郑州大学眉湖水生态环境评价＊

朱俊宇

（郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州450001）

随着经济社会的快速发展，由于人类排污而引起的湖泊富营养化问题日益突出。据统计，全国70%以上湖泊受到不同程度污染，中东地区湖泊大多呈富营养化状态。水华是湖泊中藻类大量繁殖、生长并聚集，最终达到一定密度的自然现象，是水体富营养化的重要表现形式。水华发生时，藻类大面积覆盖水面，导致水体缺氧、鱼类死亡，产生异味物质和蓝藻毒素，使得水体使用功能下降，严重时引发区域性供水危机。景观湖泊的欣赏与生态的双重功能，在改善城市生态环境与提高居民的生活质量和幸福指数方面，发挥了重要的积极作用。然而，由于景观水体流动缓慢，水域自净能力差，湖泊富营养化等环境恶化问题也格外严重。

近年来，中国及各国学者在人工湖泊富营养化的防治方面开展了大量的研究活动，例如李林衡等[1]、张晓勇等[2]对各自研究区域水体富营养化的评价分析；窦明等[3]、沈勇[4]、CHO等[5]等研究了自然状况下环境因子对藻类繁衍的影响，并采用不同方法分析了环境因子之间存在的相关关系及其对藻类生长繁殖的影响[3]。

本文以郑州大学新校区眉湖为研究对象，用选取的参数评价研究湖泊的富营养化程度，以发展的眼光，进行纵向、横向多个角度的因素对比，制作出一个表现这些参数对富营养化的影响程度的一个大体排名。通过对研究所得到的数据与结果的分析，希望可以找到“实现经济发展”与“保护水资源”的灵感，有效地进行景观湖泊水质规划与水质管理，实现人与自然和谐共生，对防治水体富营养化及促进自然自我修复作出贡献。

1 眉湖基本情况简介

眉湖作为郑州大学重要的景观之一，拥有800m2水域，长800m左右，最窄宽度为30m左右，最宽宽度为100m左右，整个湖泊呈弧形，位于郑州大学核心教学区正西处，湖分北、中、南3段。眉湖采用循环水系统，由局部的喷泉、上扬式曝气管的循环和整体的南北循环组成。循环的水源来自地下水的抽取和雨水的汇集，其中地下水补给占主要部分。眉湖拥有2个供水源头，分别位于眉湖的南北位置，整个湖共设计有11个潜入式曝气机和3个上扬式曝气机，曝气机采用交叉方位放置，发挥着充氧、促进水流动和防止湖水腐坏等功能[6]。

总体来说，眉湖及周边景色优美，是休闲娱乐的场所。然而，近期来，眉湖水体越来越浑浊，水面甚至漂浮有一些藻类，严重影响了眉湖的可观赏性[7]。通过实地调查，得知眉湖可能的污染源主要来自于：①湖边绿化植物施肥残渣顺着水流流入湖中可能造成有机污染物污染；②天鹅岛的影响；③学生和游客对湖中的鱼和天鹅喂食可能造成的污染；④湖北部“眉湖小屋”可能产生的垃圾；⑤水体流通不畅导致水体更新不及时，微生物和藻类大量繁殖，造成水质下降[6]。

2 试验设计与研究方法

2.1 试验设计

本计划是在郑州大学新校区，对眉湖的水生态进行调查和水体收集，收集水生生物多样性和水质数据，阐明调查区域内藻类生物群落结构和水环境的空间分布格局，为调查湖泊富营养化特性、影响因素及形成机理提供数据支持。

试验方案以对监测区域有关水环境情况调查分析为重点，同时进行分析监测断面，采样点优化布设的观察以及采样点的水样采集与保存，水样的环境指标测定及化验分析，测定数据的整编与发布。湖泊、水库监测断面的布设选取如下地点：在进出湖泊、水库的河流汇合处，各水功能区中心，湖库中心，深、浅水区，滞留区，不同鱼类的洄游产卵区等处[7]。

试验监测断面与采样点布设如图1所示。基于实验人员、采样设备和技术方面的限制，采样位置布设为：湖南段2个，湖中段1个，湖北段2个，所采集的水样类型为瞬时水样，位于水面以下1/2处。眉湖湖体整体呈狭长状，因此从南到北共设置了5个断面，即在这5个断面处进行采样。Ⅰ断面位于桥1的南侧，附近水体受到喷泉的影响较大；Ⅱ断面位于桥1与桥2之间，湖上有一个天鹅岛，采样点处有圈养的家禽和大量观赏鱼类；Ⅲ断面处于湖心位置，水体流动性较差；Ⅳ断面位于桥3与桥4之间，附近区域种植有水生植物；Ⅴ断面位于湖北部，水源汇入处，附近区域有大量的水生植物。在Ⅰ～Ⅴ断面各选取1个采样点，分别编号为1#、2#、3#、4#、5#。

