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        東昌湖水質(zhì)評價及富營養(yǎng)化分析

        2023-09-21 06:59:40郭中偉趙紅金陳成勇
        關(guān)鍵詞:東昌水質(zhì)評價富營養(yǎng)化

        郭中偉,鄭 蕾,趙紅金,陳成勇

        (聊城市水文中心,山東 聊城 252000)

        引言

        湖泊生態(tài)系統(tǒng)在維持生物多樣性、支持人類生存發(fā)展和提供各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。湖泊水質(zhì)是指決定湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康和功能的物理、化學(xué)和生物特征。湖泊富營養(yǎng)化是自然或人類引起的營養(yǎng)物質(zhì)過度富集的過程,是導(dǎo)致湖泊水質(zhì)惡化的主要原因之一,主要是因為營養(yǎng)物質(zhì)(如氮和磷)輸入的增加,導(dǎo)致湖泊藻類過度生長、氧氣耗盡和生態(tài)失衡,了解湖泊水質(zhì)和評估富營養(yǎng)化水平對于湖泊管理和淡水資源保護至關(guān)重要。本文以東昌湖為研究對象,分析其水質(zhì)狀況及富營養(yǎng)化情況,以期為城市內(nèi)陸湖泊的管理提供技術(shù)支撐和方法借鑒。

        1 研究區(qū)概況

        聊城市位于山東省西部,與河北省、河南省接壤,境內(nèi)有衛(wèi)運河、馬頰河、徒駭河、京杭大運河、金堤河、黃河、東昌湖等河流、湖泊,年平均降水量為560.0 mm。東昌湖位于聊城市中心城區(qū),總面積約為6.3 km2,湖岸線長達16 km,水深為3~5 m,除自然降雨外,湖泊主要水源為“引黃補水”,是我國江北地區(qū)罕見的大型城內(nèi)湖泊。

        2 分析方法

        水質(zhì)是指水的化學(xué)、物理和生物特性,它決定了水是否適合于各種特定用途,如生活飲用、娛樂活動、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)使用和生態(tài)系統(tǒng)支持等,它是衡量水體與其預(yù)期用途的重要指標(biāo)。

        富營養(yǎng)化是一個自然或人類活動引起的過程,其特點是水生生態(tài)系統(tǒng),如湖泊、河流和沿海地區(qū)的營養(yǎng)物質(zhì)過度富集,特別是氮和磷過度富集。這種過度的營養(yǎng)輸入刺激了藻類和其他水生植物的生長,導(dǎo)致生物量過剩,繼而改變了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。富營養(yǎng)化會導(dǎo)致溶解氧的耗盡,藻類大量繁殖,生物多樣性喪失,以及水質(zhì)的整體退化。

        2.1 單因子評價法

        單因子評價法[1]是將每個評價指標(biāo)的實測濃度與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)[2]中Ⅲ類水指標(biāo)限制進行比較,以確定各個評價指標(biāo)的水質(zhì)類別,并以最差的水質(zhì)類別作為斷面水質(zhì)類別。

        式中:Ri為第i個水質(zhì)指標(biāo)的單因子評價指數(shù);ρi為第i個水質(zhì)指標(biāo)的實測值(mg/L);ρs為第i個水質(zhì)指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)值(mg/L)。

        2.2 季節(jié)性Kendall檢驗法

        季節(jié)性Kendall檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計方法,它不需要對數(shù)據(jù)的分布進行任何假設(shè),可以處理缺失數(shù)據(jù)和異常值,不受數(shù)據(jù)中的離群值或極端值的影響,可以對數(shù)據(jù)進行更準(zhǔn)確和更完整的動態(tài)分析,在水質(zhì)分析中常用于檢測水質(zhì)數(shù)據(jù)隨時間變化的趨勢,劉敏[3]等人對季節(jié)性Kendall檢驗法的原理進行了詳細闡述。本文運用基于季節(jié)性Kendall檢驗方法的水質(zhì)趨勢分析軟件PWQTrend進行分析,它能夠定量描述并表達水質(zhì)的演變趨勢[4]。

        2.3 綜合營養(yǎng)指數(shù)法

        綜合營養(yǎng)指數(shù)法通過對葉綠素a(Chl-a)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)和透明度(SD)劃分等級來判斷水體富營養(yǎng)化程度,具體計算方法如下。

        2.3.1 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算

        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為營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);C為濃度,其中,Chl-a采用μg/L為單位;SD采用m為單位;其他指標(biāo)采用mg/L為單位。

        2.3.2 各指數(shù)相關(guān)權(quán)重的計算

        ηj為第j種指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。以Chl-a作為基準(zhǔn)指標(biāo),則第j種指標(biāo)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計算公式如下。

        式中,Nij為第j種指標(biāo)與基準(zhǔn)指標(biāo)Chl-a的相關(guān)系數(shù),其取值詳見表1;m為評價指標(biāo)的個數(shù)。

        表1 湖泊部分指標(biāo)與Chl-a的相關(guān)關(guān)系

        2.3.3 綜合營養(yǎng)指數(shù)(TLI)

        采用0~100的數(shù)值對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進行分級:TLI<30,代表貧營養(yǎng);30≤TLI≤50,代表中營養(yǎng);5070,代表重度富營養(yǎng)。在同一營養(yǎng)狀態(tài)下,綜合營養(yǎng)指數(shù)越高,其富營養(yǎng)程度越高。

