厦门市杏林湾水库水环境质量评价分析

王 静，刘瑞志，李 捷，钱 骁

（1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033；2.中国环境科学研究院，北京 100012）

厦门市杏林湾水库水环境质量评价分析

王 静1，2，刘瑞志2*，李 捷1，钱 骁1，2

（1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033；2.中国环境科学研究院，北京 100012）

杏林湾水库是厦门市重要的中型水库之一，是兼具防洪、灌溉等功能的集美区重要水利枢纽工程。根据杏林湾水库“十一五”期间的水质监测数据，采用单因子水质标识指数法、综合污染指数法、综合营养状态指数法和有机污染指数法，对杏林湾水库水质状况进行分析与评价。结果表明，杏林湾水库主要污染指标是总氮和总磷；综合污染指数法表明，杏林湾水库处于基本合格状态；综合营养状态指数表明杏林湾水库基本处于中度富营养-重度富营养化状态；水库有机污染指数为一般状态。其中，上半年和丰水期是各类污染相对集中的时段，各类污染风险相对较高。

杏林湾水库；水质评价；综合污染指数；综合营养状态指数；有机污染指数

杏林湾水库（24°35'N，118°04'E）位于福建省厦门市集美区和杏林区的交界处，1979年由海滩围堤而成，为近似封闭的水域［1］。杏林湾水库北部是淡水水域，主要受上游坂头水库和降水的汇流补给，而南部水域呈现表层淡水底层咸水，主要由厦门西海域海水渗透进入所致。杏林湾水库流域面积142 km2，集水面积67.3 km2，库容面积约2.2 km2，平均水深约2.5 m，最大深度达5.5 m，该地区主要灾害性天气有台风、暴雨、雷暴等，本区域年平均降雨量约1 188.4 mm，主要集中在丰水期［2-3］。

杏林湾水库最重要的作用是调蓄洪水，它担负着周边大学城、园博园和城区的防洪排涝任务，保护下游多项重要基础设施和库区周边人民生命财产安全，其防汛泄洪功能主要通过水库的集美水闸来完成［4］。此外，杏林湾水库还是厦门市的主要旅游景点。但是，长期以来杏林湾水库承接上游大量污染，包括生活污水、工业废水、养殖废水以及地表径流带来的面源污染［5］。为了掌握杏林湾水库的环境质量状况，识别其环境质量和变化趋势，诊断存在的环境质量问题，本研究采用单因子水质标识指数法、综合污染指数法、综合营养状态指数法及有机污染指数法对杏林湾水库“十一五”期间水质污染状况进行综合评价，以期对杏林湾水库污染防治及上游流域综合整治工作提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 监测数据

样品采集于2006年1月至2010年12月，采集频率为每月1次，样品采集、保存及指标的检测严格按照地表水和污水监测技术规范（HJ/T 91-2002）、地表水环境质量标准（GB 3838-2002）等开展。水质监测指标包括溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、石油类、叶绿素a（chla）和阴离子表面活性剂等。

根据厦门市环境功能区划，杏林湾水库执行GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水环境质量标准，主要功能为养殖、农业灌溉和景观用水。

1.2 评价方法

为全面评价杏林湾水库水环境质量状况，诊断存在的问题，本研究综合采用单因子水质标识指数法、综合污染指数法、综合营养状态指数法以及有机污染指数法对杏林湾水库“十一五”期间的水环境质量进行评价。其中，分水期评价时采用焦卫东等［6］对厦门石兜-坂头水库水质评价时的水期划分结果，即丰水期为3-6月，平水期为7-10月，其余月份为枯水期。

1.2.1 单因子水质标识指数法

单因子水质标识指数法［7］表达式由一位整数位和一位小数位组成，其中，整数位表示评价指标所处的水质类别，小数位表示该指标超标的程度及在所处的水质类别变化区间中的位置，既可以判定水质指标所属水质类别，又可以评价超标程度。单因子水质标识指数越大，距离达标越远，水质越差，各取值所对应的水质范围如表1所示。评价指标包括DO，CODMn，BOD5，TN，TP，NH3-N，石油类和阴离子表面活性剂。其计算公式：

式中：Pi为第i项水质评价指标的单因子水质标识指数；X1是第i项水质评价指标所属水质类别；X2为水质评价指标值在X1类水质变化区间中所处的位置，X2按四舍五入的原则取整。

