葠窝水库富营养化现状及其正态分布特征分析

2020-12-11刘姗姗

黑龙江水利科技 2020年11期

刘姗姗

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，沈阳 110003)

随着乡镇企业的崛起以及工农业生产的发展，葠窝水库入库河流和地表径流携带的工业废弃物、面源污染等排入湖库，水质富营养化趋势日趋显现。调查显示，1996-2015年葠窝水库的富营养化指数(SLI)从37波动增长至52，对库区供水水源和水环境保护造成极大影响。因此，研究葠窝水库富营养化现状及其分布特征极具现实意义。

目前，分级加权平均法、综合指数法以及单一参数法等为评价葠窝水库富营养化的常用方法，然而在揭示湖库富营养化变化规律及其分布特点时这些方法的适用性、准确性较低。

为更加全面地评价湖库富营养现状，文章引入正态分布法和修正的内梅罗指数，结合正态分布规律探究葠窝水库的富营养化特征，并对丰、枯水期滞留、过渡、河道3种不同水域的富营养化程度科学分析。

1 研究方法

1.1 采样点布设

葠窝水库入库河流有一级支流兰河、细河和主河道太子河，每年汛期来水量增加，水域面扩大、河水漫摊；春、冬季节水面变小，河滩显露、河水落槽，丰、枯水期的库容和水域范围存在较大变化。结合葠窝水库洪水一片、枯水一线的水文特征，采用滞留、过渡、河道3种典型水域划分葠窝水库水系[1-2]。

河道水域存在流速大、更新快的特点，在河道径流处以及各入库口按照断面监测原则，合理布设监测垂线；考虑到滞留区与过渡区无明显分区界线，则引入均匀布设的网格法，并结合湖库面积确定网格大小。最后，依据葠窝水库的地貌形态特征，遵循以上原则合理布设采样点。

1.2 样本的采集

根据葠窝水库特殊的水文状况对库水及其下游支流地表水，选择2018-2019年两个代表时期枯水期(1-2月)、丰水期(7-8月)实行系统采集。采用聚四氟乙烯瓶装入采集的样品，并加入保护液以尽快完成相应的监测。

1.3 项目的监测

一般地，评价水体富营养化的参数有生物学、化学和物理学指标。其中，TP|(总磷)、TN(总氮)、COD(化学需氧量)为控制葠窝水库富营养化的主要因子，另外湖库富营养化程度还受到总氮与总磷比值的影响。所以，本研究选择监测项目有TN/TP(总氮与总磷比值)、TP|(总磷)、TN(总氮)、COD(化学需氧量)。

采用紫外分光光度法测定样本中的TN含量，先把纯化的碱性过硫酸钾融入水样中加热30min，温度控制在126-127℃，自然冷却后测其275nm、220n处的吸光度，并以无氨水为基准加以对比。采用钼酸铵分光光度法测定水样中的TP含量，将过硫酸钾融入水样中加热20min，温度控制≤140℃，将钼酸铵与抗坏血酸待自然冷却后加入，监测波长为700nm处的吸光度，若吸光度测定受水样中色度的影响还要补偿色度。在酸性条件下采用高锰酸钾氧化样本中的还原性物质以及有机物，并用过量的草酸处理过量的高锰酸钾，通过对高锰酸钾消耗量的计算，求解出水样中的化学需氧量。

1.4 评价方法

1.4.1 内梅罗指数法

为直观地反映地表水受污染程度，有学者最先提出了内梅罗污染指数。该方法具有物理概念清晰、运算方便、数学过程简洁等优点，依据相应的分级标准以及求解的评价区综合指数，就可以反映某要素的环境质量整体情况，从而为决策者提供可靠的依据。

针对总污染指数的计算内梅罗指数法具有较好的适用性，它是一种用途多样的无量纲数值，能够对所有水质参数利用统计公式来确定。实践表明，采用内梅罗指数法和能够反映富营养化状态的检测指标，可以客观、真实的揭示水体营养状态，其表达式为：

(1)

式中：Si为项目i的浓度检测值与标准值之比；n为参与水质评价的因子数；P为内梅罗指数。

遵循科学性、可行性、简洁性、相关性等原则，本研究选择湖库富营养化参评因子有TN/TP(总氮与总磷比值)、TP|(总磷)、TN(总氮)、COD(化学需氧量)，故n值取4。

1.4.2 生态分布法

实验表明，能够利用正态分布近似地表征随机变量的概率分布。结合文献资料，为了使得N、P等数据符合正态分布，可以对其数据利用正态分布法进行标准化，水体富营养化程度依据求解的μ、σ值确定，其表达式为：

(2)

