張紹斌，李源媛，譚碧華，楊 毅，楊 懷

(四川省巴中市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 巴中 636600)

1 前 言

隨著工業(yè)迅速發(fā)展，大量的生活污水和工業(yè)廢水排入天然水體，對水環(huán)境造成了一定的污染。水體富營養(yǎng)化是指大量的營養(yǎng)元素進(jìn)入水體，使得藻類等浮游生物大規(guī)模生長繁殖，迅速消耗水體中有機(jī)物和溶解氧，水質(zhì)惡化，導(dǎo)致魚類等其他水生動物缺氧死亡，破壞水體生態(tài)系統(tǒng)平衡的過程[1]。由于其發(fā)展快、危害大、處理難、恢復(fù)慢，富營養(yǎng)化已經(jīng)成為當(dāng)今全球性的水污染問題。富營養(yǎng)化程度是評價水體質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，根據(jù)其富營養(yǎng)化程度和主要貢獻(xiàn)因子等能夠準(zhǔn)確分析水體質(zhì)量，弄清水體污染源，為后續(xù)的管理和治理等提供理論依據(jù)。

分析大量已有的研究中發(fā)現(xiàn)，由于在水利風(fēng)景區(qū)開發(fā)過程中缺乏有效的監(jiān)督控制措施，其水生態(tài)環(huán)境遭到破壞，水質(zhì)情況存在不同程度的下降?；伤畮熳鳛閲壹壦L(fēng)景區(qū)，卻缺乏相應(yīng)的水質(zhì)基本情況研究。因此，掌握化成水庫的水質(zhì)基本情況，建立起完善的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)是保證化成水庫水生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的可靠保障。此外，巴中市是中國南北巖溶過渡地區(qū)巖溶地貌，而化成水庫作為巴中市重要的水源水庫，其水質(zhì)研究也能為后續(xù)巖溶地貌的研究提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

本研究是國內(nèi)外首次針對化成水庫進(jìn)行的水體特征化分析研究，運用科學(xué)的研究方法對化成水庫的富營養(yǎng)化特征進(jìn)行差異性分析，了解豐水期和枯水期的變化趨勢，結(jié)合其在三年間的水質(zhì)變化情況探討其變化原因，全面客觀地反映化成水庫水質(zhì)情況并提出科學(xué)的應(yīng)對方案，同時也為該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方案調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

2 材料和方法的選擇

飲用水水源地的水質(zhì)評價是保護(hù)和合理開發(fā)水資源的一項重要的基礎(chǔ)工作，能夠為環(huán)境管理和環(huán)境資源的合理利用提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支撐。

2.1 研究區(qū)域

化成水庫位于四川省東北部，是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼有城鎮(zhèn)居民生活供水和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。四川省人民政府于2015年將巴中市化成水庫劃定為集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)用以滿足巴中市政供水需求，緩解巴中城區(qū)的飲水問題。目前針對化成水庫的富營養(yǎng)化評估、水環(huán)境容量等水質(zhì)研究領(lǐng)域仍然是一片空白，本研究結(jié)合三年的水質(zhì)變化情況對該水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，分析其主要影響因素，為下一步政府部門在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、飲用水水源地保護(hù)、消除污染負(fù)荷等方面工作的開展提供切實可靠的依據(jù)，同時也為保障巴城人民的飲用水安全、保護(hù)化成水庫生態(tài)環(huán)境和流域經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

本研究中的數(shù)據(jù)點位即為飲用水取水點位(106°52′40″E，31°54′27″N)，見圖1。

圖1 巴中市化成水庫取水點位Fig.1 Locations of sampling site of Huacheng reservoir in Bazhong

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究提取巴中市環(huán)境監(jiān)測中心站該點位2014～2016年間的飲用水常規(guī)水質(zhì)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析與富營養(yǎng)化相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)：NH3-N/TP/TN/CODMN/Chla/SD。各參數(shù)所用方法均參考國家標(biāo)準(zhǔn)，《高錳酸鹽指數(shù)采用酸性高錳酸鉀法》(GB/T

11892-89)、《總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636-2012)、《總磷使用鉬酸銨分光光度法》(GB/T11893-89)、《氨氮使用納氏分光光度法》(HJ535-2009)、葉綠素a采用丙酮萃取分光光度計法測定,透明度參照塞氏盤法《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》。