表1 单因子水质标识指数的水质类别

当水质评价指标介于Ⅰ类～Ⅴ类水时，X1和X2的确定方法为：

水质评价指标为Ⅰ类～Ⅴ类，它所对应的X1值分别为1-5。

非溶解氧指标（X2）：

式中：Ci是第i项水质评价指标的实测浓度；Sij上和Sij下分别是第i项水质评价指标在第j类水区间的上限浓度值和下限浓度值，j=X1。

溶解氧（X2）：

式中：CDO是溶解氧的实测浓度；SDOj上和SDOj下分别是第j类水溶解氧上限浓度值和下限浓度值，j=X1。

当水质评价指标为Ⅴ类、劣Ⅴ类时，X1，X2不单独确定，而以X1X2的方式共同确定。

非溶解氧指标（X1X2）：

式中：Ci是第i项水质评价指标的实测浓度；Si5上是第i项水质评价指标Ⅴ类水上限浓度值。

溶解氧（X1X2）：

式中：CDO是溶解氧的实测浓度；SDO5下是Ⅴ类水溶解氧下限浓度值，SDO5下=2 mg·L-1；m为公式修正系数，取值为4。

1.2.2 综合污染指数法

综合污染指数法［8］是在单项污染指数法［9］基础上计算得出的，能够对水污染状况进行综合判断，选择DO，CODMn，BOD5，TP，TN，NH3-N，石油类和阴离子表面活性剂8项水质参数进行综合污染指数评价。

单因子污染指数（Pi）：

式中：Ci为第i项水质评价指标在环境中的实测浓度，mg·L-1；Si为该评价指标相应水环境功能区类别的标准值，mg·L-1；Pi为单因子污染指数，无量纲。

综合污染指数法（P）［10］：

式中：P为综合污染指数，无量纲；n为参与评价的水质指标数。

水质综合污染指数的计算与水质类别标准密切相关，因此综合污染指数的比较只能在同一类别标准基础上进行，不同类别水体之间不具有可比性（表2）。

表2 综合污染指数分级评价体系

1.2.3 综合营养状态指数法

湖库综合营养状态指数法［11-12］选取chla，TP，TN，CODMn进行评价。

综合营养状态指数计算公式［13］：

式中：TLI（∑）为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的权重；TLI（j）代表第j种参数的营养状态指数，其中叶绿素a单位为mg·m-3，其他指标单位均为mg·L-1。

以chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式：

式中：rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数；m为评价参数的个数。

采用金相灿［14］研究的全国主要湖泊调查rij值，中国湖泊（水库）的chla与其他参数之间的相关关系rij及rij2如表3所示。

表3 中国湖泊（水库）部分参数与chla的相关关系rij及rij2值

采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态分级，在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重（表4）。

表4 水质类别与评分值的对应结果

1.2.4 有机污染指数法

有机污染指数法［15］是评价水体有机污染状况的一种综合评价方法，能够反映出水体的有机污染状况。选择BOD5，CODMn，NH3-N，DO等4项指标计算有机污染指数。

其计算公式［16］：

式中：A为有机污染指数；BODi为水体的5日生化需氧量的实测浓度；CODi为水体的高锰酸盐指数的实测浓度；NH3-Ni为氨氮的实测浓度；DOi为溶解氧的实测浓度；BODo，CODo，NH3-No， DOo分别为水体上述各项指标的评价标准值，单位均为mg·L-1。

有机污染指数评价法将水体有机污染程度分为6个级别，能够较好地反映出水体中有机污染情况，有机污染指数A值越大，说明有机污染程度越严重（表5）。

表5 有机污染指数分级评价体系

2 结果和分析

2.1 单因子水质标识指数评价

采用单因子水质标识指数法对杏林湾水库水质指标进行评价，并对各评价指标的污染程度进行排序，结果如表6所示。“十一五”期间，TN，TP，NH3-N和BOD5是杏林湾水库的主要污染因子。分别统计上述4种主要污染因子的超标月份情况可知，“十一五”期间，TN的超标月份最多，达57个月，超标率为95%，表明TN是最为主要的超标因子，几乎每年都全年超标；TP的超标月份其次，达39个月，超标率为65%；NH3-N和BOD5分别有12个和10个月超标，超标率分别为20%和16.7%。

逐月统计“十一五”期间杏林湾水库污染指标超标个数，进而判断超标因子的月份集中程度。研究表明，4种主要的超标污染因子主要集中在1年中的上半年，尤其是3-5月。每年3-5月正值杏林湾水库丰水期，降雨量较充沛，上游流域的各类污染物进入雨水随地表径流汇入杏林湾水库［1］，杏林湾水库环境功能区划要求为地表水Ⅴ类水，主要用于养殖、周边农业灌溉和景观旅游，除暴雨泄洪外，杏林湾水库平时很少向外排水，因此，在丰水期大量污染物进入水库，从而导致多项水质指标超标。