图1 眉湖平面图

之后计划利用此项5类采样点的水质指标检测数据来对眉湖整体水质进行适当合理的分析与评价。所得数据见文后分析。

2.2 样本采集与监测指标

试验监测了11个指标，通过现场监测和实验室检测2种途径获取数据。其中现场监测指标5个，包括叶绿素a、温度、pH值、电导率、浊度，由YSI-EXO水质多参数分析仪测定。实验室检测的指标有6个，包括化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和硝酸盐（NO3），送往相关环境检测机构进行检测。

2.3 测试方法及研究方法

依据《地表水环境质量标准》[8]，本文将采用污染指数法和因子分析法，对各采样点和眉湖整体的水质进行评价。污染指数法是用各种污染物的相对污染浓度值，通过数学处理得到一个简单的数值，来反映水体的污染程度。因子分析方法是将原来的指标合成成较少的指标，这反映了大部分原始指标的信息（方差），并且这些综合指标之间不相关。结合眉湖实际情况，并考虑到试验条件限制，选取COD、BOD5、TP、TN、NH3-N和NO3等指标来评价眉湖水质状况。

3 结果与分析

3.1 南北部藻类浓度差异

根据实验监测数据，眉湖水体中藻类细胞浓度在不同地方变化较大，此处以样本2#和样本5#分别代表眉湖南部与北部的情况进行分析，能大致反映藻类细胞浓度在不同断面随时间的变化，如图2所示。

图2 样本2#、5#藻类细胞浓度随时间变化

南部藻类细胞浓度在5—7月呈增长趋势，但5月增长速度要小于6月增长速度，在7月左右迎来峰值。7—8月间逐步下降，8月后又逐步增长，预计在9月末再次迎来小峰值，整体变化幅度较大，呈丘状变动趋势。北部藻类细胞浓度从5—8月以较为平稳的趋势增加，在8月达到峰值，随后下降，波动幅度也较南部断面平缓。

由此可以看出在水流缓慢的眉湖南部，水质较差；在水流较快的眉湖北部，水质较好。且由于眉湖细长的水体形态，南北藻类的动态变化规律没有明显的关联，在某些时期也出现了相反的变动倾向。

3.2 水质状况分析

图3为各指标质量浓度，从图3来看，在相同的测试中，不同的采样点之间的各种水质指数有较大的差异；在不同的采样时间，相同采样点的各种水质指数也会有较大的差异。

图3 各指标质量浓度

各指标的具体变化特性如下：①COD和BOD5质量浓度总体趋势呈增加趋势，南部样本在7月和9月左右达到峰值，北部样本则在8月达到峰值，与水体中藻类细胞浓度随时间变化趋势基本符合。②NH3-N质量浓度随时间无明显的变化，除个别数据较大外，基本上都小于0.04mg/L，最大值和最大均值都出现在样本2#处。③NO3质量浓度基本都低于检出限0.02mg/L，样本5#在6月的数据较大。北部的异常数据可能是由于某些污染或对植被的施肥等。④各采样点TP质量浓度随时间变化总体上呈上升趋势。除样本5#在8月的异常增加外，基本呈稳定的低值。⑤各采样点TN质量浓度随时间的变化总体上呈上升趋势。从空间分布来看，样本2#和3#的TN质量浓度较高。

3.3 水质评价

3.3.1 频数分析

从整体数据来看，化学需氧量大部分样本的质量浓度为15.0mg/L，共有2.0个，占比为8.70%；五日生化需氧量样本中有超过8.7%的样本质量浓度为2.8mg/L；总磷样本中有21.74%的样本质量浓度为0.03mg/L；总氮样本中有8.70%的样本质量浓度为0.69mg/L；氨氮样本中有超过50%的样本质量浓度为0.01mg/L；对于硝酸盐来讲，质量浓度为0.04mg/L的样本占比最高，为69.57%。

3.3.2 线性回归

在一个特定的水样中，溶解氧、化学需氧量和五日生物需氧量有内在的、必然的规律。如果一个水样的化学需氧量较大，说明水中的还原性物质、有机物、微生物较多，那么其BOD5也应较大，溶解氧DO应很低[9]。

