应用水质标识指数法评估杭州西湖综合治理效应

杨 俊，饶利华，姚思鹏，张 巍，蔡婷婷

（杭州西湖风景名胜区环境监测站，浙江 杭州 310002）

0 引言

杭州西湖是典型的城市浅水湖泊，三面环山，一面临城。由于各种原因，西湖水体曾一度呈现富营养化趋势。1999年起，杭州市政府实施了西湖综合保护工程，通过底泥疏浚、截污纳管、引配水、生态修复等措施，对西湖进行了综合整治。西湖实施综合整治及大规模引水配水后，入湖污染负荷得到了有效控制，水体更新能力增强，水环境改善趋势明显[1-6]。

自2009年开始，西湖陆续启动“十一五”，“十二五”多项水专项示范工程，工程包括西湖湖西水域水生植物群落优化、钱塘江引水高效降氮、北里湖生态修复、西湖水生态稳态转换和流场优化等多项对西湖水环境带来重大改善的项目，而在这一时期对西湖生态及水环境的研究大多集中在水生植物种植及生物群落优化[7-9]，对于水质改善的定量研究极少。

目前，西湖水质评价采用单因子评价方法，即以其中最差的指标来决定水质类别，这种评价方法不能客观反应综合水质改善情况，水质标识指数法可以以一组主要水质指标综合评价水质状况，能够根据水环境功能区进行发表评价，结果可以反应水质综合整治取得的成效。

本文主要采用水质标识指数法分5 个时期分析综合整治过程中西湖水质的变化特点和治理成效，研究成果可为西湖今后的科学治理提供依据，并为其它城市景观湖泊的治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

自1999年起，西湖水质的监测工作已经处于常态化，目前共设有20 个覆盖各湖区及主要入湖支流的监测点，西湖水质监测频次为每月2 次，在分析中取月均、年均值作为监测值。西湖不同治理措施实施区域不同，同一湖区的不同监测点水质指标较为接近，本次研究选用小南湖、西里湖、外湖、北里湖4 个湖区作为代表站点，采样地位见图1。

图1 西湖采样点位示意

1.2 综合水质评价

综合水质标识指数法是根据现行国家《地表水环境质量标准》相关标准，在单因子水质标识指数法基础上建立起来的一种全新的水质评价方法[10]。综合水质标识指数由整数位和3 位或4 位小数位组成，其结构为：

式中：Q 为综合表示指数；X1.X2为参加综合水质评价各指标的单因子水质标识指数均值；X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果。

式中：n 为评价指标的个数；Pi为第i 项指标的单因子水质标识指数。

式中：Pi为单因子水质标识指数；F1用来表示第i 项指标的水质类别；F2用来表示监测值在F1类水质变化区间所处的位置，根据公式按四舍五入的原则确定；F3用来表示水质类别与功能区划分类别的比较结果[11]。

1.3 水质随时间变化评价

综合水质随时间的变化表达为：基本不变、轻微变化、显著变化[12]。

式中：（X1，X2）r1为比较分析时间间隔内起始时刻的综合水质指数；（X1，X2）r2为比较分析时间间隔内终止时刻的综合水质指数。

2 结果与分析

近20年西湖的主要治理进程分以下几个阶段：①1999年，反应西湖综合治理前本底情况；②2000 ～2003年，西湖底泥疏浚工程共完成疏浚量346.9 万m3（水下方），疏挖面积达到5.54 km2，西湖平均水深从疏浚前的1.65 m 加深到2.27 m，西湖北线进行环湖截污纳管；③2003 ～2009年，西湖引水规模扩大至40 万t/d，西湖配水工程对钱塘江水脱磷降浊处理后进入西湖；④2010 ～2015年，西湖进行了生态修复，西里湖、小南湖、北里湖等湖区种植了水、湿生植物，对5 万m3/d 的西湖进水进行了高效降氮处理，北里湖、外湖引水流场进行了优化，实现了湖区水流内循环；⑤2016 ～2018年反应西湖水体现状。

20 a 来，西湖主要针对N，P 等营养盐进行综合整治，本文选取西湖有代表性的有机污染指标及富营养化指标对西湖综合水质进行评价，即CODMn，TN，TP，NH3-N，且统一以地表Ⅲ类水作为20 a 内目标水质类别。

