基于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的百花湖水環(huán)境評價

趙 夢，焦 樹 林，梁 虹，曹 玉 平

(1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 貴州 貴陽 550001； 2.貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點實驗室,貴州 貴陽 550001)

1 研究背景

當前，世界河流正在受到人工筑壩攔截的廣泛影響[1-3]。人類在河流上建造大壩的數(shù)量逐年增加，據(jù)統(tǒng)計：全國已建成大、中、小型水庫共98 461座[4]，在長江流域，因為修建梯級水電站而建筑的水庫已達4.8萬余座[5]。筑壩后人類可有效調(diào)蓄利用水資源，獲得巨大的利益[6]。但筑壩對天然河流的原始水動力、水文循環(huán)等自然過程產(chǎn)生了顯著影響，例如水體含沙量、水流速度、水深、水體滯留時間、水體覆蓋面積、水團混合方式、水化學過程、水生生物等均發(fā)生了變化[7]。此外，也導致了整個流域水文系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境的變化，如水庫對河源物質(zhì)(營養(yǎng)鹽、水量、含沙量)的吸收、轉(zhuǎn)化、滯留會對海-陸物質(zhì)輸送產(chǎn)生干擾，即河流原有的動態(tài)、開放、連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了改變，原有物種所適應(yīng)的天然徑流和水文條件的棲息地喪失、河流作為生物和營養(yǎng)元素交流廊道的功能不復存在、沿岸連接高地和水域生態(tài)系統(tǒng)的“過濾”作用降低[8]。由于大壩攔截河流，使得水流速度向靜水狀態(tài)轉(zhuǎn)變，隨著時間的推移，水庫自身也會出現(xiàn)類似天然湖泊的特征。

貴州高原水庫大多為河道峽谷型水庫[9]。貴州省喀斯特地貌面積廣闊，巖溶分布廣泛，碳酸鹽巖石出露面積占了全省總面積的73%[10]，地表崎嶇破碎，地下洞隙縱橫交錯，水文動態(tài)變化劇烈，地表水滲漏嚴重，旱澇交替，土壤貧瘠，植被生長困難等造成其生態(tài)環(huán)境極為脆弱[11]。隨著社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的需要、人口增多，人類活動不斷加強，水體污染問題也日益突出[12]，一旦河流水庫生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，恢復到自然狀態(tài)的生態(tài)環(huán)境需要的力度會非常大。目前，關(guān)于貴州烏江流域百花湖富營養(yǎng)化研究主要有百花湖富營養(yǎng)化特征分析、水庫湖沼學變量特征及環(huán)境效應(yīng)等[13-16]，而對該水庫豐水期、平水期和枯水期的水環(huán)境研究成果較少。本文以百花湖水庫為例，通過監(jiān)測水體相關(guān)理化參數(shù)，探究喀斯特高原百花湖水質(zhì)狀況，為水庫水資源管理提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

百花湖位于貴陽市西北郊，地理坐標為106°27′E～106°32′E,26°35′N～26°41′N，夏、秋季水溫可達26 ℃左右，冬季12月在10 ℃左右[17]。百花湖屬云貴高原烏江支流貓?zhí)恿夐_發(fā)中第二級的大型人工水庫，于1966年建成，1987年被國務(wù)院批準為國家級風景名勝區(qū)。湖泊長18 km，平均寬度0.8 km，湖泊流域面積1 895 km2，湖面面積為14.5 km2，湖泊最大水深45 m，平均水深12.55 m，設(shè)計正常高水位1 195 m，相應(yīng)庫容18.2億m3，發(fā)電裝機庫容2.2萬kW，湖泊補給系數(shù)為182.2，湖水滯留時間為0.102 a[18-20]。該水庫原始功能為發(fā)電、調(diào)洪、供水、農(nóng)業(yè)灌溉和養(yǎng)殖，兼具旅游和水上運動等功能，主要為貴陽市白云水廠、貴州鋁廠及朱昌鎮(zhèn)供水。根據(jù)《貴陽市城市總體規(guī)劃》，2020 年將在百花湖周邊建成百花新城，如果百花湖周邊環(huán)境不加以保護，屆時百花湖污染將會更為嚴重[21]。

2.2 采樣與分析方法

根據(jù)百花湖湖泊形狀、湖泊入湖支流分布特點布設(shè)5個采樣點，于2017年1，4，7月(根據(jù)水文年將1月定為枯水期、4月定為平水期、7月定為豐水期)，對百花湖表層水體進行采樣,利用LocaSpace Viewer和ArcGIS10.1軟件確定采樣空間軌跡和位置(見圖1)。

