褚 陽，張 鑫

(寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 引言

濕地形成來自于水陸相互作用[1]，其生態(tài)作用較為豐富，能夠有效地涵養(yǎng)水源，對(duì)污染物進(jìn)行降解并實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，調(diào)節(jié)氣候，蓄洪防旱以及維護(hù)生物多樣性等[2]，對(duì)區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)與生態(tài)安全構(gòu)建起著十分重要的作用。隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程不斷深入，人類經(jīng)濟(jì)、社會(huì)活動(dòng)越來越多，使得湖泊水環(huán)境問題趨重且影響到濕地生態(tài)系統(tǒng)安全。作為構(gòu)成水體初級(jí)生產(chǎn)力的主要生源要素，氮、磷營養(yǎng)鹽同時(shí)也造成湖泊水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵限制因子[3]，與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)、水質(zhì)狀況直接相關(guān)。

本文以寧夏回族自治區(qū)鳴翠湖國家濕地公園為研究對(duì)象，選取6個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)置為水環(huán)境的主要理化因子，確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)為水環(huán)境的主要理化因子：透明度、總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、水溫、葉綠素 a、pH值，參照水體樣品采集與水質(zhì)監(jiān)測(cè)國標(biāo)方法進(jìn)行采樣與檢測(cè)。對(duì)鳴翠湖水環(huán)境氮、磷、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧及葉綠素a污染特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分析總結(jié)同時(shí)借助 ArcGIS 手段突出其空間分布差異，通過對(duì)單因子指數(shù)法的利用，并結(jié)合以綜合污染指數(shù)法和富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)；利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，對(duì)鳴翠湖環(huán)境氮磷營養(yǎng)鹽及富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并為其水體保護(hù)提供有關(guān)建議。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

鳴翠湖原名道祖湖(106°22′E,38°3′N)，位于寧夏回族自治區(qū)銀川市東部，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，距離黃河口岸的距離僅3 km，湖泊面積約為660 hm2，湖面面積為280 hm2，由于長時(shí)間處于鄂爾多斯臺(tái)地的原因，使得其地貌在不斷地抬升過程中進(jìn)一步形成黃河沖積平原湖灘地貌[4]，近年來所在地區(qū)年平均降水量約為155 mm[5]，濕地的類型主要涵蓋了水稻田、湖泊、灌渠、沼澤，濕地的水源主要為地下水、農(nóng)田退水與溝渠補(bǔ)水。其中的水生植物主要是以蘆葦、荷花、香蒲、石菖蒲為主[6]。

2.2 水樣采集及水樣處理方法

2.2.1 水樣采集

根據(jù)湖泊周圍環(huán)境及其地形特點(diǎn)，于2020年9月布點(diǎn)采樣，共設(shè)計(jì)6個(gè)采樣點(diǎn)湖面開闊處A、蘆葦迷宮入口處B、湖面北岸荷花池處C、蘆葦迷宮出口處D、湖面南開闊處E、入水口F，詳見圖 1。

圖1 鳴翠湖采樣點(diǎn)分布

2.2.2 水樣處理

水樣處理方法如表 1 所示。

2.3 研究方法

2.3.1 單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)法

單因子指數(shù)法，實(shí)際上就是通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的使用，進(jìn)一步比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)并加以評(píng)價(jià)，通過對(duì)水體之中各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，比對(duì)該指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之后再進(jìn)一步誰指標(biāo)對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類別進(jìn)行確定，單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)進(jìn)行[7～9]。詳見以下計(jì)算公式：

(1)

式(1)中，Ii表示第i種污染物在j采樣點(diǎn)的單因子污染指數(shù)：表示水質(zhì)指標(biāo)i的實(shí)測(cè)濃度用Ci進(jìn)行表示；i項(xiàng)因子的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)則是用S0i表示。

表1 水樣處理方法

通過計(jì)算所得到的的污染指數(shù)在小于1的情況下，則意味著監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在水域的情況符合水質(zhì)指標(biāo)，換言之，就是滿足要求；反之則是水質(zhì)超出了規(guī)定的水質(zhì)指標(biāo)水平，則要求無法滿足。

2.3.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法則是針對(duì)水體水質(zhì)各指標(biāo)的單因子污染指數(shù)開展統(tǒng)計(jì)，并最終計(jì)算出水體受到污染程度的數(shù)值，最后通過綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2)判斷水體受到污染的程度[10,11]。其計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中，j采樣點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)用Pj進(jìn)行表示；而第i種污染物在j采樣點(diǎn)的單因子污染指數(shù)則是通過Pij進(jìn)行表示；參與評(píng)價(jià)的污染物種類數(shù)則是用n進(jìn)行表示。

