一种判断市内河湖富营养状态的简便计算方法——以天印湖为例

王克磊，王 婷，李 桢

(1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，济南，250100；2.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

随着人们生活水平的提高，对生存居住环境也开始日益关注。城市内湖泊或河道的水环境状况，对其周围居住人群的生活质量影响很大，不仅能影响到人们的身体健康，还能影响到人们的幸福感指数。目前城市内的河湖水体最普遍的问题就是富营养化[1-2]，因此，对其营养状态进行科学的综合评价是水务工作者的一项重要的基础工作。目前，国内外对湖泊富营养化的评价方法主要有卡尔森营养状态指数法、修正的卡尔森营养状态指数法、营养度指数法、综合营养状态指数法和评分法等。综合营养状态指数法克服了单一因子评价富营养化的片面性，而是综合各项参数，将单变量的简易与多变量综合判断的准确性相结合。本文采用综合营养状态指数法计算天印湖[3]的营养化程度，并对多年来天印湖营养化程度的变化趋势进行分析。

1 综合营养状态评价方法

综合营养状态指数模型[4-5]主要选取叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)等为参数，对湖泊富营养化状况进行评价。综合营养状态指数模型为：

(1)

式中：TLI(∑)表示综合营养状态指数；

TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数；

Wj为第j种参数的营养状态指数的权重。

以Chla作为基准参数，则第j种参数的归一化相关权重计算公式为

(2)

式中，rij为第j种参数与基准参数Chla的相关系数；M为评价参数的个数。

中国湖泊的Chla与其他参数之间的相关关系见表1。

表1 中国湖泊部分参数与Chla的相关关系

叶绿素a(Chla)、总氮、总磷、透明度(SD)和COD的营养状态指数通过下列公式进行计算。

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.794lnTN)

(4)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(5)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(6)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

(7)

式中：Chla的浓度单位为mg/m3；TN、TP、CODMn的单位均为mg/L；SD的单位为m。

综合营养度的计算公式为：

(8)

(9)

(10)

式中：TLIc为湖泊营养状态的综合营养度；

TLIj为第j个因子的分营养度；

Wj为第j个因子的综合权；

Cjx为第j个因子的检测值；

Cjmin和Cjmax分别为第j个因子相应于营养度为0～100时的浓度值。

2 实例研究

2.1 研究区域概况

天印湖是南京市江宁区一天然湖泊，水面面积约为24.37hm2，由南北两湖组成，目前蓄水量为21800m3～60500m3，水深为2.9m～4.9m，北湖平均水深较大。天印湖的主要水源补给为湖体周边的降雨，南北湖由三个溢流通道连接，北湖与南湖水面有较大落差，当北湖水位高于溢流口高程14.62m时，湖水由北湖溢流至南湖；当南湖水位高于10.85m时，由西南角的溢流口溢出至外秦淮河。

2.2 布点及采样方法

按照常规水质监测采样布点的方法，在天印湖共选取了四个点进行长期采样，主要测定叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)等指标，采样点布置见图1所示。采样周期为每月采集一次水样，一次取水1L左右，用聚乙烯瓶密封。水样取回后立刻进行分析检测，不能及时检测的指标则将水样于4℃以下保存，并在一周之内完成检测。各指标分析检测方法均采用国标法。数据从2009年持续到2016年。

图1 天印湖采样点布置

2.3 数据处理与计算

从每年的数据中仅挑选1月和7月的数据，利用综合营养状态指数模型进行计算，得到各采样点的综合营养度，见表2。从2009年至2016年间各采样点综合营养度的变化趋势如图2所示。

表2 天印湖各采样点的综合营养度

图2 天印湖各采样点2009-2016年综合营养度变化趋势

2.4 评价结果与分析

为了说明湖泊富营养化状态情况，采用0～100的一系列连续数字对湖泊富营养化状态进行分级，如表3所示。

表3 湖泊营养状态分级

可以看出，2#与4#采样点，基本上一直处于中营养状态，这两片湖区，远离人类活动区，较少受到人类活动的影响。1#采样点在2012年1月进入轻度富营养状态，2013年1月达到中度富营养状态，2015年1月又恢复为中营养状态。1#采样点位于学校图书馆附近，为人员活动密集区，受人类活动影响较大。后由环境工程学院主持举办了一系列的“爱护学校环境，保护天印湖”宣讲及展览活动，提高广大师生环保意识，近年来该片湖区水质已有明显改善。3#采样点在2010年1月由中营养状态直接进入中度富营养状态，甚至在2011年7月和2013年1月达到了重度富营养状态。2010年水质监测出现异常后，进行了原因调查，发现是雨污分流工程中雨水管道与污水管道接反，导致生活污水直接排入湖内，造成湖水水质变坏。后对排污管道进行了整改，并采取了在湖内种植莲藕、放养鱼类、打捞收割过剩水草等补救措施。2013年后3#采样点湖区水质开始逐渐变好，但截止2016年7月，依然处于轻度富营养状态。

3 结论

利用综合营养状态评价模型对天印湖四个采样区域进行营养状态评价，结果表明，2009-2016年间，受人类活动影响较小的2#与4#区域，营养状态变化不大，一直处于中营养状态，受人类活动影响较大的1#区域从2012年开始出现富营养化趋势，水质恶化，经人工干预后，水质开始好转。3#区域由于工程失误，导致湖区受到污染破坏，2011年达到了重度富营养化，由于及时排查原因并采取相应的补救措施，水质已在逐渐好转。

综合营养状态指数模型能够考虑多个水质指标，对水质评价综合全面，且计算相对简单，能够方便快捷地对城市内湖泊水质做出准确的评价，对水质的变化响应及时迅速，在湖泊水质的长期监测与水环境保护中，能够及时提出预警，对我们的实际工作可起到重要的辅助作用。