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      水環(huán)境指示生物篩選及水質(zhì)評(píng)價(jià)方法研究

      2015-04-26 01:30:44周晏敏李彬旭馬德濱
      關(guān)鍵詞:齊齊哈爾市齊齊哈爾環(huán)境質(zhì)量

      周晏敏,袁 欣,李彬旭,馬德濱,劉 允

      1.齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,黑龍江齊齊哈爾 161005

      2.哈爾濱學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080

      3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

      生物監(jiān)測(cè)是利用生物的組分、個(gè)體、種群或群落對(duì)環(huán)境污染或環(huán)境變化所產(chǎn)生的反應(yīng),從生物學(xué)的角度為環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)提供依據(jù)。生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)是指能夠清晰反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)及變化趨勢(shì)的可觀性特征[1]。從 Kolkwitz等在1902年首次采用生物指標(biāo)評(píng)價(jià)水質(zhì)至今,在環(huán)境領(lǐng)域提及的生物監(jiān)測(cè)均指一種生物群落、生物個(gè)體或生物的生理生化指標(biāo)來(lái)反映水體的環(huán)境質(zhì)量[2-4]。

      中國(guó)開(kāi)展時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)用范圍廣的生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要為底棲動(dòng)物和藻類(lèi)。目前利用生物指標(biāo)對(duì)水體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法較多,都是采用多種評(píng)價(jià)方法對(duì)單一生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[5-10],不能反映水體化學(xué)指標(biāo)情況和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的狀況。本文以理化指標(biāo)為基礎(chǔ),篩選出不同污染水體底棲動(dòng)物、浮游生物作為指示生物,初步建立一套基于指示生物的描述水體污染程度的綜合評(píng)價(jià)體系。

      1 水環(huán)境的理化指標(biāo)分級(jí)

      確定水體污染的生物分級(jí)不易過(guò)多、過(guò)細(xì)。因此,將齊齊哈爾市水體劃分為5個(gè)差異明顯的級(jí)別,即一級(jí)代表清潔或較清潔,二級(jí)代表輕污染,三級(jí)代表中污染,四級(jí)代表重污染,五級(jí)代表嚴(yán)重污染。

      將2006—2013年與生物監(jiān)測(cè)同步的272組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明,與生物關(guān)系密切的高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總磷、總氮、糞大腸菌群指標(biāo)同時(shí)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[11]同一類(lèi)水體的值僅有2008年7月拉哈斷面(左)一組,一致率占分析組的0.37%。因此利用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的污染分級(jí)篩選指示生物(制定生物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))是有困難的。為此本研究以水體受到污染程度的情況,結(jié)合生物指標(biāo)和理化指標(biāo)進(jìn)行水體劃分。

      1.1 一級(jí)水體理化指標(biāo)選擇

      流經(jīng)齊齊哈爾地區(qū)的嫩江源頭水體是清潔水體,但考慮到嫩江源頭為海拔高、水速急,底質(zhì)以礫石為主的環(huán)境,源頭水體在流經(jīng)齊齊哈爾市的過(guò)程中即使未受到污染,水質(zhì)理化指標(biāo)也會(huì)受到水體的稀釋、沉淀、擴(kuò)散等自?xún)糇饔眉把趸€原反應(yīng)、酸堿反應(yīng)、分解化合作用、微生物降解作用等而發(fā)生改變。所以,嫩江源頭的理化指標(biāo)、生物群落與齊齊哈爾地區(qū)是有差異的。

      為能獲得有代表性的齊齊哈爾市清潔或較清潔水體理化數(shù)據(jù),制定一個(gè)科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo),選用1991—1994年拉哈斷面冰封期的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。因拉哈斷面與嫩江源頭之間僅有訥河縣、嫩江縣2個(gè)縣,在這期間,居民居住以平房為主,生活污水、小加工業(yè)廢水基本為就近湖泊排放,很少進(jìn)入嫩江,加上冰封期水體與外界隔絕,基本杜絕了放牧、風(fēng)沙、地表徑流等因素對(duì)水體的影響。因此,這段時(shí)期的理化數(shù)據(jù)作為齊齊哈爾清潔水體數(shù)據(jù)是可行的。1991—1994年冰封期拉哈斷面高錳酸鹽指數(shù)為1.60~2.83 mg/L,生化需氧量為0.58~1.00 mg/L,糞大腸菌群為20~340個(gè)/L。

      1.2 二級(jí)、三級(jí)水體選擇

      齊齊哈爾市是工業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū),嫩江上游污染源比較少,根據(jù)歷年《環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)》及《嫩江保護(hù)研究》報(bào)告數(shù)據(jù)分析[12-18],齊齊哈爾江段各水體以有機(jī)污染為主,污染級(jí)別介于輕污染和中污染之間。因此,選擇2000— 2013年與生物采樣同步的2 298個(gè)嫩江、扎龍濕地、勞動(dòng)湖的理化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為便于分析其規(guī)律性,將各指標(biāo)排序,統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)在5% ~95%的質(zhì)量分?jǐn)?shù),見(jiàn)表1。

