黃銀春，梁時軍，陳蘭英

(1.南充市環(huán)境工程評估中心，四川 南充 637002；2 南充市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 南充 637002； 3.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637000)

升鐘水庫位于四川南充北部地區(qū)的西河干流上，是以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、航運、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大型骨干水利工程。升鐘水庫總庫容13.39億m3，其中有效庫容6.72億m3，防洪庫容2.71億m3，灌區(qū)總耕地面積296萬畝，設(shè)計灌溉面積211.74萬畝[1]。升鐘水庫是西南地區(qū)最大的人工蓄水灌溉工程，作為飲用水源地和工農(nóng)業(yè)灌溉等方面發(fā)揮著重要的作用。隨著泥沙淤積及大量污染物排入湖內(nèi)等因素，升鐘水庫已面臨諸多水環(huán)境問題，特別是水體富營養(yǎng)化成為嚴(yán)威脅庫區(qū)水資源和水安全的最重要的社會和環(huán)境問題之一[2]。南充市地表水利用率低于全國20%的平均水平，實際利用效益在2008年只達到設(shè)計能力的70%，盡管嘉陵江水量較為豐富，水體的自凈能力較強，但是多年的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，嘉陵江南充段在不同時期會受到不同程度的污染[3]。本文以升鐘水庫作為研究對象，以近十年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在綜合營養(yǎng)指數(shù)歷史變化趨勢評價為基礎(chǔ)，分析升鐘水庫水質(zhì)演變趨勢和富營養(yǎng)化狀態(tài)，討論升鐘水庫營養(yǎng)化程度的關(guān)鍵因素，采用線性回歸模型和累積概率密度模型對升鐘水庫富營養(yǎng)化未來5年的發(fā)展趨勢進行風(fēng)險預(yù)測，為有效控制和科學(xué)管理湖泊水體污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 監(jiān)測概況

1.1 監(jiān)測斷面分布

根據(jù)庫區(qū)的地理形狀，從上游到下游，共布設(shè)4個采樣點，包括大壩(果園場)、李家壩、鐵鞭電站、鐵爐寺(圖1)。鐵爐寺主要反映水庫入庫水質(zhì)的基本情況，李家壩、鐵鞭電站斷面主要反映升鐘水庫庫區(qū)整體水質(zhì)狀況，大壩(果園場)斷面為該水庫的出庫斷面，主要反映水庫水質(zhì)在出庫前的基本狀況。

圖1 南充市升鐘水庫監(jiān)測斷面分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in Shengzhong Reservoir

1.2 樣品采集與測試方法

每個斷面均進行3種類型水質(zhì)指標(biāo)的測定：(1)物理水質(zhì)指標(biāo)：透明度(Sd);(2)化學(xué)水質(zhì)指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)；(3)水生態(tài)指標(biāo)：葉綠素a(Chla)。透明度采用塞氏盤法，其余項目參數(shù)具體分析辦法及詳細(xì)步驟參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法和2002年《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》(增補版)進行，葉綠素a采用丙酮浸提法測定[4-5]。

2 評價方法

2.1 富營養(yǎng)化評價

水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價采用卡爾森綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[6-7]，評價指標(biāo)有葉綠素a(Chla)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和透明度(Sd)，采用加權(quán)平均處理，水庫加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為：

TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。水庫營養(yǎng)狀態(tài)分級包括：貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、富營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)，與污染程度關(guān)系如表1[8]。

表1 水質(zhì)類別與評分值對應(yīng)表Tab.1 Water quality categories and rating values corresponding

2.2 水質(zhì)污染情況趨勢分析

目前，對水庫等淡水的富營養(yǎng)化預(yù)測方法較多，常用的預(yù)測方法有回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、決策樹方法、支持向量機模型等[9～11]?；貧w分析是在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上建立的預(yù)測模型被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價與預(yù)測、大氣污染預(yù)測、海洋懸浮泥沙等環(huán)境預(yù)測領(lǐng)域[12～14]。該方法的預(yù)測是基于大量環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，在經(jīng)濟社會穩(wěn)步發(fā)展的情況下能夠有效預(yù)測富營養(yǎng)化的變化趨勢，為環(huán)境風(fēng)險管理提供定量依據(jù)。

本研究的富營養(yǎng)風(fēng)險評估和預(yù)測基于以下科學(xué)假設(shè)：綜合營養(yǎng)指數(shù)圍繞期望值波動，并且其波動滿足正態(tài)分布。首先，基于升鐘水庫2006～2016年4個斷面的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于南充市環(huán)境監(jiān)測中心站)，利用一元線性回歸分析法對綜合營養(yǎng)指數(shù)期望值進行預(yù)測，模型見式： TLI = aYear + b，式中：Year值為年份；TLI值為綜合營養(yǎng)指數(shù)，a和b 值利用最小二乘法確定。其次，利用累積概率密度模型對富營養(yǎng)化風(fēng)險進行預(yù)測[15]。第i年的綜合營養(yǎng)指數(shù)TLIi圍繞期望值TLIi波動，并且其波動滿足正態(tài)分布，即：TLI～N( a Year + b，θ)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)變化趨勢