2.2 综合污染指数评价

2.2.1 年际变化情况

2006-2010年杏林湾水库平均综合污染指数年际变化见表7，结果表明，“十一五”期间年平均综合污染指数均处于0.8～1.0，综合污染水平为基本合格状态。

表6 杏林湾水库污染指标排序及单因子水质标识指数

表7 杏林湾水库综合污染指数年际变化（2006-2010年）

2.2.2 逐月变化情况

计算“十一五”期间杏林湾逐月综合污染指数，分析月变化趋势。如图1所示，杏林湾水库综合污染指数在“合格-基本合格-污染”之间波动，呈现显著的季节性变化趋势。

图1 2006-2010年杏林湾水库综合污染指数逐月变化

2006年和2007年杏林湾水库综合污染指数变化趋势基本一致，呈现典型的“N”字形变化。即每年1-4月综合污染指数呈上升趋势，5-8月呈下降趋势，9-12月水库综合污染指数又呈小幅上升趋势。其中，每年4月份水库综合污染指数为全年最高，水质最差，达污染水平；至8月综合污染指数又降至全年最低，水质最好，为合格水平。

2008年水库综合污染指数总体呈上升趋势，可大致分为两个阶段：1-9月水库综合污染指数在0.62～0.91浮动，一直处于“合格-基本合格”水平；9月之后，变化幅度较大，其中10月水库综合污染指数由0.76上升至1.09，为全年污染情况最为严重的月份，11-12月水库进入枯水期，水库综合污染水平又转变为合格状态。

2009年和2010年杏林湾水库综合污染指数变化特点较为相似，均是年内波动较大，总体呈下降趋势。2009年1-4月水库综合污染指数处于0.8～1.2，综合污染水平为“基本合格-污染”，从5月开始水库综合污染指数出现下降趋势，水库综合污染指数在0.49～0.94波动，综合污染水平为“合格-基本合格”；2010年1-6月杏林湾水库综合污染指数处于0.42～1.73，变化波动较大，综合污染水平在“污染-合格”之间，6月开始水库综合污染指数较稳定，在0.52～1.0浮动，处于“合格-基本合格”状态。

2.2.3 水期变化情况

“十一五”期间每年水期水库综合污染指数变化见图2。除2009年外，均是丰水期综合污染指数最高，表明丰水期水库污染风险较高。

2006，2007和2010年的水期变化趋势相同，综合污染指数均是丰水期＞枯水期＞平水期，且丰水期综合污染指数均在1.0～2.0，水体为污染状态，其中以2006年丰水期的综合污染指数最高；而枯水期和平水期水库综合污染指数均小于0.8，为合格状态。

2008年杏林湾水库综合污染指数丰水期＞平水期＞枯水期，丰水期和平水期水库综合污染指数相差不大，均在0.8～1.0，水体综合污染水平均为基本合格，枯水期的综合污染指数为五年枯水期的最低水平，为合格状态。

2009年水库综合污染指数枯水期＞丰水期＞平水期，均＜1.0，水期间差异较小，其中丰水期和枯水期综合污染水平为基本合格状态，平水期处于合格状态。

图2 2006-2010年杏林湾水库综合污染指数水期变化

2.3 综合营养状态指数评价

从杏林湾水库综合营养状态指数变化趋势来看，水库一直处于中度和重度富营养化水平（表8），其中TN和TP是主要的富营养化因子。2005年统计数据显示，排入杏林湾水库的污水以畜禽养殖废水为主，TN排放量每年为1 195～1 605 t，TP年排放量101.7～245.91 t，占杏林湾水库氮磷污染源的92%［2］，高浓度的TN，TP是导致杏林湾水库水体富营养化的主要因素。丰水期流域内大量面源污染物随雨水汇入河流，随地表径流进入杏林湾水库，入库水中含有大量泥沙、有机物和氮磷等营养盐类，加之较高的气温，水库中浮游生物大量繁殖，从而使水库一直处于较高的富营养化水平［1］。

2.3.1 年际变化情况

“十一五”期间杏林湾水库综合营养状态指数年际变化如表8所示，2006-2009年水库综合营养状态指数呈稳步上升趋势，由2006年的中度富营养状态迅速升高，2007年时已是重度富营养状态，之后富营养状态不断升高，至2009年水库富营养化程度最高，综合营养状态指数达到73.01；2010年水库综合营养状态指数小幅下降，为72.03，但仍处于重度富营养化状态。

