汤河水库富营养化综合评价

胡耘赫

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)

受自然环境和人类活动影响湖库水系统被输入大量营养盐，使得水系统原来较低的贫营养状态逐步转变为富营养水平，这种现象即为富营养化[1- 3]。湖库富营养化为藻类的生长创造了适宜的自然条件，绿藻、硅藻的大量生长使得原本蓝色的水体逐渐变成绿色，经过不断的积累湖库水质开始下降。从发展历程的角度，湖库富营养化属于一个正常的过渡过程，自然状态下其发展速度极为缓慢，一般用地质年代来衡量，然而经济的发展和不合理的人类活动大大加快了此演化过程[4- 6]。

为科学防治湖库富营养化以及准确评估富营养状态，针对富营养化的评价国内外科学家提出了许多方法，并取得了丰富的研究成果。湖库富营养化受生物因子、湖库地质状况、降水、光照、温度以及氨氮等因素影响显著，对其状况评价的常用方法为综合营养状态指数法。由此，管理部门可以更加全面地了解湖库的历史变化趋势及其营养化状况，但仍需进一步预测营养化风险，逐步实现湖库水体的主动管理。

1 研究方法

1.1 评价方法

本文结合汤河水库2005—2018年水质监测资料，选用规范推荐的综合营养状态指数法评价汤河水库营养状态，评价因子选取总氮、总磷、CODMn、叶绿素a(Chla)。湖库营养状态按照连续数字0～100划分，富营养(TLI>50)、中营养(30≤TLI≤50)、贫营养(TLI<30)，同一等级中指数值越大营养程度越高。通过准确评价营养指数变化趋势，对水库未来5a风险水平运用累计概率密度函数和线性回归法预测。

1.2 预测模型

目前，常用的江河、湖泊、水库等营养化预测方法有支持向量机模型、BP网络、决策树法及回归分析法等[7- 10]。其中，回归分析法现已普遍应用于海洋悬浮泥沙、大气污染预测、水质评价与预测等环境领域，该方法以大量的监测数据和相关分析为基础，将自变量、因变量利用合适的非线性或线性模型加以拟合，利用拟合的回归方程构造回归模型[11- 12]。因此，大量环境监测数据为回归分析法预测的重要基础，在长序列水质监测及环境稳定的条件下，可以对湖库富营养化变化进行有效的预测。为保证预测结果的可靠性，假设围绕期望值波动的综合营养指数符合正态分布，利用该方法预测和评估湖库富营养风险。

根据2005—2018年汤河水库的点位数据，对综合营养状态指数(TLI)期望值利用一元线性回归模型TLI=a×Year+b预测，其中a、b值按照最小二乘法确定，Year为年份。采用以上回归模型可以获取任一指定年份i的TLIi值，围绕期望值TLI第i年的TLIi值存在波动，且服从正态分布：TLI～N(aYear+，σ)，其中σ为无偏估计，表达式如下：

(1)

式中，Year—自变量，指定年份TLI大于50的情况下湖库发生富营养化，发生概率的计算公式如下：

(2)

1.3 风险等级

将水库富营养化风险区域按照低、较低、中、高4个风险等级划分，各风险等级的划分标准见表1。

表1 富营养化风险等级

2 汤河水库富营养化评价

2.1 研究区概况

汤河水库地处东经123°21′46.4″、北纬41°06′41.1″，属于一座集城市供水、防洪、发电、养护、灌溉等功能的大Ⅱ型水利枢纽工程。集水面积1228km2，库区面积44km2，总库容7.23×106m3，最高水位48.5m。在引兰河、细河引水工程实施后，汤河水库向工业和城市生活用水的可供水量为2.304×108m3，每年向辽阳市、鞍山市供水8×107m3和1.508×108m3，向下游区间农业用水补偿7.55×107m3。因此，汤河水库的富营养化程度直接关系着鞍山市、辽阳市的经济社会发展以及居民生活水平[13- 20]。

