基于改进的单因子水质标识指数法的南湾水库水质时间变化特征

Time variation characteristics of water quality in Nanwan Reservoir based on the improved single-factor water quality identification index method

摘要

以淮河流域上游南湾水库为研究对象，提出了改进的单因子水质标识指数法，对南湾水库水质的时间变化特征进行了监测和评价。结果表明：（1）改进的单因子水质标识指数法能显示水质是否达到功能区标准和优于功能区标准的具体数值；（2）2018—2019年大多数月份的绝大多数水质指标均符合Ⅲ类水标准以上，只有TN部分月份超标，总磷项已接近标准临界值；（3）使用综合营养状态指数法对南湾水库水质的营养化程度进行了评价，结果表明TP整体处于贫营养化阶段；（4）水质的时间变化特征为：年际稍微好转的指标为溶解氧DO、BOD₅、TN；年际变化不大的指标为COD_Mn、TP、阴离子表面活性剂、叶绿素a、Cr⁶⁺；年际变差的指标为透明度、粪大肠杆菌群。季节变化特征是：溶解氧DO数值依次从冬季、春季、夏季、秋季呈降低的趋势，TN、TP在夏季和秋季含量较高，石油类在夏季的8月份较高。

Abstract

Taking Nanwan Reservoir in the upper reaches of Huaihe River basin as the research object， an enhanced single-factor water quality identification index method was presented， the time variation characteristics of its water quality were monitored and evaluated. The results showed that： （1） The presented method could effectively demonstrate whether the water quality meets the functional zone standards， as well as highlight the specific values by which the water quality exceeds or falls short of these standards， showcasing its superiority in accuracy compared to conventional methods.（2）Most of the water quality indicators in most months of 2018—2019 meet the Class Ⅲ water standard， and only some months of TN total nitrogen exceed the standard. The total phosphorus term was also close to the standard critical value. （3） The eutrophication degree of TP of Nanwan Reservoir was evaluated by comprehensive trophic state index method， and the results showed that the whole lake was in the stage of poor eutrophication. （4） The characteristics of time variation of water quality were as follows： dissolved oxygen DO， BOD₅ and TN were the indicators for slight improvement between years； COD_Mn， TP， anionic surfactant， chlorophyll a， Cr⁶⁺ were the indicators with little change between years. The indicators of interannual variation were transparency and fecal coliform. The seasonal variation characteristics were as follows： DO value of dissolved oxygen showed a decreasing trend from winter， spring， summer and autumn， TN and TP contents were higher in summer and autumn， and petroleum substances content was higher in August of petroleum summer.

Graphical abstract

关键词

南湾水库 / 水质评价 / 营养化 / 时间变化特征 / 单因子水质标识指数法

Key words

Nanwan reservoir / water quality evaluation / nutrition / time variation characteristics / single-factor water quality identification index method

0 引言

随着经济和城市化的快速发展，环境污染问题引起了人们的广泛关注^［1-2］。水污染是我国面临的最主要的环境安全问题^［3］。湖泊水库是人类重要的饮用水源地。随着湖泊周边的经济发展、人口增加、农业面源污染等，污染物不断增多。李国莲^［4］对巢湖的研究表明，巢湖水质基本属于Ⅴ类水，湖泊总体呈中度富营养化状态，由于水体污染严重，致使鸟类、鱼类、水生动植物不断消亡，污染严重的湖泊还会出现水华和水体发腥发黑。朱广伟^［5］对太湖水质进行了分析评价，认为太湖近年来富营养化状况有加重趋势，TN、TP呈增高趋势，夏季水华暴发的频率越来越高，持续时间也越来越长。

水质监测评价是水污染治理中的重要基础性工作，是制定科学整治规划，采取有效措施的依据。湖泊水质监测依据《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》进行。目前常用的湖泊水质评价方法有：1）根据国家标准选择最差的指标进行评价；2）污染指数法；3）改进的综合污染指数法^［6］；4）神经网络法；5）徐祖信的单因子水质标识指数法及综合水质标识指数法等^［7-8］。

