鄭州大學(xué)眉湖水生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)＊

朱俊宇

（鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，由于人類排污而引起的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)70%以上湖泊受到不同程度污染，中東地區(qū)湖泊大多呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。水華是湖泊中藻類大量繁殖、生長(zhǎng)并聚集，最終達(dá)到一定密度的自然現(xiàn)象，是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要表現(xiàn)形式。水華發(fā)生時(shí)，藻類大面積覆蓋水面，導(dǎo)致水體缺氧、魚類死亡，產(chǎn)生異味物質(zhì)和藍(lán)藻毒素，使得水體使用功能下降，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)區(qū)域性供水危機(jī)。景觀湖泊的欣賞與生態(tài)的雙重功能，在改善城市生態(tài)環(huán)境與提高居民的生活質(zhì)量和幸福指數(shù)方面，發(fā)揮了重要的積極作用。然而，由于景觀水體流動(dòng)緩慢，水域自凈能力差，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境惡化問題也格外嚴(yán)重。

近年來，中國(guó)及各國(guó)學(xué)者在人工湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的防治方面開展了大量的研究活動(dòng)，例如李林衡等[1]、張曉勇等[2]對(duì)各自研究區(qū)域水體富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)分析；竇明等[3]、沈勇[4]、CHO等[5]等研究了自然狀況下環(huán)境因子對(duì)藻類繁衍的影響，并采用不同方法分析了環(huán)境因子之間存在的相關(guān)關(guān)系及其對(duì)藻類生長(zhǎng)繁殖的影響[3]。

本文以鄭州大學(xué)新校區(qū)眉湖為研究對(duì)象，用選取的參數(shù)評(píng)價(jià)研究湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化程度，以發(fā)展的眼光，進(jìn)行縱向、橫向多個(gè)角度的因素對(duì)比，制作出一個(gè)表現(xiàn)這些參數(shù)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響程度的一個(gè)大體排名。通過對(duì)研究所得到的數(shù)據(jù)與結(jié)果的分析，希望可以找到“實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展”與“保護(hù)水資源”的靈感，有效地進(jìn)行景觀湖泊水質(zhì)規(guī)劃與水質(zhì)管理，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生，對(duì)防治水體富營(yíng)養(yǎng)化及促進(jìn)自然自我修復(fù)作出貢獻(xiàn)。

1 眉湖基本情況簡(jiǎn)介

眉湖作為鄭州大學(xué)重要的景觀之一，擁有800m2水域，長(zhǎng)800m左右，最窄寬度為30m左右，最寬寬度為100m左右，整個(gè)湖泊呈弧形，位于鄭州大學(xué)核心教學(xué)區(qū)正西處，湖分北、中、南3段。眉湖采用循環(huán)水系統(tǒng)，由局部的噴泉、上揚(yáng)式曝氣管的循環(huán)和整體的南北循環(huán)組成。循環(huán)的水源來自地下水的抽取和雨水的匯集，其中地下水補(bǔ)給占主要部分。眉湖擁有2個(gè)供水源頭，分別位于眉湖的南北位置，整個(gè)湖共設(shè)計(jì)有11個(gè)潛入式曝氣機(jī)和3個(gè)上揚(yáng)式曝氣機(jī)，曝氣機(jī)采用交叉方位放置，發(fā)揮著充氧、促進(jìn)水流動(dòng)和防止湖水腐壞等功能[6]。

總體來說，眉湖及周邊景色優(yōu)美，是休閑娛樂的場(chǎng)所。然而，近期來，眉湖水體越來越渾濁，水面甚至漂浮有一些藻類，嚴(yán)重影響了眉湖的可觀賞性[7]。通過實(shí)地調(diào)查，得知眉湖可能的污染源主要來自于：①湖邊綠化植物施肥殘?jiān)樦髁魅牒锌赡茉斐捎袡C(jī)污染物污染；②天鵝島的影響；③學(xué)生和游客對(duì)湖中的魚和天鵝喂食可能造成的污染；④湖北部“眉湖小屋”可能產(chǎn)生的垃圾；⑤水體流通不暢導(dǎo)致水體更新不及時(shí)，微生物和藻類大量繁殖，造成水質(zhì)下降[6]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本計(jì)劃是在鄭州大學(xué)新校區(qū)，對(duì)眉湖的水生態(tài)進(jìn)行調(diào)查和水體收集，收集水生生物多樣性和水質(zhì)數(shù)據(jù)，闡明調(diào)查區(qū)域內(nèi)藻類生物群落結(jié)構(gòu)和水環(huán)境的空間分布格局，為調(diào)查湖泊富營(yíng)養(yǎng)化特性、影響因素及形成機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。

