平原河网水体富营养化评价

Eutrophication Evaluation of Water in the Plain River Network

摘要: 根据实用性和适用性原则，选择对数型幂函数普适指数公式，分析和评价平原河网地区水体的富营养化状态。选取溶解氧、叶绿素a、总磷、总氮、高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮七项指标作为富营养化的评价因子。设定各指标的“极贫”营养值作为“参照值”，通过“规范转换式”将所有水质指标实测值转换成“规范值”，利用对数型幂函数普适指数公式将“规范值”综合计算成营养状态综合指数，对水体富营养化状态进行评价。结果表明：对数型幂函数普适指数公式适合于评价平原河网水体的富营养化状态；平原河网水体普遍处于富营养甚至重富营养状态，其富营养状况与季节存在关联性；氮和磷是影响水体富营养化状态的主要因素，磷的影响最大。

Abstract: According to the principle of practicality and applicability, the universal exponential formula of loga-rithmic power function is chosen to analyze and evaluate the eutrophication status of water in the plain river network area. Seven indicators, namely dissolved oxygen, chlorophyll a, total phosphorus, total nitrogen, permanganate index, ammonia nitrogen and nitrate nitrogen, were selected as evaluation factors for eutrophication evaluation. After setting “very poor” nutritional values for each indicator as “reference values”, all water quality indicators measured values are converted into “normative values” by “normative values conversion formula”. The “normative values” are integrated into a comprehensive index of nutrient status using the universal exponential formula of logarithmic power function to evaluate the eutrophication status of water bodies. The results show that the universal exponential formula of logarithmic power function is suitable for evaluating the eutrophication status of water in the plain river network. The plain river network water is generally in eutrophic or even heavy eutrophic state, and their eutrophic status is correlated with seasons. Nitrogen and phosphorus are the main factors affecting the eutrophication status of water, while phosphorus has the greatest influence.

1. 引言

我国平原河网地区的水环境特点主要包括：河道纵横交错，河湖相串；污染源含点源和面源排放，且排放非恒定；水体受到不同程度污染，富营养化趋势明显；水质变量为多组分，影响因素为多参数 [1] [2] 。平原河网地区河道水体中含有较高的氮、磷物质，易使水体向富营养化方向进化，从而导致水体透明度降低，积聚有毒有害物质，使得整个水体生态系统失去平衡，同时水功能受到严重阻碍和破坏 [3] [4] [5] 。富营养化会改变水体的物理化学性质，富营养化水体中的藻类还会产生藻毒素，可使鱼卵变异、水生植物死亡、鱼类行为及生长异常，还可能进入食物链，严重影响人体健康 [6] [7] [8] 。天然和人为因素都可能导致水体富营养化 [9] 。本研究选取浙江省东部平原河网地带某旅游度假区河道进行了长期水质监测，根据监测指标对水体的富营养化状态进行分析和评价。该河道全长约4000 m，河道平均宽约30 m，河道区域地形及采样点(A点，B点，C点)分布如图1所示。

Figure 1. Diagram of river topography and sampling point distribution

图1. 河道地形和采样点分布图

2. 研究方法

2.1. 富营养化评价方法

富营养化评价有多种方法，使用范围不同，优缺点各异。国内外常用的水体富营养化评价方法有特征法、生物指标法、营养状态指数法和参数法等 [10] [11] [12] [13] 。

特征法以生态环境因子特征评价水体营养状态。采用湖盆形态、水质、生物和底质4个指标，定性地将水体划分为贫营养型和富营养型。

生物指标评价法可分为优势种评价法和生物多样性指数评价法。以金藻、硅藻和绿藻为主的浮游植物分别对应着贫营养型、中营养型和富营养型水体。该评价法根据水生生物的调查资料，通过藻类多样性指数来确定水体富营养化状况。

营养状态法以多项代表性指标综合计算评价指数，对水体营养状态进行分级评价。

参数法是以水体富营养化的主要代表性参数对水体营养状态进行评价。一般选择总磷、总氮、叶绿素a、溶解氧及透明度等作为代表性评价参数，通过将这些参数排序并分级，水体营养程度可划分为贫、中、中–富、富、极富等不同等级。代表性参数中，总磷以及叶绿素的参数值一般要选择水体夏季值或者各参数在明显相关时期的值 [14] [15] [16] 。