淮河是“三河三湖”三河之一，人口稠密，经济活动频繁，水污染问题突出。南湾水库是淮河流域上游信阳市生活饮用水最重要的水源地，其水质事关全市居民的健康。

目前对南湾水库水污染的研究相对较少。赵佳等^［9］用蚕豆根尖微核监测技术对南湾水库码头、大坝、燕尾岛、中心岛等4处采样点进行了微核千分率及污染指数的研究，污染指数分别为1.67、1.33、1.00、0.33，除了码头有轻度污染，其他无污染。文晔等^［10］用国产高分宽幅数据对南湾湖绿藻污染情况进行了短时序监测，结果表明2020年7月20日存在绿藻污染，2020年8月4日、5日、9日在下游某一弯道处有复发，和实际情况均相符。

因此，为了查明南湾湖的水质情况，本研究于2018-2019年对南湾水库进行采样，采用《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》国标或行标认证的方法进行测试，用补充后的单因子水质标识指数法对南湾湖水质、营养化程度、季节变化和年时间变化特征进行了分析，为南湾水库水污染治理提供依据。

1 信阳市南湾水库概况

信阳市处于我国秦岭—大别山—淮河一线，即中国南北方的自然地理分界线，气候介于温带季风性半湿润气候和北亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨热同期，植被介于亚热带常绿阔叶林和落叶阔叶林混生。南湾湖风景区地处大别山北麓，淮河上游，东距信阳市7 km，全区总面积443 km²，其中林地面积145.8 km²，水域面积72 km^2［11］，景区为省级风景名胜区和国家级森林公园。景区内的南湾水库是信阳市居民唯一饮用水源地。南湾水库面积75 km²，最大蓄水量16.3亿m³，素有“中原第一湖”“水墨南湾湖”之美称。南湾湖风景区交通便利，地处京广、宁西铁路和107、312国道以及京港澳、沪陕高速公路十字交汇的枢纽位置，南距武汉天河机场180 km，北距郑州新郑机场290 km，交通便利。

2 样品采集、分析测试及评价方法

样品采集根据国家地表水监测技术规范的要求进行。在2018—2019年24个月期间，每月取样1次，在南湾水库水源取水口周边100 m处设置1个监测点，用采样器进行采样，采样深度为湖水面下0.5 m处。

分析测试：分析测试在河南省信阳生态环境监测中心进行，分析项目按照《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）规定的方法和项目进行，主要有化学需氧量、氨氮、总氮（TN）、总磷（TP）、重金属、石油类、粪大肠菌群等。

评价方法：水质达标评价采用《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅲ类标准。水质评价采用补充后的单因子水质标识指数法及综合水质标识指数法。营养度评价采用《地表水环境质量评价方法（试行）》（环办〔2011〕22号）规定的综合营养状态指数法（TLI（∑））。

2018—2019年河南省信阳市浉河区南湾水库站点气温和降水数据，来源于国家气象科学数据共享服务平台。

3 结果与讨论

3.1 水质监测

从图1和图2中的监测数据可以看出：2018—2019年绝大多数月份的绝大多数指标南湾水库水质符合《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅲ类标准以上，只有TN在2018年的1、2、3、5、6、7月超标，分别达到1.76、1.83、1.53、1.48、1.51、1.28。

由单因子评价法的评价结果可知，1、2、3、6月的TN在1.5~2.0之间，为Ⅴ类水；5月和7月在1.0~1.5之间，为Ⅳ类水。重金属汞、铅、砷、镉、六价铬等重金属均符合Ⅲ类水标准。阴离子表面活性剂、粪大肠菌群、石油类也符合Ⅲ类水标准。以上结果表明，南湾水库水质除了2018年有半年时间总氮超标外，其他项均符合饮用水源地二级保护区的标准。国际上一般认为湖泊水体总磷浓度为0.02 mg/L，总氮浓度为0.2 mg/L是湖泊富营养化的发生浓度^［12］。南湾水库2018年的1、5、8、10、12月份总磷浓度已达到0.02 mg/L，达到富营养化极限值。2018年6、7月份总磷浓度为0.03 mg/L，9、11月份为0.04 mg/L，轻微超标。2019年1、2、5、6、8、9月份总磷浓度已达到0.02 mg/L，达到了富营养化极限值。2019年3、7、11月份总磷浓度为0.03 mg/L，10月份总磷浓度为0.04 mg/L，轻微超标。2018年总氮浓度大多数月份已经超了0.2 mg/L的2~10倍，而2019年总氮浓度超0.2 mg/L的1~4倍。

