基于综合营养状态指数的百花湖水环境评价

赵 梦，焦 树 林，梁 虹，曹 玉 平

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001； 2.贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室,贵州 贵阳 550001)

1 研究背景

当前，世界河流正在受到人工筑坝拦截的广泛影响[1-3]。人类在河流上建造大坝的数量逐年增加，据统计：全国已建成大、中、小型水库共98 461座[4]，在长江流域，因为修建梯级水电站而建筑的水库已达4.8万余座[5]。筑坝后人类可有效调蓄利用水资源，获得巨大的利益[6]。但筑坝对天然河流的原始水动力、水文循环等自然过程产生了显著影响，例如水体含沙量、水流速度、水深、水体滞留时间、水体覆盖面积、水团混合方式、水化学过程、水生生物等均发生了变化[7]。此外，也导致了整个流域水文系统生态环境的变化，如水库对河源物质(营养盐、水量、含沙量)的吸收、转化、滞留会对海-陆物质输送产生干扰，即河流原有的动态、开放、连续的生态系统发生了改变，原有物种所适应的天然径流和水文条件的栖息地丧失、河流作为生物和营养元素交流廊道的功能不复存在、沿岸连接高地和水域生态系统的“过滤”作用降低[8]。由于大坝拦截河流，使得水流速度向静水状态转变，随着时间的推移，水库自身也会出现类似天然湖泊的特征。

贵州高原水库大多为河道峡谷型水库[9]。贵州省喀斯特地貌面积广阔，岩溶分布广泛，碳酸盐岩石出露面积占了全省总面积的73%[10]，地表崎岖破碎，地下洞隙纵横交错，水文动态变化剧烈，地表水渗漏严重，旱涝交替，土壤贫瘠，植被生长困难等造成其生态环境极为脆弱[11]。随着社会进步和经济发展的需要、人口增多，人类活动不断加强，水体污染问题也日益突出[12]，一旦河流水库生态系统遭到破坏，恢复到自然状态的生态环境需要的力度会非常大。目前，关于贵州乌江流域百花湖富营养化研究主要有百花湖富营养化特征分析、水库湖沼学变量特征及环境效应等[13-16]，而对该水库丰水期、平水期和枯水期的水环境研究成果较少。本文以百花湖水库为例，通过监测水体相关理化参数，探究喀斯特高原百花湖水质状况，为水库水资源管理提供依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

百花湖位于贵阳市西北郊，地理坐标为106°27′E～106°32′E,26°35′N～26°41′N，夏、秋季水温可达26 ℃左右，冬季12月在10 ℃左右[17]。百花湖属云贵高原乌江支流猫跳河六级开发中第二级的大型人工水库，于1966年建成，1987年被国务院批准为国家级风景名胜区。湖泊长18 km，平均宽度0.8 km，湖泊流域面积1 895 km2，湖面面积为14.5 km2，湖泊最大水深45 m，平均水深12.55 m，设计正常高水位1 195 m，相应库容18.2亿m3，发电装机库容2.2万kW，湖泊补给系数为182.2，湖水滞留时间为0.102 a[18-20]。该水库原始功能为发电、调洪、供水、农业灌溉和养殖，兼具旅游和水上运动等功能，主要为贵阳市白云水厂、贵州铝厂及朱昌镇供水。根据《贵阳市城市总体规划》，2020 年将在百花湖周边建成百花新城，如果百花湖周边环境不加以保护，届时百花湖污染将会更为严重[21]。

2.2 采样与分析方法

根据百花湖湖泊形状、湖泊入湖支流分布特点布设5个采样点，于2017年1，4，7月(根据水文年将1月定为枯水期、4月定为平水期、7月定为丰水期)，对百花湖表层水体进行采样,利用LocaSpace Viewer和ArcGIS10.1软件确定采样空间轨迹和位置(见图1)。

图1 百花湖采样点分布Fig.1 Baihua Lake sampling sites distribution

2.3 富营养状态评价

富营养状态指数采用修正的卡尔森指数方法进行计算。选取TN，TP，SD作为湖泊富营养化评价因子，营养状态指数(Trophic State Index，TSI)参照李祚泳、张辉军的方法计算[23]。评价公式如下：

TSI(Chla) =10×[2.46+1.09×ln(Chla) ]

(1)

TSI(SD) =10×[5.52-1.94×ln(SD)]

(2)

TSI(TP) =10×[9.40+1.62×ln(TP) ]

(3)

TSI(TN) =10×[5.24+1.86×ln(TN)]

(4)

(5)

式中，TSI(Chla)为叶绿素a营养指数，TSI(SD)为透明度营养指数，TSI(TP)为总磷营养指数，TSI(TN)为总氮营养指数，TSI(∑)为综合营养状态指数；Wj代表第j种相关参数的营养状态指数的权重；TSI(j)代表第j种参数的营养状态指数；m为评价参数的个数。评价等级见表1。

表1 综合营养状态指数分级Tab.1 Classification of trophic state index(TSI)

