洋河水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展趨勢(shì)及其關(guān)鍵影響因素

王麗平，鄭丙輝

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)部河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

洋河水庫(kù)位于河北省秦皇島市撫寧縣城北10 km處，地理坐標(biāo)為N39°58'45″—40°00'59″;E119°00'09″—119°59'59″，始建于1959年10月，1961年建成蓄水，總庫(kù)容為3.53億m3，流域面積755 km2，以城市供水功能為主，兼有防洪、灌溉、養(yǎng)殖和發(fā)電功能［1］。流域內(nèi)屬溫帶季風(fēng)性氣候，氣候溫和，四季分明，水庫(kù)正常蓄水位57.0 m(庫(kù)容為1.45億m3)，平均水深5.7 m。目前水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化程度日益加重，數(shù)據(jù)顯示，1985年水庫(kù)水華現(xiàn)象并不十分明顯，主要集中在暑期末的部分水域;而在1990年水華現(xiàn)象已經(jīng)覆蓋7月底—9月初的大部分水域;到1999年水體則呈現(xiàn)出‘中-富營(yíng)養(yǎng)化’，水華現(xiàn)象已經(jīng)主要出現(xiàn)在7月中旬至9月中旬的所有水域［2-8］。目前，幾乎每年暑期都會(huì)有全庫(kù)水域的水華暴發(fā)，水質(zhì)惡化，景觀環(huán)境受到破壞，更重要的是對(duì)秦皇島居民以及北戴河中央暑期辦公人員的供水安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2011年對(duì)洋河水庫(kù)進(jìn)行水質(zhì)和浮游藻類的監(jiān)測(cè)調(diào)查，以期全面了解水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化特征及其關(guān)鍵影響因素，為采取有效措施預(yù)防水華暴發(fā)、恢復(fù)暑期作為飲用水源的使用功能提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 采樣站位和監(jiān)測(cè)參數(shù)

洋河水庫(kù)流域?qū)儆诩撅L(fēng)型大陸氣候，四季分明，每年冬季約2—3個(gè)月的冰封期(12月至翌年2月)。因此，溫度是水華暴發(fā)的重要限制因子，每年5—10月水溫(10—29℃)適合藻類生長(zhǎng)。因此在2011年5—10月采集洋河水庫(kù)表層水體和浮游藻類生物樣品，每月2次，現(xiàn)場(chǎng)采用YSI多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定水溫(T)、溶解氧(DO)、pH值(pH)，透明度(SD)采用塞式盤法測(cè)定。其它監(jiān)測(cè)指標(biāo)總磷(TP)、正磷酸鹽(PO3-P)、總氮(TN)、硝態(tài)氮(NO3-N)、氨態(tài)氮(NH4-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總有機(jī)碳(TOC)、葉綠素a(Chl-a)按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第四版的樣品采集和分析方法進(jìn)行［9］。在2010年對(duì)水庫(kù)進(jìn)行預(yù)調(diào)查基礎(chǔ)上，優(yōu)化了采樣站位，最終共設(shè)置4個(gè)站位(圖1):壩前1個(gè)(Y1)、庫(kù)中心1個(gè)(Y2)、西洋河口(Y3)和東洋河口(Y4)各1個(gè)。

在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，自7月中旬至8月底，洋河水庫(kù)暴發(fā)全庫(kù)水體的水華，水體呈蔥綠色，并伴有六六六粉味。在此期間采集浮游藻類生物樣品500 mL，魯哥氏液固定，靜止24 h后，經(jīng)虹吸最終體積濃縮為20 mL，生物顯微鏡進(jìn)行藻密度計(jì)數(shù)和優(yōu)勢(shì)藻種類鑒定。

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)采用卡爾森指數(shù)法(Trophic State Index，TSI)［10-11］，計(jì)算方法如下:

監(jiān)測(cè)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系分析采用軟件SPSS13.0進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 洋河水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的年際變化趨勢(shì)

由于洋河水庫(kù)水華主要在每年的7—9月暴發(fā)，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)關(guān)于TN、TP、SD和Chl-a的調(diào)查分析數(shù)據(jù)較多，本研究收集了1990年以來每年8月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［2-8］，并結(jié)合2011年本研究小組的監(jiān)測(cè)結(jié)果，綜合分析洋河水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的變化趨勢(shì)。圖2為洋河水庫(kù)水體TN、TP、SD和Chl-a濃度及其相應(yīng)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)TSI的變化趨勢(shì)。由圖可見，TN、TP和Chl-a濃度呈明顯上升趨勢(shì)，分別從1990 年的0.72 mg/L、0.029 mg/L 和 3.35 μg/L 增加至 2011 年的 4.25 mg/L、0.103 mg/L和88.5 μg/L;SD則呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，從1990年的 1.65 m 降低至 2011 年的 0.3 m。TSITN、TSITP、TSISD和 TSICHL分別從 1990 年的 49.71、52.71、52.78、42.46 升高至2011 年的75.33、70.98、77.36、74.58。