3.1.1 季節(jié)變化

升鐘水庫4個監(jiān)測斷面的水溫各個年份均呈季節(jié)性的變化規(guī)律(圖2)，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、5日生化耗氧量(BOD5)和透明度(Sd)隨著年份的增加有上升的趨勢；TN、TP、氨氮(NH3-N)和葉綠素a的變化規(guī)律隨著年份的增加具有下降的趨勢。CODMn從季節(jié)上看夏秋兩季顯著高于冬春兩季，2016年和2017年夏季最高值在3.5～3.9mg/L的范圍，總體上春夏高，冬季較低(圖2A)。TP為2011年夏季最高，2012～2013年各個季節(jié)的變化較為平緩，呈緩慢下降的趨勢，2014年各個季節(jié)有小幅上升，2015年的秋季季出現(xiàn)最低值，隨后TP值小幅上升(圖2B)。氨氮(NH3-N)總體上隨著年份的增加呈下降的趨勢，2011～2014年中夏季最高，冬季最低；2011年冬季出現(xiàn)最高值，到2015年夏季后緩慢上升(圖2C)。5日生化耗氧量(BOD5)的變化趨勢呈上升的趨勢，但各個年份的季節(jié)變化規(guī)律不一致(圖2D)。Chla的含量在2011年夏季到2014年夏季呈下降趨勢，變化幅度較大，2011年夏季最高值16～18 μg/L的范圍，其中，在2012年的春季有小幅上升，2015年后葉綠素a有回升的趨勢(圖2E)。透明度(Sd)隨著年份的變化，透明度呈上升的趨勢，其中2011年透明度最低，不足2m，其余年份為秋、冬季節(jié)較高，透明度最高的年份為2016年秋季和2017年秋季(圖2F)。TN在2011年夏季節(jié)有高峰值的出現(xiàn)，總體上隨著年份的增加呈下降的趨勢(圖2G)，各個監(jiān)測站點的變化不顯著。

圖2 富營養(yǎng)化評價指標(biāo)2011～2017年月測值變化趨勢Fig.2 Changes of eutrophication evaluation indicators in Shengzhong reservoir from 2011 to 2017

表2 升鐘水庫各監(jiān)測項目的季節(jié)對比Tab.2 Seasonal comparison of monitoring projects in Shengzhong Reservoir

續(xù)表2

項目春夏秋冬Chla7.97±0.14a7.89±0.07a6.29±0.05b5.49±0.08cCODMn1.81±0.03b2.21±0.04a1.76±0.02bc1.66±0.04cBOD510.03±0.03c15.75±0.02a12.22±0.03b11.08±0.07c

注：不同小寫字母表示不同季節(jié)差異顯著水平(p<0.05或p<0.01)。

3.1.2 空間變化

在對4個監(jiān)測斷面的逐月的月均值進行空間異質(zhì)性分析，結(jié)果表明，各個監(jiān)測指標(biāo)空間無顯著差異(表3)，這說明升鐘水庫水質(zhì)大體呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，無空間異質(zhì)性。

表3 升鐘水庫監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)對比Tab.3 Water quality monitoring indicators of the monitoring section of Shengzhong reservoir

注：不同小寫字母表示不同監(jiān)測點間的差異顯著水平(p<0.05或p<0.01)。

3.2 升鐘水庫營養(yǎng)狀況及富營養(yǎng)化限制因子

3.2.1 綜合營養(yǎng)指數(shù)變化

一直以來富營養(yǎng)化是造成內(nèi)陸水庫水體污染最主要的方式。水體富營養(yǎng)化指水體中氮磷等營養(yǎng)性物質(zhì)含量過多而藻類及其他好氧性水生生物過度繁殖，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。氮磷元素是水體富營養(yǎng)化的主要控制因子[16]，而人類生產(chǎn)活動向水體中排放過量的氮磷元素，農(nóng)田化肥，漁業(yè)養(yǎng)殖以及人蓄糞便是氮磷元素的主要來源。對四個監(jiān)測斷面2006～2016年的TLI(∑)的變化趨勢見圖3。

圖3 升鐘水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)年份變化Fig.3 Annual changes of comprehensive nutrition status of Shengzhong reservoir

