2015—2017年江西南昌军山湖水体营养状态演变特征

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

水资源是人类生产及生活不可或缺的基础物质之一[1]，大规模的水体富营养化程度加剧给我国当前水资源管理带来了严峻的挑战[2]。目前，有关湖泊、水库和河流等水体富营养化的机理研究较多。王辉等[3]运用突变模型势函数定量判别了连云港近岸海域的富营养化程度；鲍管强等[4]综合神经网络和综合营养状态指数法较好地评价了黑河流域富营养化状况；王丹宇等[5]采用营养状态指数法得出了尼尔基水库的主要超标水质因子；赵建国等[6]采用对数型幂函数指数法解析了永定河怀来段的富营养化风险；殷守敬等[7]将遥感技术和综合营养指数法结合应用评价了巢湖富营养化状态。

水体富营养化评价方法较多[8-10]，主要有聚类分析法、主成分分析法、神经网络法、模糊评价法和综合营养状态指数法（TLI）等。各种评价方法在运用中或多或少都有一定的缺点，如聚类分析法在权重的确定上主观性较大[11]、主成分分析法数据处理计算量较大[12]、综合营养状态指数法不能反映出个别污染较重因子的贡献率[13]、模糊评价法在隶属函数的确定上客观准确性较差、神经网络法不能统一各评价指标量纲[14,15]。综合营养指数法和营养状态指数法分别是我国环保部门和水利部门认可的富营养化评价方法，加之计算较为方便，应用较多。目前应用综合营养指数法大多都是在最后评价结果上深入分析以及在评价标准上进行细分[13]。军山湖原属于鄱阳湖，1959年建闸筑堤隔断了与鄱阳湖的联系。隔断后水流变缓，水生态系统变化较大，水体自净能力下降。湖内养殖强度加大，面源污染加剧，水体营养水平明显上升[16]。近年来，有关军山湖的研究较多[17-19]，但主要集中在水质因子的分析、浮游动物等，有关军山湖水体营养状况却鲜有报道。军山湖水质有恶化趋势，分析及评价军山湖水体营养状态尤为必要。军山湖水质目前整体较好，没有个别污染较重的水质因子，且丰水期和枯水期的污染物浓度差异性不大[17]，故分不同时期对军山湖进行营养状态评价可能意义不大。判别军山湖水体营养等级时，采用综合营养状态指数法可能精度更高。因此，本文选用该方法分析评价2015—2017年军山湖水体的营养，以期为军山湖水资源管理及水环境治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 监测点与检测方法

军山湖（116°15'～116°21'E、28°23'～28°39'N）水体面积185～210km2，长约25km，宽约5km，最宽处达16km，流域面积为616km2，最大水深约6.5m，平均水深4.3m，是江西省南昌市进贤县最大内湖，与金溪湖、青岚湖相连。军山湖盛产甲鱼Trionyx sinensis、鳜Siniperca chuatsi、银鱼Hemisalanx prognathus Regan 等名贵水产品，为“无公害水产品养殖基地”。研究区山水环绕，地势东南高、西北低，属于热带季风湿润气候，雨量充沛，四季分明，丘陵地带主要以黄棕壤为主，岗地以黄土为主，平原地主要以水稻土为主，年均气温17.1℃，冬季平均气温5.4℃，年均降水量为1075mm，年平均日照时间为2063h，年均风速为3m/s，并以东南风为主。

根据军山湖形状特征，本研究共设12 个采样点，分别为S1（入湖口）、S2（军山湖与鄱阳湖闸相通处）、其他点位（S3～S12）根据梅花布点设置原则，以4km×4km 为间距，设置于网格交叉点处。研究区地理位置及监测点位见图1。2015年至2017年每年的1月、3月、5月、7月、9月和11月中旬采集军山湖各监测点表层0.5m 处的水样，用透明度盘现场测定各点位的透明度（SD）。水样经过滤后装入经长时间酸浸泡的聚乙烯瓶中，立即送至实验室测定高锰酸钾指数（CODMn）、总氮（TN）、总磷（TP）、叶绿素a（Chla）含量共4 个指标。TP 浓度采用钼酸铵分光光度法测定、TN 浓度用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定、Chla 浓度用分光光度法测定。各水质因子检测时严格按照《水和废水测定方法》中相关操作步骤进行，每一项指标均平行测定三次。