表8 杏林湾水库综合营养状态指数年际变化（2006-2010年）

2.3.2 逐月变化情况

“十一五”期间杏林湾水库综合营养状态指数的逐月变化趋势如图3所示。2006年杏林湾水库综合营养状态指数基本呈“V”字形变化。除1月份为重度富营养、9月份为轻度富营养状态外，其他月份均处于中度富营养状态。其中1-9月份水库综合营养状态指数总体呈下降趋势，而9月份后，综合营养状态指数逐渐升高。

2007年杏林湾水库综合营养状态指数基本呈“N”字形变化，整体处于“重度富营养-中度富营养”状态。其中1-3月延续2006年底的升高趋势，综合营养状态指数不断上升，到3月份达到最高，而3-9月综合营养状态指数总体呈下降趋势，9-12月又出现升高趋势。2007年上半年水质富营养化程度较高，2-5月水库综合营养状态指数均大于70，呈重度富营养化状态，其他月份均处于中度富营养化状态。

2008-2010年杏林湾水库综合营养状态指数整体处于“中度富营养化-重度富营养化”状态，月份间呈现显著的阶段性波动趋势。其中2008年大部分月份均处于重度富营养状态，但年内月份间波动性相对较小；2009年上半年基本上在较高的重度富营养水平波动，仅下半年略有下降，因此全年平均值仍为重度富营养状态，且为五年内最高；2010年上半年为“十一五”期间月份间波动最大的时段，其中2-3月，富营养化水平急剧升高，3月份即达到重度富营养状态，且3月份的综合营养状态指数为“十一五”期间的最高值，但3-4月综合营养状态指数又急剧回落，至4月，为轻度富营养状态，但到了5月份，又急剧升高为重度富营养状态；2010年下半年，水库综合营养状态指数仅小幅度升高变化，由中度富营养状态上升为重度富营养状态。

图3 2006-2010年杏林湾水库综合营养状态指数逐月变化

2.3.3 水期变化情况

“十一五”期间杏林湾水库富营养化状况分水期变化情况见图4。2006年枯水期和平水期时，水库均处于中度富营养状态，之后出现上升趋势，至2009年达到最高；丰水期时，2006年水库富营养化状况处于最低点，为中度富营养状态，之后迅速升高，2007-2010年均为重度富营养状态，其中，在2008年达到最高。分年份来看，2006年水库的富营养化状况在平水期最高，在枯水期最低，但3个水期均处于中度富营养状态；2007-2008年水库的富营养化状况均为丰水期最高，枯水期最低，其中，丰水期均是重度富营养状态，平水期综合营养状态指数不断下降，至枯水期时，下降为中度富营养状态。2009年各水期水库富营养化状况差异较小，均处于重度富营养状态。2010年水库的富营养化状况在丰水期最高，平水期最低，除丰水期为重度富营养状态外，平水期和枯水期均为中度富营养状态。

图4 2006-2010年杏林湾水库综合营养状态指数水期变化

2.4 有机污染指数评价

2.4.1 年际变化情况

“十一五”期间杏林湾水库有机污染指数年际变化见表9。结果表明，杏林湾水库有机污染指数呈现先下降、后上升的变化趋势，其中2007年有机污染指数最低为1.47，到2010年最高为1.81，但“十一五”期间有机污染指数年均值均处于一般状态。

表9 杏林湾水库有机污染指数年际变化（2006-2010）

2.4.2 逐月变化情况

“十一五”期间，杏林湾水库有机污染指数逐月变化情况如图5所示。2006，2007年杏林湾水库有机污染指数年内变化趋势相似。上半年处于“开始污染”状态，5月份后有机污染指数呈迅速下降趋势，9，10月达到最低值，为“较好”状态，年底水库有机污染指数又出现不同程度的上升。2008年杏林湾水库除3月和10月为“开始污染”状态外，其他月份有机污染水平处于“一般”状态，月间变化较小。2009年杏林湾水库有机污染指数基本呈“V”字形变化。1-4月份有机污染指数明显高于其他月份，处于“开始污染-中等污染”状态，5-6月有机污染指数急剧下降，有机污染水平达到“较好”状态，之后有机污染指数又逐渐升高。

2010年上半年是有机污染指数变化幅度最大的阶段，月间变化极为剧烈，其中2月和4月均为“较好状态”，而1月为“开始污染”状态，3月为“严重污染”状态，5月为“中等污染”状态，其中3月的有机污染指数为“十一五”期间的最高值，有机污染情况最为严重。2010年下半年，有机污染基本维持恒定，变化幅度较小，基本处于“一般”状态。

