近26年大明湖水质变化趋势及富营养化特征

代雪静，王兆军，刘 杨

(山东省济南生态环境监测中心，山东 济南 250101)

1 引言

城市湖泊是城市生态的重要组成部分，受人类活动如汽车尾气、生活污水的影响较大。大明湖位于山东省济南市。济南素以“泉城”著称，城内百泉争涌，分布着久负盛名的趵突泉、黑虎泉、五龙潭、珍珠泉四大泉群，在2.6 km2的老城范围内从黑虎泉出发，经泉城广场—西门—五龙潭—大明湖公园北侧—老东门—青龙桥，密布着大大小小100多处天然甘泉，汇流至护城河、大明湖。大明湖作为典型的城市湖泊，是泉域地下水的汇集地，对济南市水生态系统健康有着十分重要的意义[1]。

大明湖水体流动缓慢，导致其水环境容量有限，过多的氮磷等营养物质和有机物排入时，可能导致其富营养化严重。特别是在北方城市，由于水资源缺少、降水量偏少等客观因素，多数城市湖泊水质较差、污染状况严重[2]。近年来，许多研究者对城市湖泊进行了调查和研究[3～7]，对城市湖泊进行评价分析应用广泛的方法有单因子污染指数法、内梅罗指数法、综合营养状态指数法等[8～10]。本文以大明湖为研究对象，基于近26年的长序列水质监测数据，通过单因子污染指数法、改进的内梅罗指数法及综合营养状态指数法，分析大明湖水质的变化趋势、分析富营养化特征和变化规律，分析原因，进而为城市湖泊污染治理提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

大明湖位于济南市中心位置，由趵突泉、珍珠泉、五龙潭和黑虎泉等周围诸泉注入的泉水及西护城河汇集的地表径流为主要水源，水域面积58.2 hm2，湖水容量116万m3，平均水深2 m，湖体东西长、南北段，湖底为火成岩岩床[11]。大明湖周边人口密集，分布大量居住区及商业区。

2.2 数据来源

研究区为大明湖，主要监测断面包括历下亭、无名亭、汇波桥3个断面，研究时段为1996～2021年，本文选取《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中pH值、溶解氧、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量等8项指标进行水质分析研究。

2.3 研究方法

2.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法是水体指标实测浓度与评价标准的比值，根据结果可直接确定水体的主要污染因子，计算公式如下：

(1)

式(1)中：Ii为单因子污染指数；Ci为第i项水体指标的实测浓度；Si为第i项水质指标的评价标准，大明湖为人体非直接接触的景观娱乐用水区，执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类标准，本文选用Ⅳ类标准来计算各项污染因子的单因子污染指数。

2.3.2 内梅罗指数法及改进的内梅罗指数法

内梅罗综合污染指数[12,13]突出了污染最重的指标，在水体及土壤因子评价中应用广泛。计算公式如下：

(2)

其中：

(3)

改进的内梅罗指数法引入了各评价指标的权重，而权重又与各评价指标的评价标准相关，在一定程度上削弱了最大值的影响，计算公式如下：

(4)

(5)

式(4)、(5)中：I'imax为修正后的水质指标中污染指数最大值；Iw为权重最高指标的污染指数。

(6)

(7)

式(6)、(7)中：Smax为所有水质指标的评价标准的最大值，本文选用Ⅳ类标准来计算大明湖各项污染因子的内梅罗综合污染指数；Wi为权重值。

改进的内梅罗综合污染指数等级分级标准详见表1。

表1 综合污染指数分级

2.3.3 Pearson相关系数

Pearson相关系数[14]是描述两个随机变量线性相关程度的统计量。本文用来研究年份与各项污染指标及内梅罗综合污染指数之间的相关程度。相关系数的符号表示两个变量间的关联方向，若为正，表示两者呈正相关关系，否则为负相关关系。相关系数的绝对值大小表示相关程度，数值越大，则相关程度越高。相关系数范围及相关程度如下：相关系数为0.8～1.0，为极强相关；相关系数为0.6～0.8，为强相关；相关系数为0.4～0.6，为中等强度相关；相关系数为0.2～0.4，为弱相关；相关系数为0.0～0.2，为极弱无相关。

2.3.4 综合营养状态指数法

湖库富营养化程度的评价采用综合营养状态指数法[15、16]，公式如下：

(8)

式(8)中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)为代表第j种参数的营养状态指数；m为评价参数的个数，包括5种：叶绿素a(chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)。 以chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

(9)

表2 中国湖泊(水库)部分参数与chla的相关关系rij及值

营养状态指数计算公式为：

TLI(chl)=10(2.5+1.086lnchl)

(10)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(11)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(12)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(13)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCOD)

(14)

式(11)～式(14)中：叶绿素a chl单位为mg/m3，透明度SD单位为m；其它指标单位均为mg/L。

采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级，在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。分级情况见表3。

表3 湖泊营养状态情况分级

3 结果与讨论

3.1 水质评价

3.1.1 单因子水质评价结果

大明湖1996～2021年监测年均值单因子评价结果详见表4。当单因子污染指数值大于1时，说明该项污染因子浓度超标，且指数越大，污染程度越重。根据表1，大明湖主要超标年份主要集中在1996～2004年，主要超标项目为高锰酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮及总磷。