3.2 水质评价

采用单因子水质标识指数法及综合水质标识指数法^［7］，表示为：

P_{\mathrm{i}}={X_{\mathrm{1}}}_{·}{X}_{\mathrm{2}}{X}_{\mathrm{3}},(1)

式中：P_{\mathrm{i}}代表单因子水质指数，X_{\mathrm{1}}代表第i项水质指标的水质类别，X_{\mathrm{2}}代表监测数据在X_{\mathrm{1}}类水质变化区间中所处的位置，X_{\mathrm{3}}代表水质类别与功能区划设定类别的比较结果。

对单因子水质标识指数法中优于Ⅰ类水评价部分进行补充（见图3），然后对南湾水库水质进行了评价，结果见表1。

对于水质好于Ⅰ类水或等于Ⅰ类水时，提出优于Ⅰ类水评价部分X_{\mathrm{1}}\mathrm{、}{X}_{\mathrm{2}}\mathrm{、}{X}_{\mathrm{3}}的确定方法。

（1）X_{\mathrm{1}}的确定。当水质优于Ⅰ类水时，根据水质监测数据和国家标准比较确定X_{\mathrm{1}}，其意义是：X_{\mathrm{1}}=\mathrm{1}，表示该指标为Ⅰ类水。

（2）X_{\mathrm{2}}\mathrm{、}{X}_{\mathrm{3}}的确定。无论是溶解氧还是非溶解氧，根据图3和式（1）按四舍五入的原则取小数点后1位确定。X_{\mathrm{3}}由于水质好于或达到功能区，X_{\mathrm{3}}=\mathrm{0}。

X_{\mathrm{2}}=-(|{\rho }_{\mathrm{i}}-{\rho }_{\mathrm{i}\mathrm{下}}|)/{\rho }_{\mathrm{i}\mathrm{下}},（2）

式中：{\rho }_{\mathrm{i}}为第i项水质指标的质量浓度。

表1显示出南湾水库的单因子水质标识指数P_{\mathrm{i}}，通过这个指数，可以看到水质是否达到水环境功能区标准。其中可以明显地看出总氮超标严重，而总磷接近功能区标准临界值。因此，该方法在南湾水库得到了良好的应用。

3.3 营养度评价

营养度评价采用《地表水环境质量评价方法（试行）》（环办〔2011〕22号）规定的综合营养状态指数法。计算公式

\mathrm{T}\mathrm{L}\mathrm{I}(\sum )={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^m}{w}_{\mathrm{j}}\mathrm{T}\mathrm{L}\mathrm{I}(j),（3）

式中：TLI（∑）为综合营养状态指数，w_{\mathrm{j}}为第j种参数的营养状态指数的相关权重，TLI（j）为第j种参数营养状态指数。

从表2可知，南湾水库的营养化程度较低，均处于贫营养状态。和长江中下游大多数湖泊（如太湖、巢湖等）处于富营养化状态相比，南湾水库营养化程度较好，这可能与南湾水库地处大别山北麓，生态系统较好，同时也是信阳市饮用水源保护区，周边工农业污染管制较严格所致。但是其也已经处于贫营养化阶段，总氮严重超标，总磷也已达标准临界值，因此需要加强整治。

