百花湖水体水质参数时空变化分析与富营养化评价

杨家芳，孙小琼

(贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001)

1 引言

水体富营养化是指湖泊、水库以及缓慢流动的河流等水体中营养物质过量而引起水体植物的大量生长[1～7]。富营养化会引起水质恶化，从而使湖泊生态功能和水功能遭受破坏。我国富营养化问题引起关注始于1950年代。近20年来，国内大量学者分别对东湖、巢湖、太湖、洞庭湖等湖泊的富营养化状况开展了大量的研究，并取得许多成功的经验[8，9]。目前对云贵高原地区湖泊水库的研究落后于东部浅水湖泊。李娜等研究了全国范围内的湖泊结果表明：2010～2011年, 59.1%的调研湖泊处于不同程度的富营养化状态，其中云贵湖区的富营养化程度最为严重[10]。李秋华通过调查2014年12月至2015年1月份( 枯水期)，2015年7～8月份(丰水期)贵州省20座代表性的水库水质，对贵州高原水库富营养化特征进行评价；研究表明：贵州省内贵阳市水库水质最差，其次遵义市和安顺市的水库水质也比较差，以黔南州和黔西南州水质较好[11]。百花湖是重要的城市饮用水源地，2014年高廷进等对2011年百花湖3个时期富营养化状态指数进行分析，评价结果显示百花湖水库呈富营养型，其中丰水期>枯水期>平水期[12]。赵梦等采用修正后的卡尔森指数法计算2012～2016年百花湖表层水的富营养状态指数，得出百花湖 2012～2016 年皆属中营养状态[13]。2021年贺康康等，采用综合营养状态指数对2009～2018年的水质监测数据进行分析评价，得出百花湖营养状态由轻度富营养化状态转变为中营养状态，水质整体向好[14]。以上学者对百花湖富营养化的评价较多以百花湖各采样点水体富营养化均值来描述百花湖富营养水平，对各采样点水体富营养水平代表性不强。此外，百花湖属云贵高原亚深水型水库，具有独特的地质背景和生态环境特征，水体滞留时间长，水动力较弱，被污染后治理难度更大[15]。因此，研究选取贵阳市主要饮用水源地百花湖作为研究对象，开展百花湖水体水质参数的时空变化分析与多时段的水体富营养化评价，对湖泊健康和区域居民饮用水安全具有重要的意义。

2 研究区概况

百花湖位于贵阳西北郊，地处长江上游乌江右岸一级支流猫跳河的中游，地理位置为E106° 27′～ 106° 34′，N26° 35′～ 26°42′。百花湖是人工建设的河道型深水水库，于1966年竣工，是贵阳市第二大人工湖。百花湖属亚热带季风气候区，为低中山丘陵地貌，两岸多河谷台地，缓丘坡地。平均海拔1200 m，年平均气温在15 ℃，年平均降雨量为1200 mm左右，5～9月份降水量占全年降水量的70%。湖中岛屿众多，沿岸农村居民点、农家乐较多。据贵阳市饮用水源地公报记载，2006年百花湖水质评价为Ⅱ类水；2010年花桥段曾被评价为IV类或V类水[16]，目前水质长期评价为Ⅲ类水(图1)。

图1 研究区水系和采样点分布(自绘)

3 实验方法

3.1 水样的采集与分析

水质数据通过设置采样点进行水质采样和分析化验获得。根据百花湖水库的特点，在研究区设5个采样点；采样点S1位于花桥，S2位于岩脚寨，S3位于麦西河，S4位于贵铝泵房，S5位于大坝。选取叶绿素 a(Chl-a)、总磷 (TP)、总氮(TN)、高锰酸盐指数(CODMn)、透明度(SD)等水质指标进行调查。依据中华人民共和国《地表水环境质量标准》( GB3838-2002) 对水质评价指标的规定，利用5 L有机玻璃采水器采集水深0.5 m处水样，装入500 mL洁净聚乙烯瓶，采用改良的反复冻融、丙酮浸提测定叶绿素Chl-a；采用钼酸铵分光光度法测定总磷；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定TN；采用酸性高锰酸钾氧化法测定CODMn；采用塞式盘法测定透明度。

3.2 水体富营养化的评价

目前，我国环保部门对湖泊富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法(如Carlson营养状态指数、修正的营养状态指数、综合营养状态指数等)、营养度指数法(AHP-PCA法)和评分法。研究采用王明翠等学者提出的综合营养指数(TLI)评价方法[3]。该方法目前被我国环保部门广泛使用，主要通过选择Chl-a、TP、TN、CODMn、SD等5项指标作为富营养化评价指标对湖泊营养状态进行连续数值分级评价。

综合营养状态指数：

(1)

式(1)中，TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为以chl-a为基准参数计算的第j种参数的营养状态指数的归一化相关权重，其取值来源于我国26个典型湖泊(水库)调查数据计算获得的相关系数；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。

Wj权重计算公式：

(2)

式(2)中:为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数，取值见表1;m为评价参数的个数。

表1 2017～2019年百花湖不同时期的富营养化评价

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086ln(Chl-a)

(3)

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

(4)

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

(5)

TLI(TN)=10(5.453+1.694ln(TN)

(6)

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

(7)