2.3 統(tǒng)計分析方法

2.3.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

湖泊水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)一般采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[2]，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為：TLI(∑) =∑Wj × TLI(j)。 式中 TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù); Wj 為第 j 種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，依據(jù)第 j 種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)葉綠素 a 的相關(guān)系數(shù)來計 算 。 TLI(j) 為代表第 j 種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù) 。富營養(yǎng)化程度分級標(biāo)準(zhǔn): TLI(∑) < 30 貧營養(yǎng); 30≤ TLI(∑) ≤ 50 中營養(yǎng); TLI(∑) > 50 富營養(yǎng)；50< TLI(∑) ≤ 60 輕度富營養(yǎng)；60< TLI(∑) ≤ 70 中度富營養(yǎng)；TLI(∑) > 70 重度富營養(yǎng)。

2.3.2 模糊綜合評價法

根據(jù)其隸屬度的大小判斷其營養(yǎng)化狀態(tài)，并可以有效判斷各指標(biāo)隊富營養(yǎng)化的影響情況。模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學(xué)為原理，遵循模糊變換原理和最大隸屬度原則。通過對隸屬函數(shù)的建立，將目標(biāo)參數(shù)與被評價參數(shù)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)運算，確定各被評價參數(shù)所占權(quán)重，從而確定該模糊綜合評判的對應(yīng)矩陣。由此客觀全面的表示各參數(shù)對目標(biāo)參數(shù)(富營養(yǎng)化)的貢獻(xiàn)值。

本研究中采用的降半梯形分布圖[3-4](如圖2)來確立各水質(zhì)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，用水質(zhì)富營養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)濃度值充當(dāng)這些隸屬函數(shù)中的條件參數(shù)參與計算。

式中：x為各評價因子的實際測量值，aj分別是5種富營養(yǎng)化狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)濃度值。

將監(jiān)測數(shù)值帶入隸屬函數(shù)計算出相應(yīng)的各個因素評價集，并將各個單因素評價集組成模糊關(guān)系矩陣R。同時根據(jù)不同的因素對評價結(jié)果的影響程度建立相應(yīng)的權(quán)重矩陣A。將權(quán)重矩陣A與模糊關(guān)系矩陣R建立模糊數(shù)學(xué)模型B。

3 結(jié)果與分析

3.1 化成水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)

將化成水庫2014～2016年各指標(biāo)代入綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式計算出該點位在三年間不同月份的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，對照湖庫富營養(yǎng)化分級標(biāo)準(zhǔn)，得出水庫的富營養(yǎng)化狀態(tài)基本處于中營養(yǎng)狀態(tài)(圖2)。其中，2014年度化成水庫TLI(∑)均值為33.0，2015年度化成水庫TLI(∑)為33.6，2016年度化成水庫TLI(∑)為33.1。從圖中可以看出，化成水庫豐水期、枯水期和平水期的綜合營養(yǎng)狀態(tài)均處于中營養(yǎng)狀態(tài)，豐水期的均值均略高于平水期和枯水期。

圖2 化成水庫2014～2016年間綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化Fig.2 Variation of eutrophication status index of Huacheng Reservoir during 2014～2016

圖3 我國部分水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)綜合評價Fig.3 Comprehensive assessment of eutrophication status of some reservoirs in China

目前學(xué)者對國內(nèi)不同區(qū)域水庫的富營養(yǎng)化效應(yīng)進(jìn)行了大量研究探索，得到了大量準(zhǔn)確可信的科研數(shù)據(jù)。將化成水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)與我國部分飲用水水庫[5～11]的富營養(yǎng)化狀態(tài)對比得出圖3。從圖3數(shù)據(jù)可以看出，我國大部分湖泊都有不同程度的富營養(yǎng)化，其中從圖中可以看出不同于北京的陶然亭湖和遼寧的6大水源水庫均為富營養(yǎng)狀態(tài)，本研究中化成水庫湖泊也為中營養(yǎng)狀態(tài)，且其平均值與中位數(shù)均30～40之間，說明其水質(zhì)狀況較為穩(wěn)定。

3.2 化成水庫水體監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

將化成水庫2014～2016年的月份例行監(jiān)測中各指標(biāo)進(jìn)行分析，該取水點各指標(biāo)年均濃度根據(jù)枯水期、豐水期和平水期進(jìn)行統(tǒng)計分析?；伤畮觳煌路菟w水質(zhì)指標(biāo)之間未見明顯差異。庫區(qū)水體的氨氮(NH3-N)濃度范圍為0.02～0.537mg/L，2014～2016年均值分別為為0.328mg/L，0.246 mg/L，0.189 mg/L，均達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。庫區(qū)水體的總氮(TN)濃度范圍為0.38～0.97mg/L，2014～2016年均值分別為為0.704mg/L，0.641 mg/L，0.692 mg/L，均達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。庫區(qū)水體的總磷(TP)濃度范圍為0.01～0.05mg/L，2014～2016年均值分別為為0.035mg/L，0.032 mg/L，0.033 mg/L，均達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。庫區(qū)水體的高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)濃度范圍為2.1～6.0mg/L，2014～2016年均值分別為為3.84mg/L，4.33mg/L，3.95mg/L，均達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(圖4)。庫區(qū)水體的葉綠素a(CHla)濃度范圍為1.4～9.2mg/L，2014～2016年均值分別為為3.80mg/L，4.94mg/L，4.28mg/L。庫區(qū)水體的透明度(SD)范圍為0.480～0.820m，2014～2016年均值分別為為0.746m，0.692m，0.588m。