2.2. 对数型幂函数普适指数公式

由于特征法偏向于简单的定性评价，生物指标法偏向于水体中藻类类型进行定性评价，营养状态法受测试技术误差和季节因素影响较大，不适用于平原河网的富营养化评价。一般的参数法虽然选择了主要代表性参数来评价水体富营养状态，但由于各水质指标的量纲和单位并不完全相同，致使各参数值相差很大，有的甚至相差几个数量级。此外，各水质指标如果不进行适当处理，则其对富营养化评价结果的影响程度和灵敏度各不相同，难以协调。因此，需要选择一种适用于本研究的富营养化评价方法。

本研究监测河道在选择富营养化评价方法时考虑到以下原则：

1) 实用性：评价方法需要考虑评价水体的实际情况，能够更加客观地反应水体富营养化状况；

2) 适应性：根据方法的适用条件和本研究的实际情况选取评价方法，使得评价结果尽量准确。

富营养化评价方法和涉及到的水质指标都很多，本研究监测的与富营养化相关的核心指标有溶解氧(DO)、叶绿素a (Chl.a)、氨氮(NH₃-N)、总氮(TN)、总磷(TP)等。根据上述原则，选择对数型幂函数普适指数公式对平原河网监测河道进行富营养化评价。

李祚泳提出了对数型幂函数普适指数公式，并利用粒子群算法优化确定公式参数值，使得公式具有普遍适用性 [17] 。该公式目前在湖泊、水库和河流的富营养化综合评价中得到广泛应用。相较于其他评价方法，对数型幂函数普适指数公式具有以下优势：1) 该公式共同适用于14项水质指标，在评价过程中各指标通过“规范变换式”将实测值转换为“规范值”，使得各指标在计算过程中“等效”，计算简便且普适性高；2) 根据“等差赋值”计算得到各级参照标准中的指数目标值，在一定变化范围内分辨精度相同；3) 该公式对采用的14项评价因子“等效”，综合评价时各个指标权重相同，评价结果更具客观性。

在处理评价数值时，因各个评价指标的单位或量纲并不完全相同，使得计算出来的不同指标的同级标准值差异较大，甚至达到几个数量级。针对此情况，需先对各指标实测值进行预处理。对各指标设定一个“参照值”x_i0，然后构造一个“规范转换式”计算出各指标的“规范值”s_i。其中，选取x_i0时要使各指标的“规范转换式”计算得到的同一级标准的不同指标的“规范值”s_ik (i为指标，k为级别)相差不大，最好不超过1个数量级。平原河网水体富营养化评价中选择各指标的“极贫”营养值作为“参照值”x_i0。

各指标的“规范转换式”如式(1)和式(2)所示。

$s_i=\{\begin{array}{lll}\frac{x_{i0}}{x_i}\hfill & x_i\le x_{i0}\hfill & 对指标\text{SD}\hfill \\ {\left(\frac{x_{i0}}{x_i}\right)}^2\hfill & x_i\le x_{i0}\hfill & 对指标\text{DO}\hfill \\ {\left(\frac{x_i}{x_{i\text{0}}}\right)}^{\text{3}}\hfill & x_i\ge x_{i0}\hfill & 对指标\text{ppro}\hfill \\ \frac{x_i}{x_{i\text{0}}}\hfill & x_i\ge x_{i0}\hfill & 对其余11项指标\hfill \end{array}$ (1)

$s_i=\{\begin{array}{lll}\text{1}\hfill & x_i>x_{i0}\hfill & 对\text{DO}和\text{SD}\hfill \\ \text{1}\hfill & x_i<x_{i0}\hfill & 对\text{ppro}和其余11项指标\hfill \end{array}$ (2)

式中：s_i为指标i的规范值，x_i为指标i的实测值，x_i0为指标i的参照值，SD为透明度(m)，DO为溶解氧(mg/L)，ppro为初级生产力(g/m²∙d)。

由式(1)和式(2)计算出的各指标的各级标准的“规范值”s_ik以及分级标准如表1和表2所示。

Table 1. Reference, standard and normative values (1)

表1. 参照值、标准值及规范值(1)

Table 2. Reference, standard and normative values (2)

表2. 参照值、标准值及规范值(2)

如表1和表2所示，不同指标的同级标准的“规范值”s_ik差异均在1个数量级范围内。若对各指标的“规范值”s_ik取自然对数lns_ik，则不同指标的同级标准的对数值差异更小，相邻两级标准的对数值则近似成等差变化。因此可构造一个对14项指标皆适用的对数型幂函数计算“等效”营养状态的普适指数公式 [18] ，如式(3)所示。

$V_i=\alpha {\left(\ln s_{ik}\right)}^{\beta }$ (3)