图5 2006-2010年杏林湾水库有机污染指数逐月变化

2.4.3 水期变化情况

“十一五”期间杏林湾水库有机污染指数分水期变化情况如图6所示，除2006，2010年丰水期和2009年的枯水期为“开始污染”状态外，其他阶段杏林湾水库有机污染均处于“一般”水平。除2009年外，均是丰水期有机污染指数最高，表明丰水期的有机污染风险较高。

图6 2006-2010年杏林湾水库有机污染指数水期变化

逐年来看，2006年和2007年杏林湾水库有机污染指数变化趋势相似，均是丰水期＞枯水期＞平水期；而2008年为丰水期＞平水期＞枯水期，均处于“一般”状态；2009年变化趋势为枯水期＞丰水期＞平水期；2010年杏林湾水库丰水期有机污染指数明显高于枯水期和平水期，丰水期有机污染状况为“开始污染”，枯水期和平水期水库有机污染状况基本相同，均为“一般”状态。

3 小结与建议

杏林湾水库上游有大量生活污水、工业废水及畜禽养殖场的废水产生，随杏林湾水库上游河流最终进入杏林湾水库，因此杏林湾水库长期有携带大量污染物的上游地表径流汇入。虽然根据《厦门市环境功能区划》，杏林湾水库执行GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水环境质量标准，主要功能已调整为养殖、农业灌溉和景观用水，但随着大量污染物的汇入，近年来，多个水质指标已严重超标，杏林湾水库水质已不能满足其水环境功能的要求。

“十一五”期间，从单因子水质标识指数法来看，杏林湾水库的主要污染因子为TN，TP，NH3-N和BOD5，其中TN超标最严重，而且上述4种超标因子主要集中在上半年，尤其是3-5月份，表明上半年的污染风险最高。

从综合污染指数法分析结果来看，虽然“十一五”期间水库年均综合污染水平均处于“基本合格”状态，但存在显著的季节性变化特征，上半年是污染风险最高的时段。从不同水期来看，以丰水期的污染风险最高，因此丰水期是水库综合污染防治的关键阶段。

从综合营养状态指数分析来看，“十一五”期间杏林湾水库水质年均值一直处于“中度-重度富营养化”状态，富营养化风险较高。年内逐月变化表现出显著的季节性变化特征，上半年的营养状态指数较高，富营养风险较大；各水期中，以丰水期的富营养状态较为严峻。

从有机污染指数分析来看，“十一五”期间杏林湾水库水质有机污染水平年均值均为“一般”状态，年内各月份间表现出显著的季节性变化趋势，上半年的有机污染指数水平相对较高，具有较高的有机污染风险。各水期中，以丰水期的有机污染指数水平最高，存在较高有机污染风险。

因此，综合各评价方法可知，“十一五”期间，上半年和丰水期是杏林湾水库各类污染相对集中的时段，各类污染风险相对较高。针对主要污染物，上半年和丰水期应制定不同的污染防治措施，以降低杏林湾水库的污染水平，改善杏林湾水库的生态环境质量。

随着杏林片区的开发和集美新城建设的启动，杏林湾水库的综合整治工作显得更为重要。首先要加强源头治理，控制流域污染源，治理上游及周边直排入库区的工业废水、生活污水及畜禽养殖废水等，改善水库水质；二是在周边新城的建设过程中，要配套建设完善的污水截流系统，建立沿岸污水截污管道和污水处理设施，完善市政管网；三是要加大库区生态环境治理，通过生态清淤、人工湿地、生态化养殖等措施，降低水库氮、磷等主要污染物浓度，改善水库水质；四是要加强高风险时段的污染防治工作，根据污染源的类型，制定不同的污染防治措施，削减入库污染物总量，改善杏林湾水质。

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（责任编辑：高 峻）

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：A

：0528-9017（2014）10-1599-08

文献著录格式：王静，刘瑞志，李捷，等.厦门市杏林湾水库水环境质量评价分析［J］.浙江农业科学，2014（10）：1599-1607.

2014-05-06

九龙江-厦门湾海域环境容量评估与总量控制分配示范研究

王 静（1989-），女，山东济南人，硕士研究生，主要从事水环境质量评价工作。E-mail：lostparadise2006@163.com。

刘瑞志（1980-），男，博士，副研究员。E-mail：liuruizhi1@163.com。