圖4 2014～2016年化成水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)NH3-N、TN 、TP、 CODMn的變化Fig.4 The variation characteristics of NH3-N、TN 、TP and CODMn in Huacheng Reservoir during 2014～2016

氨氮變化趨勢為枯水期>平水期>豐水期，基本都符合地表水Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。TN含量變化趨勢為枯水期>平水期>豐水期，且其均值均未超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。CODMn濃度變化趨勢為枯水期>平水期>豐水期，都符合地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。化成水庫NH3-N枯水期高于豐水期，且2014年冬季出現(xiàn)兩次氨氮數(shù)據(jù)超出Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，說明其受點源影響較大，結(jié)合季節(jié)考慮其冬天水體自凈能力和水體稀釋能力較差，大量場鎮(zhèn)生活污水的排放無法得到稀釋導(dǎo)致的。

TP含量變化趨勢為豐水期>平水期>枯水期，且2014～2016年TP含量均未超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。豐水期地表徑流沖刷土壤將土壤表層的肥料等外源性營養(yǎng)物質(zhì)攝入導(dǎo)致該時段內(nèi)總磷含量較高。而在枯水期外源性總磷攝入較少，因此枯水期水體中總磷濃度較豐水期要低。根據(jù)文獻(xiàn)中TN/TP值與藻類繁殖的數(shù)量關(guān)系[12]，其比值大于10時磷元素是藻類大量繁殖的限制性因子。本研究中TN/TP比值為20.9，表明磷元素是化成水庫藻類等浮游生物繁殖的主要限制因子。

從化成水庫中CODMn、 NH3-N、 TN和TP這四項富營養(yǎng)化原因變量來看， TN 和 TP 均為Ⅲ類，CODMn處于Ⅱ～Ⅲ類，NH3-N 達(dá)到Ⅱ類。其中，TP的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，CODmn和葉綠素a的離散型程度較大，推斷在2014～2016年期間可能不定時有還原性物質(zhì)的攝入，并可能存在過水體中浮游植物大量繁殖的時期，而總磷的相對穩(wěn)定可以推斷該水域在這段監(jiān)測期間含磷物質(zhì)的攝入保持穩(wěn)定。

3.3 模糊綜合評價法

采用平均標(biāo)準(zhǔn)值法對化成水庫監(jiān)測數(shù)據(jù)和富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)[13]進(jìn)行無量綱化處理以便面由于評價因子的意義單位不同引起的巨大差異。其結(jié)果如表1。

表1 無量綱湖庫水體富營養(yǎng)化評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Non-dimensional assessment standards of water eutrophication of lake and reservoirs

根據(jù)表1確定出各因素各等級的隸屬函數(shù)，并將2014～2016年無量綱化后的年均值數(shù)據(jù)代入函數(shù)方程計算出模糊矩陣R：

根據(jù)倒數(shù)計算法計算各評價因子的權(quán)重，得出權(quán)重比例表(表2)。

將各評價因子的權(quán)重與單因素評價矩陣應(yīng)用模糊變換原理進(jìn)行模糊關(guān)系合成，得到模糊綜合評判矩陣B。

表2 各級各評價因子的權(quán)重Tab.2 Weight of evaluation indexes in corresponding classification

表3 化成水庫水體2014～2016年水質(zhì)評價結(jié)果Tab.3 Water quality evaluation results of in Huacheng Reservoir in 2014～2016

從表3中可以看出，2014～2016年期間化成水庫的水質(zhì)情況較為穩(wěn)定，按照取最大原則，該點位的均屬于中營養(yǎng)狀態(tài)，與監(jiān)測數(shù)據(jù)相符，分析結(jié)果準(zhǔn)確可信，客觀準(zhǔn)確地反應(yīng)該點位的水體富營養(yǎng)狀態(tài)。

4 討論與建議

本研究運用模糊綜合評判法對化成水庫2014～2016年間水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行了綜合評價，利用各因素的隸屬度和各因素的權(quán)重建立一個模糊綜合評判矩陣，準(zhǔn)確可信地得出了化成水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)在此三年中均為中營養(yǎng)狀態(tài)這一可靠結(jié)果，也為化成水庫這一飲用水源地的保護(hù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

