重庆市长寿湖水质营养状态调查评价及特征分析

安 杰 杨 梅 黄 韵 苏 鹏 李 羲 幸良淑

(重庆市长寿区生态环境监测站,重庆 401220)

水质富营养化是我国湖泊面临的普遍性问题,严重的富营养化会影响水生态系统安全。我国湖泊分布广,地域跨度大,形成原因各不相同,富营养化特征各异。开展湖泊营养状态调查与评价,有助于弄清湖泊的富营养状态及特征,为湖泊水污染治理提供必要的技术支撑[1]。

长寿湖是西南地区最大的人工湖,也是重庆市境内最大的淡水湖,是20世纪50年代拦截龙溪河修建狮子滩水力发电站而形成的湖库。主体位于重庆市长寿区境内,水域面积65.5 km2,库容10亿m3[2]。20世纪90年代,长寿湖开展网箱肥水养鱼,造成库区水质富营养化十分严重,对水生态系统造成极大破坏[3]。为防止水质进一步恶化,自2001年起,全面拆除网拦、网箱,严禁肥水养鱼,坚持投放鲢鳙等鱼改善水质,取得一定的效果。近年来,受多方面因素的影响,长寿湖整体水质仍未达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质要求,其富营养化程度较重,水华现象时有发生。为全面摸清长寿湖水质营养状态,探明富营养化发生的原因,进而采取有针对性的水环境保护措施,重庆市长寿区生态环境监测站自2019年7月开始连续开展了每季度一次的水质普查监测工作,为进一步改善湖区水生态环境质量提供依据。

1 研究方法

1.1 样品采集与分析

如图1所示,根据长寿湖补水、出水条件及地理特征,在长寿湖设置19个监测点位,样品采集时间为2019年7月至2022年8月,采样频次为每季度一次,采集表层水。监测项目为水温、pH、溶解氧、电导率、透明度(SD)、叶绿素a、总磷(TP)、总氮(TN)、高锰酸盐指数,样品采集及保存方法参照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002),水温采用内标式玻璃温度计测定,pH、电导率采用哈希HQ40d型便携式多参数测定仪测定,溶解氧采用JPBJ-609L型便携式溶解氧仪测定,SD根据塞氏盘法[4]测定,叶绿素a根据《水质 叶绿素a的测定 分光光度法》(HJ 897—2017)测定,TP根据《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893—1989)测定,TN根据《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测定,高锰酸盐指数根据《水质 高锰酸盐指数的测定》(GB 11892—1989)测定。

图1 长寿湖水质普查监测点位分布Fig.1 Sites distribution of water quality investigation monitoring

1.2 营养状态评价

营养状态指数评价方法较多,常用的有卡尔森指数法、改进的卡尔森指数法、模糊逻辑法、综合营养状态指数法等[5-7],其中综合营养状态指数法评价指标较全面,应用较广。本研究采用综合营养状态指数法对长寿湖营养状态进行评价,综合营养状态指数(TLI)计算公式见式(1)至式(7)[8-9],富营养化评价标准:TLI<30,贫营养;30≤TLI≤50,中营养;5070,重度富营养。

(1)

(2)

TIL1=10×(2.5+1.086×lnCchla)

(3)

TIL2=10×(5.118-1.940×lnCSD)

(4)

TIL3=10×(9.436+1.624×lnCTP)

(5)

TIL4=10×(5.453+1.694×lnCTN)

(6)

TIL5=10×(0.109+2.661×lnCCODMn)

(7)

式中:Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重;TLIj为第j种参数的营养状态指数,以叶绿素a作为基准参数;rj为第j种参数与基准参数叶绿素a的相关系数,具体数值参考文献[8];TIL1、TIL2、TIL3、TIL4、TIL5分别为叶绿素a、SD、TP、TN、高锰酸盐指数的营养状态指数;Cchla为叶绿素a的质量浓度,mg/m3;CSD为SD,m;CTP、CTN、CCODMn分别为TP、TN、高锰酸盐指数的质量浓度,mg/L。

1.3 监测数据处理与综合分析

箱线图是一种非常简单实用的统计分析方法,广泛用于地表水水质分析评价。本研究采用Origin软件的箱线图分析环境监测及评价数据在不同时间的分布。

本研究采用ArcGIS分析环境监测及评价结果的空间分布。ArcGIS是美国环境系统研究所公司开发的地理信息系统软件,具有强大的空间分析能力,广泛应用于环境质量评价、污染源监测与环境影响评价等诸多方面,能很好反映污染物空间分布情况[10-14]。

本研究利用ArcGIS 10.8对原始监测数据及计算结果进行空间插值分析。由于长寿湖特殊地理条件的限制,岛屿星罗棋布、湖汊纵横交错,反距离权重插值及克里金插值均不能获得满意的插值效果。采用含障碍的样条函数插值能有效避开岛屿、不规则湖岸线等障碍,得到较满意的插值分析效果。

对于营养状态主要影响因子,本研究采用SPSS 26进行相关性分析。SPSS是世界上应用最早的统计分析软件,其理论严瑾、内容丰富、功能齐全,在各个自然科学诸多领域得到广泛的应用[15-17]。其中,相关性分析功能在环境保护领域常用于污染溯源、主控因子分析等方面,适用性较好。

2 结果与讨论

2.1 营养状态评价指标的时空分析

2.1.1 营养状态评价指标时间分布规律

2019年7月至2022年8月,为综合分析长寿湖水体营养特征的时空分布规律,每季监测一次长寿湖各个监测点位的参数并评价营养状态指标,每个评价指标获取247个监测数据,监测结果采用Origin进行分析营养状态评价指标时间变化情况。由于叶绿素a变化不明显,暂不具体分析。