鐵爐寺斷面為入庫斷面，在2010年顯著上升，2011年后呈下降趨勢，2013年呈下降趨勢，李家壩斷面及鐵鞭電站斷面為庫中區(qū)，處于中營養(yǎng)狀態(tài)，有一定概率出現(xiàn)富營養(yǎng)化，大壩斷面為出庫斷面，2006～2016年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈比較平穩(wěn)的趨勢。整體上看，4個斷面的水質(zhì)2006年、2008年在50以上，屬于富營養(yǎng)狀態(tài)；2006～2009年TLI(∑)均在40以上，2010年后 TLI(∑)基本保持在35左右，屬于中營養(yǎng)狀態(tài)。

3.2.2 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)相關(guān)性分析

3.2.3 升鐘水庫富營養(yǎng)化的限制因子

表4 升鐘水庫水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of water quality monitoring indicators in Shengzhong Reservoir

注：*表示p<0.05，**表示p<0.01。

圖4 升鐘水庫年份綜合營養(yǎng)指數(shù)和監(jiān)測指標(biāo)的線性關(guān)系(A)，2006～2016年葉綠素a與氮磷比變化趨勢(B)Fig.4 The linear relationship between the comprehensive nutrition index and monitoring index of Shengzhong Reservoir (A), the trend of chlorophyll a and nitrogen-phosphorus ratio in 2006～2016 (B)

3.3 升鐘水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)的未來變化趨勢

在水庫10年來綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化趨勢評價的基礎(chǔ)上，首先對4個斷面的綜合營養(yǎng)指數(shù)數(shù)據(jù)進行正態(tài)檢驗，4個斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均為對數(shù)正態(tài)分布p> 0.05，通過對數(shù)正態(tài)分布曲線對綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進行擬合。然后采用回歸分析法對升鐘水庫未來 5年(2018～2021年)的富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢進行風(fēng)險預(yù)測，結(jié)果如表5所示。富營養(yǎng)化中中度風(fēng)險區(qū)主要位于大壩斷面，是未來發(fā)生富營養(yǎng)化風(fēng)險最高的庫區(qū)，如果不采取有效地污染控制措施，很快會發(fā)展成為富營養(yǎng)化高風(fēng)險水體；其余的斷面發(fā)生富營養(yǎng)化的概率較低，但如果高風(fēng)險區(qū)發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象，很有可能會牽連到其他斷面。

表5 升鐘水庫水質(zhì)4個斷面富營養(yǎng)化風(fēng)險概率Tab.5 Probability of eutrophication risk in four sections of Shengzhong Reservoir (%)

4 討論與建議

4.1 討論

2011～2017年間，高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷濃度均存在顯著年際變化和季節(jié)變化，一般豐水期水質(zhì)比枯水期水質(zhì)差。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表明，近年來水庫營養(yǎng)狀態(tài)逐步下降，由富營養(yǎng)逐步向中營養(yǎng)轉(zhuǎn)變，水體中主要營養(yǎng)鹽總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)呈顯著下降趨勢。眾多研究結(jié)果表明水庫浮游植物群落的季節(jié)變化與水體的營養(yǎng)鹽和穩(wěn)定性等密切相關(guān)[20～22]。根據(jù)升鐘水庫近10年的監(jiān)測指標(biāo)的分析結(jié)果，各水質(zhì)指標(biāo)有明顯的季節(jié)變化，N、P是水體發(fā)生富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因素，氮磷的增加和適宜的溫度和光照再加上水庫水體流動緩慢更新較慢的水環(huán)境，會導(dǎo)致浮游植物的生長加快，主要表現(xiàn)在Chla的增加[23]。張晟等人對三峽水庫回水區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)季節(jié)變化研究表明化學(xué)耗氧量、總氮、氨氮、總磷、葉綠素a含量季節(jié)間差異較大，Chla季節(jié)分布夏季、秋季>春季>冬季，總磷、總氮與高錳酸鹽指數(shù)顯著正相關(guān)的研究結(jié)論一致[24]。升鐘水庫水質(zhì)在空間上無顯著的差異，這是因為在地理尺度上，水庫生態(tài)系統(tǒng)間的差異主要是與緯度有關(guān)的變量引起的，包括太陽輻射、氣溫、降水、蒸發(fā)和風(fēng)速等[25-26]。升鐘水庫屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，升鐘水庫區(qū)內(nèi)內(nèi)，4個監(jiān)測點在這些地理變量上差異不顯著。同時，升鐘水庫管理局在“十二五”期間，加強庫區(qū)流域的水污染防治和生態(tài)環(huán)境保護全面取締排污口以及加強沿庫景觀綠化等工作，周圍建立了飲用水源保護區(qū)，受庫周流域內(nèi)經(jīng)濟活動影響較小。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表明，升鐘水庫2011～2015年處于中營養(yǎng)狀態(tài)，2011年Chla的營養(yǎng)指數(shù)達到輕度富營養(yǎng)的狀態(tài)，在夏季各監(jiān)測指標(biāo)的營養(yǎng)指數(shù)高于其他季節(jié)，這說明升鐘水庫在近10年維持較好的生態(tài)系統(tǒng)。