圖1 洋河水庫(kù)采樣站位Fig.1 The Yanghe Reservoir and its sampling stations

2.2 洋河水庫(kù)5—10月的富營(yíng)養(yǎng)化特征

圖3為洋河水庫(kù)2011年5—10月水環(huán)境條件的變化趨勢(shì)，由圖可見，5—10月期間各水質(zhì)因子都存在不同程度的波動(dòng)，在水華暴發(fā)期間(7月中旬至8月底)，T在23.5—29.2℃之間，SD和DO明顯下降(P＜0.05)，pH值略有上升，CODMn和TOC有所上升。2011年5—10月營(yíng)養(yǎng)鹽和Chl-a濃度變化趨勢(shì)見圖4，其中氮磷都呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)，Chl-a濃度發(fā)生明顯變化，在水華暴發(fā)期間明顯升高(P＜0.05)，水華暴發(fā)后期突然下降(P＜0.05)。各參數(shù)的變化范圍見表1。

洋河水庫(kù)2011年5—10月Chl-a與營(yíng)養(yǎng)鹽、水環(huán)境條件的相關(guān)分析見表2，其中T、SD、DO、pH值、TP、PO3-P、CODMn和TOC都與Chl-a濃度明顯相關(guān);其它各因子之間也存在一定的相關(guān)性，如T與SD、DO、pH值和TOC明顯相關(guān);SD與DO、pH值、TP和PO3-P明顯相關(guān)等。

7月中旬至8月底水華暴發(fā)期間浮游藻類優(yōu)勢(shì)種為銅綠微囊藻(Microystis aeruginosa)，密度高達(dá)3.5×106個(gè)/mL，其次為魚害微囊藻(M.ichthyoblabe)，密度為1.4 ×106個(gè)/mL。

經(jīng)非參數(shù)Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Chl-a不服從正態(tài)分布而是服從log值正態(tài)分布，因此采用log(Chl-a)為因變量進(jìn)行回歸分析。log(Chl-a)與各指標(biāo)間的逐步回歸方程為:

圖2 1990—2011年每年8月TP、TN、SD和Chl-a平均濃度及其相應(yīng)TSI指數(shù)的年變化Fig.2 Total nitrogen(TN)，total phosphorus(TP)，secchi disk depth(SD)，chlorophyll a(Chl-a)concentration and TSITN，TSITP，TSISD，TSICHLin August of each year during 1990—2011

表1 洋河水庫(kù)2011年5—10月水環(huán)境參數(shù)、Chl-a濃度的平均值及其波動(dòng)范圍(n=24)Table 1 Mean values and their range of water quality indices and Chl-a from May to October in 2011(n=24)

圖3 洋河水庫(kù)2011年5—10月水體T、SD、DO、pH值、CODMn、TOC的變化趨勢(shì)(每個(gè)站位的月平均值)Fig.3 The developing trend of water temperature(T)，secchi disk depth(SD)，dissolved oxygen(DO)，pH，chemical oxygen demand(CODMn)and total organic carbon(TOC)from May to October in 2011(monthly average value of each site)，the period between two dashed line showed the time of algal bloom outbreak

表2 洋河水庫(kù)2011年5—10月葉綠素a與各水環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Table 2 The spearman rank correlation in water quality factors and Chl-a

3 討論

圖4 洋河水庫(kù)2011年5—10月水體營(yíng)養(yǎng)鹽和Chl-a濃度的變化趨勢(shì)(每個(gè)站位的月平均值)Fig.4 The developing trend of nutrient and chlorophyll a(Chl-a)concentration from May to October in 2011(monthly average value of each site)

