基于层次分析法改进的综合营养状态指数评价阅海湖富营养化

2022-04-14林海成徐佳强

湖北畜牧兽医 2022年2期

林海成，司旭，徐佳强

（中交基础设施养护集团宁夏工程有限公司，银川 750002）

湖泊富营养化是湖泊中营养盐（主要是氮、磷等）含量在自然因素或人为活动等作用下急剧增大，使生产力低下的贫营养湖泊逐渐转向高生产力的富营养湖泊。阅海湖湿地是银川市面积最大的一块生态湿地，对银川市经济发展和环境的改善起到重要作用，其位于宁夏回族自治区银川市金凤区西北部5 km，地理坐标为东经 106°19′—106°30′，北纬 38°50′—38°59′，南起典农河北京路码头，北通银川市绕城高速，南北长10 km，东西平均宽2.7 km，呈南窄北宽的倒梯形，总面积16.44 km2，其中湖泊面积8 km2，湖泊水深 2.5～3.0 m［1］。本研究采用综合营养状态指数法和基于层次分析法改进的综合营养状态指数对阅海湖四季的富营养状态进行评价，旨在为阅海湖的水生态环境保护和水资源合理开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 样点布设与采样时间

根据阅海湖地理位置及实际水文特征，布设以下采样点，其中S1 位于进水口附近，S2 和S5 位于深水区，S3 位于滑雪场和游乐园附近，S4 位于浅水区，S6 位于出水口附近，能够代表阅海湖不同水文条件及人类活动对水环境的影响。采样时间为2020 年1月（冬季）、4 月（春季）、7 月（夏季）、10 月（秋季），具体采样点位置如图1 所示。

1.2 样品的采集和测定

水样采集按照采样技术指导（HJ494—2009）、采样方案设计技术（HJ495—2009）和水质样品的保存和管理技术（HJ493—2009）要求进行。水质监测项目及规范包括水温（WT）、pH、溶解氧（DO），透明度（SD）现场测定，氨氮（NH3-N，《HJ535—2009》）、总磷（TP，《GB/T11893—1989》）、高锰酸盐指数（CODMn，《GB/T11892—92》）、总氮（TN，《HJ636-2012》）、叶绿素 a（Chl-a，《SL 88—2012》）等指标带回测定。

1.3 综合营养状态指数法

选取Chl-a、TP、TN、SD和CODMn作为评价因子［2］。

1.4 基于层次分析法确定权重的综合营养状态指数

1.4.1 层次分析法确定权重采用改进的层次分析法确定各指标权重，先由专家对各指标之间的相对重要性进行评判打分，构造判断矩阵，得出各指标的权重［3］。

1.4.2 评价指标的选取和得分在确定各项指标阈值和标准中，各指标以《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》确定级别，并对评价指标赋分，一类为100 分，二类为90 分，三类为80 分，四类为70分，五类为 60 分。WT、pH、SD 这 3 个指标均按 60 分计［4］。

1.4.3 富营养化评价分级采用综合指数法对阅海湖富营养化进行评价［5］。综合评价值的表达式如下。

式中，P总为富营养化评价得分，Wi为指标权重值，Li为指标得分，i为评价指标总个数。富营养化分级标准为80≤P总为贫营养，70≤P总＜80 为中营养，60≤P总＜70 为富营养，P总≤60 为高富营养。

2 结果与分析

2.1 阅海湖水体指标分析

2.1.1 阅海湖水体物理指标分析由表1 可知，WT在四季中波动幅度较大，秋季WT 最高，冬季WT 最低。pH 四季变化幅度不大，冬季较高，呈弱碱性。DO 季节变化幅度较大，冬季最高，DO 随WT 升高而降低。SD 四季变化幅度不大。

表1 阅海湖水体物理指标

2.1.2 阅海湖水体化学指标分析由图2 可知，阅海湖水体夏季Chl-a 最低，春季最高，由大到小依次为春季＞秋季＞冬季＞夏季，季节分布特征明显。各点位间 Chl-a 值由大到小依次为 S5＞S4＞S6＞S3＞S2＞S1，各点位间差异较大。在NH3-N 方面，春、秋季的含量大于夏、冬季；春季S4 和S6 点位，夏季S2 点位，秋季S1 点位的NH3-N 含量明显高于其他季节。各季节TN 含量由大到小依次为秋季＞夏季＞冬季＞春季，各点位间差异较为明显，其中S2、S5、S6 点位TN含量相对较高。秋季TP 含量最高，远大于其他季节，春、夏、冬季含量变化趋势较为稳定。S3、S5、S6含量远大于其他点位。夏季CODMn含量远大于其他季节，各点位间CODMn含量差异不大。

图2 阅海湖水体化学指标

2.2 综合营养指数法富营养化评价

由表2 可知，阅海湖整体富营养化水平为轻度富营养状态，秋季整体营养化水平高于其他季节。其中，S1 点位春、秋季呈轻度富营养化，夏、冬季为中营养状态；S2 点位春、冬季呈中营养化，夏、秋季为轻度富营养状态；S3 点位秋季情况较差，呈现为中度富营养化；春、夏和冬季呈现轻度富营养化；S4点位春、夏和秋季呈现轻度富营养化，冬季为中营养状态；S5 点位夏、冬季呈轻度富营养化，春季呈中营养化，秋季情况差，为中度富营养化；S6 点位秋季情况较差，为中度富营养化，春、夏季呈轻度富营养化，冬季呈中营养化。秋季营养级别高，主要是TN、TP营养盐在秋季含量高，说明TN、TP 是水体营养化的主要影响因子。