那么以化学需氧量作为自变量，探寻其他因素对其的影响，线性回归分析如表1所示。

表1 线性回归分析结果（n=23）

从表1可知，将五日生化需氧量、总磷、总氮、氨氮、硝酸盐的质量浓度作为自变量，而将化学需氧量的质量浓度作为因变量进行线性回归分析，从上表可以看出，模型R2值为0.675，意味着五日生化需氧量、总磷、总氮、氨氮、硝酸盐的质量浓度可以解释化学需氧量质量浓度67.5%的变化原因。对模型进行F检验时发现模型通过F检验（F=7.075，p=0.001＜0.05），也即说明五日生化需氧量、总磷、总氮、氨氮、硝酸盐中至少一项的质量浓度会对化学需氧量的质量浓度产生影响关系，模型公式为：化学需氧量的质量浓度=4.019+1.509×五日生化需氧量的质量浓度+3.902×总磷的质量浓度+10.469×总氮的质量浓度+49.827×氨氮的质量浓度－3.613×硝酸盐的质量浓度。另外，针对模型的多重共线性进行检验发现，模型中VIF值全部均小于5，意味着不存在着共线性问题；并且D-W值在数字2附近，因而说明模型不存在自相关性，样本数据之间并没有关联关系，模型较好。

最终具体分析可知：①五日生化需氧量的质量浓度的回归系数值为1.509（t=2.302，p=0.034＜0.05），意味着五日生化需氧量的质量浓度会对化学需氧量的质量浓度产生显著的正向影响关系；②总磷的的质量浓度回归系数值为3.902（t=0.608，p=0.551＞0.05），意味着总磷的质量浓度并不会对化学需氧量的质量浓度产生影响关系；③总氮的质量浓度的回归系数值为10.469（t=2.973，p=0.009<0.01），意味着总氮的质量浓度会对化学需氧量的质量浓度产生显著的正向影响关系；④氨氮的质量浓度的回归系数值为49.827（t=1.240，p=0.232＞0.05），意味着氨氮的质量浓度并不会对化学需氧量的质量浓度产生影响关系；⑤硝酸盐的质量浓度的回归系数值为﹣3.613（t=﹣4.092，p=0.001＜0.01），意味着硝酸盐的质量浓度会对化学需氧量的质量浓度产生显著的负向影响关系。

总结分析可知：五日生化需氧量、总氮的质量浓度会对化学需氧量的质量浓度产生显著的正向影响关系，硝酸盐的质量浓度会对化学需氧量的质量浓度产生显著的负向影响关系，但是总磷和氨氮的质量浓度并不会对化学需氧量的质量浓度产生影响关系[10]。

3.3.3 污染指数法

污染指数法的基本思想是：以各水质指标的实测值与其评价基准（通常采用与水体功能分类对应的水质指标的浓度限制值）之比作为基准指数单元，通过数学手段得到综合污染指数，作为质量评价尺度来评价综合水质[11]。

这里采用多项污染指数法的均值型污染指数对眉湖的富营养化程度进行评价。选取的指标有COD、BOD5、TP、TN、NH3-N、NO3，各指标值采用5个采样点的平均值以代表眉湖整体的情况。

均值型污染指数法公式如下：

式（1）中：Ci为实测i污染物的质量浓度；Csi为i污染物的背景值或对照值（标准值）。

当背景值为一区间值[Csi，min，Csi，max]时，采用下式：

式（2）中，当Ci接近Csi，max时，分母取Csi，max；当Ci接近Csi，min时，分母取Csi，min。

由上可知，当I≤1时，未污染；当I＞1时，表示污染，并且值越大，表示污染越严重。

以GB3838—2002《地表水环境质量标准》[8]的Ⅳ类水——主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区为标准值代入公式。

标准值及样本数值如表2所示。

表2 标准值及样本数值

由此计算所得Ii及I的值均小于1，眉湖水质相对于标准Ⅳ类水处于较清洁水平。但是湖面仍可见藻类浮游植物，这则可能是曝气机起到重要作用，增加了水中的溶解氧含量，使水质大为改善。

4 总结与建议

根据本次水质的测定结果，基本上眉湖所测的指标均优于Ⅳ类水，不需要做特别的处理。但是眉湖是人工景观湖泊，生态系统为脆弱，自净能力差，且湖内养殖了禽类及鱼类，所以平时仍应注意，减少垃圾、落叶及路边绿植施肥等各种因素，以免造成眉湖水质变坏。

此外南北部的藻类浓度差异，可能与禽类、鱼类和水生植物的分布密切相关。一个以水生高等植物为主，多种植物并存，具有高度生物多样性的健康湖泊生态系统，具备净化水体提高水质的生态功能。通过恢复湖泊水生高等植物群落，优化生态系统结构，构建健康的湖泊生态系统，是湖泊富营养化控制的重要措施。