式中：σ、μ为标准差与均值。

1.5 评价标准

由于尚未形成统一规范、普遍适用的湖库富营养划分标准，文章借鉴地表水质量标准和文献资料所列标准，结合葠窝水库实际情况确定最终的评价等级，湖库富营养化标准，见表1。

表1 湖库富营养化标准

2 结果与分析

2.1 富营养化特征

现阶段，葠窝水库整体上处于中营养状态，局部的氮磷含量达到富营养化标准，且呈现出向富营养化发展的趋势，随季节的变化营养程度存在明显差异，总体上呈年内丰水期氮磷入库量较低、枯水期较高的变化特征[3-6]。葠窝水库的内梅罗指数整体上呈出库河段高于库区、而库区低于各入库河段的趋势，其“内低外高”的富营养化特征较为明显。

2.2 富营养化时间分布

采用对应于不同营养等级的内梅罗指数，绘制出平行于Y轴的各级营养标准线，其中富营养、中-富营养、中营养、贫-中营养、贫营养标准的X值为146.925、58.396、29.308、14.604、5.842、2.196。设横、纵坐标为各采样点求解的内梅罗指数及其对应的概率，从而绘出散点图，并依据标准差和平均值生成生态分布曲线。

2.2.1 枯水期正态分布特征

枯水期葠窝水库的内梅罗指数标准差σ为16.581、平均值μ为25.516，表明曲线平坦、数据分散且离散度较大，研究区总体上达到中营养化状态。枯水期处于中-富营养、中营养、贫-中营养、贫营养和极贫营养状态的水体占50%、20%、10%、20%和5%，水质整体较差且呈不均匀分散富营养化趋势，枯水期正态分布特征，见图1。

图1 枯水期正态分布特征

较正常年份葠窝水库的现状库容量明显偏小，水质分析时段与历史同期相比降低60%以上，太子河水文站监测数据较历史同期水位明显下降，库容量和水域面均显著偏小。

2.2.2 丰水期正态分布特征

丰水期葠窝水库的内梅罗指数标准差σ为0.552、平均值μ为1.288，可见曲线高陡、数据集中且离散度较小，研究区总体上达到极贫营养化状态。丰水期处于贫营养、极贫营养状态的水体占12.2%、87.8%，水质整体较好且呈较均匀分散程度。丰水期正态分布特征，见图2。

图2 丰水期正态分布特征

丰水期葠窝水库降水量较大，一级支流兰河、细河和主河道太子河的入库流量急剧增大；河水泥沙含量高且流域产水量大，该时期正值农业生产双抢季，入库污水包括农业灌溉施肥废水、工业废水和城镇生活污水等[7]。受汛期兰河、细河和太子河来水影响，这在一定程度上降低了葠窝水库污染物浓度，并提升了水库水质状况。

2.3 不同水域富营养化

2.3.1 河道水域营养特征

枯水期河道水域TP、TN高于Ⅲ类标准的48.6倍和2.1倍，丰水期河道水域TP高于Ⅲ类标准的1.25倍、TN在Ⅲ类标准以内，其它参数均符合水质要求，较丰水期内梅罗指数枯水期高出12-48倍。河道水域的内梅罗指数分布，见图3。由图3看出，河道水域的枯、丰水期总体上达到中-富营养和极贫营养状态。

图3 河道水域的内梅罗指数分布

2.3.2 过渡水域营养特征

枯水期过渡水域TP、TN高于Ⅲ类标准的2.0倍和5.1倍，丰水期过渡水域TP高于Ⅲ类标准的1.0倍、TN在Ⅲ类标准以内，其它参数均符合水质要求，较丰水期内梅罗指数枯水期提高3.6倍。河道水域的内梅罗指数分布，见图4。由图4看出，过渡水域的枯、丰水期总体上达到贫-中营养和极贫营养状态，较河道水域其整体水质有所改善。

图4 河道水域的内梅罗指数分布

2.3.3 滞留水域营养特征

枯水期滞留水域TP、TN均未超标，丰水期过渡水域TP、TN高于Ⅲ类标准的4.2倍、3.1倍，TN在Ⅲ类标准以内，较丰水期内梅罗指数枯水期提高3.2倍。河道水域的内梅罗指数分布，见图5。由图5看出，滞留水域的枯、丰水期总体上达到贫-中营养和极贫营养状态，较过渡、河道水域其整体水质明显提高。

图5 河道水域的内梅罗指数分布

综上分析，随季节变化内梅罗指数在3种功能区均呈不断上升的变化特征，其中滞留水域富营养化变化存在滞后性，而河道具有明显差异。滞留水域响应污染状况快慢不同以及滞留、过渡、河道水域变化较为缓慢的主要原因为水文条件差异，污染物在水流湍急的河道水域内直接进入河道[8-9]；由水域扩展形成的过渡水域，其水体环境直接受到污染物的影响，所以对于污染物过渡水域、河道水域的反应迅速；过渡水与河道水扩散滞留形成的滞留水域，其水体自净功能较强且水流交换速度缓慢，因此污染物浓度在过渡水域与河道水域快速升高时，滞留水域具有缓慢的增加趋势[10]；而污染物浓度在过渡水域与河道水域减少时，原先较高污染物浓度的滞留水仍然存在，所以内梅罗指数仍然持续增加。