對(duì)1990—2011年Chl-a與TN、TP、SD的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SD與Chl-a具明顯相關(guān)性，兩者間的擬合關(guān)系如圖5所示，R2=0.9612;2011年5—10月SD也與Chl-a明顯相關(guān)(表2)，表明洋河水庫(kù)水體透明度主要受浮游藻類細(xì)胞密度的影響。在與Chl-a濃度具明顯相關(guān)性的各水環(huán)境指標(biāo)中(表2)，其中SD、DO、pH值是水華暴發(fā)的結(jié)果而非原因［12］，因此SD、DO、pH都是洋河水庫(kù)水華暴發(fā)影響水質(zhì)的主要表現(xiàn)指標(biāo)，而SD受水華影響最明顯。CODMn和TOC是作為衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量多少的指標(biāo)，其中TOC示水中有機(jī)物的總含碳量，而CODMn只表示水體中具還原性的有機(jī)物含量，一般TOC＞COD，水華暴發(fā)期間CODMn和TOC略有上升，且都與Chl-a濃度具明顯相關(guān)性(表2)，因此CODMn、TOC是水庫(kù)水華暴發(fā)的主要影響因素之一。營(yíng)養(yǎng)鹽監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1990—2011期間TN常年超過國(guó)際公認(rèn)湖庫(kù)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的濃度水平(0.20 mg/L)，TP也常年超過國(guó)際公認(rèn)的發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的濃度水平(0.02 mg/L)［13］，因此洋河水庫(kù)屬于高營(yíng)養(yǎng)水體，具備發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的營(yíng)養(yǎng)鹽條件。2011年5—10月期間TP、PO3-P、TN、NO3-N、NH4-N濃度都呈逐漸上升趨勢(shì)(圖4)，9月水華消退后仍明顯上升，表明這幾種形式營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高與水華生消沒有直接關(guān)系，主要受內(nèi)源、外源污染的影響。洋河水庫(kù)支流上游是種植和加工白薯比較集中的區(qū)域，每年9月至11月上旬，農(nóng)民利用簡(jiǎn)陋的粉碎裝置，在田間地頭、戶院把白薯粉碎、過濾加工成淀粉，此時(shí)產(chǎn)生大量含高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽的廢水，匯集河道后流入洋河水庫(kù)［6，14］。因此，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高(尤其是9月以后)主要是洋河上游農(nóng)業(yè)活動(dòng)造成的。水華暴發(fā)期間Chl-a濃度在22.16—162.26 μg/L之間，明顯高于水華暴發(fā)前和水華消退后的濃度水平(圖4)。

氮、磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的主導(dǎo)因子，氣象環(huán)境(主指溫度和光照)是誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化的外因，緩流水體是富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的載體(尤其是水流緩慢、水深較淺且相對(duì)封閉的水體)。人為地改變氣候條件的可能性較小，因此富營(yíng)養(yǎng)化防治一般重點(diǎn)考慮營(yíng)養(yǎng)鹽以及水動(dòng)力條件的改變。對(duì)于洋河水庫(kù)，上游農(nóng)業(yè)活動(dòng)是造成水庫(kù)氮磷污染的主要原因［6，14］。另外，洋河水庫(kù)中沉積物高達(dá)水庫(kù)總?cè)莘e的1/10，平均沉積物厚度達(dá)0.96 m，從某種意義上講沉積物已經(jīng)成為水庫(kù)內(nèi)部?jī)?chǔ)存營(yíng)養(yǎng)鹽等污染物的巨大倉(cāng)庫(kù)［15］。劉娜對(duì)洋河水庫(kù)底泥氮磷釋放規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，指出內(nèi)源污染對(duì)水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度起著控制作用［14］。因此，降低水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，在控制上游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所帶來外源營(yíng)養(yǎng)鹽污染的同時(shí)，還要充分考慮內(nèi)源污染對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響并采取相應(yīng)措施。根據(jù)水庫(kù)的流速特征，可以將水庫(kù)劃分為河流型水體(＞0.2 m/s)、過渡型水體(0.05—0.2 m/s)和湖泊型水體(≤0.05 m/s)［16］。洋河水庫(kù)水體幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，水體滯留時(shí)間約284 d［14］，水華原因種主要是藍(lán)藻門的微囊藻，因此洋河水庫(kù)屬于典型的富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊型水體。當(dāng)水溫和光照適合時(shí)，水華暴發(fā)。因此，預(yù)防洋河水庫(kù)水華暴發(fā)，在有效降低水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，控制內(nèi)源、外源污染的同時(shí)提高水體流速或水體交換速率，才能控制水體水華暴發(fā)，最終達(dá)到改善洋河水庫(kù)水質(zhì)狀況，提高洋河水庫(kù)服務(wù)功能質(zhì)量的目的。

圖5 1990—2011年期間SD與Chl-a之間的擬合關(guān)系圖Fig.5 Power regression between secchi disk depth(SD)and chlorophyll a(Chl-a)during 1990—2011

綜上，洋河水庫(kù)水華暴發(fā)是多種因素造成的，但水體中較高濃度的氮磷是最主要的因素，當(dāng)夏季水溫升高達(dá)到藻類迅速增殖的溫度時(shí)，藍(lán)藻迅速增殖形成水華。洋河水庫(kù)流域降雨主要集中在夏季，也是水華集中暴發(fā)的季節(jié)，監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，在水華暴發(fā)期間，有幾次主要降雨，但并沒有達(dá)到有效稀釋水體中藻細(xì)胞密度的效果，水華仍持續(xù)發(fā)生。當(dāng)進(jìn)入初秋季節(jié)，日溫差較大，表層水體溫度晝夜差異明顯，可能是水華消失的重要原因。

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