综合水质标识指数法在苏州国家湿地公园水质评价中的应用

2022-07-12程珊珊龚亚西

苏州科技大学学报(工程技术版) 2022年2期

程珊珊，朱颖，龚亚西

（1.苏州科技大学天平学院，江苏苏州 215009； 2.苏州科技大学建筑与城市规划学院，江苏苏州 215011； 3.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116）

湿地与森林、海洋并称为地球三大生态系统，具有调节城市气候、涵养城市水源、维持生物多样性、营建科教场所等多重生态功能与社会效益[1]。随着人类社会的快速发展，大量的湿地生态系统遭到破坏乃至消失，如何科学保护与恢复湿地已成为世界性问题[2-3]。自2005 年起，湿地公园作为构建湿地生态资源保护与利用、湿地功能结构调整与恢复、湿地科教文旅开发与建设等多位一体的我国湿地保护新体系，近年得到快速发展[4]。目前建成国家级湿地公园898 个[5]，省市级更是不计其数，但在快速建设过程中，面临湿地水质下降、生态系统功能退化等诸多问题，影响可持续发展。水环境作为湿地的关键生态过程，控制着湿地的形成与演替，其质量好坏决定了湿地生态系统的稳定与健康[6-7]。水质评价可以科学反映水质状况，是湿地保护的重要工作之一，对湿地水质定期监测并选择合适的评价方法进行评价能够为制定水环境保护与管理策略提供科学依据[8]。

国内外学者们对湿地水环境中污染物的时空分布特征进行了评价研究，并取得了一定进展[9-13]。研究对象主要集中在自然湿地，而湿地公园研究较少。方法方面，水质评价方法较多，主要有单因子评价法、综合污染指数法、模糊综合评价法、灰色系统评价法、内梅罗污染指数法、BP 神经网络法等[14-20]，这些方法有的仅可定性不可定量分析，有的计算繁琐和复杂，有的评价结果不直观，各有其优点和局限。综合水质标识指数法是一种基于单因子指数法优化而来的综合水质评价方法，不会因某个水质指标较差而否定综合水质，科学涵盖了综合水质类别、水体污染程度、水环境功能区达标，计算简便，定量评价结果直观，便于比较与分析水质变化趋势。

太湖是我国第三大淡水湖泊，其流域涵盖了经济发达、人口最稠密、水网最密集的长三角地区，目前流域内共建有国家湿地公园(包含1 个直辖市、7 个地级市)17 个，其中苏州数量最多，有6 个，且其建设水平更是居于江苏省乃至全国前列，本文将综合水质标识指数法应用于苏州6 个国家湿地公园水质综合评价，旨在揭示和分析不同景观结构湿地公园的水质时空变化规律和水污染基本特征，其研究结论对水质监测数据的评价有一定的借鉴作用，为制定湿地公园水环境保护与管理措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 基本概况

苏州市（119°55'～121°20'E，30°47'～32°02'N）位于江苏省东南部，气候上为亚热带季风气候，年均气温15.7 ℃，年均降水量1 100 mm。市内河流纵横、湖泊众多，湿地面积3 395 km2(不含水稻田)，占国土面积40%，自然湿地2 687.62 km2，分别为沼泽湿地188.81 km2，湖泊湿地1 878.36 km2，河流湿地620.45 km2。目前苏州拥有各级（国家级、省级、市级）湿地公园21 个、市级重要湿地102 个，受太湖水量和水质的制约，流域年降水分布与太湖水位变化总体上相似。本文研究的苏州6 个国家湿地公园补水方式除自然降雨外皆由太湖供给，具有相似的气候、水文特征（如图1 所示），为此研究划分为三个雨季：枯水期（12 月~2 月）、平水期（3 月~5 月、9 月~11 月）和雨水期（6 月~8 月）。

