东昌湖水质评价及富营养化分析
2023-09-21郭中伟赵红金陈成勇
郭中伟，郑 蕾，赵红金，陈成勇
（聊城市水文中心，山东 聊城 252000）
引言
湖泊生态系统在维持生物多样性、支持人类生存发展和提供各种生态系统服务方面发挥着关键作用。湖泊水质是指决定湖泊生态系统健康和功能的物理、化学和生物特征。湖泊富营养化是自然或人类引起的营养物质过度富集的过程，是导致湖泊水质恶化的主要原因之一，主要是因为营养物质（如氮和磷）输入的增加，导致湖泊藻类过度生长、氧气耗尽和生态失衡，了解湖泊水质和评估富营养化水平对于湖泊管理和淡水资源保护至关重要。本文以东昌湖为研究对象，分析其水质状况及富营养化情况，以期为城市内陆湖泊的管理提供技术支撑和方法借鉴。
1 研究区概况
聊城市位于山东省西部，与河北省、河南省接壤，境内有卫运河、马颊河、徒骇河、京杭大运河、金堤河、黄河、东昌湖等河流、湖泊，年平均降水量为560.0 mm。东昌湖位于聊城市中心城区，总面积约为6.3 km2，湖岸线长达16 km，水深为3～5 m，除自然降雨外，湖泊主要水源为“引黄补水”，是我国江北地区罕见的大型城内湖泊。
2 分析方法
水质是指水的化学、物理和生物特性，它决定了水是否适合于各种特定用途，如生活饮用、娱乐活动、农业灌溉、工业使用和生态系统支持等，它是衡量水体与其预期用途的重要指标。
富营养化是一个自然或人类活动引起的过程，其特点是水生生态系统，如湖泊、河流和沿海地区的营养物质过度富集，特别是氮和磷过度富集。这种过度的营养输入刺激了藻类和其他水生植物的生长，导致生物量过剩，继而改变了生态系统的结构和功能。富营养化会导致溶解氧的耗尽，藻类大量繁殖，生物多样性丧失，以及水质的整体退化。
2.1 单因子评价法
单因子评价法[1]是将每个评价指标的实测浓度与《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）[2]中Ⅲ类水指标限制进行比较，以确定各个评价指标的水质类别，并以最差的水质类别作为断面水质类别。
式中：Ri为第i个水质指标的单因子评价指数；ρi为第i个水质指标的实测值（mg/L）；ρs为第i个水质指标的评价标准值（mg/L）。
2.2 季节性Kendall检验法
季节性Kendall检验是一种非参数统计方法，它不需要对数据的分布进行任何假设，可以处理缺失数据和异常值，不受数据中的离群值或极端值的影响，可以对数据进行更准确和更完整的动态分析，在水质分析中常用于检测水质数据随时间变化的趋势，刘敏[3]等人对季节性Kendall检验法的原理进行了详细阐述。本文运用基于季节性Kendall检验方法的水质趋势分析软件PWQTrend进行分析，它能够定量描述并表达水质的演变趋势[4]。
2.3 综合营养指数法
综合营养指数法通过对叶绿素a（Chl-a）、高锰酸盐指数（CODMn）、总氮（TN）、总磷（TP）和透明度（SD）划分等级来判断水体富营养化程度，具体计算方法如下。
2.3.1 营养状态指数的计算
TLI（Chl-a）=10（2.5+1.086lnCChl-a）
TLI（CODMn）=10（0.109 +2.661lnCCODMn）
TLI（TN）=10（5.453+1.694lnCTN）
TLI（TP）=10（9.436+1.624lnCTP）
TLI（SD）=10（5.118-1.940lnCSD）
式中，TLI为营养状态指数；C为浓度，其中，Chl-a采用μg/L为单位；SD采用m为单位；其他指标采用mg/L为单位。
2.3.2 各指数相关权重的计算
ηj为第j种指标的营养状态指数的相关权重。以Chl-a作为基准指标，则第j种指标的归一化的相关权重计算公式如下。
式中，Nij为第j种指标与基准指标Chl-a的相关系数，其取值详见表1；m为评价指标的个数。