4.2 建議

2017年來，升鐘水庫污染治理成果得到公認(rèn)，水質(zhì)逐步改善并接近達標(biāo)，但由于水庫總氮濃度目前水平較高，具備富營養(yǎng)化的潛在能力，繼續(xù)打好鞏固治理成效的“持久戰(zhàn)”將是今后的重點任務(wù)，故提出建議如下：

4.2.1 重視城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境保護，強化城鎮(zhèn)污染綜合治理。興建庫區(qū)集鎮(zhèn)生活污水、生活垃圾處理設(shè)施,加快升鐘水庫流域相關(guān)城鎮(zhèn)的城市污水管網(wǎng)改造和污水處理設(shè)施建設(shè)，徹底解決城鎮(zhèn)污水“跑、冒、滴、漏”等問題。

4.2.2 扎實鞏固污染治理成果。加大流域沿線巡查監(jiān)管力度；落實“四級聯(lián)動”監(jiān)管體系，強化基層管理職能，逗硬兌現(xiàn)獎懲，重點抓好畜禽養(yǎng)殖污染和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污染監(jiān)管，鞏固治污成效。

4.2.3 調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。一是調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)和發(fā)展無公害蔬菜基地、農(nóng)業(yè)觀光旅游基地等；二是加強畜禽糞便的綜合利用與治理；三是大力提倡和推廣秸稈綜合利用，推廣有機肥的使用，改善庫區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量，減少化肥使用量；四是大力開發(fā)和發(fā)展生物防治病蟲害技術(shù)，大力減少農(nóng)藥的使用量。

4.2.4 推動“開發(fā)性污染治理”工作。重構(gòu)水污染防治管理體制，以應(yīng)對區(qū)域性小流域污染治理工作，由單純的“防護性污染治理”轉(zhuǎn)為“開發(fā)性污染治理”，因地制宜的發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，切實減少化肥使用和水土流失，真正實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

4.2.5 加強升鐘水庫流域水土保持，加強水源涵養(yǎng)區(qū)、來水匯入地和飲用水取水口、入湖河道口生態(tài)環(huán)境保護和治理,加大退耕還林、河湖疏浚的力度，提高升鐘水庫的自然吞吐能力，綜合保護升鐘水庫稀釋和自凈能力。

5 結(jié) 論

根據(jù)對升鐘水庫水質(zhì)污染和營養(yǎng)化原由分析，2006～2008年水質(zhì)為Ⅳ類，受肥水養(yǎng)魚、農(nóng)藥(化肥)過度使用等因素影響，污染嚴(yán)重，2008年取締網(wǎng)箱養(yǎng)魚后，水質(zhì)顯著改善，2012年后水質(zhì)中總磷和高錳酸鹽指數(shù)均能達到Ⅱ類水質(zhì)類別要求；總氮雖然也有顯著降低，但總氮仍超標(biāo)。但由于總氮不作為地表水的評價指標(biāo)，故升鐘水庫水質(zhì)狀況逐步變好，水質(zhì)狀態(tài)為Ⅱ類，達到四川省規(guī)定的水質(zhì)考核目標(biāo)。升鐘水庫總氮超標(biāo)，造成水體富營養(yǎng)化，預(yù)防和治理富營養(yǎng)化應(yīng)重點研究氮、磷2種元素的輸入和輸出，嚴(yán)格控制肥水養(yǎng)魚，加強升鐘水庫的環(huán)境和生態(tài)管理[27-28]。水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)過多，會導(dǎo)致富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生。然而，適量的氮、磷元素又是維護水質(zhì)生態(tài)平衡的必要條件。目前升鐘水庫已進入中營養(yǎng)化狀態(tài)，按該水庫的主要用途，水質(zhì)能控制在這營養(yǎng)狀態(tài)是比較適宜的。根據(jù)我們的研究，磷是升鐘水庫的限制因子，今后只要控制磷的輸入就會控制著該水庫富營養(yǎng)化的發(fā)展，從而防止水庫水質(zhì)進一步惡化。根據(jù)水庫近10年的綜合營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢，運用一元線性回歸模型和累積概率密度模型，預(yù)測其未來5年的富營養(yǎng)化風(fēng)險概率，預(yù)測大壩斷面是富營養(yǎng)化風(fēng)險概率最高的區(qū)域，應(yīng)引起水庫管理部門的高度重視，及時控制升鐘水庫上、中游的城鎮(zhèn)點源和農(nóng)業(yè)面源污染；同時，其他較低風(fēng)險的點位也不容忽視，應(yīng)加強面源污染的控制。