图1 苏州国家湿地公园空间分布

1.2 水质数据采集

参照《湿地公园总体规划导则》中湿地保育、恢复重建和合理利用3 种功能区划条件，以及景观结构、生态系统特征的差异，在特征明显处选定53 个水质监测样点，其中包括太湖国家湿地公园（TH）10 个、沙家浜国家湿地公园（SJB）7 个、湖滨国家湿地公园（HB）10 个、三山岛国家湿地公园（SSD）8 个、天福国家湿地公园（TF）10 个、同里国家湿地公园（TL）8 个（如图2 所示）。水质指标选取参考《苏州市湿地公园科研监测和湿地宣教指南(试行)》要求，综合考虑数据的完整性和水体污染中对水环境影响较大的关键指标，包括TN、TP、DO（缺TF）、COD、BOD，共计5 项。在2019 年2 月至2020 年1 月期间，每月选择晴朗天气、风速较小的时间进行采样，减小实验误差。水样采集遵循《地表水和污水监测技术规范（HJ/T 91-2002）》、《水质采样技术指导（HJ 494—2009）》和《水质采样样品的保存和管理技术规定（HJ 493—2009）》。除溶解氧DO 值容易变化需要使用便携式溶解氧测定仪于现场测得，其余指标皆带回天福国家湿地公园的实验室进行测定分析（见表1）。每个样品运用3 次重复实验法，取平行样的平均值作为指标值，以确保实验结果的准确性。

图2 苏州6 个国家湿地公园景观类型及采样点分布

表1 水质指标监测方法

1.3 水质评价

综合水质评价依照《地表水环境质量标准GB3838-2012》，其中湿地公园为Ⅴ类水环境功能区，即“农业用水区和一般景观要求水域”，参与评价的理化指标也参照地表水Ⅴ类标准值。

1.3.1 单因子水质标识指数分析

单因子水质标识指数Pi由1 位、2 位小数或3 位有效数字构成，计算公式为

式中，X1为第i 项指标的水质类别；X2为监测数据在X1类水质标准下限值与X1类水质标准上限值变化区间中所处的位置，按四舍五入原则计算确定；X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果，视评价指标的污染程度（见表2）。

表2 单指标标识指数

1.3.2 综合水质标识指数分析

综合水质标识指数由单因子水质标识指数总和的平均值、水质类别与功能区划设定类别比较结果，以及劣于功能区标准的指标个数组成，其公式为

式中，X1.X2为单因子水质标识指数法总和的平均值X1.X2=∑（P1’＋P2’＋…＋Pm’)/m，m 为参加水质评价因子个数；X3为参与综合水质评价的水质指标中劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，由1 到2 位有效数字组成（见表3）。

