洋河水庫藍(lán)藻水華爆發(fā)預(yù)測影響因子研究

丁 薇,揣小明,錢 新,胡志新,儲(chǔ)昭升,楊柳燕

(1.污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210046;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

·環(huán)境預(yù)警·

洋河水庫藍(lán)藻水華爆發(fā)預(yù)測影響因子研究

丁 薇1,揣小明1,錢 新1,胡志新1,儲(chǔ)昭升2,楊柳燕1

(1.污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210046;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

為了預(yù)測洋河水庫富營養(yǎng)化變化趨勢和藍(lán)藻水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn),對洋河水庫水體進(jìn)行采樣,分析其環(huán)境質(zhì)量。研究結(jié)果表明,近年來洋河水庫葉綠素a含量處于高位,氮、磷含量不斷上升,特別是總氮質(zhì)量濃度在5 mg/L左右,主要以硝態(tài)氮的形式存在,富營養(yǎng)化程度不斷加劇,具有大規(guī)模爆發(fā)藍(lán)藻水華的風(fēng)險(xiǎn)。對洋河水庫藻華爆發(fā)的環(huán)境條件進(jìn)行分析,提出了藍(lán)藻水華爆發(fā)的主要水質(zhì)參數(shù)和關(guān)鍵的水文、氣象要素,研究表明洋河水庫近期爆發(fā)魚腥藻水華的可能性較低,爆發(fā)微囊藻水華的可能性依然存在。通過對洋河水庫藻華爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測,可以為減輕藻華爆發(fā)所引發(fā)的生態(tài)災(zāi)害提供技術(shù)支持。

洋河水庫;總氮;總磷;富營養(yǎng)化;藻華預(yù)測

洋河水庫位于秦皇島市撫寧縣境內(nèi),1962年建成并投入使用,平均來水1.8億m3,面積14 km2,集水面積755 km2,總庫容為3.86億m3,平均水深5.7 m,是秦皇島市及北戴河地區(qū)的重要飲用水源地。洋河水庫表層底泥厚度0.1～1.75 m,底泥蓄積總量6.27×106m3,底泥分布面積約7.89 km2,占水庫水面面積的60.69%[1]。自20世紀(jì)80年代以來,洋河水庫富營養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,水華爆發(fā)嚴(yán)重影響了水庫的生態(tài)環(huán)境并直接影響到飲用水安全。2007年夏季,洋河水庫發(fā)生以魚腥藻(Anabaena)和微囊藻(Microcystis)為優(yōu)勢種的水華,產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)異味土嗅素(Geosmin)和微囊藻毒素(MCRR),螺旋魚腥藻產(chǎn)生的土嗅素質(zhì)量濃度最高達(dá)7 100 ng/L,85%～97%的土嗅素存在于細(xì)胞內(nèi);微囊藻毒素質(zhì)量濃度最高達(dá)100μg/L,主要也存在于細(xì)胞內(nèi)[2]。藍(lán)藻水華爆發(fā)可能對人體健康構(gòu)成潛在危害[3]。本研究在對洋河水庫水環(huán)境進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合洋河水庫富營養(yǎng)化發(fā)展歷程,分析影響藍(lán)藻水華爆發(fā)的因素,提出與洋河水庫藍(lán)藻水華爆發(fā)相關(guān)的預(yù)測指標(biāo),為應(yīng)對洋河水庫藍(lán)藻水華爆發(fā)可能對飲用水安全產(chǎn)生的威脅提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在洋河水庫選取北庫心(Y1)、西洋河口(Y2)、東洋河口入口(Y3)、庫中心(Y4)、壩前出口(Y5)、取水口(Y6)6個(gè)采樣點(diǎn)(圖1),分別在2010年9月11—13日進(jìn)行連續(xù)采樣3次。每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集表層50 cm水樣和沉積物上覆水50 cm水樣,采水樣量為500 mL,帶回實(shí)驗(yàn)室低溫保存,同時(shí)對有關(guān)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測定。水庫各采樣位點(diǎn)下層水體的溫度、p H、DO都低于上層水體。鹽度分層不明顯,基本維持在0.20%左右。上層水體的濁度小于下層水體,主要是由于下層水體接近水-沉積物界面,風(fēng)浪擾動(dòng)作用使得下層水體的濁度較高。各采樣位點(diǎn)Chla濃度差異較大,其中取水口(Y6)位點(diǎn)處表層水體Chla質(zhì)量濃度最高,達(dá)到7.070μg/L,而北庫心(Y1)、西洋河口(Y2)位點(diǎn)處表層水體Chla質(zhì)量濃度較低,分別為4.425μg/L和5.250μg/L。西洋河口(Y2)和東洋河口入口(Y3)處上下層水體Chla濃度差異較大,其余各位點(diǎn)上下層水體的Chla濃度差異不明顯(圖2)。藻類的光合作用會(huì)消耗二氧化碳,使得水體p H值升高,同時(shí)產(chǎn)生氧氣,增加水體DO的含量,因此,壩前出口(Y5)的p H值與Chla濃度均較高,DO含量也比其他位點(diǎn)略高。