式(3)～式(7)中:Chl-a质量浓度单位为mg/m3;SD单位为m;其他指标单位均为mg/L。

根据富营养化分级标准，采用0～100的数字对湖泊营养状态分成5级: 贫营养(0，30)，中营养[30，50]，轻度富营养(50，60]，中度富营养(60，70]，重度富营养(70，100)(表2)。

表2 中国湖泊(水库)部分参数与chl-a的相关关系rij及值

4 结果与分析

4.1 水质参数的时空变化分析

研究根据2017～2019年百花湖水质监测资料，分析百花湖平水期、丰水期、枯水期3个时期Chl-a、TP、TN、CODMn、SD等5项水质参数的时空变化情况；其中，水质参数浓度取每个时期所有监测点的平均值。分析得出(图2)：①百花湖水体水质参数存在较大时空分异，叶绿素a、总氮和高锰酸盐3个水质参数浓度值浮动较大，总磷和透明度2个水质参数浓度值相对较平稳；其中，叶绿素a整体上呈丰水期普遍高于其他时期、平水期次之，枯水期较低的特征，符合水体藻类生长的客观规律；总氮和高锰酸盐总体上呈平水期较高，丰水期次之，枯水期较低的特征，这与农作物生长施肥、降雨等密切相关；②总体上，2017～2019年除透明度外的其他水质参数浓度值在枯水期浓度较平水期和丰水期有所下降，但又存在个别差异(如2017年8月丰水期叶绿素a浓度处于较低水平)，这与湖泊生态环境本身具有复杂性和外源(降雨、湖库人工泄洪)等影响因素的多样性密切相关[17，18]。

图2 百花湖不同时期水质参数变化

4.2 富营养化评价

通过对平水期、丰水期、枯水期百花湖多个采样点水质进行分析，采用综合营养状态指数法对百花湖富营养化状态进行评价(表1)。

结果显示，2017～2019年期间，百花湖营养水平为中营养至中度富营养之间。总体上呈以下特点：

(1)2017～2019年，百花湖水库富营养水平均值处于中营养状态至中度富营养之间，年均值营养水平整体呈缓慢增高后降低的趋势，主要原因可能与国家及地区环保等相关部门加强对环境的保护密切相关。如，2018年1月，贵州省河长制办公室印发《贵州省河长巡河制度》。同年9月，贵州省副总河长吴强签署第1号总河长令，在全省范围内开展乱占、乱采、乱堆、乱建等河湖管理保护突出问题“清四乱”行动等，促进全省水生态环境持续改善。

(2)综合富营养评价数值分析，5个采样点中，花桥营养状态最差，2018年4月(平水期)达到最大(61.901)；已达到中度富营养水平；岩脚寨和麦西河情况次之，贵铝泵房和大坝情况较好，多呈中营养状态。总体而言，百花湖上游到下游水体富营养化有降低趋势，表明湖泊水体有一定的自净能力。此外，在百花湖流域野外调研中发现，一方面百花湖上游花桥段的富营养化主要受支流东门桥河污染水体汇入的影响；另一方面，花桥段居民点较多，人类活动强度大，生活污水基数大，但其水域面积小，水体自净能力有限。岩脚寨段虽居民点较少，但其受上游花桥水体流入及其流域内村寨小型生活污水处理厂运行状态不佳，存在生活污水、养殖污水和农用地排水直接进入湖库的情况，其富营养化水平在中营养至轻度富营养之间。

(3)百花水库营养水平季节差异较大，整体上枯水期水质好于平水期和丰水期，个别时期评价结果截然相反。出现这种差异的原因一方面是因为湖泊生态环境本身具有复杂性；另一方面存在外源影响因素多样性，如降雨、旅游、农田施肥、水库泄洪、采样时间等。

5 讨论与建议

(1)运用综合营养状态指数评价多时期湖泊水库富营养化状态有利于环保部门尽早规划部署以防范富营养化的发生、降低富营养化造成的危害。但由于湖泊水库自身的复杂性和外源影响的多样性，相同区域不同时期的研究结果可能存在一定差异，故研究建议应根据湖泊水库自身特征进行长时间系列的综合富营养化评价模型的修正，实行的“一类一策”或“一湖一策”的湖泊富营养化评估方法[19]。此外，应加强野外调研，以找出造成富营养的主要原因并用于印证评价结果。

(2)在文献阅读和百花湖野外调查中发现，麦西河人为干扰强度次于花桥，其水体轻度污染[11,17]，上游、中游虽存在水体发臭、发黑的情况，由于下游到入湖口种植着多种水生植物，较大程度上有效截留了百花湖麦西河小流域水体中的营养盐。因而，建议其他小流域加大治理力度，实施建设生态工程。即在城市建设的同时，提升城镇生活污水和生活垃圾处理能力，岸边或入湖口一定范围内建设缓冲带，栽种水生植物等措施以降低水体发生富营养化的风险，改善百花湖的水质现状，以减轻生活污水对百花湖水环境的影响。

(3)后续研究建议分别对降雨前后水样进行采样化验分析，以提高评价结果精度。结合遥感与GIS等手段，研究多时段的水质与土地利用景观类型的响应关系，对于非完整性小流域，建议将上游水体中的污染衰减系数纳入考量[20]，以便更好的调整土地用途和周边土地的种植结构，进而减少富营养化的发生。