3.4 水质季节、年际时间变化特征

从图1和图2可知，南湾水库的年变化特征为：2019年比2018年稍微好转的指标有溶解氧DO、BOD₅、TN，说明整体水质有所改善，可能与南湾湖周边面源污染的有效治理有关。年际变化不大的指标有：COD_Mn、TP、阴离子表面活性剂、叶绿素a、Cr⁶⁺，如叶绿素a 含量2018年6月和10月为0.013和0.014 mg/L，为2018年最大值。2019年和2018年类似，说明6月和9月的叶绿素a最大值可能与水库藻类生长旺盛有关，可能反映了这两年南湾湖周边的农村生活污水治理未取得明显进展。年际变差的指标有：透明度、粪大肠杆菌群。如2019年9月—10月份粪大肠菌群为490 个/L和270个/L，可能与生活污水排放有关，也可能与降水量有关（见下文），说明粪大肠菌群年变化有所加重。整体来看，2019年整体水质较2018年稍微有所好转。

南湾水库季节变化特征是：溶解氧DO数值从冬季、春季、夏季、秋季呈降低的趋势。夏秋季DO数值较低，可能与藻类生长繁盛有关。TN、TP夏季和秋季含量较高，冬季和春季较低。秋季粪大肠菌群含量较高。石油类在夏季的8月份较高，如2018年8月为0.03 mg/L。

3.5 水质变化和气温、降水的关系

图4和图5为2018和2019年南湾水库气温和降水的每月均值，其中2018年和2019年气温年际变化不大，都是呈抛物线状，7月和8月是一年气温最高月份，最高可达28.6 ℃和30.3 ℃。12月和1月是一年气温最低的月份，分别为0.5 ℃和2.5 ℃，因此气温对这两年水质影响不大。

降水年际变化较大，2019年总降水量为589 mm，是2018年的992 mm的59%，即减少了41%，可能会对水质造成某些程度的影响，比如2019年透明度和粪大肠杆菌群水质指标变差，就可能和降水量减少有关。叶绿素a最大值出现在6月和9月而不是7月和8月的原因，可能是6月和9月气温不是特别高，均值在25 ℃左右，说明过高的气温并不适宜藻类的生长发育。另一方面，7月和8月一般降水量较大，而6月和9月降水量明显减少，比如2018年7月和8月降水量总和为284 mm，6月和9月总和为96 mm，是7月和8月总和的34%。即6月和9月份降水量的减少，可能造成叶绿素a稀释不足，导致其浓度变大，水质变差。

4 结论

（1）提出了改进的单因子水质标识指数法，并对南湾水库水质进行评价，结果表明该方法能显示水质是否达功能区标准和优于功能区标准的具体数值。

（2）2018—2019年绝大多数月份的绝大多数水质指标如重金属、离子表面活性剂、粪大肠菌群、石油类均符合GB 3838—2002的Ⅲ类标准以上，只有TN总氮部分月份超标，在2018年1、2、3、6月在1.5~2.0之间，为Ⅴ类水。5月和7月在1.0~1.5之间，为Ⅳ类水。2018年总氮浓度大多数月份已经超了0.2 mg/L的2~10倍，而2019年总氮浓度超0.2 mg/L的1~4倍，应引起重视。

（3）用综合营养状态指数法对南湾湖水质的营养化程度进行了评价，结果表明整体处于贫营养化阶段，和长江中下游湖泊相比营养化程度较轻。

（4）水质季节、年变化特征：2019年比2018年稍微好转的指标有溶解氧DO、BOD₅、TN。年际变化不大的指标有：COD_Mn、TP、阴离子表面活性剂、叶绿素a、Cr⁶⁺。年际变差的指标有：透明度、粪大肠杆菌群。季节变化特征为：溶解氧DO数值从冬季—春季—夏季—秋季呈降低的趋势。TN、TP夏季和秋季含量较高，冬季和春季较低。秋季粪大肠菌群含量较高。石油类在夏季的8月份较高。

（5）水质与气温、降水的关系：气温年际变化不大，因此对水质影响不大。降水量2019年较2018年减少了41%，可能会对水质造成某些程度的影响，比如2019年透明度和粪大肠杆菌群水质指标变差，就可能和降水量减少有关。叶绿素a最大值出现在6月和9月而不是7月和8月的原因，可能是受气温和降水的双重影响。

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基金资助

河南省科技攻关项目(222102320128)

信阳师范大学“南湖学者奖励计划”青年项目