表1 湖泊部分指标与Chl-a的相关关系
2.3.3 综合营养指数（TLI）
采用0～100的数值对湖泊营养状态进行分级：TLI<30，代表贫营养；30≤TLI≤50，代表中营养；50
3 结果分析
3.1 水质现状评价结果
东昌湖断面每月监测1次，年度共监测12次。利用单因子评价法获得2022年度评价结果，见表2。
表2 2022年东昌湖监测断面水质评价结果
由表2可以看出，2022年东昌湖水质优于Ⅲ类的占比超过了80%，达83.4%，主要超标指标为化学需氧量和总磷，年度水质级别为Ⅲ类。
3.2 水质指标变化趋势
对2018～2022年东昌湖断面的5项水质指标运用PWQTrend软件计算其变化趋势，东昌湖水质指标高度显著上升（↑↑）、显著上升（↑）、无明显升降趋势（↔）、显著下降（↓）和高度显著下降（↓↓）五类变化趋势结果见表3。
表3 季节性Kendall 检验水质指标趋势分析结果
由表3可以看出，高锰酸盐指数和透明度指标均呈现无明显升降趋势，总氮、总磷、叶绿素a均呈显著下降或高度显著下降趋势。
3.3 综合营养指数分析结果
经分析计算，2022年东昌湖的综合营养状态指数在汛期（6—9月）为52.4，处于轻度富营养状态；年平均值为48.7，处于中营养状态。
4 结论
在2022年的12次监测中，东昌湖水质评价级别优于Ⅲ类的占比达到83.4%，其中化学需氧量和总磷为主要超标指标，东昌湖全年水质级别为Ⅲ类。通过对东昌湖的叶绿素a、高锰酸盐指数、总磷、总氮和透明度指标进行计算，2022年东昌湖综合营养指数处于中营养状态，在汛期处于轻度富营养状态，汛期降雨形成的城市雨水径流汇入东昌湖可能是引起营养状态变化的主要因素。2018—2022年东昌湖的总磷、总氮、叶绿素a水质指标均呈下降趋势，这对于降低湖泊综合营养状态指数较为有利。
5 结语
5.1 湖泊水质评价和富营养化分析的重要性
湖泊水质评价和富营养化分析是环境管理者和决策者的重要工具，这些评价为制定减轻富营养化和恢复受损湖泊生态系统的战略提供了科学依据。通过确定营养物来源和了解营养物动态，可以实施适当的管理干预措施，以减少营养物的输入，促进水质改善。
健康的湖泊生态系统支持多样化的水生生物，包括鱼类、水生植物和动物，促进生物多样性，湖泊水质评价有助于监测和保护这些宝贵的生物多样性热点区域。通过评价各种组成的变化和生态相互作用，研究人员和保护人员可以更好地了解富营养化对生物多样性的影响，并制定相应的保护计划。
湖水质量直接影响人类的健康和福祉，富营养化造成的不良水质会导致有害藻类大量繁殖，产生毒素并造成鱼类种群退化。评价湖泊水质有助于保障公众健康，维持可持续的渔业生产，并支持依赖旅游业的地方经济。
5.2 未来研究方向
新兴污染物、气候变化、非点源污染以及收集、分析全面和高质量的数据给水质研究带来了新的挑战。因此，本文针对未来东昌湖的水质评价及富营养化分析提出以下研究建议：（1）为东昌湖建立一个全面和长期的监测计划，其可以提供关于水质参数、营养水平、藻类繁殖和生态动态的宝贵数据。长期的数据收集可以确定湖泊水质变化趋势，使相关人员了解其季节性变化，并评估相应管理策略的有效性。（2）相关人员需要进一步研究东昌湖营养物质的来源、运输和归宿，包括研究来自补水、城市径流和废水排放的营养物负荷。了解养分动态将有助于确定养分污染的关键途径，并为有针对性的管理干预措施提供依据。（3）考虑到气候变化对水质和富营养化的潜在影响至关重要，未来的研究可以探索气候变化因素（如温度、降水模式等）与东昌湖富营养化过程之间的相互关系，这包括调查气候变化如何影响养分循环、藻类生长及湖泊生态系统的整体自我修复能力。（4）开发预测模型可以帮助预测东昌湖的水质变化和富营养化动态，对水动力模型、营养循环模型和生态模型的整合可以帮助相关人员 理解其复杂的相互作用，并为情景分析和决策提供工具。