圖1 洋河水庫采樣監(jiān)測位點(diǎn)

1.2 分析方法

利用 YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀對洋河水庫水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測定,測定的參數(shù)包括溫度、p H、溶解氧(DO)、鹽度和濁度。葉綠素a(Chla)、總氮(TN)、總磷(TP)的監(jiān)測分析按照文獻(xiàn)[4]、[5]進(jìn)行。采用丙酮萃取分光光度法測定Chla;采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定 TN;采用鉬酸銨分光光度法測定 TP;對水樣進(jìn)行過濾后,采用鉬酸銨分光光度法直接測定上清液中磷酸根為溶解性總磷(TDP);采用納氏試劑分光光度法測定氨氮(NH3-N);采用紫外分光光度法測定硝氮(NO3-N);采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定亞硝氮(NO2-N)。

2 結(jié)果與討論

2.1 洋河水庫水體理化性質(zhì)

洋河水庫水體的水質(zhì)參數(shù)如表1所示。洋河

表1 洋河水庫水環(huán)境質(zhì)量參數(shù)

圖2 洋河水庫水體Chla質(zhì)量濃度

2.2 洋河水庫水體氮磷營養(yǎng)鹽濃度和變化趨勢

圖3 洋河水庫水體不同形態(tài)氮質(zhì)量濃度空間差異

洋河水庫水體 TN和各種形態(tài)氮的質(zhì)量濃度如圖3所示。各采樣位點(diǎn)水體 TN質(zhì)量濃度差異不顯著,均在5 mg/L左右。在北庫心(Y1)、西洋河口(Y2)和東洋河口入口(Y3)處,下層水體的 TN濃度高于表層水體;庫中心(Y4)、壩前出口(Y5)、取水口(Y6)位點(diǎn)處,表層水體的 TN濃度高于下層水體。TN濃度在洋河水庫上下層水體中差異不大,并主要以NO3-N的形式存在,NH3-N和NO2-N濃度較低。盡管水體中的無機(jī)氮和有機(jī)氮之間以及無機(jī)氮各形態(tài)之間存在著相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,但NH3-N和NO3-N是無機(jī)氮存在的主要形態(tài),也是水體中非固氮藻類可直接利用的兩種最主要的無機(jī)氮[6]。在富營養(yǎng)化嚴(yán)重的洋河水庫中,大型水生植物基本消失,而大型水生植物易吸收利用NO3-N[7],這可能是水體中NO3-N含量高的原因之一。另外,水體中的部分NO3-N可以通過硝化細(xì)菌氧化NH3-N或者NO2-N得到。9月份溫度相對較高,洋河水庫水體中的硝化作用強(qiáng)烈,NH3-N被氧化為NO3-N,所以水體中NO3-N含量很高。