3 结 果

3.1 湖泊理化参数特征值

温度在丰水期、平水期和枯水期各期间变化较平稳，丰水期、平水期和枯水期均值分别为21.3 ℃、15.5 ℃、11.6 ℃。利用变异系数Cv值来描述数据离散程度，3个时期Cv值分别为0.081，0.034，0.018，表明丰水期温度变幅程度大于平水期和枯水期(如表2所示)；丰水期、平水期和枯水期温度变化整体都较为平稳，丰水期温度在4号采样点，出现下降趋势，平水期随走航距离增加整体呈上升趋势，枯水期整体呈下降态势，如图2(a)所示。

pH值在丰水期、平水期和枯水期间变化极小，丰水期、平水期和枯水期均值分别为8.0，8.4，7.9，这主要是因为春季水体升温较快，浮游植物光合作用能显著提高水体pH，丰水期虽然浮游植物光合作用也强，但水中鱼的活动、水生生物呼吸与腐败过程等会释放CO2，pH降低[13]。平水期pH值变化范围小于丰、枯水期；平水期pH值大致在8.35上下波动，而丰水期和枯水期pH值随走航距离增加，pH值变化趋势整体一致，呈降低-增加-降低的变化趋势，如图2(b)所示。

DO在丰水期、平水期和枯水期均值分别为9.6，11.2，7.2 mg/L，Cv值分别为0.253，0.189，0.102，丰水期DO变幅大于平水期和枯水期(如表2所示)，丰水期变化更为强烈；丰水期DO随走航距增加整体呈下降趋势，从4号到5号采样点急剧下降，而平水期和枯水期则相反，随航距增加整体呈上升趋势，如图2(c)所示。

SD在丰水期、平水期和枯水期均值分别为1.5，1.4，1.3 m，Cv值分别为0.141，0.347，0.337，平水期和枯水期SD较丰水期而言，其变化范围较大(如表2所示)，丰水期SD变化更为平稳；丰水期SD以3号采样点为中心，呈“V”形变化趋势，平水期和枯水期变化趋势大致一样，整体随走航距离增加呈下降趋势，如图2(d)所示。

丰水期N/P变化较大，呈增加-降低-增加的趋势，而平水期和枯水期大致以3号采样点为中心，先增加(1～3号采样点)后降低(3～5号采样点)，如图2(g)所示；丰水期N/P均值>枯水期N/P均值>平水期N/P均值(如表2所示)。

3.2 湖泊营养盐时空变化

TN值在丰水期、平水期和枯水期均值分别为1.8，2.3，2.1 mg/L，Cv值分别为0.078，0.453，0.471，相比丰水期，平水期和枯水期TN值变化程度更为强烈(如表2所示)；丰水期、平水期和枯水期TN值随走航距离增加都呈上升趋势，丰水期变化较枯水期和平水期平稳，如图2(f)所示。

TP在丰水期、平水期和枯水期均值分别为0.034，0.100，0.083 mg/L，Cv值分别为0.136，0.916，0.964，丰水期TP值变化明显小于平水期和枯水期(如表2所示)；丰水期TP随航距增加其值变化平稳，大致在0.035 mg/L上下波动，平水期和枯水期TP变化趋势大致一样，从1号点到3号点变化平稳，3号点之后逐渐增加，如图2(e)所示。

3.3 综合营养指数时空变化

丰水期TSI(∑)呈缓慢增加趋势(1～4号采样点)，之后下降， 平水期TSI(∑)变化以二号采样点为拐点，呈先降后增的趋势，枯水期TSI(∑)整体呈上升趋势(如图4所示)。平水期TSI(∑)均值>枯水期TSI(∑)均值>丰水期TSI(∑)均值(如表3所示)。从丰水期标准差和Cv可以得出，平水期和枯水期的综合营养指数变化较丰水期更为明显(如图4、表3所示)。平水期和枯水期综合营养状态指数最大值都出现在5号采样点，这应该是受上游红枫湖流域带来大量营养物质所致。

4 讨 论

百花湖表层温度在11.2 ℃～22.5 ℃之间(表2)，温差变化幅度较小(11.3 ℃)，这与该地区常年气候温和，全年气温变化小有关。夏季高温、冬季寒冷、春季水体升温较快，因而丰水期温度>平水期温度>枯水期温度。百花湖表层溶解氧具有季节变化特征，5个采样点溶解氧值变化范围在5.0～14.9 mg/L之间，枯水期均值最小，为7.2 mg/L，这可能与上层和下层水体垂直交换有关，水体混合过程因垂直交换上迁的还原物质被氧化，使水体溶解氧降低[18]。又由于受浮游植物光合作用影响，丰水期和平水期溶解氧均值较高，分别为9.6，11.2 mg/L，达到饱和状态。平水期因新生浮游植物光合作用和水库经常处于交换及不同程度的流动状态，溶解氧高，丰水期虽然浮游植物光合作用也强，但水中耗氧因子(如鱼的活动、水生生物呼吸与腐败过程等)也多[13]，因而溶解氧较低。

