胡耘赫

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

受自然環(huán)境和人類活動影響湖庫水系統(tǒng)被輸入大量營養(yǎng)鹽，使得水系統(tǒng)原來較低的貧營養(yǎng)狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦粻I養(yǎng)水平，這種現(xiàn)象即為富營養(yǎng)化[1- 3]。湖庫富營養(yǎng)化為藻類的生長創(chuàng)造了適宜的自然條件，綠藻、硅藻的大量生長使得原本藍色的水體逐漸變成綠色，經(jīng)過不斷的積累湖庫水質(zhì)開始下降。從發(fā)展歷程的角度，湖庫富營養(yǎng)化屬于一個正常的過渡過程，自然狀態(tài)下其發(fā)展速度極為緩慢，一般用地質(zhì)年代來衡量，然而經(jīng)濟的發(fā)展和不合理的人類活動大大加快了此演化過程[4- 6]。

為科學防治湖庫富營養(yǎng)化以及準確評估富營養(yǎng)狀態(tài)，針對富營養(yǎng)化的評價國內(nèi)外科學家提出了許多方法，并取得了豐富的研究成果。湖庫富營養(yǎng)化受生物因子、湖庫地質(zhì)狀況、降水、光照、溫度以及氨氮等因素影響顯著，對其狀況評價的常用方法為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法。由此，管理部門可以更加全面地了解湖庫的歷史變化趨勢及其營養(yǎng)化狀況，但仍需進一步預(yù)測營養(yǎng)化風險，逐步實現(xiàn)湖庫水體的主動管理。

1 研究方法

1.1 評價方法

本文結(jié)合湯河水庫2005—2018年水質(zhì)監(jiān)測資料，選用規(guī)范推薦的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價湯河水庫營養(yǎng)狀態(tài)，評價因子選取總氮、總磷、CODMn、葉綠素a(Chla)。湖庫營養(yǎng)狀態(tài)按照連續(xù)數(shù)字0～100劃分，富營養(yǎng)(TLI>50)、中營養(yǎng)(30≤TLI≤50)、貧營養(yǎng)(TLI<30)，同一等級中指數(shù)值越大營養(yǎng)程度越高。通過準確評價營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢，對水庫未來5a風險水平運用累計概率密度函數(shù)和線性回歸法預(yù)測。

1.2 預(yù)測模型

目前，常用的江河、湖泊、水庫等營養(yǎng)化預(yù)測方法有支持向量機模型、BP網(wǎng)絡(luò)、決策樹法及回歸分析法等[7- 10]。其中，回歸分析法現(xiàn)已普遍應(yīng)用于海洋懸浮泥沙、大氣污染預(yù)測、水質(zhì)評價與預(yù)測等環(huán)境領(lǐng)域，該方法以大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)分析為基礎(chǔ)，將自變量、因變量利用合適的非線性或線性模型加以擬合，利用擬合的回歸方程構(gòu)造回歸模型[11- 12]。因此，大量環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為回歸分析法預(yù)測的重要基礎(chǔ)，在長序列水質(zhì)監(jiān)測及環(huán)境穩(wěn)定的條件下，可以對湖庫富營養(yǎng)化變化進行有效的預(yù)測。為保證預(yù)測結(jié)果的可靠性，假設(shè)圍繞期望值波動的綜合營養(yǎng)指數(shù)符合正態(tài)分布，利用該方法預(yù)測和評估湖庫富營養(yǎng)風險。

根據(jù)2005—2018年湯河水庫的點位數(shù)據(jù)，對綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)期望值利用一元線性回歸模型TLI=a×Year+b預(yù)測，其中a、b值按照最小二乘法確定，Year為年份。采用以上回歸模型可以獲取任一指定年份i的TLIi值，圍繞期望值TLI第i年的TLIi值存在波動，且服從正態(tài)分布：TLI～N(aYear+，σ)，其中σ為無偏估計，表達式如下：

(1)

式中，Year—自變量，指定年份TLI大于50的情況下湖庫發(fā)生富營養(yǎng)化，發(fā)生概率的計算公式如下：

(2)

1.3 風險等級

將水庫富營養(yǎng)化風險區(qū)域按照低、較低、中、高4個風險等級劃分，各風險等級的劃分標準見表1。

表1 富營養(yǎng)化風險等級

2 湯河水庫富營養(yǎng)化評價

2.1 研究區(qū)概況

湯河水庫地處東經(jīng)123°21′46.4″、北緯41°06′41.1″，屬于一座集城市供水、防洪、發(fā)電、養(yǎng)護、灌溉等功能的大Ⅱ型水利樞紐工程。集水面積1228km2，庫區(qū)面積44km2，總庫容7.23×106m3，最高水位48.5m。在引蘭河、細河引水工程實施后，湯河水庫向工業(yè)和城市生活用水的可供水量為2.304×108m3，每年向遼陽市、鞍山市供水8×107m3和1.508×108m3，向下游區(qū)間農(nóng)業(yè)用水補償7.55×107m3。因此，湯河水庫的富營養(yǎng)化程度直接關(guān)系著鞍山市、遼陽市的經(jīng)濟社會發(fā)展以及居民生活水平[13- 20]。

