湖泊水体， 使湖泊逐步由生产力水平较低的贫营养状态向生产力水平较高的富营养状态变化的一种现象[6]。湖库富营养化评价就是通过与湖库营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系对湖泊的营养状态做出准确的判断。

根据评价指标的代表性，采用综合营养指数法[7]，选取叶绿素a、总氮、总磷、透明度和高锰酸盐指数作为评价参数，以叶绿素a为基准参数，通过计算其他参数的归一化相关权重和营养状态指数，计算青山国家湿地公园不同时期、不同监测点的综合营养状态指数[TLI（∑）]。水库营养状态分级采用0～100的一系列连续数字对水库营养状态进行分级，包括贫营养、中营养、富营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养，与污染程度关系如表1所示。

1.4  灰色模式识别模型

根据实际监测数据的完整性、可得性以及评价指标的代表性，主要选取总氮、总磷、CODMn和氨氮4项指标来综合评价青山国家湿地公园水质，评价标准采用GB 3838-2002。

为了更好地分析青山国家湿地公园水质的变化趋势，采用灰色模式识别模型并利用水质综合评价方法求出水质综合指数。灰色模式识别模型是在灰色关联度的基础上引入加权关联差异度的概念，采用模糊識别的思想解出最优权系数，即灰色从属度，最后利用综合指数法求出水质综合指数，判定水质级别[8，9]。该方法可以充分利用环境监测数据，计算出青山国家湿地公园不同时期、不同监测点的水质综合指数，根据水质综合指数（GC）进行水质优劣评价。GC的取值在1～5，最小值为1，最大值为5，只有当各指标都达到一级水要求时，GC=1;当所有指标都超过或等于5级水质标准时，GC=5;其余情况，1

2  结果与分析

2.1  水质单指标分析

2.1.1  pH  青山国家湿地公园各调查点的pH如图1所示，2014—2016年取水口水体pH的平均值±标准差为7.60±0.62，最大值为8.32，最小值为6.50;库心水体pH的平均值±标准差为7.51±0.57，最大值为8.41，最小值为6.84。取水口和库心两个采样点的pH在监测期间都呈现先降低后升高的趋势。总体而言湿地公园水体呈弱碱性，不同采样点间pH差异不明显。

2.1.2  溶解氧  青山国家湿地公园各调查点的溶解氧含量如图2所示，2014—2016年取水口水体溶解氧含量的平均值±标准差为8.45±0.73 mg/L，最大值为9.3 mg/L，最小值为6.5 mg/L。取水口近3年11次的溶解氧含量监测结果中，有10次的监测结果可以达到地表水Ⅰ类的水质标准（≥7.5 mg/L）。2014—2016年库心水体溶解氧含量的平均值±标准差为8.48±0.73 mg/L，最大值为10.0 mg/L，最小值为7.7 mg/L。库心水体溶解氧的监测结果已经100%达到地表水Ⅰ类的水质标准。季节变化上，水库溶解氧含量呈现出夏季低于其他季节的变化趋势。

2.1.3  CODMn  CODMn是反映水体中有机以及无机可氧化物质的常用指标，也是富营养化水体水质评价中的重要指标。青山国家湿地公园各调查点的CODMn含量如图3所示，2014—2016年取水口水体CODMn含量的平均值±标准差为2.17±0.61 mg/L，最大值为3.5 mg/L，最小值为1.5 mg/L，监测结果中CODMn含量达到地表水Ⅰ类（≤2 mg/L）和Ⅱ类标准（≤4 mg/L）的样本占比分别为27%和73%。2014—2016年库心水体CODMn含量的平均值±标准差为2.43±0.50 mg/L，最大值为3.5 mg/L，最小值为2.0 mg/L，库心水体的CODMn含量100%达到了地表水Ⅱ类标准。

2.1.4  氨氮  湖水中以无机氮为主，主要形态有氨氮、硝态氮、亚硝态氮。氨氮是水体中含氮有机物在有氧条件下经微生物分解的产物，氨氮通过硝化作用过程可形成亚硝态氮，并最终形成硝态氮。一般根据水体中氨氮含量的变化可判断水体的有机物污染状况[12]。青山国家湿地公园各调查点的氨氮含量如图4所示，2014—2016年取水口水体氨氮含量的平均值±标准差为0.10±0.007 mg/L，最大值为0.250 mg/L，最小值为0.026 mg/L;除2015年9月和12月两次监测结果外，其他时间的监测结果均达到了地表水Ⅰ类标准（≤0.15 mg/L）。2014—2016年库心水体氨氮含量的平均值±标准差为0.14±0.13 mg/L，最大值为0.390 mg/L，最小值为0.025 mg/L;除2014年9月、2015年12月和2016年3月监测结果外，其他时间的监测结果均达到了地表水Ⅰ类标准。以上分析说明青山国家湿地公园水体基本不受有机物污染。

