宁夏鸣翠湖富营养化评价及空间分布特征

2021-04-17褚阳，张鑫

绿色科技 2021年6期

褚阳，张鑫

(宁夏大学资源环境学院，宁夏银川 750021)

1 引言

湿地形成来自于水陆相互作用[1]，其生态作用较为丰富，能够有效地涵养水源，对污染物进行降解并实现水质净化，调节气候，蓄洪防旱以及维护生物多样性等[2]，对区域生态文明建设与生态安全构建起着十分重要的作用。随着社会与经济发展进程不断深入，人类经济、社会活动越来越多，使得湖泊水环境问题趋重且影响到湿地生态系统安全。作为构成水体初级生产力的主要生源要素，氮、磷营养盐同时也造成湖泊水体富营养化的关键限制因子[3]，与湖泊营养状态、水质状况直接相关。

本文以宁夏回族自治区鸣翠湖国家湿地公园为研究对象，选取6个具有代表性的采样点，同时将监测指标设置为水环境的主要理化因子，确定监测指标为水环境的主要理化因子：透明度、总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐指数、水温、叶绿素 a、pH值，参照水体样品采集与水质监测国标方法进行采样与检测。对鸣翠湖水环境氮、磷、高锰酸盐指数、溶解氧及叶绿素a污染特征进行数据分析总结同时借助 ArcGIS 手段突出其空间分布差异，通过对单因子指数法的利用，并结合以综合污染指数法和富营养化状态指数法，进一步实现对水质的评价；利用综合营养状态指数法，对鸣翠湖环境氮磷营养盐及富营养化状态进行分析评价，并为其水体保护提供有关建议。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

鸣翠湖原名道祖湖(106°22′E,38°3′N)，位于宁夏回族自治区银川市东部，属于温带大陆性季风气候，距离黄河口岸的距离仅3 km，湖泊面积约为660 hm2，湖面面积为280 hm2，由于长时间处于鄂尔多斯台地的原因，使得其地貌在不断地抬升过程中进一步形成黄河冲积平原湖滩地貌[4]，近年来所在地区年平均降水量约为155 mm[5]，湿地的类型主要涵盖了水稻田、湖泊、灌渠、沼泽，湿地的水源主要为地下水、农田退水与沟渠补水。其中的水生植物主要是以芦苇、荷花、香蒲、石菖蒲为主[6]。

2.2 水样采集及水样处理方法

2.2.1 水样采集

根据湖泊周围环境及其地形特点，于2020年9月布点采样，共设计6个采样点湖面开阔处A、芦苇迷宫入口处B、湖面北岸荷花池处C、芦苇迷宫出口处D、湖面南开阔处E、入水口F，详见图 1。

图1 鸣翠湖采样点分布

2.2.2 水样处理

水样处理方法如表 1 所示。

2.3 研究方法

2.3.1 单因子水质评价法

单因子指数法，实际上就是通过对实测数据的使用，进一步比对标准并加以评价，通过对水体之中各项监测指标相关数据的监测，比对该指标的分级标准之后再进一步谁指标对应的水质类别进行确定，单因子污染指数评价参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)进行[7～9]。详见以下计算公式：

(1)

式(1)中，Ii表示第i种污染物在j采样点的单因子污染指数：表示水质指标i的实测浓度用Ci进行表示；i项因子的环境质量标准(mg/L)则是用S0i表示。

表1 水样处理方法

通过计算所得到的的污染指数在小于1的情况下，则意味着监测点所在水域的情况符合水质指标，换言之，就是满足要求；反之则是水质超出了规定的水质指标水平，则要求无法满足。

2.3.2 综合污染指数法

综合污染指数法则是针对水体水质各指标的单因子污染指数开展统计，并最终计算出水体受到污染程度的数值，最后通过综合污染指数法评价分级标准(分级标准见表2)判断水体受到污染的程度[10,11]。其计算公式为：

(2)

式(2)中，j采样点的综合评价指数用Pj进行表示；而第i种污染物在j采样点的单因子污染指数则是通过Pij进行表示；参与评价的污染物种类数则是用n进行表示。

表2 综合污染指数法评价分级标准

2.3.3 富营养化状态指数法

水体富营养化评价，是将水体富营养状态各个相关指标、以及各个指标之间的相互关系进行综合，对水体营养状态进行的准确判断[12,13]。本文通过综合污染评价法进行评价，其中，将基准设置为叶绿素a浓度，与此同时，结合TP、SD、COD以及TN等指标，进一步针对湖泊湿地的营养状态指数加以计算。计算公式如下：

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

(3)

式(3)中，综合营养状态指数即为TLI(∑)；而TLI(j)则是用来代表第j种参数的营养状态指数；Wj所代表的即为第j种参数的营养状态指数的相关权重。另外chla所表示的是基准参数，在此基础之上，第j种参数的归一化的相关权重计算则可以通过以下公式表示：

(4)