式中：s_ik为指标i的“规范值”， $\alpha$ ， $\beta$ 为指标参数，V为指标i的幂函数营养状态指数。

参数 $\alpha$ ， $\beta$ 与具体指标i无关而对所有14项指标皆适用，通过粒子群优化算法(PSO)确定为 $\alpha =10.77$ ， $\beta =1.1826$ [17] [18] ，则优化的对数型幂函数富营养化评价普适指数公式可表达为：

$V_i=10.77{\left(\ln s_{ik}\right)}^{1.1826}$ (4)

则具有k项指标的营养状态综合指数计算公式为：

$V_E={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{k}{\sum }}{W}_i}\times V_i=10.77\times {\displaystyle \underset{i=1}{\overset{k}{\sum }}{W}_i}\times {\left(\ln s_{ik}\right)}^{1.1826}$ (5)

式中：W_i为指标i的归一化权重值，本研究将各指标视作等权重。

计算出营养状态综合指数V_E后即可对水体进行富营养化评价，其评价标准见表3。

Table 3. Evaluation criteria for eutrophication degree of water

表3. 水体富营养化程度评价标准

3. 富营养化评价与分析

3.1. 水质监测

基于监测河道的水系结构和现状资料，合理分布A、B、C三个监测点如图1所示，监测水体水质的时间和空间分布数据。水质检测包括采样器取样送实验室检测和在线仪器现场监测两种方式。将A、B、C三个监测点的水质参数进行取平均值处理，得到2019年8月1日~2020年8月1日为期一年的河道水质监测数据。

3.2. 富营养化评价

根据平原河网河道监测的水质指标，选取溶解氧(DO)、叶绿素a (Chl.a)、总磷(TP)、总氮(TN)、高锰酸盐指数(COD_Mn)、氨氮(NH₃-N)、硝酸盐氮( ${\text{NO}}_3^{-}\text{-N}$ )七项指标作为富营养化评价的评价因子。2019年8月1日监测点水质指标数据如表4所示。

Table 4. Water quality monitoring index

表4. 水质监测指标

参照表1和表2选取各项指标的极贫状态的x_i0作为参照值，再按式(1)和式(2)分别计算各指标的规范值，然后代入式(4)和式(5)计算出最终的营养状态综合指数V_E。

以2019年8月1日的水质监测指标为例，计算综合评价指数V_E，计算过程如下：

1) 根据表4中的实测水质数据x_i和表1和表2中的参照值x_i0，按式(1)和式(2)计算出规范值s_i；

2) 按式(4)计算各项指标的营养评价指数V_i，并确定权重W_i；

3) 按式(5)计算营养状态综合指数V_E。

计算结果详见表5。

Table 5. Nutrient status composite index VE calculation

表5. 营养状态综合指数V_E计算

采用同样的方法，计算出2019年8月1日~2020年8月1日一年监测期间的营养状态综合指数V_E，并进行富营养化评价，评价结果如图2所示。

Figure 2. Diagram of year-round eutrophication evaluation

图2. 全年富营养化评价图

3.3. 富营养化分析

由表5和图2对平原河网河道的富营养化状况进行分析可得：

1) 监测河道全年均处于富营养化–重富营养化状态，富营养化状态占58%，重富营养化状态占42%，可见其水质情况不容乐观，易导致藻类大量繁殖而发生水华现象，并极大地影响其供水、观光旅游等功能。

2) 从图2监测日期对富营养化状况与季节的关系进行分析，可以发现，2019/11/16~2020/2/10水体均处于富营养化状态，其余时间则是以重富营养化状态为主，说明水体的营养状况大致与季节有关，即秋冬季的富营养化状况，较春夏季要好，这与不同季节的水温、光照强度、浊度、溶解氧等因素有关，需要做进一步的研究。

3) 由表5可知，氮和磷的含量对综合营养评价指数的贡献率最大，说明氮和磷是水体富营养化的主要因素，其中，磷对平原河网水体富营养化的影响最大，因此对于平原河网的富营养化控制，关键在于控制水体中总磷的含量。

4) 总磷和总氮的控制需要从上游来水和河岸两侧的面源污染源两方面进行。一方面需要从上游引入水质较好的、氮磷含量低的源水进入河道，以控制水体的藻类繁殖，控制水质；另一方面，需要对两岸的农业排水进行排查和控制，减少化肥的排入量。

4. 结论

对数型幂函数普适指数公式适用于平原河网水体的富营养化评价，该评价方法计算简便且普适性高，各评价因子等效，评价结果具有可观性。

平原河网地区水体普遍处于富营养甚至重富营养状态，藻类大量繁殖易导致水质恶化。水体富营养状况与季节存在关联性。氮和磷是水体富营养化的主要影响因素，而磷的影响最大。需要控制污染源的氮和磷的排放以控制和改善水质。

参考文献