洋河水庫水體中 TP的空間變化和分層情況如圖4所示。各采樣位點(diǎn)的 TP濃度差異顯著,其中北庫心(Y1)、庫中心(Y4)的 TP濃度較低,北庫心(Y1)下層水體 TP質(zhì)量濃度最低為0.012 mg/L。由于庫心受水庫周邊環(huán)境影響較小,所以 TP濃度較低。而西洋河口(Y2)、東洋河口入口(Y3)、壩前出口(Y5)、取水口(Y6)的 TP濃度較高,主要是由于洋河水庫上游有東、西洋河二條入庫河流,西洋河和東洋河地表徑流是水庫的主要污染源。其中壩前出口(Y5)表層水體的 TP質(zhì)量濃度最高,達(dá)到0.023 mg/L。庫區(qū)各個(gè)采樣位點(diǎn)表層和下層水體的 TP濃度差異不大,TDP濃度較低,TP主要以顆粒磷形式存在。在西洋河口(Y2)、東洋河口入口(Y3)、庫中心(Y4)處,下層水體的 TP濃度高于表層水體,北庫心(Y1)、壩前出口(Y5)、取水口(Y6)位點(diǎn)處表層水體的 TP濃度高于下層水體,這同Chla在洋河水庫的空間分布特點(diǎn)相一致,表明藻類中磷占水體 TP的比例較大,藻類的空間分布影響水體 TP和 TDP的空間差異性。

圖4 洋河水庫水體TP和TDP質(zhì)量濃度空間差異

2.3 洋河水庫水體富營養(yǎng)化狀態(tài)評價(jià)

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和水體富營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)體系,洋河水庫水體水質(zhì)為劣V類,處于藻濁型富營養(yǎng)化狀態(tài)。由洋河水庫近年來的氮磷營養(yǎng)鹽含量的年際變化趨勢可知(表2),水庫富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重,已經(jīng)從20世紀(jì)90年代的中度營養(yǎng)化發(fā)展到重度營養(yǎng)化[8],導(dǎo)致2009年Chla平均質(zhì)量濃度達(dá)到17.2μg/L。2010年9月,各采樣位點(diǎn)水體 TN質(zhì)量濃度達(dá)5 mg/L左右,表層水體 TP質(zhì)量濃度最高達(dá)0.023 mg/L,與水體富營養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)值(ρ(TN)為1.0 mg/L,ρ(TP)為0.025 mg/L)比較,表明洋河水庫氮污染較嚴(yán)重,TP接近富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)值,處于藍(lán)藻水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)之中。

表2 洋河水庫水體TN、TP平均質(zhì)量濃度 年際變化

2.4 洋河水庫水體富營養(yǎng)化原因分析

洋河水庫富營養(yǎng)化及藻華的大面積爆發(fā),導(dǎo)致水質(zhì)性缺水日趨嚴(yán)重。由于人類活動(dòng)的影響,營養(yǎng)鹽的大量輸入是水庫富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子。此外,湖泊水庫氮磷營養(yǎng)鹽的內(nèi)源釋放也是不能忽略的因素。研究顯示,在外源污染得到控制的情況下,水體藻華依然頻頻爆發(fā)[9]。在夏季,洋河水庫水體在壩前深水區(qū)存在躍溫層,躍溫層下的水體的DO含量較低,有利于磷的釋放[10]。磷通常是湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素之一,湖泊沉積物釋放的磷進(jìn)入水體中將導(dǎo)致水華爆發(fā)[11]。氮磷比值表明,磷是洋河水庫初級(jí)生產(chǎn)力的限制因子,洋河水庫的營養(yǎng)狀態(tài)是磷控制型的。東洋河、西洋河的地表徑流和西洋河上游淀粉廢水的直接排放等是洋河水庫氮磷營養(yǎng)鹽的主要來源[12]。

3 洋河水庫藍(lán)藻水華爆發(fā)預(yù)測

各種環(huán)境條件如洋河水庫的地形、營養(yǎng)鹽濃度、溫度等決定水庫浮游植物的種類和數(shù)量,浮游植物反過來影響營養(yǎng)鹽、DO的濃度和它們的時(shí)空分布。根據(jù)浮游植物不同生理生化和生態(tài)學(xué)特點(diǎn),可以預(yù)測藍(lán)藻水華爆發(fā)的種類和強(qiáng)度。同時(shí),魚類結(jié)構(gòu)組成也影響浮游植物的種類,鰱、鳙魚數(shù)量下降,也會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻水華大爆發(fā)[13]。