        3 結(jié)果分析

        3.1 水質(zhì)現(xiàn)狀評價結(jié)果

        東昌湖斷面每月監(jiān)測1次,年度共監(jiān)測12次。利用單因子評價法獲得2022年度評價結(jié)果,見表2。

        表2 2022年東昌湖監(jiān)測斷面水質(zhì)評價結(jié)果

        由表2可以看出,2022年東昌湖水質(zhì)優(yōu)于Ⅲ類的占比超過了80%,達83.4%,主要超標(biāo)指標(biāo)為化學(xué)需氧量和總磷,年度水質(zhì)級別為Ⅲ類。

        3.2 水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢

        對2018~2022年東昌湖斷面的5項水質(zhì)指標(biāo)運用PWQTrend軟件計算其變化趨勢,東昌湖水質(zhì)指標(biāo)高度顯著上升(↑↑)、顯著上升(↑)、無明顯升降趨勢(?)、顯著下降(↓)和高度顯著下降(↓↓)五類變化趨勢結(jié)果見表3。

        表3 季節(jié)性Kendall 檢驗水質(zhì)指標(biāo)趨勢分析結(jié)果

        由表3可以看出,高錳酸鹽指數(shù)和透明度指標(biāo)均呈現(xiàn)無明顯升降趨勢,總氮、總磷、葉綠素a均呈顯著下降或高度顯著下降趨勢。

        3.3 綜合營養(yǎng)指數(shù)分析結(jié)果

        經(jīng)分析計算,2022年東昌湖的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在汛期(6—9月)為52.4,處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài);年平均值為48.7,處于中營養(yǎng)狀態(tài)。

        4 結(jié)論

        在2022年的12次監(jiān)測中,東昌湖水質(zhì)評價級別優(yōu)于Ⅲ類的占比達到83.4%,其中化學(xué)需氧量和總磷為主要超標(biāo)指標(biāo),東昌湖全年水質(zhì)級別為Ⅲ類。通過對東昌湖的葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮和透明度指標(biāo)進行計算,2022年東昌湖綜合營養(yǎng)指數(shù)處于中營養(yǎng)狀態(tài),在汛期處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài),汛期降雨形成的城市雨水徑流匯入東昌湖可能是引起營養(yǎng)狀態(tài)變化的主要因素。2018—2022年東昌湖的總磷、總氮、葉綠素a水質(zhì)指標(biāo)均呈下降趨勢,這對于降低湖泊綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較為有利。

        5 結(jié)語

        5.1 湖泊水質(zhì)評價和富營養(yǎng)化分析的重要性

        湖泊水質(zhì)評價和富營養(yǎng)化分析是環(huán)境管理者和決策者的重要工具,這些評價為制定減輕富營養(yǎng)化和恢復(fù)受損湖泊生態(tài)系統(tǒng)的戰(zhàn)略提供了科學(xué)依據(jù)。通過確定營養(yǎng)物來源和了解營養(yǎng)物動態(tài),可以實施適當(dāng)?shù)墓芾砀深A(yù)措施,以減少營養(yǎng)物的輸入,促進水質(zhì)改善。

        健康的湖泊生態(tài)系統(tǒng)支持多樣化的水生生物,包括魚類、水生植物和動物,促進生物多樣性,湖泊水質(zhì)評價有助于監(jiān)測和保護這些寶貴的生物多樣性熱點區(qū)域。通過評價各種組成的變化和生態(tài)相互作用,研究人員和保護人員可以更好地了解富營養(yǎng)化對生物多樣性的影響,并制定相應(yīng)的保護計劃。

        湖水質(zhì)量直接影響人類的健康和福祉,富營養(yǎng)化造成的不良水質(zhì)會導(dǎo)致有害藻類大量繁殖,產(chǎn)生毒素并造成魚類種群退化。評價湖泊水質(zhì)有助于保障公眾健康,維持可持續(xù)的漁業(yè)生產(chǎn),并支持依賴旅游業(yè)的地方經(jīng)濟。

        5.2 未來研究方向

        新興污染物、氣候變化、非點源污染以及收集、分析全面和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)給水質(zhì)研究帶來了新的挑戰(zhàn)。因此,本文針對未來東昌湖的水質(zhì)評價及富營養(yǎng)化分析提出以下研究建議:(1)為東昌湖建立一個全面和長期的監(jiān)測計劃,其可以提供關(guān)于水質(zhì)參數(shù)、營養(yǎng)水平、藻類繁殖和生態(tài)動態(tài)的寶貴數(shù)據(jù)。長期的數(shù)據(jù)收集可以確定湖泊水質(zhì)變化趨勢,使相關(guān)人員了解其季節(jié)性變化,并評估相應(yīng)管理策略的有效性。(2)相關(guān)人員需要進一步研究東昌湖營養(yǎng)物質(zhì)的來源、運輸和歸宿,包括研究來自補水、城市徑流和廢水排放的營養(yǎng)物負荷。了解養(yǎng)分動態(tài)將有助于確定養(yǎng)分污染的關(guān)鍵途徑,并為有針對性的管理干預(yù)措施提供依據(jù)。(3)考慮到氣候變化對水質(zhì)和富營養(yǎng)化的潛在影響至關(guān)重要,未來的研究可以探索氣候變化因素(如溫度、降水模式等)與東昌湖富營養(yǎng)化過程之間的相互關(guān)系,這包括調(diào)查氣候變化如何影響?zhàn)B分循環(huán)、藻類生長及湖泊生態(tài)系統(tǒng)的整體自我修復(fù)能力。(4)開發(fā)預(yù)測模型可以幫助預(yù)測東昌湖的水質(zhì)變化和富營養(yǎng)化動態(tài),對水動力模型、營養(yǎng)循環(huán)模型和生態(tài)模型的整合可以幫助相關(guān)人員 理解其復(fù)雜的相互作用,并為情景分析和決策提供工具。

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