試驗(yàn)方案以對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域有關(guān)水環(huán)境情況調(diào)查分析為重點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)斷面，采樣點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)的觀察以及采樣點(diǎn)的水樣采集與保存，水樣的環(huán)境指標(biāo)測(cè)定及化驗(yàn)分析，測(cè)定數(shù)據(jù)的整編與發(fā)布。湖泊、水庫監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)選取如下地點(diǎn)：在進(jìn)出湖泊、水庫的河流匯合處，各水功能區(qū)中心，湖庫中心，深、淺水區(qū)，滯留區(qū)，不同魚類的洄游產(chǎn)卵區(qū)等處[7]。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)斷面與采樣點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。基于實(shí)驗(yàn)人員、采樣設(shè)備和技術(shù)方面的限制，采樣位置布設(shè)為：湖南段2個(gè)，湖中段1個(gè)，湖北段2個(gè)，所采集的水樣類型為瞬時(shí)水樣，位于水面以下1/2處。眉湖湖體整體呈狹長(zhǎng)狀，因此從南到北共設(shè)置了5個(gè)斷面，即在這5個(gè)斷面處進(jìn)行采樣。Ⅰ斷面位于橋1的南側(cè)，附近水體受到噴泉的影響較大；Ⅱ斷面位于橋1與橋2之間，湖上有一個(gè)天鵝島，采樣點(diǎn)處有圈養(yǎng)的家禽和大量觀賞魚類；Ⅲ斷面處于湖心位置，水體流動(dòng)性較差；Ⅳ斷面位于橋3與橋4之間，附近區(qū)域種植有水生植物；Ⅴ斷面位于湖北部，水源匯入處，附近區(qū)域有大量的水生植物。在Ⅰ～Ⅴ斷面各選取1個(gè)采樣點(diǎn)，分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#。

圖1 眉湖平面圖

之后計(jì)劃利用此項(xiàng)5類采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)來對(duì)眉湖整體水質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)合理的分析與評(píng)價(jià)。所得數(shù)據(jù)見文后分析。

2.2 樣本采集與監(jiān)測(cè)指標(biāo)

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了11個(gè)指標(biāo)，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)2種途徑獲取數(shù)據(jù)。其中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)5個(gè)，包括葉綠素a、溫度、pH值、電導(dǎo)率、濁度，由YSI-EXO水質(zhì)多參數(shù)分析儀測(cè)定。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的指標(biāo)有6個(gè)，包括化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）和硝酸鹽（NO3），送往相關(guān)環(huán)境檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 測(cè)試方法及研究方法

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8]，本文將采用污染指數(shù)法和因子分析法，對(duì)各采樣點(diǎn)和眉湖整體的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。污染指數(shù)法是用各種污染物的相對(duì)污染濃度值，通過數(shù)學(xué)處理得到一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值，來反映水體的污染程度。因子分析方法是將原來的指標(biāo)合成成較少的指標(biāo)，這反映了大部分原始指標(biāo)的信息（方差），并且這些綜合指標(biāo)之間不相關(guān)。結(jié)合眉湖實(shí)際情況，并考慮到試驗(yàn)條件限制，選取COD、BOD5、TP、TN、NH3-N和NO3等指標(biāo)來評(píng)價(jià)眉湖水質(zhì)狀況。

3 結(jié)果與分析

3.1 南北部藻類濃度差異

根據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，眉湖水體中藻類細(xì)胞濃度在不同地方變化較大，此處以樣本2#和樣本5#分別代表眉湖南部與北部的情況進(jìn)行分析，能大致反映藻類細(xì)胞濃度在不同斷面隨時(shí)間的變化，如圖2所示。

圖2 樣本2#、5#藻類細(xì)胞濃度隨時(shí)間變化

南部藻類細(xì)胞濃度在5—7月呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但5月增長(zhǎng)速度要小于6月增長(zhǎng)速度，在7月左右迎來峰值。7—8月間逐步下降，8月后又逐步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在9月末再次迎來小峰值，整體變化幅度較大，呈丘狀變動(dòng)趨勢(shì)。北部藻類細(xì)胞濃度從5—8月以較為平穩(wěn)的趨勢(shì)增加，在8月達(dá)到峰值，隨后下降，波動(dòng)幅度也較南部斷面平緩。