式(4)中，用rij来代表第j种参数与基准参数chla的相关系数；而m所代表的则是评价参数的个数(表3)。

表3 中国湖泊部分参数与chla的相关关系rij及值

营养状态指数计算式TLI(j):

TLI(chla)=10(2.5+1.086ln chla);TLI(TP)=10(9.436+1.624ln TP);TLI(TN)=10(5.453+1.694ln TN);TLI(SD)=10(5.118-1.94ln SD);TLI(COD)=10(0.109+2.661ln COD)。

最终，基于湖泊营养状态的分级标准进一步对湿地的富营养化状态加以确定，表4为分级标准。

表4 湖泊营养状态分级标准

3 鸣翠湖富营养化评价

3.1 鸣翠湖水质健康评价

经检测，鸣翠湖水体水质指标实测值如表 5所示。

表5 鸣翠湖采样点水质指标实测值

3.2 水质评价

3.2.1 鸣翠湖湿地水质健康评价

在进行单因子污染指数法使用的过程中，为进一步针对鸣翠湖水体水质开展评价工作，由描述性统计中氨氮(NH3-N)、总氮(TN)的数据与水体各项指标分级标准(GB 3838-2002)(表 6)相比对，选取Ⅱ类水质标准进行计算。经计算，6个点位污染指数变化如图 2。由图 2可知：各指标污染程度依次是高锰酸盐指数、总氮、氨氮、总磷，其中高锰酸盐污染指数最高。其中所有点位的高锰酸盐指数超过1.0，整体未达到Ⅱ类水质标准；芦苇迷宫出口处D、湖面南开阔处E、入水口F四点总氮超过1.0，其余点位均小于1.0，整体达Ⅱ类水质标准；各点其余指标均小于1.0，达到Ⅱ类水质标准。

表6 水体各指标分级标准(GB 3838-2002)

图2 鸣翠湖水体单因子污染指数

通过单因子污染指数法的利用，针对性地结合各个点位的情况开展综合污染指数分析工作。期间，虽最终得出的鸣翠湖水体的综合水污染指数定级结果均保持一致，但是仍旧存在显著性差异，同时，各个点位所对应的污染指数之间也存在一定的差异。由图 3可知，所有样点综合指数均小于1.0，这即意味着鸣翠湖整体水质始终保持在Ⅱ类标准以内。湖面开阔处A、湖面南开阔处E两点综合污染指数较高，已知A点位于岸边租船处附近，由于人文环境所带来的严重影响，使得其出现较为严重的水质污染。通过对表2进行观察可知，通过对综合污染指数评价分级的综合比对，可知鸣翠湖水体整体污染级别被确定为“轻污染”，其数值在0.7～1.0之间。

图3 鸣翠湖水体综合污染指数

通过综合污染指数、单因子污染指数进行评价都能够发现，在针对湖泊进行水质评价时，针对采样点位置、数量的设置，将能够直接地影响水质的评价结果。所以，在进行单点位分析时，无法通过混合样品的分析结果将湖泊水质的真实污染状况显示出来，主要是针对高污染区、清洁区的显示过于片面化。因此，在各项前提保障的背景下，应该针对性地与检测与分析点位的数量进行增加[14]。

3.2.2 鸣翠湖水体富营养化评价

由于水体之中进入了大量营养物质，湖泊富营养化状态逐步显现[15]。基于此，笔者通过对综合营养状态指数法的利用，在将叶绿素a 浓度设置为基准的前提下，基于对TN、SD 、COD以及 TP 等各项指标，进而能够计算湖泊湿地的营养状态指数，详见表7。

表7 鸣翠湖水体富营养化状态指数

由上表可知鸣翠湖水体整体水域为中营养。其中，湖面开阔A处富营养状态最为严重，可能是由于该采样点位于岸边租船处，受岸边人为因素影响较大。且通过综合指数法得到此点处的水质污染最为严重，由此可说明一定程度上水体质量与水体富营养化呈正相关。总体而言，鸣翠湖湿地富营养指数良好，综合营养指数为35.085。

3.3 鸣翠湖富营养化指标空间分布

为反应鸣翠湖富营养化指标的空间分布情况，对6个采样点的水质指标实测值使用ArcGIS10.2软件进行反距离权重插值法分析其富营养化指标的在鸣翠湖水体的空间分布图，见图4。

由图4可知：氨氮的高浓度区在湖面开阔处A，呈现出由西向东南方逐步递减的趋势；而高锰酸盐则是在偏西北—东南的区域中出现高浓度分布的情况，其中湖面开阔处A附近浓度最大，其低浓度区偏东北—西南分布；总磷的高浓度区在西南部入水口F处，总体呈自北向南递增；叶绿素a的高浓度区也在湖面开阔处A，区域内部差异明显；南部区域中总氮出现较高的浓度，并由西向东北方向呈现出递减的趋势；溶解氧主要集中在鸣翠湖芦苇迷宫入口处，整体成自北向南递减的趋势。