圖1 百花湖采樣點分布Fig.1 Baihua Lake sampling sites distribution

2.3 富營養(yǎng)狀態(tài)評價

富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)采用修正的卡爾森指數(shù)方法進行計算。選取TN，TP，SD作為湖泊富營養(yǎng)化評價因子，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(Trophic State Index，TSI)參照李祚泳、張輝軍的方法計算[23]。評價公式如下：

TSI(Chla) =10×[2.46+1.09×ln(Chla) ]

(1)

TSI(SD) =10×[5.52-1.94×ln(SD)]

(2)

TSI(TP) =10×[9.40+1.62×ln(TP) ]

(3)

TSI(TN) =10×[5.24+1.86×ln(TN)]

(4)

(5)

式中，TSI(Chla)為葉綠素a營養(yǎng)指數(shù)，TSI(SD)為透明度營養(yǎng)指數(shù)，TSI(TP)為總磷營養(yǎng)指數(shù)，TSI(TN)為總氮營養(yǎng)指數(shù)，TSI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj代表第j種相關(guān)參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重；TSI(j)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)。評價等級見表1。

表1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分級Tab.1 Classification of trophic state index(TSI)

3 結(jié) 果

3.1 湖泊理化參數(shù)特征值

溫度在豐水期、平水期和枯水期各期間變化較平穩(wěn)，豐水期、平水期和枯水期均值分別為21.3 ℃、15.5 ℃、11.6 ℃。利用變異系數(shù)Cv值來描述數(shù)據(jù)離散程度，3個時期Cv值分別為0.081，0.034，0.018，表明豐水期溫度變幅程度大于平水期和枯水期(如表2所示)；豐水期、平水期和枯水期溫度變化整體都較為平穩(wěn)，豐水期溫度在4號采樣點，出現(xiàn)下降趨勢，平水期隨走航距離增加整體呈上升趨勢，枯水期整體呈下降態(tài)勢，如圖2(a)所示。

pH值在豐水期、平水期和枯水期間變化極小，豐水期、平水期和枯水期均值分別為8.0，8.4，7.9，這主要是因為春季水體升溫較快，浮游植物光合作用能顯著提高水體pH，豐水期雖然浮游植物光合作用也強，但水中魚的活動、水生生物呼吸與腐敗過程等會釋放CO2，pH降低[13]。平水期pH值變化范圍小于豐、枯水期；平水期pH值大致在8.35上下波動，而豐水期和枯水期pH值隨走航距離增加，pH值變化趨勢整體一致，呈降低-增加-降低的變化趨勢，如圖2(b)所示。

DO在豐水期、平水期和枯水期均值分別為9.6，11.2，7.2 mg/L，Cv值分別為0.253，0.189，0.102，豐水期DO變幅大于平水期和枯水期(如表2所示)，豐水期變化更為強烈；豐水期DO隨走航距增加整體呈下降趨勢，從4號到5號采樣點急劇下降，而平水期和枯水期則相反，隨航距增加整體呈上升趨勢，如圖2(c)所示。

SD在豐水期、平水期和枯水期均值分別為1.5，1.4，1.3 m，Cv值分別為0.141，0.347，0.337，平水期和枯水期SD較豐水期而言，其變化范圍較大(如表2所示)，豐水期SD變化更為平穩(wěn)；豐水期SD以3號采樣點為中心，呈“V”形變化趨勢，平水期和枯水期變化趨勢大致一樣，整體隨走航距離增加呈下降趨勢，如圖2(d)所示。

豐水期N/P變化較大，呈增加-降低-增加的趨勢，而平水期和枯水期大致以3號采樣點為中心，先增加(1～3號采樣點)后降低(3～5號采樣點)，如圖2(g)所示；豐水期N/P均值>枯水期N/P均值>平水期N/P均值(如表2所示)。

3.2 湖泊營養(yǎng)鹽時空變化

TN值在豐水期、平水期和枯水期均值分別為1.8，2.3，2.1 mg/L，Cv值分別為0.078，0.453，0.471，相比豐水期，平水期和枯水期TN值變化程度更為強烈(如表2所示)；豐水期、平水期和枯水期TN值隨走航距離增加都呈上升趨勢，豐水期變化較枯水期和平水期平穩(wěn)，如圖2(f)所示。

