基于3种富营养化评价方法的锦江河水质风险评估

摘要 以铜仁市锦江河为例，采集并分析水体理化指标，运用卡尔森营养状态指数（TSI）、修正的营养状态指数（TSIM）、综合营养状态指数（TLI）3种方法评价其锦江河水体营养富化水平，并且通过数理统计分析方法，分析不同评价方法之间的差异以及环境因子对评价方法的影响。结果表明：评价方法不同，导致水体富营养化评价结果不同，锦江河水体按照TSI、TSIM和TLI评价方法，其结果分别为贫营养、富营养和中营养水平。单因素方差分析表明，TSIM与TSI和TLI差异显著（P<0.05），TSI与TLI差异不显著（P>0.05）；相关分析表明，Chl-a与TSI、TSIM呈现显著正相关（P<0.05），TN和TP与TLI呈现显著正相关（P<0.05）。TSI和TSIM主要表征藻类的生长状况，TLI则更加专注于氮和磷水平。综合而言，相较于TSI和TSIM法，TLI采用多种环境因子的加权方式，更能科学地反映水体的富营养化状态。

关键词 富营养化；评价方法；水质；风险评估；锦江河

中图分类号 X 824  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）22-0066-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.012

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Risk Assessment of Water Quality in Jinjiang River Based on Three Nutrient Enrichment Evaluation Methods

ZHANG You， GUO Zi-dong， LI Gan-rong et al

（Tongren Polytechnic College， Tongren，Guizhou 554300）

Abstract Taking Jinjiang River in Tongren City as an example， the physicochemical indicators of the water body were collected and analyzed. Three methods， Carlson’s trophic state index （TSI）， modified trophic state index （TSIM） and trophic level index （TLI）， were used to evaluate the nutrient enrichment level in Jinjiang River water. Mathematical statistical analysis was used to examine differences between the different evaluation methods and the influence of environmental factors on them. The results showed that different evaluation methods lead to different results in eutrophication assessment of water bodies. According to TSI， TSIM and TLI evaluation methods， the results of Jinjiang River water body were assessed as having oligotrophic， eutrophic and mesotrophic conditions， respectively. Single-factor analysis of variance showed that a significant difference between TSIM and TSI/TLI （P<0.05）， while no significant difference was observed between TSI and TLI （P>0.05）. Correlation analysis showed Chl-a was significantly positively correlated with TSI and TSIM （P<0.05）， while TN and TP were significantly positively correlated with TLI （P<0.05）. TSI and TSIM mainly characterized the growth status of algae， while TLI focused more on nitrogen and phosphorus levels.Overall， compared to TSI and TSIM methods， TLI adopted a weighted approach of multiple environmental factors， which could more scientifically reflect the eutrophication status of water bodies.

Key words Eutrophication; Evaluation method;Water quality;Risk assessment;Jinjiang River

水体富营养化是水生生态系统和饮用水安全的严重威胁，是全球水污染和生态退化的主要原因之一^［1-2］。因此，针对水体富营养化的研究长期以来一直是水生态环境领域研究的重点^［3-4］。喀斯特地区占地球陆地面积的12%，其含水层为世界人口的20%～25%提供了供水^［5］。中国西南喀斯特地区是世界上分布最广泛的喀斯特地区，影响着长江流域数亿人的饮用水安全^［6］。西南喀斯特地区是水土流失和面源污染重要的发生区^［7］，大量营养物质随着地表径流、泥沙进入湖库，造成受纳水体严重的水质污染和富营养化，对城市、农村居民饮用水安全产生极大威胁与危害^［8-9］。因此，定期对河流水体富营养化状况评估是确保水资源管理和生态保护的关键步骤。富营养化是大量营养物种输入水体，导致藻类和其他水生植物快速生长的现象。富营养化通常与过多的氮、磷等营养物质输入有关^［10］。定期监测水体指标实施有助于及时发现水体富营养化问题，为采取有效的保护和修复措施提供科学依据。

目前，我国对水体富营养化的评价采用了多种方法，其中包括评分法、卡尔森营养状态指数（TSI）、修正的营养状态指数（TSIM）、综合营养状态指数（TLI）和营养度指数法等^［11-12］。这些方法在实际工作中得到广泛应用，但存在描述方法不一致、水体富营养化评价方法和指标的差异较大、分级评价标准的差异显著等问题，这导致同一湖泊在不同方法下的富营养化评价结果差异较大，同时，不同区域水体之间的评价结果缺乏可比性。为解决这些问题，有必要统一湖泊富营养化评价的指标、方法和分级标准。以往的研究主要基于单一评价方法，缺乏对不同方法的比较研究^［13］。通过比较不同方法的适用性和局限性，科学家和水资源管理者能够更好地了解各方法的特点，并选择最适合特定情境的评价方法。这种比较研究有助于确立一套更为一致和可比的水体富营养化评价标准，提高评价结果的准确性和可信度。该研究以锦江河为研究对象，采用TSI、TSIM、TLI这3种水体富营养化评价方法，深入了解锦江河的水体富营养化状态，比较不同评价方法在锦江河富营养化程度方面的差异，揭示评价结果的一致性和异同之处，为选择合适的评价方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