长寿湖水体TP、TN分别为(0.10±0.04)、(1.45±0.50) mg/L,整体呈下降趋势,但仍不符合GB 3838—2002中Ⅲ类水质要求;SD为(1.02±0.54) m,整体呈下降趋势,影响了整体水质;高锰酸盐指数为(5.0±1.3) mg/L,总体趋于平稳(见图2)。高锰酸盐指数呈秋冬季偏低、春夏季偏高的特点,以2021年为例,1、4、7、10月均值分别为4.1、6.4、6.0、3.9 mg/L。

图2 长寿湖营养状态指标时间分布情况Fig.2 Time distribution of trophic state indicators in Changshouhu Lake

2.1.2 营养状态指标空间分布规律

长寿湖西部、东部湖区TP均值分别为0.12、0.07 mg/L,TN均值分别为1.62、1.15 mg/L,高锰酸盐指数均值分别为5.1、4.9 mg/L,SD均值分别为0.90、1.05 m(见图3)。由此可见,主要营养状态指标TP、TN、高锰酸盐指数均呈西部湖区较高、东部湖区相对较低,SD在西部湖区相对较低、中东部湖区相对较高,主要是由于西部湖区龙溪河为长寿湖的补水源,来水受周边工农业污染影响较大,水体中泥沙、藻类等含量较大,水质相对较差;东部湖区作为长寿湖的生态涵养区,进入湖区的污染物较少,水质相对较好。

图3 长寿湖营养状态指标空间分布情况Fig.3 Spatial distribution of trophic state indicators in Changshouhu Lake

2.2 长寿湖营养状态的评价

2.2.1 长寿湖水质营养状态空间分布

取2019年7月至2022年8月各监测点位TP、TN、叶绿素a、SD和高锰酸盐指数的监测数据平均值,计算TLI,结果见表1。

表1 长寿湖营养状态评价结果Table 1 Trophic evaluation result of Changshouhu Lake

长寿湖水质整体呈中营养至轻度富营养状态(见图4),全湖TLI为51.9。其中,东部湖区水质相对较好,TLI为51.0,部分区域呈中营养状态;西部湖区受上游龙溪河补水水质的影响较大,水质相对较差,TLI为54.5,呈轻度富营养状态。

图4 长寿湖TLI空间分布Fig.4 Spatial distribution of TLI in Changshouhu Lake

2.2.2 长寿湖水质营养状态时间变化特征

2019—2022年的长寿湖TLI为51.9±6.4(见图5),营养状态总体保持相对稳定,评价为中营养至轻度富营养状态。

图5 2019—2022年长寿湖水质TLI变化规律Fig.5 Variation of TLI in Changshouhu lake from 2019 to 2022

长寿湖水质营养状态呈现出非常鲜明的季节特征,主要表现在秋冬季营养状态较轻、春夏季营养状态较重。以2021年为例,冬季长寿湖水质较好,TLI为49.2(见图6),大部分区域水环境呈中营养状态。春夏季,长寿湖周边工业、农业活动较频繁,上游来水污染物含量较大,光照较充足,水温升高,藻类生长较快,SD下降,水质营养状态加重,整体水质较差,TLI分别为57.7、56.5,呈轻度富营养至中度富营养状态。秋季水质相对较好,TLI为52.3,全湖水质呈轻度富营养状态。

2.3 长寿湖营养状态影响因素分析

为弄清长寿湖营养状态的主要影响因子,利用SPSS 26对长寿湖2019年7月至2022年8月的TLI与监测项目进行皮尔逊相关性分析,结果如表2所示。长寿湖TLI与SD、高锰酸盐指数、TP、水温、溶解氧、叶绿素a、TN显著相关,其中与SD呈显著负相关(相关系数为-0.816);SD、高锰酸盐指数与TLI相关系数绝对值最高,是影响TLI的主要因素。水温是富营养化的重要推动力,水温越高、光照作用越强,藻类繁殖越快,产生的有机物越多、释放大量的氧气,高锰酸盐指数、叶绿素a和溶解氧相应增加,SD相应降低[18],这也是夏秋季富营养化较重的原因。叶绿素a、SD、溶解氧是富营养化的重要表现,TN、TP是藻类生长所必须的无机营养物质。氮、磷含量越高,藻类生长越快,是富营养化发生的重要原因。

图6 2021年长寿湖综合营养状态季节变化Fig.6 Seasonal variations of comprehensive trophic level index in Changshouhu Lake in 2021

表2 长寿湖TLI与监测项目皮尔逊相关性分析结果1)Table 2 Pearson correlation analysis result of TLI and monitoring factors

3 结论与建议

(1) 长寿湖水体TP、TN分别为(0.10±0.04)、(1.45±0.50) mg/L,整体呈下降趋势,但仍不符合GB 3838—2002中Ⅲ类水质要求;SD为(1.02±0.54) m,整体呈下降趋势;高锰酸盐指数为(5.0±1.3) mg/L,总体趋于平稳,呈秋冬季偏低、春夏季偏高的特点。从空间上看,西部湖区营养状态指标相对较差,东部湖区营养状态指标相对较好。

(2) 营养状态总体保持相对稳定,评价为中营养至轻度富营养状态。其中,西部湖营养状态较重,TLI均值为54.5;东部湖区营养状态较轻,TLI为51.0。秋冬季营养状态较轻,春夏季营养状态较重。

(3) SD、高锰酸盐指数与TLI相关系数绝对值最高,是影响TLI的主要因素。为使长寿湖满足GB 3838—2002中Ⅲ类水质要求、减少富营养化现象发生、持续改善长寿湖水质,建议加强长寿湖水体中磷、氮及有机污染物的控制,尤其是加强西部入湖龙溪河水污染物的控制,减少输入性有机物及无机营养盐类物质的影响,从而减少富营养化现象发生。