2.1.5  总氮  总氮作为表征地表水水质的主要指标，也是评价湖泊水体富营养化程度的重要指标。青山国家湿地公园各调查点的总氮含量如图5所示，2014—2016年取水口水体总氮含量的平均值±标准差为0.39±0.09 mg/L，最大值为0.500 mg/L，最小值为0.290 mg/L;库心水体总氮含量的平均值±标准差为0.42±0.08 mg/L，最大值为0.550 mg/L，最小值为0.316 mg/L。除2014年9月库心的总氮浓度为0.550 mg/L外，2014—2016年两个监测点的总氮监测结果均达到了地表水Ⅱ类的水质标准（≤0.5 mg/L），超标的可能原因是岛上居民生活污水和生活垃圾任意排放带来的污染导致氨氮浓度的升高。

2.1.6  总磷  青山国家湿地公园各调查点的总磷含量如图6所示，2014—2016年取水口水体总磷含量的平均值±标准差为0.02±0.00 mg/L，最大值为0.021 mg/L，最小值为0.010 mg/L，2016年5月青山国家湿地公园总磷含量低至0.010 mg/L，达到了地表水Ⅰ类的水质标准（≤0.01 mg/L），监测时间段内其余监测结果均可达到地表水Ⅱ类的水质标准（≤0.025 mg/L）。2014—2016年库心水体总磷含量的平均值±标准差为0.02±0.01 mg/L，最大值为0.042 mg/L，最小值为0.010 mg/L，监测结果中总磷含量达到地表水Ⅰ类和Ⅱ类标准的样本分别占36%、64%。以上分析说明，2014—2016年青山国家湿地公园水体总磷含量单项指标评定结果为Ⅰ～Ⅱ类。

2.1.7  叶绿素a  水体叶绿素含量是衡量水体富营养化水平的重要指标，水体中叶绿素含量的高低主要与水体中浮游藻类的分布有关。青山国家湿地公园各调查点的叶绿素a含量如图7所示，2014—2016年取水口水体叶绿素a含量的平均值±标准差为10.73±14.41 mg/L，最大值为50 mg/L，最小值为0.109 mg/L。2014—2016年库心水体叶绿素a含量的平均值±标准差为8.25±11.07 mg/L，最大值为33 mg/L，最小值为0.002 mg/L。青山国家湿地公园水体叶绿素a含量在2014—2016年总体呈下降趋势，但叶绿素a含量的空间分布差异波动较大。水体叶绿素a含量与水生植被的生长密切相关，一般水体透明度较高、水生植被丰富的水体，叶绿素a浓度较低。

2.1.8  透明度  青山国家湿地公园各调查点的水体透明度如图8所示，2014—2016年取水口水体透明度的平均值±标准差为5.54±1.49 m，最大值为8.0 m，最小值为2.6 m。2014—2016年库心水体透明度的平均值±标准差为5.96±1.18 m，最大值为8.0 m，最小值为4.2 m。青山国家湿地公园水体透明度较高，在2014—2016年总体呈上升趋势，与叶绿素a含量的变化趋势相反，说明青山国家湿地公园的水环境治理措施已经产生了较好的效果。

2.2  营养状态评价

根据2014—2016年崇阳县环境监测站在青山国家湿地公园监测的水质数据，采用综合营养状态指数法计算出青山国家湿地公园不同时期、不同监测点的综合营养指数，结果如表2所示。由表2可知，2014—2016年11次水質监测中，取水口水体营养状态为中营养的水体样本占比为55%，水质状态良好;处于贫营养的水体样本占比为45%，水质状态优。库心水体营养状态为中营养的水体样本占比为50%，水质状态良好;处于贫营养的水体样本占比为50%，水质状态优。说明青山国家湿地公园水域的水质保持在优到良好程度的营养化状况。

2.3  灰色模式识别模型评价

根据2014—2016年崇阳县环境监测站在青山国家湿地公园监测的水质数据，利用灰色模式识别模型计算出青山国家湿地公园不同时期、不同监测点的水质综合指数，如图9所示。由图9可知，2014—2016年取水口监测点分别有18%和82%的时间段水质达到了地表水Ⅰ类和II类的标准;库心监测点分别有9%和91%的时间段水质达到了地表水Ⅰ类和II类的标准，说明近3年来青山国家湿地公园水体水质整体上达到了Ⅱ类水质标准，青山国家湿地公园作为崇阳县47万人的分散式饮用水源地，水体的自我修复能力较强，达到了地表水水域环境功能和保护目标。

3  小结与讨论

通过对2014—2016年青山国家湿地公园水环境监测和评价，结果显示2014—2016年青山国家湿地公园水体水质整体上达到了地表水Ⅱ类的水质标准，保持在贫营养到中营养程度的营养化状态，有部分年月水质甚至可以达到地表水Ⅰ类标准，水体的自我修复能力较强。说明青山国家湿地公园的水环境管理措施使得湿地水域能够达到地表水水域环境功能和保护目标，生态系统健康状态良好，保证了该库塘湿地生态系统功能的正常发挥。青山国家湿地公园目前主要面临的污染包括化肥和农药使用带来的面源污染、农业养殖业污染、生产生活污染和旅游业发展所带来的污染。应加强控制周边地区的点源和面源污染，发展生态农业、减少化肥、农药的使用量;加强坡岸带治理，改善坡岸带景观;加强污水设施建设与配置，加强生活垃圾的管理和有效处理，加强旅游及航运船舶的运行管理，控制总量，增强保护措施。

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