2.1 不同治理手段对西湖主要水质指标的影响

不同治理时期西湖主要水质指标见表1。由表1可以看出，在1999 ～2003年监测时期内，从西湖不同湖区来看，受西湖北线截污纳管影响，这一时期北里湖水质指标改善较为明显，其中TP，NH3-N，CODMn分别下降32.0%，17.4%，20.0%，西里湖、小南湖水质指标受底泥疏浚影响较小。从主要水质监测指标来看，受西湖底泥疏浚影响最大的为NH3-N，小南湖、西里湖、外湖、北里湖分别下降10.5%，33.8%，33.4%，17.4%。西湖底泥疏浚对TN 影响最小，各湖区TN 均为发生明显波动。

2003 ～2009年，钱塘江大规模引水（经预处理）进入西湖，西湖水质指标浓度下降明显，TP 平均下降幅度达43.46%，NH3-N 平均下降幅度为46.12%，CODMn下降幅度为32.58%，TN 下降11.07%。由于位于上游湖区的小南湖、西里湖较早接受到大量经脱磷处理的补给水源，使得小南湖、西里湖TP 下降幅度大于外湖及北里湖，因钱塘江水TP，NH3-N 浓度较高，未经降氮处理的水源进入西湖，对西湖氮盐有一定的稀释作用，但下降幅度较小。

表1 不同治理时期西湖主要水质指标mg·L-1

2010 ～2015年，西湖实施了综合生态修复，与阶段②均值相比，各项水质指标下降幅度较大，TP，CODMn，NH3-N 平均下降幅度均在30%以上，其中NH3-N 下降幅度最大为35.79%。TP，CODMn下降幅度最大的均为西里湖，较上一阶段分别下降44.9%，33.6%，TN 下降幅度最大的为北里湖，较上一阶段下降16.5%，NH3-N 下降幅度最大的为外湖，较上一阶段下降44.7%。北里湖、外湖引水优化，水生植物群落构建、引水降氮等综合生态修复措施对西湖各项水质指标均有较为明显的治理成效。

就全时期来看，西湖现阶段水质指标较第一阶段下降幅度显著，TP，TN，NH3-N，CODMn下降幅度均值分别为76.4%，41.9%，87.2%，57.8%，其中下降幅度最大的为北里湖NH3-N，下降91.65%，下降幅度最小的为小南湖TN，下降32.2%。

2.2 不同治理手段对西湖综合水质标识指数的影响

根据各指标浓度的年均值，结合综合水质标识指数和综合水质评价类别标准[13-14]，得出1999 ～2018年西湖主要湖区综合水质标识指数变化，见图2。由图2 可知，近20年来，综合水质标识指数最高点在1999年8月，北里湖（6.033），即为北里湖在1999年8月综合水质类别为劣Ⅴ类，参与评价的4 个水质指标中有3 项未达到Ⅲ类水质类别。最低点在2017年8月，小南湖（2.510），即为2017年8月小南湖综合水质类别已达到Ⅱ类水，参与评价的4 个水质指标中有1 项未达到Ⅲ类。就全时期来看，2007年起，西湖监测湖区综合水质类别年均值均已达到Ⅲ类，2018年，监测湖区均达到或接近Ⅱ类标准值。

图2 1999 ～2018 西湖主要湖区综合水质标识指数变化幅度

由图2 可以看出，1999 ～2003年，北里湖综合水质改善幅度最大，综合水质类别由劣V 类提升至Ⅳ类，1999年初，北里湖TP，TN，NH3-N，CODMn这4 项监测指标均未达Ⅲ类水质类别，其中TN 属于劣V 类，2003年底，北里湖CODMn达到Ⅲ类水质类别，NH3-N达到Ⅱ类水质类别，北里湖湖面面积较小，靠近湖滨带，底泥沉积物N，P 含量较高，这一时期西湖北线的截污纳管对其改善效果最为明显。结合实验结果[15]西湖底泥沉积物中的N，P 等营养物质随着西湖底泥疏浚工程的实施大幅下降，西湖内负荷得以减轻，对西湖富营养化控制提供了基础。由于疏浚使得表层底泥快速去除，底泥沉积物环境条件发生很大变化，沉积物化学平衡失衡，新生成沉积物的营养盐释放潜力会有所增加，随着西湖水体之间新的化学平衡建立，营养盐的释放潜力会逐渐下降，综合水质标识指数的变化来看，在底泥疏浚工程运行阶段西湖各湖区综合水质变化幅度均小于10%。1999 ～2018 西湖主要湖区综合水质标识指数变化幅度见图3。