2 结果与讨论

表3 综合水质标识指数的综合水质级别判定

2.1 单项水质标识指数分析

2.1.1 单项水质随季相变化评价

为研究苏州国家湿地公园不同水质指标受季节变化的影响，从所监测的各单项水质标识指数（Pi）结果及变化来看：（1）DO 指标季节性差异较明显，其Pi枯水期较低，皆为Ⅰ类水，丰水期较高，水质最差，TH、SSD 指标都有所上升，TF 指标急剧变差，从枯水期和平水期的Ⅰ类水变为劣Ⅴ类水。 DO 指标秋冬季要好于夏季，一方面是溶解氧含量与水温成反比，另一方面夏季降水丰富，径流量大，携带污染物较多，以至于湿地水质较秋冬季差。（2）COD 枯、平水期的Pi以Ⅳ类、Ⅴ类水为主，仅SSD 保持较好水平为Ⅰ类水，丰水期COD 的Pi整体较低，水质好于枯、平水期，其中HB、SSD 水质都为Ⅰ类水，TF水质最差为Ⅴ类水。（3）枯水期BOD 的Pi较高达劣Ⅴ类水，平水期BOD 的Pi整体相较于枯水期变化不大，BOD 丰水期水质全年最佳，相比COD 指标浓度，BOD 指标较差且差异较大。除TH 的Pi平、丰水期达Ⅴ类、Ⅳ水标准，其余皆为劣Ⅴ类，说明湿地水体受到有机物污染较为严重。其中，SSD 的Pi最高，全年最大值为6.9，TF 次之，SSD 是太湖湖心岛，受外源污染较多，而TF 水域面积较少，多为狭小沟渠，不利于有机物的降解。（4）枯水期TP 的Pi皆达Ⅲ类水，而平水期指标差距较大，如SSD 为Ⅱ类水，SJB 为Ⅳ类水，其余皆为Ⅲ类水；丰水期TP 的Pi除了TF 为Ⅴ类水，其余各公园都为Ⅱ类、Ⅲ类水；TF 和SJB 季节性差异较大，TP 的Pi最大值出现在TF 丰水期为5.1，最小值出现在SJB 丰水期为2.1，除TF 外其余国家湿地公园的TP 的Pi在枯水期和平水期均高于丰水期。分析原因枯水期水位相对较低，水流动性较差，水体自净能力减弱，引起TP 浓度的升高，且秋冬季植被吸附功能降低，冬季微生物不活跃，对水体的净化功能减弱，水体中植物残体较多，更容易引起氮磷污染物的累积，造成内源污染。而丰水期间水流速度较快，污染物不易沉积积累，植物生长本身需要消耗一些氮磷，水质自净能力较好。而实地调研过程中发现TF 内分布着许多农作物与经济作物，壮果肥在6 月中下旬施肥，夏季农田退水加大面源污染影响，农田径流中磷肥增加了TP 平均浓度。（5）枯水期TN 的Pi最高，最低为SSD 的Pi为4.4 达Ⅳ类水，最高为TL，Pi为6.6 达劣Ⅴ类水标准。TN 平水期水质最好，但同样的HB、TL 水质最差分别为Ⅴ类和劣Ⅴ类水。 TN 的Pi整体而言丰水期要好于枯水期，即夏季好于冬季。仅TF 丰水期水质较差，季节性差异也较大。TL 建设最晚，湿地内有较多民居住户，大量生活污水会导致湿地水体有机物以及氮磷的含量增加影响水质。