表2 各理化参数特征值Tab.2 Physical and chemical parameter eigenvalues

图2 水体参数时空变化Fig.2 Spatio-temporal variation of water parameters

表3 营养状态指数特征值TSI(∑)Tab.3 Nutritional state Index eigenvalues

由表2，图2～3可知，百花湖是一个高氮、高磷的高原水库。总氮与总磷空间分布较为明显，这说明流域径流带来的营养盐是二者的主要来源，百花湖以红枫湖的下泄水为主要补给，两湖相距10 km，物质通过红枫湖沉积作用之后，再流入百花湖[16]，5号采样点位于水库上游，其氨氮值都达到最大值，这可能是上游带来较多营养盐，导致氨氮含量较其余4个采样点高。

图3 氨氮变化分布Fig.3 Distribution of ammonia nitrogen changes

百花湖透明度在0.6～1.9 m之间，存在季节性分布的特点。丰水期透明度均值>平水期透明度均值>枯水期透明度均值，最小值出现在平水期和枯水期，分别为0.6 m和0.8 m，与夏品华等[15]的研究结论不同，这可能是由于对湖泊的除藻管理、对湖泊周围山体的开垦等原因致使水土流失，影响了湖泊的透明度。

百花湖全湖丰水期综合营养状态指数为29.56，属于贫营养；平水期和枯水期营养指数分别为35.31，31.56，同属中营养(见表3),因此，可认为百花湖的水质环境良好。营养状态指数差距并不大，这可能是水库水体中部分含氮物质以气体形式释放至大气中，另外上覆水体中的氮通过吸附、络合、絮凝、沉降等作用被沉积物接纳，使沉积物成为湖泊氮的重要库源，加上在物理、化学和生物等作用下，沉积物中的氮素不断向上覆水体释放，成为湖泊水体氮素内源[24]。再者，当沉积磷的赋存形态发生变化时会引起沉积磷向上覆水体再释放，重新参与湖泊生态系统的物质循环，沉积磷在一定条件下可能是湖泊的重要营养物来源[25]。根据历年该湖泊水质研究(2008～2009年，百花湖水库为中-富营养型水体[15]；2011年，百花湖水库呈富营养型水体[13]；2014年，百花湖水库为中营养型水体[14]；2017年，本文研究得出百花湖处于贫-中营养状态)，可知百花湖水质大致呈逐年变好的趋势。

图4 营养状态指数时空变化Fig.4 Spatio-temporal variation of nutritional status index

5 防治措施

过去百花湖因采矿业、制造业不合理运营所产生的工业废水，农业中大量流失的农药、化肥，未经处理的城镇生活污水，水产养殖遗留的剩余饵料等造成了大量营养物质输入湖泊[26]，但经过多年的整治，百花湖水质已趋良好。然而，随着经济的发展、人类活动的加强，尤其是百花湖新城的建成，若百花湖周边环境不加以保护，势必会污染到百花湖。因此，提出以下防治措施。

(1) 涉及到排入百花湖区的污水产业，必须进行污水集中净化后排放。

(2) 百花湖为高氮、磷控制的水库，要以生物治理措施为主，合理的选择、种植人工湿地植物，吸收湖底沉积物释放的氮磷元素；对影响湖泊水质的湿地植物要定期清除[26]。

(3) 湖区的生产生活垃圾要定点放置并统一处理、农村厕所生态化(沼气池)、进行湖泊保护的宣传教育、政府要制定相关的法律法规。

(4) 径流输入为百花湖营养盐主要来源，要形成健康的水循环体系，必须保护好上游地区的生态环境，对已经污染的区域要及时治理，河湖同治。治理源头是全局性整治的关键。

(5) 百花湖湖区可植树造林，杜绝乱伐乱垦所形成的水土流失，保护好湖区的生态环境。

(6) 定期检测农业施肥区涉及到流入百花湖的河流，对河流中营养物超标现象要及时处理：如加强土地管理，合理使用土地资源；改良作物方式；改进施肥方式、保土耕作、作物轮植等[27]。

6 结 论

百花湖表层水温在11.2℃～22.5 ℃之间，pH值为7.7～8.4，溶解氧为5.0～14.9 mg/L之间，总氮、总磷和氮磷比分别在1.4～4.1，0.030～0.964 mg/L和14.9～64.3 mg/L之间，为高氮、磷控制的水库。透明度和氨氮分别为在0.6～1.9 m和0.01～1.85 mg/L之间。径流输入为百花湖营养盐主要来源，百花湖全湖丰水期营养指数为29.56，属于贫营养；平、枯水期营养指数分别为35.31，31.56，同属中营养，综上百花湖处于贫-中营养状态。从历年研究结果可知，百花湖水质大致呈逐年变好的趋势。

随着走航距离增加，特别是接近径流入湖口，营养盐含量都较高，说明地表径流的输入是该水库营养盐的主要来源，使得该水库营养盐存在明显的空间分布；由于该地区常年气候温和、气温变化较小，百花湖丰水期、平水期和枯水期表层温差变化幅度较小；受浮游植物光合作用影响，丰水期和平水期溶解氧均值较高；丰水期透明度均值>平水期透明度均值>枯水期透明度均值。