3.1 洋河水庫溫度與藍(lán)藻水華爆發(fā)

2007年導(dǎo)致洋河水庫產(chǎn)生異味的物質(zhì)是土嗅素,主要由優(yōu)勢種魚腥藻分泌產(chǎn)生。魚腥藻生長的最適溫度為22～26℃,微囊藻生長的最適溫度在28℃左右[14],因此在春夏交替或春秋交替時(shí)容易爆發(fā)魚腥藻水華,而溫度高的夏季容易爆發(fā)微囊藻水華。

3.2 洋河水庫氮濃度與藍(lán)藻水華爆發(fā)

魚腥藻具有固氮能力,在氮濃度較低的水體中容易成為優(yōu)勢種群,適合其生長的水體TN質(zhì)量濃度在2 mg/L左右,TP質(zhì)量濃度在0.04～0.08 mg/L。因此,2007年由于洋河水庫 TN濃度較低,導(dǎo)致魚腥藻水華爆發(fā)。而微囊藻適合在 TN質(zhì)量濃度大于2.5 mg/L,TP質(zhì)量濃度為0.195 mg/L左右的水體中生長[14],微囊藻不具有固氮能力,在氮濃度高的水體中容易形成微囊藻水華。2008年以來,洋河水庫水體中 TN質(zhì)量濃度不斷上升,從2008年的2.00 mg/L上升到2009年的3.93 mg/L(表2),同時(shí)呈現(xiàn)夏季濃度高,冬春季濃度低的特點(diǎn)。2010年9月 TN質(zhì)量濃度在5 mg/L左右,與此同時(shí),洋河水庫中微囊藻成為優(yōu)勢種群,魚腥藻種群數(shù)量呈下降趨勢。洋河水庫爆發(fā)魚腥藻水華的可能性小,爆發(fā)微囊藻水華的可能性增大。因此,在預(yù)測洋河水庫藍(lán)藻水華爆發(fā)過程中,水體中磷濃度是決定藍(lán)藻Chla濃度的決定因素,而氮濃度常常決定優(yōu)勢藍(lán)藻的種類。

3.3 洋河水庫氣候、氣象條件與藍(lán)藻水華爆發(fā)

近期洋河水庫來水量下降,水庫水力停留時(shí)間延長,同時(shí)夏季水溫上升,為藻華爆發(fā)提供了有利條件。爆發(fā)藍(lán)藻水華的氣象條件為暴雨,暴雨發(fā)生時(shí),水體中衰老的藻類被去除,優(yōu)勢的藍(lán)藻具備同步生長的基礎(chǔ);同時(shí)暴雨造成的徑流帶來大量的氮磷營養(yǎng)鹽,有利于藻類爆發(fā)式生長。洋河水庫7—8月的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)和南風(fēng),如果夏季較長時(shí)間風(fēng)速在3 m/s以下,光照充足,那么4～5 d后就容易爆發(fā)藍(lán)藻水華,這時(shí)藻華高密度區(qū)域常常位于西洋河口附近。而在初秋季節(jié),洋河水庫地區(qū)以北風(fēng)和西北風(fēng)為主,藍(lán)藻水華高密度區(qū)域常常位于洋河水庫的取水口附近。

3.4 洋河水庫溫躍層與藍(lán)藻水華爆發(fā)

洋河水庫夏季產(chǎn)生溫躍層[13],下層水體有機(jī)物的厭氧分解導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈惡化,營養(yǎng)鹽滯留時(shí)間延長,營養(yǎng)鹽濃度增加。洋河水庫在壩前形成溫躍層,導(dǎo)致下層水體中DO濃度下降,有利于沉積物厭氧放磷。藻類通過垂直遷移,能主動(dòng)吸收大量的從沉積物中釋放的磷,形成藍(lán)藻水華爆發(fā)式增長。由于溫躍層的存在,暴雨徑流進(jìn)入洋河水庫后形成表層流,帶入的大量氮磷停留在洋河水庫表層水體中,為藻類提供大量營養(yǎng),因此,暴雨后常常會(huì)出現(xiàn)藍(lán)藻水華的爆發(fā)。