图3 1999～2018 西湖主要湖区综合水质标识指数变化幅度

由图3 可以看出，自2003年起，钱塘江引水进入西湖前用絮凝剂进行脱磷降浊处理，大量优质引水进入西湖，小南湖是主要的引水口，其入湖配水占总引水量的60%，其中大部分水经花港流向西里湖。由于流场面积较小，湖水滞留时间较短，在引水工程实施初期，小南湖、西里湖的综合水质对引水的相应程度高于外湖，引水工程运行至2005年底，除北里湖外，其余监测湖区综合水质类别均提升至Ⅲ类，其中西里湖TP 单因子水质类别由Ⅴ类提升至Ⅲ类。由各湖区年均综合标识指数计算可得，2003 ～2006年，北里湖、外湖、西里湖、小南湖综合标识指数分别下降16.8%，11.3%，18.3%，16.8%；2006 ～2009年，上述湖区年均综合标识指数分别下降10%，8%，6%，0。外湖是引配水的主要流场，但由于水域面积和水体容量大，延缓了引水对原来湖水的更替作用，北里湖距离引水口较远，湖区相对孤立，引水工程前期水体更替较缓，但随着引水时间的推移，西湖整体综合水质改善，北里湖及外湖综合水质指标也在引配水工程实施后得到了显著改善。2007年，监测湖区年均综合水质标识指数均达到或优于Ⅲ类，月均综合标识指数类别达到或优于Ⅲ类的月份占83%以上。1999 ～2018年西湖主要湖区综合水质变化评价见表2。

表2 1999 ～2018年西湖主要湖区综合水质变化评价

由表2 看出，2010 ～2015年期间，西湖综合水质类别相对稳定，西湖各监测湖区综合标识指数波动幅度较小，平均值较阶段②提升11.5%。西湖生态修复工程在西里湖、小南湖、北里湖进行的水生植物群落构建，对水体自净能力提升作用明显，在北里湖、外湖进行的流场优化，促进了水体内循环，使得综合水质整体稳定提升。北里湖流场优化工程实施后，北里湖换水周期缩短为22.5 d，改善后的流场更有利于水体流动，随着水生植物繁殖及优势群落逐渐形成，水体营养物的吸收和生物降解作用逐步增强，自2010年起至2018年，西湖生态修复措施对西湖综合水质类别改善明显，2018年，北里湖、外湖、西里湖、小南湖综合水质类别达到Ⅱ类的月份分别占16.7%，41.7%，58.3%，58.3%，其中北里湖、外湖TN 达Ⅲ类的月份分别占41.7%，50%，均为历年来最高。

3 结论

（1）运用标识指数对西湖综合治理效果进行评价，可以较为全面地反映西湖水体在较长时间变化中的整体信息，其评价结果合理可靠，能整体反应治理成效，对实际情况表述较为客观。

（2）对1999 ～2018年水质指标信息的基本统计结果显示，20 a 间西湖主要水质指标浓度下降显著，下降幅度在32.2%～91.7%之间，平均下降幅度66%，其中北里湖NH3-N 下降幅度最大，小南湖TN 下降幅度最小。

（3）综合标识指数评价结果显示，西湖综合整治对综合水质改善效应显著，其中北里湖综合水质提升幅度最大，西里湖次之。结果显示，自2007年起，西湖监测湖区综合水质类别均达到Ⅲ类水质标准，其中小南湖自2016年起稳定在Ⅱ类水质标准。

（4）西湖不同湖区综合水质受治理措施影响不同，引水及生态修复对小南湖水质的提升效果基本一致，对西里湖、外湖、北里湖而言，引水效果大于生态修复效果。就全时期来看大量优质水源入湖对稀释西湖水体营养盐浓度作用显著，生态修复在降解西湖氮盐，提升综合水质方面也有很大作用，同时对于强化水体自净能力及保持水体稳定性生态修复的作用不容忽视。