TP在豐水期、平水期和枯水期均值分別為0.034，0.100，0.083 mg/L，Cv值分別為0.136，0.916，0.964，豐水期TP值變化明顯小于平水期和枯水期(如表2所示)；豐水期TP隨航距增加其值變化平穩(wěn)，大致在0.035 mg/L上下波動，平水期和枯水期TP變化趨勢大致一樣，從1號點到3號點變化平穩(wěn)，3號點之后逐漸增加，如圖2(e)所示。

3.3 綜合營養(yǎng)指數(shù)時空變化

豐水期TSI(∑)呈緩慢增加趨勢(1～4號采樣點)，之后下降， 平水期TSI(∑)變化以二號采樣點為拐點，呈先降后增的趨勢，枯水期TSI(∑)整體呈上升趨勢(如圖4所示)。平水期TSI(∑)均值>枯水期TSI(∑)均值>豐水期TSI(∑)均值(如表3所示)。從豐水期標準差和Cv可以得出，平水期和枯水期的綜合營養(yǎng)指數(shù)變化較豐水期更為明顯(如圖4、表3所示)。平水期和枯水期綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最大值都出現(xiàn)在5號采樣點，這應(yīng)該是受上游紅楓湖流域帶來大量營養(yǎng)物質(zhì)所致。

4 討 論

百花湖表層溫度在11.2 ℃～22.5 ℃之間(表2)，溫差變化幅度較小(11.3 ℃)，這與該地區(qū)常年氣候溫和，全年氣溫變化小有關(guān)。夏季高溫、冬季寒冷、春季水體升溫較快，因而豐水期溫度>平水期溫度>枯水期溫度。百花湖表層溶解氧具有季節(jié)變化特征，5個采樣點溶解氧值變化范圍在5.0～14.9 mg/L之間，枯水期均值最小，為7.2 mg/L，這可能與上層和下層水體垂直交換有關(guān)，水體混合過程因垂直交換上遷的還原物質(zhì)被氧化，使水體溶解氧降低[18]。又由于受浮游植物光合作用影響，豐水期和平水期溶解氧均值較高，分別為9.6，11.2 mg/L，達到飽和狀態(tài)。平水期因新生浮游植物光合作用和水庫經(jīng)常處于交換及不同程度的流動狀態(tài)，溶解氧高，豐水期雖然浮游植物光合作用也強，但水中耗氧因子(如魚的活動、水生生物呼吸與腐敗過程等)也多[13]，因而溶解氧較低。

表2 各理化參數(shù)特征值Tab.2 Physical and chemical parameter eigenvalues

圖2 水體參數(shù)時空變化Fig.2 Spatio-temporal variation of water parameters

表3 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)特征值TSI(∑)Tab.3 Nutritional state Index eigenvalues

由表2，圖2～3可知，百花湖是一個高氮、高磷的高原水庫。總氮與總磷空間分布較為明顯，這說明流域徑流帶來的營養(yǎng)鹽是二者的主要來源，百花湖以紅楓湖的下泄水為主要補給，兩湖相距10 km，物質(zhì)通過紅楓湖沉積作用之后，再流入百花湖[16]，5號采樣點位于水庫上游，其氨氮值都達到最大值，這可能是上游帶來較多營養(yǎng)鹽，導致氨氮含量較其余4個采樣點高。

圖3 氨氮變化分布Fig.3 Distribution of ammonia nitrogen changes

百花湖透明度在0.6～1.9 m之間，存在季節(jié)性分布的特點。豐水期透明度均值>平水期透明度均值>枯水期透明度均值，最小值出現(xiàn)在平水期和枯水期，分別為0.6 m和0.8 m，與夏品華等[15]的研究結(jié)論不同，這可能是由于對湖泊的除藻管理、對湖泊周圍山體的開墾等原因致使水土流失，影響了湖泊的透明度。