表4 单因子水质标识指数法对各水期水质的分析结果 mg/L

2.1.2 单项水质随空间变化评价

苏州国家湿地公园53 个监测点分别设在湿地保育区、恢复重建区和合理利用区中，从所监测的各个水质指标的单项水质标识指数（Pi）结果及变化来看：（1）TH 主要污染因子的污染程度大小排列次序是：BOD＞COD＞TN＞TP＞DO；DO 的Pi在合理利用区4 号采样点为最高值为Ⅱ类水，其他区都达Ⅰ类水；COD、TP 的Pi变化不大分别为Ⅳ类和Ⅲ类水；BOD 的Pi以Ⅴ类水为主，仅合理利用区4 号采样点和恢复重建区1 号采样点为劣Ⅴ类水；TN 的Pi相差较大，区间在Ⅲ类到Ⅴ类水之间，其中4 号样点水质最差为Ⅴ类，8 号、9 号样点水质最好为Ⅲ类。分析原因1 号和4 号样点位于湿地公园北侧为水系上游，且靠近城市居住区，受人为因素影响较大，因此各项指数都最高。（2）SJB 主要污染因子的污染程度大小排列次序是：BOD＞COD＞TN＞TP＞DO；DO 的Pi较低，除湿地保育区的1 号采样点为Ⅰ类水外，其他都为Ⅱ类水；COD 的Pi以Ⅳ类水为主，仅合理利用区5 号点和恢复重建区6 号点为Ⅴ类水；各分区BOD 的Pi皆达劣Ⅴ类水标准；TP 的Pi为Ⅲ类、 Ⅳ类水，其中合理利用区采样点皆为Ⅲ类水水质最好，湿地保育区皆为Ⅳ类水水质最差；TN 的Pi以Ⅳ为主，仅合理利用区7 号点位为Ⅲ类水。分析原因距离公园入口最近的6 号样点和公园中心游览区的5 号样点受人为干扰最为明显，同时公园东南角水域原为桑基鱼塘，虽已废改多年，但受其影响，下游4 号点的TP 指数仍然较高。（3）SSD 主要污染因子的污染程度大小排列次序是：BOD＞TN＞TP＞COD＞DO；DO、COD 的Pi皆为Ⅰ类水，其中2 号样点DO 监测数据优于Ⅰ类水，3、2 号点的COD 监测数据最好；BOD 的Pi皆为劣Ⅴ类水；TP 的Pi为Ⅱ类、Ⅲ类水，以合理利用区2 号、3 号样点和湿地保育区7 号、8 号样点水质最优；TN 的Pi以Ⅲ类、Ⅳ类为主，2 号、3 号样点最优，湿地保育区4 号、8 号样点较差。 1 号、2 号、3 号样点设置了大面积生态浮岛等复层围堰措施，水质净化效果显著。同时4 号、5 号、6 号样点处于两次岛中间，水流速度较快，且受外源污染影响，各水质指数相对较差。（4）HB 主要污染因子的污染程度大小排列次序是：BOD＞TN＞COD＞TP＞DO；DO的Pi为Ⅰ类水，合理利用区水质较湿地保育区好；COD、BOD、TP 的Pi分别为Ⅳ类、劣Ⅴ类和Ⅲ类水；合理利用区TN 的Pi为Ⅴ类水，湿地保育区内的样点以Ⅳ为主；合理利用区1 号、3 号、5 号样点水质整体指数较高，湿地保育区各样点水质整体指数较低。受生态浮岛净化作用影响，离岸边最远的7 号、8 号、9 号、10 号整体指数最好，处于浮岛最内侧离岸边最近的1 号、3 号、5 号样点受人为干扰较大，水质最差。（5）TF 主要污染因子的污染程度大小排列次序是：BOD＞COD＞TN＞TP＞DO；DO 的Pi皆为Ⅰ类水；COD 的Pi以Ⅳ类水为主，仅1号、2 号、4 号样点为Ⅴ类水；BOD 的Pi皆为劣Ⅴ类水，其中湿地保育区1 号、4 号样点水质最差；TP、TN 的Pi在合理利用区和恢复重建区较为稳定，分别以Ⅲ类和Ⅳ类水，湿地保育区差异较大，包括Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水，其中1 号样点最差为劣Ⅴ类水。 TF 合理利用区水环境水质最好，恢复重建区其次，湿地保育区最差。其中1 号、4 号样点位于湿地公园西北角，离城市建成区较近且处于水系下游，受人为干扰因素水质较差，多项指标为Ⅴ类和劣Ⅴ类水；同时东西向铁路将7 号、8 号、10 号样点与主园区分割开来，受外在干扰较小，水质较好。（6）TL 主要污染因子的污染程度大小排列次序是：BOD＞TN＞COD＞TP＞DO；DO 的Pi以Ⅰ类水为主，1、5 号样点分别为Ⅲ类和Ⅱ类水；COD 的Pi显示水质以Ⅳ类水为主，且水质最优的5 号样点和水质最差的2 号样点都位于湿地保育区内，分别为Ⅳ类和Ⅴ类水；BOD 的Pi都为劣Ⅴ类水；TP 的Pi最好和最差值都在湿地保育区，其中5 号样点水质最好为Ⅱ类水，8 号样点水质最差为Ⅲ类水；TN 的Pi以劣Ⅴ类水为主，仅5 号样点为Ⅳ类水。TL 为BOD、TN 和COD 指数较高，具体表现公园东部和下游水质较好，上游水质较差，原因是规划建设最晚，建设前湿地内有较多民居住户，水田较多，大量生活污水和农田退水即可导致湿地水体有机物以及氮磷的含量增加，同时TL 为开放水系，外部水质对内部水质影响较大，为此相较于其他5 个苏州国家湿地公园水质整体较差（见表5）。

