李永丽
（河南省水文水资源局，河南郑州450003）
摘 要：根据陆浑水库2009—2015年水质逐月监测数据，应用综合营养状态指数对水库营养状态进行了分析，应用季节性Kendall检验法对溶解氧、高锰酸盐指数、硝酸盐氮、氨氮、总氮、总磷污染因子的变化趋势进行了分析研究，并通过建立陆浑水库的水环境安全评价指标体系，对水库的水环境安全状况进行了评价。结果表明：综合营养状态指数显示水库水体长期处于中营养状态，TN是制约水体富营养化的关键因素，磷是陆浑水库的限制性营养盐；2009—2015年陆浑水库水质状况相对较为稳定，并有改善趋势，基本处于较安全状态。
关键词：水质趋势；营养状态；安全评价；陆浑水库
陆浑水库位于黄河支流伊河中游，在嵩县境内，距洛阳市67 km，控制流域面积3 492 km2（占伊河流域面积的57.9%），是一座以防洪为主的大型水库，在防洪、发电、灌溉、供水和水产养殖等方面发挥了重要作用［1］。
陆浑水库是洛阳市重要的湖库型饮用水水源地，水质的好坏与居民生活、健康息息相关。20世纪90年代以来，随着社会经济的发展，陆浑水库流域的重金属企业、种植业、畜禽养殖业、旅游业等污染物排放量增大［2］，水体一度呈恶化趋势。近几年来，随着各项水环境综合治理措施的实施，库区水质得到改善，但总氮含量依然超标严重。因此，笔者对水库的营养化状态进行评价，分析制约水体富营养化的关键因素及主要限制因子，明晰水库水质变化趋势和安全等级，以期为管理部门决策提供科学依据。
根据《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395—2007）［3］中湖泊（水库）营养状态评价标准及分级方法，采用总磷（TP）、总氮（TN）、叶绿素a（Chl－a）、高锰酸盐指数（CODMn）和透明度5个指标评价陆浑水库的营养状态。由图1可知，陆浑水库2009—2015年综合营养状态指数均小于50，水体为中营养状态，但从总体赋分值来看，偏向于轻度富营养状态。2009—2011年综合营养状态指数略有上升，2011—2015年逐步回落，但仍高于2009年和2010年。由图2可知，TN是制约水体富营养化的关键因素。可见，从营养状态指数来看，只有继续采取措施控制水体TN的质量浓度，才能持续缓解陆浑水库的富营养化趋势。
图1 陆浑水库2009—2015年综合营养状态指数变化情况
图2 陆浑水库2009—2015年各指标营养状态指数变化情况
氮和磷是浮游植物生长必须的营养元素。根据利比希最小因子定律，作物的最大产量受这种作物所需的、环境中非常少的、不能满足这种作物需要的那种物质限制。判别水体富营养化限制性营养盐的方法如下：当水体中可被水生植物直接吸收的磷的浓度小于5μg／L时，磷是可能制约水生植物生长的限制性营养盐；当可被水生植物吸收的氮的浓度小于20μg／L时，氮是可能制约水生植物生长的限制性营养盐。若氮和磷的浓度均小于上述标准，则二者都可能是限制性营养盐；若氮和磷浓度都不低于上述标准，则可利用水体的氮磷比确定哪一种元素有可能是限制性营养盐。陆浑水库水体中氮含量远高于磷含量，氮磷比大多为40～200，氮磷比过高会导致藻类大量生长，氮和磷会被大量消耗，而磷营养盐将会被首先消耗到低值，甚至低于水生植物限制生长的含量，因此磷是陆浑水库的限制性营养盐。
采用季节性Kendall检验方法进行水质变化趋势分析。其原理是对历年各月的水质数据进行比较，若后面的值高于前面的值则记为正号，反之记为负号。若正号的个数比负号的多，则可能为上升趋势，否则可能为下降趋势；若正、负号的个数都占50%，则为无趋势［4－5］。研究选取陆浑水库2009—2015年监测点的水质序列进行趋势分析，明晰陆浑水库的水质变化趋势。
确定趋势分析参数的主要原则是选择在判定水质变化上有代表性的水质指标，并拥有长序列、可靠的监测数据［6］。根据所掌握的水质监测资料，对陆浑水库的总磷、总氮、高锰酸盐、氨氮、溶解氧和硝酸盐氮6个水质指标进行水质变化趋势分析。
根据2009—2015年的水质数据，取显著性水平α的判别标准为0.10和0.01：当α＜0.01时，说明检验具有高度显著性水平；当0.01≤α≤0.10时，说明检验是显著的［3］。陆浑水库6个水质指标变化趋势分析结果见表1，由表1可以看出，2009—2015年，陆浑水库总氮、氨氮和高锰酸盐浓度变化趋势不明显，总磷浓度呈高度显著下降趋势，硝酸盐氮浓度呈显著下降趋势，溶解氧浓度呈显著上升趋势，说明2009—2015年陆浑水库水质状况相对较为稳定，并有改善趋势。
表1 水质指标变化趋势分析结果