表2 綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.3 富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)法

水體富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)，是將水體富營養(yǎng)狀態(tài)各個(gè)相關(guān)指標(biāo)、以及各個(gè)指標(biāo)之間的相互關(guān)系進(jìn)行綜合，對(duì)水體營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行的準(zhǔn)確判斷[12,13]。本文通過綜合污染評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中，將基準(zhǔn)設(shè)置為葉綠素a濃度，與此同時(shí)，結(jié)合TP、SD、COD以及TN等指標(biāo)，進(jìn)一步針對(duì)湖泊濕地的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)加以計(jì)算。計(jì)算公式如下：

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

(3)

式(3)中，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)即為TLI(∑)；而TLI(j)則是用來代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj所代表的即為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。另外chla所表示的是基準(zhǔn)參數(shù)，在此基礎(chǔ)之上，第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算則可以通過以下公式表示：

(4)

式(4)中，用rij來代表第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；而m所代表的則是評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)(表3)。

表3 中國湖泊部分參數(shù)與chla的相關(guān)關(guān)系rij及值

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算式TLI(j):

TLI(chla)=10(2.5+1.086ln chla);TLI(TP)=10(9.436+1.624ln TP);TLI(TN)=10(5.453+1.694ln TN);TLI(SD)=10(5.118-1.94ln SD);TLI(COD)=10(0.109+2.661ln COD)。

最終，基于湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步對(duì)濕地的富營養(yǎng)化狀態(tài)加以確定，表4為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 鳴翠湖富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)

3.1 鳴翠湖水質(zhì)健康評(píng)價(jià)

經(jīng)檢測(cè)，鳴翠湖水體水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)值如表 5所示。

表5 鳴翠湖采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)值

3.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.2.1 鳴翠湖濕地水質(zhì)健康評(píng)價(jià)

在進(jìn)行單因子污染指數(shù)法使用的過程中，為進(jìn)一步針對(duì)鳴翠湖水體水質(zhì)開展評(píng)價(jià)工作，由描述性統(tǒng)計(jì)中氨氮(NH3-N)、總氮(TN)的數(shù)據(jù)與水體各項(xiàng)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)(表 6)相比對(duì)，選?、蝾愃|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，6個(gè)點(diǎn)位污染指數(shù)變化如圖 2。由圖 2可知：各指標(biāo)污染程度依次是高錳酸鹽指數(shù)、總氮、氨氮、總磷，其中高錳酸鹽污染指數(shù)最高。其中所有點(diǎn)位的高錳酸鹽指數(shù)超過1.0，整體未達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；蘆葦迷宮出口處D、湖面南開闊處E、入水口F四點(diǎn)總氮超過1.0，其余點(diǎn)位均小于1.0，整體達(dá)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；各點(diǎn)其余指標(biāo)均小于1.0，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表6 水體各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)

圖2 鳴翠湖水體單因子污染指數(shù)

通過單因子污染指數(shù)法的利用，針對(duì)性地結(jié)合各個(gè)點(diǎn)位的情況開展綜合污染指數(shù)分析工作。期間，雖最終得出的鳴翠湖水體的綜合水污染指數(shù)定級(jí)結(jié)果均保持一致，但是仍舊存在顯著性差異，同時(shí)，各個(gè)點(diǎn)位所對(duì)應(yīng)的污染指數(shù)之間也存在一定的差異。由圖 3可知，所有樣點(diǎn)綜合指數(shù)均小于1.0，這即意味著鳴翠湖整體水質(zhì)始終保持在Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。湖面開闊處A、湖面南開闊處E兩點(diǎn)綜合污染指數(shù)較高，已知A點(diǎn)位于岸邊租船處附近，由于人文環(huán)境所帶來的嚴(yán)重影響，使得其出現(xiàn)較為嚴(yán)重的水質(zhì)污染。通過對(duì)表2進(jìn)行觀察可知，通過對(duì)綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)的綜合比對(duì)，可知鳴翠湖水體整體污染級(jí)別被確定為“輕污染”，其數(shù)值在0.7～1.0之間。

圖3 鳴翠湖水體綜合污染指數(shù)

通過綜合污染指數(shù)、單因子污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)都能夠發(fā)現(xiàn)，在針對(duì)湖泊進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，針對(duì)采樣點(diǎn)位置、數(shù)量的設(shè)置，將能夠直接地影響水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果。所以，在進(jìn)行單點(diǎn)位分析時(shí)，無法通過混合樣品的分析結(jié)果將湖泊水質(zhì)的真實(shí)污染狀況顯示出來，主要是針對(duì)高污染區(qū)、清潔區(qū)的顯示過于片面化。因此，在各項(xiàng)前提保障的背景下，應(yīng)該針對(duì)性地與檢測(cè)與分析點(diǎn)位的數(shù)量進(jìn)行增加[14]。