2.2 综合水质标识指数分析

2.2.1 综合水质随时间变化评价

就全年水质指标综合分析，将各湿地公园水质综合指标受季节影响浮动大小，对变化幅度大小进行排序：SSD＜TL＜TH＜SJB＜HB＜TF；将各湿地公园综合水质标识指数高低进行排序：SSD＜HB＜TH＜SJB＜TL＜TF（见表6）。对比发现在各公园中，SSD 水质最好，全年综合水质标识指数都为Ⅲ类水，全年变化浮动小，季节变化对其影响也最小，最稳定；TH、SJB、HB 水质次之，枯水期、平水期都为Ⅳ类水，丰水期水质变好为Ⅲ类水；TL水质季节性变化特征与TH、SJB、HB 相似，枯水期、平水期都为Ⅳ类水，虽然丰水期水质也有所好转，但仍为Ⅳ类水；同样TF 枯水期、平水期都为Ⅳ类水，但与TH、SJB、HB、TL 不同的是，枯水期水质最好、丰水期水质最差，丰水期水质迅速恶化，综合水质标识指数为Ⅴ类水标准。

2.2.2 综合水质随空间变化评价

对比分析苏州国家湿地公园不同功能分区水质状况，水质污染物呈现一定的空间分布规律（见表7）。（1）太湖国家湿地公园（TH）各功能分区样点水质整体以Ⅲ类水为主，对比各功能分区污染程度从大到小排列次序是：合理利用区＞恢复重建区＞湿地保育区，各功能分区较为合理。其中以合理利用区4 号样点水质最差，年综合水质标识指数为Ⅳ类水，水质标识指数为4.51。监测数据为Ⅳ类水区间中距离下限值50%的位置。（2）常熟沙家浜国家湿地公园（SJB）各功能分区样点水质整体以Ⅳ类水为主，对比各功能分区污染程度从大到小排列次序是：恢复重建区＞合理利用区＞湿地保育区，恢复重建区水质保护与管理措施需进一步加强。湿地公园整体水环境质量受游客影响较大，仅1 号样点全年综合水质标识指数为Ⅲ类水，监测数据为Ⅲ类水区间中距离下限值90%位置。（3）太湖三山岛国家湿地公园（SSD）各功能分区样点水质整体以Ⅲ类水为主，对比各功能分区污染程度从大到小排列次序是：恢复重建区＞湿地保育区＞合理利用区。因合理利用区设置了大面积的生态浮岛水质较好，其中3 号样点全年综合水质标识指数为Ⅱ类水水质最佳，监测数据为Ⅱ类水区间中距离下限值90%的位置。（4）太湖湖滨国家湿地公园（HB）各功能分区样点水质Ⅲ类、Ⅳ类各占一半，因监测范围内无恢复重建区，因此对比各功能分区污染程度从大到小排列次序是：湿地保育区＞合理利用区。沿河岸生态浮岛水质净化作用明显，各样点水质从护岸向湖心逐渐变好。其中，10 号样点水质最好，全年综合水质标识指数为Ⅲ类水，监测数据为Ⅲ类水区间中距离下限值80%的位置。（5）昆山天福国家湿地公园（TF）各功能分区样点水质差异较大，总体以Ⅲ类、Ⅳ类水为主，对比各功能分区污染程度从大到小排列次序是：恢复重建区＞合理利用区＞湿地保育区。其中，西北角1 号和4 号样点水质最差，全年综合水质标识指数分别为Ⅴ类和Ⅳ类水，功能分区管理需进一步加强。（6）吴江同里国家湿地公园（TL）各功能分区样点水质整体以Ⅳ类水为主，在苏州国家湿地公园中水质最差，对比各功能分区污染程度从大到小排列次序是：恢复重建区＞合理利用区＞湿地保育区。其中湿地保育区2 号和8 号样点水质最差，全年综合水质标识指数分别为Ⅴ类和Ⅳ类水，功能分区管理需进一步加强。