表4 大明湖1996～2021年单因子评价结果

3.1.2 改进的内梅罗指数法评价结果

根据大明湖1996～2021年监测年均值，依据公式(2)～式(7)计算了大明湖各年份改进的内梅罗指数，结果见图1。根据图1，1996～2002年，改进的内梅罗指数均大于1.826，大明湖水质类别均为Ⅴ类；2003年，大明湖改进的内梅罗指数为1.66，水质类别为Ⅳ类；2004～2021年，改进的内梅罗指数均小于1，水质类别为Ⅰ～Ⅲ类。

3.2 大明湖逐年变化趋势

3.2.1 单因子逐年变化趋势

3.2.1.1 pH值、溶解氧

根据图1，1996～2021年，pH值常年保持稳定，范围为7.91～9.22；溶解氧波动变化，范围为8.12～14.57。

年份

3.2.1.2 氮磷污染状况

湖库的富营养化问题主要由氮、磷的过量排放造成的。由图3可知，总磷1996～2004年污染较重，氨氮1997、1998年污染较重。从趋势上看，1996～2021年，总磷、氨氮浓度呈现先下降后保持稳定的趋势，总磷、氨氮最高值均出现在1997年，浓度分别为1.178 mg/L、2.884 mg/L，分别超标10.8倍、0.92倍。总氮呈现波动变化，范围为3.58～7.68 mg/L。

年份

3.2.1.3 有机污染状况

化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量是表征水体有机污染的重要指标。由图4可知，高锰酸盐指数1996～2001年污染相对较重，最大值出现在2000年，浓度为25.38 mg/L，超标1.54倍；生化需氧量、化学需氧量1996～2004年污染相对较重，最大值分别出现在1997年、2000年，浓度分别为24.02 mg/L、95.95 mg/L，超标4.0倍、3.20倍。从趋势上看，1996～2021年，化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量浓度呈现先下降后保持稳定的趋势。

3.2.2 大明湖综合污染变化趋势

根据1996～2021年大明湖监测结果年均值，计算出年度序列与各项污染指标的Pearson相关系数，Pearson相关系数为正值时，说明污染指标浓度随年份增加呈上升趋势，水质趋于恶化，当为负值时，说明污染指标浓度随年份增加呈下降趋势，水质趋于改善，绝对值越大，则说明浓度变化程度越大。从表5可知，大明湖高锰酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、改进的内梅罗指数与年度序列的Pearson相关系数均为负值，大明湖水质均呈现改善趋势。

表5 大明湖各污染指标与年度序列的Pearson相关系数

据统计，1976～2003年济南各大泉群断流，以泉水为主要来源的大明湖失去主要补给水源，断流期间，大明湖来水主要为生活污水及降水[17]，生活污水的大量排入使得大明湖水质变差，污染状况严重，这与近26年主要超标年份集中在1996～2004年完全吻合。

年份

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1996年，济南市开始对大明湖进行治污，但一直到2003年效果仍不明显。2003年年底，济南市通过引入趵突泉、五龙潭泉群和珍珠泉群的泉水对大明湖大约50%～60%的劣质水进行了置换[18]，置换后水质有短时间的改善，但半年后富营养化再次严重，除对外源污水截留不彻底外，内源沉积物也是影响水质再次恶化的重要原因[1]。2007年，济南市对大明湖进行扩建和整治，进行了挖湖清淤等工程[19]，之后大明湖水体水质保持稳定状态。

3.3 大明湖富营养化程度

根据公式计算2001～2021年大明湖综合营养状态指数，详见图5。根据图5，仅2012～2013年大明湖综合营养状态指数<50，为中营养，其余年份均为富营养。2001～2003年为重度富营养，综合营养状态指数最高为79.18，2004、2005年为中度富营养，其余年份均为轻度富营养，2001～2021 年水体经历了重度富营养化—中度富营养化—轻度富营养化—中营养—轻度富营养化变化过程。总体来看，大明湖近年来营养水平大致为轻度富营养化状态，说明大明湖还需加大水体富营养化治理力度。

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4 结论

(1)大明湖超标年份主要集中在1996～2004年，超标项目为高锰酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮及总磷。1996～2003年，大明湖改进的内梅罗指数均大于1，水质类别为Ⅳ类、Ⅴ类；2004～2021年，改进的内梅罗指数均小于1，水质类别为Ⅰ～Ⅲ类。近26年来，前10年大明湖水质呈现改善趋势，后16年水质保持稳定。

(2)从趋势上看，1996～2021年，总磷、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量浓度呈现先下降后保持稳定的趋势，这与济南市政府对大明湖采取的治污工程息息相关。

(3)2001～2021 年水体经历了重度富营养化—中度富营养化—轻度富营养化—中营养—轻度富营养化变化过程。总体来看，大明湖近年来营养水平大致为轻度富营养化状态，说明大明湖还需加大水体富营养化治理力度。