由此可以看出在水流緩慢的眉湖南部，水質(zhì)較差；在水流較快的眉湖北部，水質(zhì)較好。且由于眉湖細(xì)長(zhǎng)的水體形態(tài)，南北藻類的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律沒有明顯的關(guān)聯(lián)，在某些時(shí)期也出現(xiàn)了相反的變動(dòng)傾向。

3.2 水質(zhì)狀況分析

圖3為各指標(biāo)質(zhì)量濃度，從圖3來看，在相同的測(cè)試中，不同的采樣點(diǎn)之間的各種水質(zhì)指數(shù)有較大的差異；在不同的采樣時(shí)間，相同采樣點(diǎn)的各種水質(zhì)指數(shù)也會(huì)有較大的差異。

圖3 各指標(biāo)質(zhì)量濃度

各指標(biāo)的具體變化特性如下：①COD和BOD5質(zhì)量濃度總體趨勢(shì)呈增加趨勢(shì)，南部樣本在7月和9月左右達(dá)到峰值，北部樣本則在8月達(dá)到峰值，與水體中藻類細(xì)胞濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本符合。②NH3-N質(zhì)量濃度隨時(shí)間無明顯的變化，除個(gè)別數(shù)據(jù)較大外，基本上都小于0.04mg/L，最大值和最大均值都出現(xiàn)在樣本2#處。③NO3質(zhì)量濃度基本都低于檢出限0.02mg/L，樣本5#在6月的數(shù)據(jù)較大。北部的異常數(shù)據(jù)可能是由于某些污染或?qū)χ脖坏氖┓实?。④各采樣點(diǎn)TP質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化總體上呈上升趨勢(shì)。除樣本5#在8月的異常增加外，基本呈穩(wěn)定的低值。⑤各采樣點(diǎn)TN質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化總體上呈上升趨勢(shì)。從空間分布來看，樣本2#和3#的TN質(zhì)量濃度較高。

3.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.3.1 頻數(shù)分析

從整體數(shù)據(jù)來看，化學(xué)需氧量大部分樣本的質(zhì)量濃度為15.0mg/L，共有2.0個(gè)，占比為8.70%；五日生化需氧量樣本中有超過8.7%的樣本質(zhì)量濃度為2.8mg/L；總磷樣本中有21.74%的樣本質(zhì)量濃度為0.03mg/L；總氮樣本中有8.70%的樣本質(zhì)量濃度為0.69mg/L；氨氮樣本中有超過50%的樣本質(zhì)量濃度為0.01mg/L；對(duì)于硝酸鹽來講，質(zhì)量濃度為0.04mg/L的樣本占比最高，為69.57%。

3.3.2 線性回歸

在一個(gè)特定的水樣中，溶解氧、化學(xué)需氧量和五日生物需氧量有內(nèi)在的、必然的規(guī)律。如果一個(gè)水樣的化學(xué)需氧量較大，說明水中的還原性物質(zhì)、有機(jī)物、微生物較多，那么其BOD5也應(yīng)較大，溶解氧DO應(yīng)很低[9]。

那么以化學(xué)需氧量作為自變量，探尋其他因素對(duì)其的影響，線性回歸分析如表1所示。

表1 線性回歸分析結(jié)果（n=23）

從表1可知，將五日生化需氧量、總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽的質(zhì)量濃度作為自變量，而將化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度作為因變量進(jìn)行線性回歸分析，從上表可以看出，模型R2值為0.675，意味著五日生化需氧量、總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽的質(zhì)量濃度可以解釋化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度67.5%的變化原因。對(duì)模型進(jìn)行F檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)模型通過F檢驗(yàn)（F=7.075，p=0.001＜0.05），也即說明五日生化需氧量、總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽中至少一項(xiàng)的質(zhì)量濃度會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生影響關(guān)系，模型公式為：化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度=4.019+1.509×五日生化需氧量的質(zhì)量濃度+3.902×總磷的質(zhì)量濃度+10.469×總氮的質(zhì)量濃度+49.827×氨氮的質(zhì)量濃度－3.613×硝酸鹽的質(zhì)量濃度。另外，針對(duì)模型的多重共線性進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型中VIF值全部均小于5，意味著不存在著共線性問題；并且D-W值在數(shù)字2附近，因而說明模型不存在自相關(guān)性，樣本數(shù)據(jù)之間并沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系，模型較好。