近年来，经济的快速发展以及环境保护工程的滞后，使得大量工业废水、农田灌溉和生活污水排入江河、湖库中，导致江河、湖海近岸营养盐大量富集，水体富营养化问题日趋突出，并为藻类的生长提供了有利自然条件，其中夏秋季5—10月属于藻类生长旺季，对城市供水安全产生潜在威胁。汤河水库共设置了东叉头、东叉中、西叉头、西叉中、坝前、库中6个监测点位，从而了解二道河支流入库后水质、库区东叉头中心区域水质、下达河支流入库后水质、库区西叉中心区域水质、库区流出水质以及库区中心区域水质。依据汤河水库2005—2018年逐月监测数据，将其富营养化状态及其风险等级利用上述方法和模型进行评价预测。

2.2 综合营养分析

随时间变化各点位综合营养状态指数均呈现出波动上升趋势，如图1所示。其中，库中、西叉中、东叉中和东叉头4个断面未出现富营养状态，TLI波动变化区间为16～51，且上升趋势不明显；西叉头、坝前2个断面大多数时间为中营养，2005—2018年间出现轻度富营养的仅有1次，TLI波动区间16～54；总体而言，外界污染对汤河水库水质干扰较低，水体总体较好，但存在富营养化风险。

统计计算各点位TLI均值，坝前、库中、西叉中、东叉中、西叉头、东叉头TLI平均值依次为32.5、34.6、35.1、36.0、36.5、37.2，表明从下游至上游汤河水库营养状态不断上升，TLI平均值表现出逐渐增大趋势，但各点位TLI值不超过40；此外，从下游至上游高危害程度的富营养化事件也不断上升，特征污染物在水库下游的输入较小，所以在水体自净和稀释作用下污染物浓度不断减少。

根据汤河水库水环境监测数据，2014年汤河水库发生的金藻门的色金藻水华涉及水体水域面积不大、持续时间较短，对供水影响较小，但相关部门绝不能放松警惕，农业及农村生活等面源污染含有大量的营养物质，随着入库河流流入到库区内，有利于藻类的繁衍及富营养化程度的上升，尤其在持续高温的时期。因此，建议对水源保护区按照污染防治相关要求实行监督管理、水源卫生和生态保护行动；严格控制水功能区纳污排放与达标考核，建立受水区生态补偿及内供水制度；为及时掌握藻类变化情况以及有效防范局部藻类水华现象，建议增加监测频次并将监测数据及时上报，为实施科学有效的措施提供数据支持。

2.3 富营养化风险预测

根据TLI变化趋势，正态检验坝前、库容、东叉头、西叉头、东叉中、西叉中6个点位的综合营养指数数据，见表2。

表2 各点位TLI正态检验

根据表2检验结果，对数正态分布(p>0.05)为各点位TLI分布特征，并对综合营养状态指数利用对数正态分布曲线拟合。对汤河水库2020—2024年富营养化风险利用回归分析法进行预测，见表3。从表3可知，各点位富营养化风险概率处于0.82%～7.20%范围，总体达到低风险状态，随着时间的推移风险概率呈增大趋势，为有效防止富营养化应引起管理部门的重视。然后对风险预测结果利用2020年实测数据加以验证，结果显示TLI实测值和预测值为40.6、38.2，二者存在较小偏差，可见对水库富营养化风险利用该方法进行预测具有较高准确度，评价结果能够较为客观的反映库区水体营养状态。

图1 各点位TLI变化趋势

表3 富营养化风险概率 单位：%

3 结论

引兰河、细河引水工程实施后，汤河水库承担着鞍山、辽阳等地区的生产生活和工业用水任务，水库富营养化程度对推动区域经济发展及保障居民生活质量极为重要。根据2005—2018年汤河水库TLI变化趋势，对水库富营养化状态及其未来风险程度运用线性回归法、累计概率密度法进行预测分析。结果显示，各点位富营养化风险概率处于0.82%～7.20%范围，总体达到低风险状态，但随着时间的推移风险概率呈增大趋势，为有效防范富营养化应引起管理部门的重视。