用SPASS 19 求取各监测点中各营养因子的最大值、最小值、平均值、标准差和各水质指标的相关性，采用T 检验法剔除离群值（各点位的营养因子以年份为单位进行统计），若个别离群数据被剔除后则求取剩下数据的平均值作为该点位营养因子在该年份的平均浓度。

1.2 综合营养状态指数法

参照《地表水环境质量评价方法》中对综合营养状态指数法的描述，选取Chla、TN、TP、CODMn和SD 五个水质指标计算军山湖各监测点的综合营养状态指数，计算公式如下：

式中：TLI（∑），综合营养状态指数；TLI（j），第j 种物质营养状态指数；Wj，第j 种物质在该评价体系中所占比重。

各水质指标的营养状态公式分别为：

取Chla 作为基准参数，第j 种营养物质归一化以后的权重计算方法如下：

式中：rij，第j 种物质与叶绿素a 的相关系数；m，参评营养物质的个数。查相关规范[13]，各营养物质与Chla 的相关性系数及计算后的权重值如表1所示，评价标准如表2 所示。

表1 军山湖水中各营养物质与Chla 的相关性系数与计算权重值Tab.1 Correlation coefficient and calculated weight value between each nutrient content and Chla content in Junshan Lake

2 结果与分析

2.1 水体营养状态空间变化特征

对2015—2017年各监测点营养状态指数（表3）分析可知：三年来，军山湖北半部监测点营养状态指数低于南半部，且三年来S1、S2、S3、S4 点营养指数值相差不大，说明三年来湖泊入口处（S1）来水水质较好，附近无新增污染源排放；2015年12 个监测点中只有S7、S10、S11、S12 点处于中营养状态，其他点位处于贫营养状态，且这三个点的综合状态指数均接近于30（贫营养与中营养分界值），这主要是由于军山湖水产养殖主要集中在S7、S10 两个监测点附近，而S11、S12 处于中营养可能是该两点处于湖泊末端，水体交换周期较长，水质受S10 点水产养殖的影响。S7 点的五种营养因子指数中TLI（TP） 最高，S10、S11 和S12 三个点位均是TLI（CODMn）最高。推测可能是：在湖泊交叉点两边圈养不同的水产种类；2016年12 个监测点中仅有S1、S2、S3、S4、S5 五个点位处于贫营养状态，其他点位处于中营养状态，这是因为该年当地政府加大了对水产养殖的鼓励力度，养殖水域面积大幅度增加，军山湖中所圈养的水产种类也有所增加；2017年S1、S2、S3、S4 4 个点位处于贫营养，其他点位处于中营养，且养殖区域及附近的点位营养指数较2016年增大较多，这可能是因为军山湖属于相对封闭的湖泊，水体交换周期长，再加上养殖所产生的污染物常年积累所致；2017年S10、S11、S12 三个点位的综合指数值均为40 以上，尤其是S11，综合指数值为46.2，说明有转化为轻度富营养的趋势，应加强控制养殖规模。

2.2 水体营养状态时间变化分析

由表4 可知：三年来，军山湖水质处于贫营养—中营养状态。2015年TLI（∑）为24.34～31.75、2016年TLI（∑）为25.17～35.62、2017年TLI（∑）为26.43～46.2，说明湖泊富营养化程度逐年加剧；2015—2017年各营养物质的TLI 最大值逐年增加，说明Chla、TN、TP、CODMn四种污染物质浓度均有所上升；2017年各营养元素的TLI 变化范围远大于2015年和2016年，且各营养元素的TLI 最大值均出现在2017年，说明2017年军山湖水质恶化严重；2017年营养状态指数中最大值为TLI（TP），说明2017年军山湖污染最严重的指标为TP。

2.3 Arcgis 数学模型的构建

目前有关Arcgis 在水环境中的应用不少见，但大多数用于提取一些基本信息（如边界信息、底高程坐标、土地利用类型等），而对其空间分析工具应用较少。本文中各监测点间距较大，若以现有的几个监测点来评价全湖的富营养化状况具有一定的片面性，尝试在该软件构建模型解决这一问题。模型构建步骤如下：①在线地图提取出研究区边界信息，随后导入各监测点地理坐标；②在监测点位属性表中输入对应年份和月份的TLI 值；③通过“字段计算器”算出对应年份的TLI 值；④采用“克里金插值”、“反距离权重插值”法内插生成空间分布图（以2015年的数据为例，内插时扣除S3、S5 点位的信息）；⑤根据生成后的图提取S3 和S5 点位的TLI得分，将该提取值与实际值进行比较，选取精度较好的一种方法对12 个监测点重新进行插值；⑥采用“创建渔网”工具以500×500m 在研究区共提取到83 个点位及其TLI 值；⑦根据这83 个点位的TLI 值重新内插生成空间分布图。