水质指标浓度中值／（mg·L－1）浓度变化趋势／［mg·（L·a）－1］变化率／%显著性水平／%结论总磷0.024－0.002－8.33 0.33高度显著下降总氮3.360 0 0.00 48.53无明显升降趋势高锰酸盐指数2.200 0.017 0.77 48.11无明显升降趋势氨氮0.083 0.003 3.61 31.78无明显升降趋势溶解氧9.500 0.260 2.74 9.97显著上升硝酸盐氮2.950－0.110－3.73 2.24显著下降
3.1 水环境安全评价指标体系构建
欧洲环境署建立的驱动力－压力－状态－影响－响应（DPSIR）指标体系［7］，一般用于生态系统的稳态性研究，对于灾变等突发情况，在DPSIR模型中没有反映。本文将灾变风险评估的水华爆发影响因子作为水环境安全的非稳态指标，替代DPSIR中的“响应”指标，在识别DPSIR各组分间相互联系的过程中将非稳态的灾变与稳态的健康状态结合考虑，构建包括驱动力、压力、状态、影响以及风险5个方案层、11项指标的水环境安全评价指标体系（见图3）。以2015年陆浑水库水质监测数据为例，对陆浑水库水环境安全状况进行评价。
图3 陆浑水库水环境安全评价指标体系
各指标数据来源：月降水量根据雨量站实测数据统计得到；入库河流和入库排污口的点源污染是陆浑水库的主要污染物来源，因此通过入库河流的流量和水质监测数据、入库排污口监测数据，计算来自入库河流的污染物入库量和来自点源的污染物入库量，从而得到陆浑水库主要污染物入库量；水质状态指标选择反映水体富营养化特征的高锰酸盐指数和总氮、总磷、浮游植物叶绿素a含量4项指标，指标数据采用每月实测数据；根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）［8］评价得到陆浑水库2015年每月的水质类别，并与《全国重要江河湖泊水功能区划手册》里划定的Ⅱ类水水质目标相比，判断其是否达标；水温数据采用每月采样时的实测数据，氮磷比即总氮浓度与总磷浓度的比值。
根据所构建的指标体系，对陆浑水库2015年12个月的数据进行整理，形成原始数据，见表2。
表2 2015年陆浑水库水环境安全评价原始数据
浓度／（mg·L－1）t月份降水量／mm污染物入库量／t TN TP CODMnTN TP CODMnChl－a水质达标情况水温／℃氮磷比1 8.8 6.56 1.00 43.74 3.73 0.03 0.9 0.002不达标6.5 124.3 2 2.2 6.56 1.03 47.36 4.38 0.03 1.7 0.003不达标5.0 146.0 3 41.2 6.56 0.94 42.05 3.90 0.01 2.0 0.002不达标7.0 390.0 4 60.3 6.56 3.43 230.88 4.48 0.05 1.6 0.003不达标16.4 89.6 5 97.0 7.93 3.17 216.76 4.04 0.02 1.6 0.003不达标21.2 202.0 6 100.2 6.56 2.56 186.81 3.91 0.02 2.2 0.003不达标24 195.5 7 50.2 4.68 1.73 192.64 3.68 0.02 2.2 0.002不达标27.8 184.0 8 108.0 6.56 2.92 223.10 4.62 0.01 1.7 0.003不达标29.8 462.0 9 54.8 6.56 5.03 313.82 2.35 0.02 2.4 0.002不达标26.3 117.5 10 37.2 7.08 2.47 178.26 2.82 0.01 1.7 0.003不达标18.8 282.0 11 54.1 6.56 2.01 131.73 2.81 0.02 1.8 0.003不达标12.5 140.5 12 0.4 6.56 1.73 88.71 3.00 0.02 2.3 0.003不达标11.2 150.0
3.2 评价指标限值确定及指标归一化
（1）评价指标限值的确定。月降水量是造成面源污染的主要驱动力，以年内出现的月降水量最小值为下限，对应归一化分值为0；以月降水量最大值为上限，归一化分值为1。根据1956—2015年的统计数据，陆浑水库年均入库水量为4.63亿m3，正常蓄水位时兴利库容为5.83亿m3，水体在库内停留时间是1.259 a，合459.5 d，根据物质平衡模型计算得到CODMn、TN、TP入库量的指标上限和下限［9］。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中规定的Ⅰ类水和Ⅴ类水CODMn、TN、TP浓度确定此3项指标的上限和下限；根据《全国水资源综合规划地表水水质评价部分技术细则》中的湖泊（水库）营养状态评价标准，取营养状态指数为30时对应的叶绿素a浓度为下限，营养状态指数为70时对应的叶绿素a浓度为上限。水温和氮磷比对于藻类生长来说，都有一个最佳生长所需值，将该值作为上限，归一化分值设为1，远大于或远小于该值的归一化分值为0。指标上限和下限见表3。