锦江河，又被称为辰水或麻阳河，是古武陵五溪之一，锦江河作为铜仁市的母亲河，位于贵州省东部，贯穿湖南省西部。该河流发源于铜仁梵净山，蜿蜒流经包括麻阳郭公坪、锦和、高村、吕家坪在内的13个乡镇，全长共计117 km，流域面积为7 558 km2^［14］。在铜仁市境内长达144 km，多年平均流量为180 m3/s，河流自然落差657 m，平均比降为2.26%。研究区属于亚热带季风气候，年平均气温为16.9 ℃，年降雨量在1 250～1 400 mm^［15］。锦江河流域地处武陵山脉南缘、贵州高原向湘西丘陵过渡的斜坡地，在地质构造上属于扬子准地台贵阳复杂变形区的东缘。该地区的出露地层以寒武系中上统娄山关群和下统清虚洞组的白云岩、灰岩为主，岩溶地貌十分显著，表现为丰富的峰丛、洞穴、洼地、裂隙和峡谷等地貌特征^［16］。2009年，锦江河经过农业部的评审，被认定为国家第三批水产种质资源保护区。然而，伴随着铜仁市工业化和城镇化的快速发展，环境问题日益突出。污染物质经农田径流、雨水径流等方式进入水体，不仅对水体质量产生直接影响，还可能对水体生态系统构成威胁^［17-18］。

1.2 样品采集与保存

于2022年６月，利用GPS全球定位系统在锦江河分别布设A（小江口）、B（下南门）、C（三中）、D（水晶阁）、E（清水桥）、F（三江公园）、G（鹭鸶岩）7个样点。采集锦江河表层（0～0.5 m）水，水样采集后装入冰盒中带回实验室低温保存，测定各项指标。

1.3 水体理化性质测定

采用YSI 6600V2型多参数水质分析仪现场测定锦江河水温（T）、pH、溶解氧（DO），采用分光光度法测定水体叶绿素a（Chl-a）含量；水体化学需氧量（COD）采用高锰酸钾指数法测定，水体总氮（TN）采用碱性过硫酸钾氧化-磷钼蓝比色法测定，水体钾（K）采用原子吸收火焰光度法测定，水体透明度（SD）采用塞氏盘法测定，水体总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法测定。

1.4 水体富营养化评价方法

1.4.1

卡尔森营养状态指数（TSI）。TSI是以水体透明度（SD）指标为基准，并结合总磷和叶绿素a指标评价水体营养状态的评价指数。其计算公式如下：

TSI（SD）=10×（6-lnSD/ln2）（1）

TSI（Chl-a）=10×［6-（2.04-0.68lnChl-a）/ln2］（2）

TSI（TP）=10×［6-（ln48/TP）/ln2］（3）

式中：TSI为卡尔森营养状态指数；SD为水体实测透明度（m）；Chl-a为水体中实测叶绿素a含量（mg/L）；TP为水体实测总磷含量（mg/L）。其中，TSI<40为贫营养，40≤TSI<50为中营养，50≤TSI<60为中富营养，TSI≥60为富营养。

1.4.2 修正的营养状态指数（TSIM）。TSIM是以水体实测叶绿素a含量为基准的营养状态指数。计算公式如下：

TSIM（Chl-a）=10×［2.46+（lnChl-a/ln2.5）］（4）

TSIM（SD）=10×［2.46+（3.69-1.53lnSD/ln2.5）］（5）

TSIM（TP）=10×［2.46+（6.71+1.15lnTP）/ln2.5］（6）

其中，TSIM<30为贫营养，30≤TSIM≤50为中营养，50<TSIM≤100为富营养。

1.4.3 综合营养状态指数（TLI）。计算公式如下：

TLI=mj=1［Wj×TLI（j）］（7）

式中：TLI（j）为第j种指标参数的营养状态指数；Wj为第j种指标参数的营养状态指数的相关权重。

以Chl-a作为基准指标参数，则第j种参数的归一化的相关权重表达为：

Wj=r2ij/mj=1r2ij（8）

式中：rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数；m为评价指标参数的数目。

各指标营养状态指数计算公式如下：

TLI（Chl-a）=10×（2.5+1.086lnChl-a）（9）