表2 基于综合营养指数法的营养化评价

2.3 基于层次分析法改进的综合营养指数富营养化评价

综合营养指数只包含了 Chl-a、TP、TN、SD 和CODMn几种指标，而影响富营养化的指标远不止这些指标，导致分析结果不全面。层次分析法可以将更多的指标纳入评价体系中，使评价结果更为合理。

2.3.1 层次分析法确定指标权重及指标得分根据阅海湖的水文特征和水质指标监测结果，建立阅海湖水域富营养状况的递阶层次结构（图3）。

图3 阅海湖水域富营养状况递阶层次结构

1）综合营养状态（标度，权重值）。构造矩阵A-B，得到成对比较矩阵（表3）。得到归一化特征向量w=（0.75，0.25）T。

表3 A-B 层矩阵

2）营养盐指标（标度，权重值）。构造矩阵B1-C，得到对比较矩阵（表4）。归一化特征向量w=（0.514 0，0.210 0，0.061 4，0.079 3，0.135 3）T。

表4 B1-C 层矩阵

3）耗氧物指标（标度，权重值）。构造矩阵B2-C，得到成对比较矩阵（表5）。

表5 B2-C

得归一化特征向量w=（0.48，0.24，0.21，0.07）T。

各指标归一化权重值见表6，根据权重计算各采样点位的指标得分。

表6 各指标归一化权重值

2.3.2 富营养化评价分级阅海湖的营养化分级结果见图4。阅海湖整体为贫-中营养化，全年秋季营养状态指数低，即营养化级别高。其中，S1 点位春、秋季呈现中营养状态，夏、冬季呈现贫营养化；S2 点位夏、冬季呈现贫营养化，春、秋季呈现中营养化；S3点位夏、冬季呈现贫营养化，春季呈现中营养化，秋季呈现富营养化状态；S4 点位夏季呈现贫营养化，春、秋、冬季呈现中营养化；S5 点位春季呈现中营养化，夏、冬季为贫营养化状态，秋季呈现富营养化；S6点位夏、冬季呈现贫营养化状态，春、秋季为富营养化状态。

图4 基于层次分析法富营养化评价

对2 种方法评价富营养化的结果进行比较，均为秋季营养级别明显高于其他季节，造成营养等级高的因子是TN 和TP。综合营养指数评价结果显示，阅海湖整体呈轻度富营养化，其中点位S3、S5、S6 在秋季呈现中度富营养化状态，用层次评价法改进的指数评价结果显示阅海湖整体呈现贫-中营养化，其中点位 S3、S5、S6 在秋季为富营养化，S6 的春季也为富营养化。层次分析法确定权重的指数进行富营养化评价时指标更为全面，因此营养化程度也相对较高，更能客观反映阅海湖的富营养化程度。

2.4 富营养化指标与水质指标的相关性

由表 7 可知，2020 年阅海湖TLI值与 Chl-a、NH3-N、TN、TP、WT 指标呈显著正相关，秋季的富营化程度最高，TN、TP 秋季含量明显高于其他季节，相关研究表明，N、P 营养盐是藻类生长所必需的元素，决定了藻类的生长，因此N、P 营养盐是影响水体富营养化的主要因子。Chl-a 的含量在一定程度上能代表富营养化程度，Chl-a 与 NH3-N、TP、TN 呈正相关，进一步确定了造成富营养的因素主要是N、P 营养盐。N、P 污染可能来源于农田灌溉退水，阅海湖的补水源主要为典农河，虽没有工业和生活污染源直接排入典农河，但良渠沟与典农河间接相连，良渠沟属于接纳生活、工业废水、农田退排水的排污沟，由于良渠沟与典农河交叉口虹吸管道设计通过流量偏小，当良渠沟水量大时，会导致良渠沟上游农田受淹，上游农民会打开良渠沟设置应急排放闸口，将水向典农河排放，导致典农河水体受污染，致使农田灌溉退水中的N、P 营养盐沿着典农河流入阅海湖，致使阅海湖富营养化。除农田退排水中的N、P 影响外，补水不足，排水不畅，水体循环受限，也可能会造成典农河水体污染和富营养化继而影响阅海湖，最终导致阅海湖水体富营养化。

表7 阅海湖富营养化与水质指标person 相关性

pH、SD、DO 与Chl-a 均呈负相关，pH、SD、DO 与水体富营养化也存在一定联系。秋季的富营化程度最高，同时WT 也是最高的，即WT 会影响富营养化。pH、DO、CODMn与TLI呈负相关，研究显示当富营养化过高时，会负反馈于藻类使溶解氧下降，因此pH、DO、CODMn可能是富营养化的表现因子［6］。SD 与TN呈正相关，而SD 的浓度主要与湖泊的悬浮物和藻类生长繁殖的数量有关，受N 源影响较大，因此SD 也可能是富营养化的表现因子［7］。