（2）指标归一化。指标归一化是为了解决各项指标量纲不一致的问题，使原本不能用于相互比较的指标具有可比性。指标的归一化一般采用专家级分法和极差标准化方法。极差标准化方法是依据各项指标的上下限，通过具体数据的对比，对指标进行赋分，与专家级分法相比更加客观、合理，人为因素影响小，因此本文采用极差标准化的方法对指标（水温、氮磷比除外）进行归一化处理。
表3 指标上限和下限
方案层指标上限下限驱动力降水量／（mm·月－1）108.0 0.4压力TN入库量／（t·月－1）76.13 7.61 TP入库量／（t·月－1）7.61 0.38 CODMn入库量／（t·月－1）570.95 76.13状态TN浓度／（mg·L－1）2.0 0.2 TP浓度／（mg·L－1）0.20 0.01 CODMn浓度／（mg·L－1）15 2 Chl－a浓度／（mg·L－1）0.064 0.002影响水质达标率不达标达标风险水温／℃20氮磷比7.2
首先确定指标的下限（X下限）和上限（X上限），并将这两个数值对应于0或1。在上限与下限之外的数值，分别根据具体情况取0或1；在两者之内的数值，由以下公式计算归一化值：
式中：X1为与归一化分值1相对应的指标值；X0为与归一化分值0相对应的指标值；X为指标值；fi为归一化的指标值。
根据具体情况，X0、X1分别对应于指标的下限、上限，该归一化分值属于［0，1］。
水温和氮磷比的归一化公式如下：
式中：TN、TP分别为氮、磷的浓度；fTN／TP为氮磷比归一化指标值；T为温度值，fT为归一化温度值。
形成的归一化后的指标值见表4。
表4 归一化指标值
月份降水量TN入库量TP入库量CODMn入库量TN浓度TP浓度CODMn浓度Chl－a浓度水质达标率水温氮磷比1 0.08 0.00 0.09 0.00 1.00 0.11 0.00 0.00 1.00 0.33 0.06 2 0.02 0.00 0.09 0.00 1.00 0.11 0.00 0.02 1.00 0.25 0.05 3 0.38 0.00 0.08 0.00 1.00 0.00 0.00 0.00 1.00 0.35 0.02 4 0.56 0.00 0.42 0.31 1.00 0.21 0.00 0.02 1.00 0.82 0.08 5 0.90 0.00 0.39 0.28 1.00 0.05 0.00 0.02 1.00 0.94 0.04 6 0.93 0.00 0.30 0.22 1.00 0.05 0.02 0.02 1.00 0.83 0.04 7 0.46 0.00 0.19 0.24 1.00 0.05 0.02 0.00 1.00 0.72 0.04 8 1.00 0.00 0.35 0.30 1.00 0.00 0.00 0.02 1.00 0.67 0.02 9 0.51 0.00 0.64 0.48 1.00 0.05 0.03 0.00 1.00 0.76 0.06 10 0.34 0.00 0.29 0.21 1.00 0.00 0.00 0.02 1.00 0.94 0.03 11 0.50 0.00 0.23 0.11 1.00 0.05 0.00 0.02 1.00 0.63 0.05 12 0.00 0.00 0.19 0.03 1.00 0.05 0.02 0.02 1.00 0.56 0.05
3.3 水环境安全评价结果
利用熵值法计算各指标权重，见表5。利用加权求和法得到陆浑水库2015年各月的综合指数值，并根据安全评价大都采用的5级均分法由劣到优划分为1～5级，分别对应重警状态、中警状态、预警状态、较安全状态、安全状态，其综合指数分别为（0.8，1.0］、（0.6，0.8］、（0.4，0.6］、（0.2，0.4］、［0.0，0.2］。陆浑水库2015年各月水环境安全状况评价结果见表6。
表5 指标权重
方案层指标层指标权重指标权重驱动力0.088 8降水量0.0888TN入库量0.098 7压力0.276 2TP入库0.089 4 CODMn入库0.088 1 TN浓度0.090 4状态0.365 3TP浓度0.089 7 CODMn浓度0.096 8 Chl－a浓度0.088 4影响0.090 4水质达标率0.090 4风险0.179 3水温0.090 0氮磷比0.089 3
表6 水环境安全状况评价结果