最終具體分析可知：①五日生化需氧量的質(zhì)量濃度的回歸系數(shù)值為1.509（t=2.302，p=0.034＜0.05），意味著五日生化需氧量的質(zhì)量濃度會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系；②總磷的的質(zhì)量濃度回歸系數(shù)值為3.902（t=0.608，p=0.551＞0.05），意味著總磷的質(zhì)量濃度并不會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生影響關(guān)系；③總氮的質(zhì)量濃度的回歸系數(shù)值為10.469（t=2.973，p=0.009<0.01），意味著總氮的質(zhì)量濃度會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系；④氨氮的質(zhì)量濃度的回歸系數(shù)值為49.827（t=1.240，p=0.232＞0.05），意味著氨氮的質(zhì)量濃度并不會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生影響關(guān)系；⑤硝酸鹽的質(zhì)量濃度的回歸系數(shù)值為﹣3.613（t=﹣4.092，p=0.001＜0.01），意味著硝酸鹽的質(zhì)量濃度會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生顯著的負(fù)向影響關(guān)系。

總結(jié)分析可知：五日生化需氧量、總氮的質(zhì)量濃度會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系，硝酸鹽的質(zhì)量濃度會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生顯著的負(fù)向影響關(guān)系，但是總磷和氨氮的質(zhì)量濃度并不會(huì)對(duì)化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度產(chǎn)生影響關(guān)系[10]。

3.3.3 污染指數(shù)法

污染指數(shù)法的基本思想是：以各水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與其評(píng)價(jià)基準(zhǔn)（通常采用與水體功能分類對(duì)應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)的濃度限制值）之比作為基準(zhǔn)指數(shù)單元，通過數(shù)學(xué)手段得到綜合污染指數(shù)，作為質(zhì)量評(píng)價(jià)尺度來評(píng)價(jià)綜合水質(zhì)[11]。

這里采用多項(xiàng)污染指數(shù)法的均值型污染指數(shù)對(duì)眉湖的富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。選取的指標(biāo)有COD、BOD5、TP、TN、NH3-N、NO3，各指標(biāo)值采用5個(gè)采樣點(diǎn)的平均值以代表眉湖整體的情況。

均值型污染指數(shù)法公式如下：

式（1）中：Ci為實(shí)測(cè)i污染物的質(zhì)量濃度；Csi為i污染物的背景值或?qū)φ罩担?biāo)準(zhǔn)值）。

當(dāng)背景值為一區(qū)間值[Csi，min，Csi，max]時(shí)，采用下式：

式（2）中，當(dāng)Ci接近Csi，max時(shí)，分母取Csi，max；當(dāng)Ci接近Csi，min時(shí)，分母取Csi，min。

由上可知，當(dāng)I≤1時(shí)，未污染；當(dāng)I＞1時(shí)，表示污染，并且值越大，表示污染越嚴(yán)重。

以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8]的Ⅳ類水——主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)值代入公式。

標(biāo)準(zhǔn)值及樣本數(shù)值如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)值及樣本數(shù)值

由此計(jì)算所得Ii及I的值均小于1，眉湖水質(zhì)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水處于較清潔水平。但是湖面仍可見藻類浮游植物，這則可能是曝氣機(jī)起到重要作用，增加了水中的溶解氧含量，使水質(zhì)大為改善。

4 總結(jié)與建議

根據(jù)本次水質(zhì)的測(cè)定結(jié)果，基本上眉湖所測(cè)的指標(biāo)均優(yōu)于Ⅳ類水，不需要做特別的處理。但是眉湖是人工景觀湖泊，生態(tài)系統(tǒng)為脆弱，自凈能力差，且湖內(nèi)養(yǎng)殖了禽類及魚類，所以平時(shí)仍應(yīng)注意，減少垃圾、落葉及路邊綠植施肥等各種因素，以免造成眉湖水質(zhì)變壞。

此外南北部的藻類濃度差異，可能與禽類、魚類和水生植物的分布密切相關(guān)。一個(gè)以水生高等植物為主，多種植物并存，具有高度生物多樣性的健康湖泊生態(tài)系統(tǒng)，具備凈化水體提高水質(zhì)的生態(tài)功能。通過恢復(fù)湖泊水生高等植物群落，優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建健康的湖泊生態(tài)系統(tǒng)，是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化控制的重要措施。