3.5 洋河水庫藍(lán)藻水華爆發(fā)預(yù)測模型

為了有效預(yù)測洋河水庫水環(huán)境變化趨勢和藻華爆發(fā)的可能性,在洋河水庫設(shè)立在線自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng),監(jiān)測水體的水質(zhì)參數(shù),同時(shí)根據(jù)預(yù)報(bào)的氣象變化趨勢,對藍(lán)藻水華爆發(fā)進(jìn)行預(yù)測,然后利用衛(wèi)星遙感結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,從而實(shí)現(xiàn)對洋河水庫的藍(lán)藻水華爆發(fā)的監(jiān)測預(yù)警。目前中國對于藍(lán)藻水華監(jiān)測預(yù)警還處在初級(jí)階段,對水源地藍(lán)藻的預(yù)測建立在水質(zhì)監(jiān)控的基礎(chǔ)上,衛(wèi)星遙感技術(shù)和水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用能為水質(zhì)監(jiān)測提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。近年來研究人員做了大量關(guān)于水體藻類變化預(yù)測模型的研究,如三維水動(dòng)力—水質(zhì)—浮游植物耦合模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等[15,16],這些模型可以預(yù)測水庫水質(zhì)的變化趨勢,為水庫富營養(yǎng)化和藍(lán)藻水華的控制提供決策依據(jù)。藍(lán)藻水華的形成機(jī)理復(fù)雜,簡單水質(zhì)監(jiān)測不能滿足對于藍(lán)藻水華預(yù)測的需求,因此,針對洋河水庫水質(zhì)的管理需求,構(gòu)建藍(lán)藻(魚腥藻與微囊藻)爆發(fā)模型,在了解水體藍(lán)藻水華爆發(fā)的季節(jié)性規(guī)律的基礎(chǔ)上,對洋河水庫水華藻類的變化趨勢采用 ELCOM-CAEDYM進(jìn)行定量或者半定量預(yù)測,為管理者提供迅速的、可視化的藻華爆發(fā)預(yù)測平臺(tái),從而為管理決策提供依據(jù)。

總之,洋河水庫水環(huán)境還處于十分嚴(yán)重的富營養(yǎng)化狀態(tài),近年 TN濃度不斷上升,洋河水庫近期爆發(fā)魚腥藻水華的可能性較低,爆發(fā)微囊藻水華的可能性依然存在。因此,應(yīng)加強(qiáng)對洋河水庫水環(huán)境質(zhì)量的檢測,并對藻華的爆發(fā)進(jìn)行預(yù)測,為更好地利用洋河水庫水資源提供技術(shù)支持。

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Study of Impact Factor of Forecasting Algal Bloom in Yanghe Reservoir

DIN G Wei1,CHUAI Xiao-ming1,QIAN Xin1,HU Zhi-xin1,CHU Zhao-sheng2,YANG Liu-yan1
(1.State Key Laboratory of Pollution Control&Resource Reuse,School of Environmental Science,Nanjing University,Nanjing,Jiangsu 210046,China;2.Chinese Research Academy of Environmental Science,Beijing 100012,China)

To forecast the trends of eutrophication and the risk of algal bloom in Yanghe Reservoir,analyzed the environmental quality in this water system.The results showed that the content of Chla was high recently,and the concentrations of phosphorus and nitrogen increased continuously,.Especially,The concentration of total nitrogen was around 5 mg/L,and the main existence form was nitrate-nitrogen.All these indicated that eutrophication became worse and the risk of algal bloom was high in Yanghe Reservoir.In addition,the analysis of the environmental conditions of algal bloom proposed important indicators for algal bloom as water quality,hydrological,and meteorological conditions.Based on these parameters,the possibility ofMicrocystisbloom existed and that ofA nabaenabloom is low.The forecasting provided?technical methods for reducing the ecological disaster caused by outbreaks of algal bloom.

Yanghe Reservoir;total nitrogen;total phosphorus;eutrophication;algae bloom forecast

X171.1

A

1674-6732(2011)-04-0001-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.04.001

2011-03-17;

2011-04-19

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(200809145)。

丁薇(1985—),女,碩士,從事湖泊富營養(yǎng)化方面的研究。