月份综合指数安全等级月份综合指数安全等级1 0.24 2 7 0.33 2 2 0.23 2 8 0.39 2 3 0.25 2 9 0.41 3 4 0.40 2 10 0.34 2 5 0.41 3 11 0.32 2 6 0.40 2 12 0.26 2
从评价结果可以看出，陆浑水库整体水环境安全状况良好，1—3月、7—8月、10—12月处于2级较安全状态，4月、6月综合指数为较安全状态的上限，表征水库水环境较少受到破坏，功能尚好，对人体健康与正常的生活影响较小［10］。虽然5月和9月的综合指数超过了较安全状态，但都接近较安全状态的下限，可能受污染物排入影响，水质指标稍有恶化，处于3级预警状态，表征水库水环境受到一定破坏，水环境质量出现恶化，对人体健康与正常生活产生一定影响［11］。总体上，陆浑水库处于较安全状态，水库水环境良好。
2009—2015年陆浑水库营养状态指数均小于50，处于中营养状态。TP、TN、Chl－a、高锰酸盐指数和透明度5个参数的营养状态指数显中TN指数最高，说明TN是制约水体富营养化的关键因素。根据氮磷比分析，磷是藻类生长的限制因子。水质浓度趋势分析结果表明：2009—2015年，陆浑水库总氮、氨氮和高锰酸盐指数3项水质指标的变化趋势均不明显，总磷呈高度显著下降趋势，硝酸盐氮呈显著下降趋势，溶解氧呈显著上升趋势，水质状况相对较为稳定，并有改善趋势。水环境安全评价采用熵值法确定评价指标权重，加权求和法得到水环境安全综合指数值，结果表明：陆浑水库水环境大部分时间处于较安全状态，5月和9月处于预警状态。
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【责任编辑 吕艳梅】
W ater Quality Trends Analysis and W ater Environment Safety Assessment of Luhun Reservoir
LIYongli
（Bureau of Hydrology and Water Resources of Henan Province，Zhengzhou 450003，China）
Abstract：Based on themonthly water qualitymonitoring data ofLuhun Reservoir from 2009 to 2015，the nutritional status and the changing trends of themain pollution indicators DO，CODMn，NO3⁃N，NH3⁃N，TN and TP were analyzed.The tendency ofmain pollution indicators was analyzed by using the seasonal Kendall testmethod.The comprehensive trophic state index shows that the reservoir water body is in a state ofmild eutrophication for a long time.Nitrogen is the key factor to control the water quality level and eutrophication and phosphorus is the limiting factor of eutrophication.The water environment safety assessment results show that in the 2009－2015，the water quality of the reservoir is relatively stable and there is a tendency to improve，which is in a safer condition.
Key words：water quality trends；nutritional status；safety assessment；Luhun Reservoir
中图分类号：TV211.1
文献标志码：A
doi：10.3969／j.issn.1000－1379.2017.09.013
收稿日期：2017－04－24
作者简介：李永丽（1979—），女，河南周口人，高级工程师，主要从事水环境水资源方面的研究工作。
E⁃mail：lyl723＠126.com
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