近年來，經(jīng)濟的快速發(fā)展以及環(huán)境保護工程的滯后，使得大量工業(yè)廢水、農(nóng)田灌溉和生活污水排入江河、湖庫中，導致江河、湖海近岸營養(yǎng)鹽大量富集，水體富營養(yǎng)化問題日趨突出，并為藻類的生長提供了有利自然條件，其中夏秋季5—10月屬于藻類生長旺季，對城市供水安全產(chǎn)生潛在威脅。湯河水庫共設(shè)置了東叉頭、東叉中、西叉頭、西叉中、壩前、庫中6個監(jiān)測點位，從而了解二道河支流入庫后水質(zhì)、庫區(qū)東叉頭中心區(qū)域水質(zhì)、下達河支流入庫后水質(zhì)、庫區(qū)西叉中心區(qū)域水質(zhì)、庫區(qū)流出水質(zhì)以及庫區(qū)中心區(qū)域水質(zhì)。依據(jù)湯河水庫2005—2018年逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其富營養(yǎng)化狀態(tài)及其風險等級利用上述方法和模型進行評價預(yù)測。

2.2 綜合營養(yǎng)分析

隨時間變化各點位綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均呈現(xiàn)出波動上升趨勢，如圖1所示。其中，庫中、西叉中、東叉中和東叉頭4個斷面未出現(xiàn)富營養(yǎng)狀態(tài)，TLI波動變化區(qū)間為16～51，且上升趨勢不明顯；西叉頭、壩前2個斷面大多數(shù)時間為中營養(yǎng)，2005—2018年間出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)的僅有1次，TLI波動區(qū)間16～54；總體而言，外界污染對湯河水庫水質(zhì)干擾較低，水體總體較好，但存在富營養(yǎng)化風險。

統(tǒng)計計算各點位TLI均值，壩前、庫中、西叉中、東叉中、西叉頭、東叉頭TLI平均值依次為32.5、34.6、35.1、36.0、36.5、37.2，表明從下游至上游湯河水庫營養(yǎng)狀態(tài)不斷上升，TLI平均值表現(xiàn)出逐漸增大趨勢，但各點位TLI值不超過40；此外，從下游至上游高危害程度的富營養(yǎng)化事件也不斷上升，特征污染物在水庫下游的輸入較小，所以在水體自凈和稀釋作用下污染物濃度不斷減少。

根據(jù)湯河水庫水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，2014年湯河水庫發(fā)生的金藻門的色金藻水華涉及水體水域面積不大、持續(xù)時間較短，對供水影響較小，但相關(guān)部門絕不能放松警惕，農(nóng)業(yè)及農(nóng)村生活等面源污染含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，隨著入庫河流流入到庫區(qū)內(nèi)，有利于藻類的繁衍及富營養(yǎng)化程度的上升，尤其在持續(xù)高溫的時期。因此，建議對水源保護區(qū)按照污染防治相關(guān)要求實行監(jiān)督管理、水源衛(wèi)生和生態(tài)保護行動；嚴格控制水功能區(qū)納污排放與達標考核，建立受水區(qū)生態(tài)補償及內(nèi)供水制度；為及時掌握藻類變化情況以及有效防范局部藻類水華現(xiàn)象，建議增加監(jiān)測頻次并將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時上報，為實施科學有效的措施提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 富營養(yǎng)化風險預(yù)測

根據(jù)TLI變化趨勢，正態(tài)檢驗壩前、庫容、東叉頭、西叉頭、東叉中、西叉中6個點位的綜合營養(yǎng)指數(shù)數(shù)據(jù)，見表2。

表2 各點位TLI正態(tài)檢驗

根據(jù)表2檢驗結(jié)果，對數(shù)正態(tài)分布(p>0.05)為各點位TLI分布特征，并對綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)利用對數(shù)正態(tài)分布曲線擬合。對湯河水庫2020—2024年富營養(yǎng)化風險利用回歸分析法進行預(yù)測，見表3。從表3可知，各點位富營養(yǎng)化風險概率處于0.82%～7.20%范圍，總體達到低風險狀態(tài)，隨著時間的推移風險概率呈增大趨勢，為有效防止富營養(yǎng)化應(yīng)引起管理部門的重視。然后對風險預(yù)測結(jié)果利用2020年實測數(shù)據(jù)加以驗證，結(jié)果顯示TLI實測值和預(yù)測值為40.6、38.2，二者存在較小偏差，可見對水庫富營養(yǎng)化風險利用該方法進行預(yù)測具有較高準確度，評價結(jié)果能夠較為客觀的反映庫區(qū)水體營養(yǎng)狀態(tài)。

圖1 各點位TLI變化趨勢

表3 富營養(yǎng)化風險概率 單位：%

3 結(jié)論

引蘭河、細河引水工程實施后，湯河水庫承擔著鞍山、遼陽等地區(qū)的生產(chǎn)生活和工業(yè)用水任務(wù)，水庫富營養(yǎng)化程度對推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及保障居民生活質(zhì)量極為重要。根據(jù)2005—2018年湯河水庫TLI變化趨勢，對水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)及其未來風險程度運用線性回歸法、累計概率密度法進行預(yù)測分析。結(jié)果顯示，各點位富營養(yǎng)化風險概率處于0.82%～7.20%范圍，總體達到低風險狀態(tài)，但隨著時間的推移風險概率呈增大趨勢，為有效防范富營養(yǎng)化應(yīng)引起管理部門的重視。