3.2.2 鳴翠湖水體富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)

由于水體之中進(jìn)入了大量營養(yǎng)物質(zhì)，湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)逐步顯現(xiàn)[15]?；诖耍P者通過對(duì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的利用，在將葉綠素a 濃度設(shè)置為基準(zhǔn)的前提下，基于對(duì)TN、SD 、COD以及 TP 等各項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)而能夠計(jì)算湖泊濕地的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，詳見表7。

表7 鳴翠湖水體富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)

由上表可知鳴翠湖水體整體水域?yàn)橹袪I養(yǎng)。其中，湖面開闊A處富營養(yǎng)狀態(tài)最為嚴(yán)重，可能是由于該采樣點(diǎn)位于岸邊租船處，受岸邊人為因素影響較大。且通過綜合指數(shù)法得到此點(diǎn)處的水質(zhì)污染最為嚴(yán)重，由此可說明一定程度上水體質(zhì)量與水體富營養(yǎng)化呈正相關(guān)?？傮w而言，鳴翠湖濕地富營養(yǎng)指數(shù)良好，綜合營養(yǎng)指數(shù)為35.085。

3.3 鳴翠湖富營養(yǎng)化指標(biāo)空間分布

為反應(yīng)鳴翠湖富營養(yǎng)化指標(biāo)的空間分布情況，對(duì)6個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)值使用ArcGIS10.2軟件進(jìn)行反距離權(quán)重插值法分析其富營養(yǎng)化指標(biāo)的在鳴翠湖水體的空間分布圖，見圖4。

由圖4可知：氨氮的高濃度區(qū)在湖面開闊處A，呈現(xiàn)出由西向東南方逐步遞減的趨勢(shì)；而高錳酸鹽則是在偏西北—東南的區(qū)域中出現(xiàn)高濃度分布的情況，其中湖面開闊處A附近濃度最大，其低濃度區(qū)偏東北—西南分布；總磷的高濃度區(qū)在西南部入水口F處，總體呈自北向南遞增；葉綠素a的高濃度區(qū)也在湖面開闊處A，區(qū)域內(nèi)部差異明顯；南部區(qū)域中總氮出現(xiàn)較高的濃度，并由西向東北方向呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)；溶解氧主要集中在鳴翠湖蘆葦迷宮入口處，整體成自北向南遞減的趨勢(shì)。

圖4 鳴翠湖富營養(yǎng)指標(biāo)空間分布

4 結(jié)論

(1)由單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法可知，鳴翠湖水體高錳酸鹽污染指數(shù)最高，其次是總氮的污染指數(shù)最高，其余各采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。鳴翠湖水體進(jìn)行分析可知鳴翠湖整體水質(zhì)為“輕污染”級(jí)別，其中湖面開闊處A污染指數(shù)最高。

(2)通過綜合營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)，鳴翠湖水體整體的綜合營養(yǎng)狀態(tài)呈現(xiàn)出貧營養(yǎng)到中營養(yǎng)，其指數(shù)范圍在30～41這一區(qū)間之內(nèi)，同時(shí)，綜合營養(yǎng)指數(shù)較高值出現(xiàn)在湖面開闊處A處。

(3)鳴翠湖水體富營養(yǎng)指標(biāo)呈明顯的空間異質(zhì)性。氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、葉綠素a在鳴翠湖南部的分布整體低于北部，而總氮、總磷在南部的分布明顯高于北部。

5 建議

(1)鳴翠湖水體的營養(yǎng)化程度達(dá)到中營養(yǎng)，水質(zhì)級(jí)別為“輕污染”，應(yīng)該引起有關(guān)部門的重視。相對(duì)來說湖面開闊處A葉綠素的濃度比較高，達(dá) 12.834 μg/L,且其高錳酸鹽指數(shù)、氨氮指數(shù)也較高。

(2)入水口F，黃河水是作為補(bǔ)給水，呈現(xiàn)出比較高的總氮、總磷含量，因此要針對(duì)性地就其污染源進(jìn)行嚴(yán)格管控使得其無法進(jìn)入湖泊內(nèi)，進(jìn)一步對(duì)氮磷的流入加以降低。另一方面，也要針對(duì)性地對(duì)內(nèi)源性污染加以管控，實(shí)現(xiàn)對(duì)湖泊內(nèi)水生植物種群的合理調(diào)配，為水體營養(yǎng)物質(zhì)、藻類等的去除提供先決條件。