百花湖全湖豐水期綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為29.56，屬于貧營養(yǎng)；平水期和枯水期營養(yǎng)指數(shù)分別為35.31，31.56，同屬中營養(yǎng)(見表3),因此，可認為百花湖的水質(zhì)環(huán)境良好。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)差距并不大，這可能是水庫水體中部分含氮物質(zhì)以氣體形式釋放至大氣中，另外上覆水體中的氮通過吸附、絡(luò)合、絮凝、沉降等作用被沉積物接納，使沉積物成為湖泊氮的重要庫源，加上在物理、化學和生物等作用下，沉積物中的氮素不斷向上覆水體釋放，成為湖泊水體氮素內(nèi)源[24]。再者，當沉積磷的賦存形態(tài)發(fā)生變化時會引起沉積磷向上覆水體再釋放，重新參與湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，沉積磷在一定條件下可能是湖泊的重要營養(yǎng)物來源[25]。根據(jù)歷年該湖泊水質(zhì)研究(2008～2009年，百花湖水庫為中-富營養(yǎng)型水體[15]；2011年，百花湖水庫呈富營養(yǎng)型水體[13]；2014年，百花湖水庫為中營養(yǎng)型水體[14]；2017年，本文研究得出百花湖處于貧-中營養(yǎng)狀態(tài))，可知百花湖水質(zhì)大致呈逐年變好的趨勢。

圖4 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)時空變化Fig.4 Spatio-temporal variation of nutritional status index

5 防治措施

過去百花湖因采礦業(yè)、制造業(yè)不合理運營所產(chǎn)生的工業(yè)廢水，農(nóng)業(yè)中大量流失的農(nóng)藥、化肥，未經(jīng)處理的城鎮(zhèn)生活污水，水產(chǎn)養(yǎng)殖遺留的剩余餌料等造成了大量營養(yǎng)物質(zhì)輸入湖泊[26]，但經(jīng)過多年的整治，百花湖水質(zhì)已趨良好。然而，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人類活動的加強，尤其是百花湖新城的建成，若百花湖周邊環(huán)境不加以保護，勢必會污染到百花湖。因此，提出以下防治措施。

(1) 涉及到排入百花湖區(qū)的污水產(chǎn)業(yè)，必須進行污水集中凈化后排放。

(2) 百花湖為高氮、磷控制的水庫，要以生物治理措施為主，合理的選擇、種植人工濕地植物，吸收湖底沉積物釋放的氮磷元素；對影響湖泊水質(zhì)的濕地植物要定期清除[26]。

(3) 湖區(qū)的生產(chǎn)生活垃圾要定點放置并統(tǒng)一處理、農(nóng)村廁所生態(tài)化(沼氣池)、進行湖泊保護的宣傳教育、政府要制定相關(guān)的法律法規(guī)。

(4) 徑流輸入為百花湖營養(yǎng)鹽主要來源，要形成健康的水循環(huán)體系，必須保護好上游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，對已經(jīng)污染的區(qū)域要及時治理，河湖同治。治理源頭是全局性整治的關(guān)鍵。

(5) 百花湖湖區(qū)可植樹造林，杜絕亂伐亂墾所形成的水土流失，保護好湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

(6) 定期檢測農(nóng)業(yè)施肥區(qū)涉及到流入百花湖的河流，對河流中營養(yǎng)物超標現(xiàn)象要及時處理：如加強土地管理，合理使用土地資源；改良作物方式；改進施肥方式、保土耕作、作物輪植等[27]。

6 結(jié) 論

百花湖表層水溫在11.2℃～22.5 ℃之間，pH值為7.7～8.4，溶解氧為5.0～14.9 mg/L之間，總氮、總磷和氮磷比分別在1.4～4.1，0.030～0.964 mg/L和14.9～64.3 mg/L之間，為高氮、磷控制的水庫。透明度和氨氮分別為在0.6～1.9 m和0.01～1.85 mg/L之間。徑流輸入為百花湖營養(yǎng)鹽主要來源，百花湖全湖豐水期營養(yǎng)指數(shù)為29.56，屬于貧營養(yǎng)；平、枯水期營養(yǎng)指數(shù)分別為35.31，31.56，同屬中營養(yǎng)，綜上百花湖處于貧-中營養(yǎng)狀態(tài)。從歷年研究結(jié)果可知，百花湖水質(zhì)大致呈逐年變好的趨勢。

隨著走航距離增加，特別是接近徑流入湖口，營養(yǎng)鹽含量都較高，說明地表徑流的輸入是該水庫營養(yǎng)鹽的主要來源，使得該水庫營養(yǎng)鹽存在明顯的空間分布；由于該地區(qū)常年氣候溫和、氣溫變化較小，百花湖豐水期、平水期和枯水期表層溫差變化幅度較?。皇芨∮沃参锕夂献饔糜绊?，豐水期和平水期溶解氧均值較高；豐水期透明度均值>平水期透明度均值>枯水期透明度均值。