4.1 成因分析

4.1.1 水源地保護(hù)措施缺乏。通過走訪發(fā)現(xiàn)，在化成水庫一級保護(hù)區(qū)內(nèi)存在搬遷不徹底(數(shù)百戶居民未搬遷)，保護(hù)區(qū)內(nèi)違規(guī)建有賓館、酒店、碼頭等違建筑物等隱患。此外，在化成水庫一級保護(hù)區(qū)內(nèi)相關(guān)標(biāo)示標(biāo)牌缺位，隔離措施不到位等問題也是潛在隱患。

4.1.2 場鎮(zhèn)生活污水。由于化成污水處理站及其污水管網(wǎng)系統(tǒng)尚未建成投入使用，部分場鎮(zhèn)生活污水未經(jīng)徹底處理便直接排放至水庫中，嚴(yán)重破壞了水質(zhì)。此外，化成水庫集雨面積內(nèi)有化成、南陽、寺嶺、金光、凌云等場鎮(zhèn)，這些場鎮(zhèn)的生活廢水也可能通過地表徑流進(jìn)入化成水庫從而造成水庫污染。

4.1.3 農(nóng)業(yè)及水產(chǎn)污染?；伤畮旄浇杏写罅哭r(nóng)田耕作，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水通過滲透將農(nóng)田中的化肥殘留帶入水體從而造成水體營養(yǎng)元素濃度增大，成為水庫營養(yǎng)鹽的重要來源之一。此外，巴中市化成水庫可能存在一定規(guī)模的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，化肥及飼料的投放在為魚類和藻類提供豐富的養(yǎng)料的同時也會對水體造成污染。未被魚類使用的餌料將會加大水體中營養(yǎng)元素的濃度，加快水體富營養(yǎng)化。

4.1.4 其他污染?；伤畮煲呀?jīng)成為巴中市一個水利景點，旅游效益催生出餐飲酒店等一系列服務(wù)行業(yè)，但配套設(shè)施的不完善、生活廢水的直排導(dǎo)致湖庫水體的污染，從而滋生出富營養(yǎng)化等水體惡化的現(xiàn)象。此外，游船在運行中會造成一定的有機(jī)物污染或生活污染，從而引發(fā)富營養(yǎng)化。

4.1.5 水庫流動性差，水體自凈能力差?；伤畮熳鳛樘翈靸λ瑥搅髁啃?、水體流動性差導(dǎo)致其水體自凈能力較一般地表水較低，容易造成水體富營養(yǎng)化。

4.2 建議

化成水庫作為巴中市主要集中式飲用水水源地，成為巴中城區(qū)第二水源和巴中經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的第一飲用水源，其重要性不言而喻。水源水庫由于其特殊性，一旦富營養(yǎng)化將更難控制和處理。

4.2.1 建議相關(guān)部門督促水庫一級保護(hù)區(qū)內(nèi)的居民進(jìn)行搬遷，強(qiáng)制拆遷保護(hù)區(qū)內(nèi)的違建筑物，完善相關(guān)標(biāo)示標(biāo)牌，設(shè)置永久性隔離帶，做好植被修復(fù)以防止水土流失。建立日常巡查制度，定期對水源地保護(hù)區(qū)進(jìn)行巡查，嚴(yán)厲打擊保護(hù)區(qū)內(nèi)的各種違法行為。

4.2.2 完善化成生活污水處理站和污水管網(wǎng)建設(shè)，增加生活污水的管網(wǎng)接入點，對附近場鎮(zhèn)的生活污水進(jìn)行統(tǒng)一收集處理。值得一提的是通過本研究可以看出磷元素是化成水庫水體富營養(yǎng)化的限制因子，因此污水處理廠的運行中應(yīng)特別注意脫氮除磷。

4.2.3 加強(qiáng)生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，鼓勵使用天然肥和生物農(nóng)藥。組織相關(guān)部門向當(dāng)?shù)鼐用裥麄鳝h(huán)境保護(hù)知識和環(huán)保農(nóng)業(yè)的理念，通過從源頭控制農(nóng)藥輸入量，加大有機(jī)生物農(nóng)藥的占比，減少有毒農(nóng)藥對水庫的影響。組織人員對當(dāng)?shù)刂饕霓r(nóng)藥成分和輸入情況進(jìn)行全方位的監(jiān)測研究。此外，取締網(wǎng)箱養(yǎng)魚，從而杜絕人為投放飼料等營養(yǎng)物質(zhì)等人為“肥水”的出現(xiàn)。

4.2.4 加強(qiáng)相關(guān)部門的監(jiān)管，預(yù)防化成水庫旅游污染，制定能兼顧環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策，從源頭上杜絕污染。