表5 单因子水质标识指数法对各湿地公园水质的分析结果mg/L

2.3 主要污染物来源及对策

根据监测结果以及水质评价结果，苏州国家湿地公园主要污染因子为BOD 和TN。根据实地调查，TH、SJB 均由围养鱼塘退渔还湿改造而成，各结构单元水系连通较好，但局部样点易受外在因素干扰。如合理利用区皆受游船影响较大，行船会导致水体扰动过大影响水质。调查发现在旅游淡季，水质逐渐得到改善。旅游开发应根据水质季节性变化趋势，适当限制游船航次次数，合理规划航线，减轻底泥悬浮对湿地水质的影响。且水质受有机颗粒物（植物枯枝凋落物、藻类残体等）影响大，需要加强植物收割管理，定期收割挺水植物，避免植物二次污染，定期清扫河岸边植物枯枝落叶和鸟粪，减少陆源有机物向湿地水体中的输入。

表6 综合水质标识指数法分析不同季相变化的水环境质量

表7 综合因子水质标识指数法对TH 水质的分析结果

HB、SSD 皆由太湖湖岸或湖心岛改造而成，各结构单元水流速度较快，在水环境质量上湖岸水流方向单一指标差异较小，湖心岛水流方向易变，指标差异明显[21]。受风浪影响，堤岸侵蚀会导致泥沙进入水体，同时太湖藻类易被风浪吹入围堰形成堆积，其腐烂后的氮、磷等营养元素释放对湿地水质有负面影响。应稳固湖滨岸坡，采取人工辅助措施保证滨岸带结构完整，在风浪影响较大区域构建生态消浪坡，设置生态网格石笼堤岸，提高湿地内部及岛屿环境的稳定性和防御灾害能力；设置生态浮岛等复层围堰措施，削减风浪冲刷水岸，避免生态系统结构受损和底泥再悬浮，以此提高湿地生态系统的稳定性；定期打捞并收割植物，以减少植物腐殖质进入水体导致二次污染。

TF 为农田、鱼塘改造而成，水系较为封闭，有众多缓流区和静水区，水系连通较弱，园内的沪通铁路干扰较大。其中湿地保育区水质较差，其内主要由农田、大棚种植区、鱼塘、农村等元素构成，受面源污染影响较大[22]。应构建水循环系统，通过地形整理疏通水系，增加连通性，以此增强湿地去污、净化功能；同时构建生态拦截和净化植被带，湿地外围修复生态驳岸，引入本土水生植被，促进植被恢复，从而增强面源污染的阻截能力；发展生态农业，慎用农药和化肥；合理安排湿地补水，在农田退水排放期间尽量减少湿地补水，从而减轻农田退水对湿地生态系统的压力，对农业生产季节和非农业生产季节进行分时管理。

TL 为两湖泊湿地交界地带，通过水系、库塘连接，对外连接度较强对内连接度较弱，在水环境质量上，下游部分指标较上游差，生态廊道单薄无法实现长期、稳定的生态改良与水质净化，需要加强生态廊道的建设。其合理利用区水质较其他两个区差，该区主要分布了村落、鱼塘养殖、稻田与设施农业，受人为干扰较大。需加强园内民居附近污水管网建设，污水处理达标后再排放，固体废弃物安排定期清理，道路两侧建立污水收集槽、渗滤截流设施等污水收集系统。修建生态驳岸，在水塘与农田、道路之间保留陆域生态发展区，隔离河渠水体避免稻田农药污染和人为干扰，并对农田退水进行分时管控。