表2 军山湖水中营养状态评价标准Tab.2 Trophic status evaluation criteria in water of Junshan Lake

表3 2015—2017年军山湖水中各监测点位营养状态指数Tab.3 Nutritional status index of each monitoring point in water of Junshan Lake from 2015 to 2017

表4 2015—2017 年军山湖水质营养状态评价结果Tab.4 Trophic status evaluation of water in Junshan Lake from 2015 to 2017

经比较后“反距离权重”法插值结果精度更高（误差在5%范围内），根据上述方法生成了2015—2017年军山湖全湖的综合营养指数空间分布（图2）。由图2 可知：2015年仅养殖区域附近水体处于中营养状态，其面积占47.5%；2016年在交叉点（S5）湖泊左右两边水体均属于中营养状态，2016年处于中营养状态的水体面积继续上升（占62.6%）；2017年中营养状态的水体面积占78.3%，仅S1、S2、S3 三个点位附近水体处于贫营养，进一步说明军山湖水体营养水平逐年上升，由2015年的贫营养为主演变为2017年的中营养为主，2017年贫营养水体面积仅占21.7%，S11 和S12 附近水体综合营养指数均处于较高值，该部分水体转化为轻度富营养等级的风险较大。

3 讨论

本文结合Arcgis 与综合营养状态指数法揭示了军山湖2015—2017年的营养状态演变特征，结果表明：（1）军山湖水体营养状态等级由2015年的贫营养为主演变为2017年的中营养为主，营养水平逐年上升，综合营养指数值中处于中营养等级的水体面积占比由2015年的47.5%升至2017年的78.3%；（2）军山湖北半部分水质明显优于南半部分，入口处与鄱阳湖堤坝附近水体三年内均处于贫营养状态；（3）2017年军山湖南半部分水体综合营养指数值较高，转化为轻度富营养等级风险较大。

2016年江西南昌军山湖水体处于贫营养-中营养等级，这与匡武名等[17]的结论基本一致，但他们仅说明了军山湖水体2016年的综合等级，未阐述具体监测点的营养等级，笔者不仅得出了具体监测点水体营养等级，还分析了影响区域的水体面积占比。水体富营养化时水中氮、磷等营养物质过剩，营养物质输入、输出失衡引起浮游生物大量死亡，藻类等水生生物大量繁殖。氮磷比也是水体富营养化限制因子之一，氮磷比过高或者过低均抑制水体富营养化的发生，适宜藻类生长的氮磷比范围虽大致一样，但不同的研究区域还有一定的差别。限于篇幅，本文未探讨适宜军山湖藻类生长及繁殖的氮磷比，有待进一步研究。军山湖水体在丰水期、枯水期、平水期污染物浓度相差不大，这与“水体中各营养物的含量随季节变化较大”的结论有冲突，这是因为军山湖由外界排入的污染物较少，与赵会等[19]研究结论基本一致。上文分析军山湖Chla 与TN、TP呈显著正相关，与匡武名等[17]研究结论一致，说明军山湖TN、TP 的供应均有利于浮游植物的快速生长。推测虽然研究区内不同区域水产养殖种类不一，不同区域污染物浓度有一定差异，但全湖的TN/TP 始终处于适宜藻类生长繁殖的比例。

目前关于水体富营养化评价方法虽较多，但采用最多的还是环保部门和水利部门都认可的综合营养指数法和营养状态指数法[20，21]。这两种方法所选取的评价因子虽然都一样，但营养状态指数法在计算时得先根据标准值求出各计算公式，计算相对较为复杂。当监测点位较少，收集的信息代表性不是强时，采用Arcgis 中“创建渔网”工具可有效解决这一问题。目前大部分水体富营养化的研究未分析各营养等级的面积占比。Arcgis 软件具有强大的空间分析功能，被广泛应用于各行各业[7]。Arcgis 与水体富营养化评价更深层次的结合运用也许是值得深入研究的课题。本文在生成空间分布图时仅试探了“克里金插值”、“反距离权重插值”，最后决定选用“反距离权重插值”法内插出空间分布图。该软件中有很多种插值方法，而选用哪种插值方法会使结果精度更高还有待进一步研究。