      表1 齊齊哈爾市主要水體理化指標(biāo)排序

      1.3 四級(jí)、五級(jí)水體選擇

      20 世紀(jì) 80 年代,勞動(dòng)湖水體 2#、3#、4#點(diǎn)位之間有大小排污口19個(gè),5#、6#點(diǎn)位各一個(gè)排污口,例行監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)理化指標(biāo)濃度均很高。夏季湖面常漂浮一層厚厚的微囊藻,水底冒出氣泡可見(jiàn)大量黑色淤泥被帶到水面,湖邊常能聞到腥臭味。6—9月表層水采樣期間,2#、3#點(diǎn)位水樣則經(jīng)常出現(xiàn)溶解氧過(guò)低現(xiàn)象,1#、5#、6#點(diǎn)位水樣經(jīng)常出現(xiàn)溶解氧過(guò)飽和現(xiàn)象,4#點(diǎn)位溶解氧過(guò)低、過(guò)飽和現(xiàn)象均有出現(xiàn),屬于典型的重富營(yíng)養(yǎng)化水體。以1986年《勞動(dòng)湖水體污染綜合調(diào)查》報(bào)告[19]中6個(gè)點(diǎn)位5次采樣數(shù)據(jù)作為制定重污染和嚴(yán)重污染水體的理化指標(biāo)依據(jù),如表2所示。

      表2 1986年勞動(dòng)湖水質(zhì)調(diào)查

      1.4 理化指標(biāo)分級(jí)結(jié)果

      依據(jù)表1、表2,并結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,清潔水體的各項(xiàng)指標(biāo)排序應(yīng)小于10%,輕污染指標(biāo)排序應(yīng)在10% ~50%,中污染指標(biāo)排序應(yīng)在50% ~80%,重污染指標(biāo)排序應(yīng)在80% ~95%,嚴(yán)重污染指標(biāo)排序應(yīng)大于95%(表3)。

      表3 水體污染理化指標(biāo)分級(jí)

      2 指示生物的篩選及應(yīng)用

      生物生存與環(huán)境條件有密切的關(guān)系,優(yōu)勢(shì)種群是水質(zhì)污染狀態(tài)的具體體現(xiàn)。確定有代表性的各類(lèi)水體才能知道各種優(yōu)勢(shì)種生物的生存環(huán)境,才能使制定的生物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更準(zhǔn)確、更科學(xué)地反映水體污染狀況。

      2.1 篩選原則

      普生性生物,如藻類(lèi)中的小環(huán)藻、異極藻、四尾柵藻等不列入指示生物中。根據(jù)目前從事生物監(jiān)測(cè)人員的鑒定能力,不易鑒定區(qū)別的生物,如一些針桿藻、脆桿藻等不列入指示生物中。

      2.2 篩選方法

      不同的水環(huán)境存在不同的優(yōu)勢(shì)種生物。根據(jù)表3確定的理化指標(biāo)分級(jí),對(duì)嫩江齊齊哈爾江段、尼爾基水庫(kù)、音河水庫(kù)、扎龍濕地、勞動(dòng)湖、齊齊哈爾氧化塘各水體的19個(gè)點(diǎn)位多次采樣的水樣進(jìn)行污染程度的劃分,在此基礎(chǔ)上篩選出相對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)生物種類(lèi)作為水體污染程度的指示生物,結(jié)果見(jiàn)表4。

      表4 齊齊哈爾市各主要水體指示生物

      續(xù)表4

      續(xù)表4

      2.3 方法應(yīng)用

      水體中出現(xiàn)指示生物最多的級(jí)別,確定為水體的污染級(jí)別。

      當(dāng)水體中藻類(lèi)種類(lèi)較多時(shí),應(yīng)選擇出現(xiàn)數(shù)量較多的4~5個(gè)指示生物參與評(píng)價(jià)。底棲動(dòng)物種類(lèi)較少時(shí),指示生物均參與評(píng)價(jià)。

      水絲蚓具有普生性,又是重污染的指示生物,在與敏感指示生物(如蜉蝣、石蠶等)出現(xiàn)在同一水體時(shí),選擇敏感指示生物參與評(píng)價(jià)。

      當(dāng)指示生物評(píng)價(jià)結(jié)果介于兩個(gè)污染級(jí)別之間時(shí),依據(jù)表3的理化指標(biāo)分級(jí)最后確定污染級(jí)別。

      根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、污染治理水平、民眾環(huán)保意識(shí),目前水體污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不易過(guò)嚴(yán)。制定的理化指標(biāo)分級(jí)表(表3)中的重污染范圍值,高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量略低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅴ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn),總氮、總磷高于50%左右。應(yīng)用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)齊齊哈爾地區(qū)18個(gè)例行監(jiān)測(cè)斷面,重污染斷面占53%。為使生物評(píng)價(jià)快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地反映水體污染狀況,應(yīng)關(guān)注特殊環(huán)境下的水體污染評(píng)價(jià)指標(biāo)。如:①水體長(zhǎng)期處于高濃度有機(jī)污染環(huán)境下,水體底層往往處于嚴(yán)重缺氧或無(wú)氧狀態(tài)。如果底泥發(fā)黑,有異味,說(shuō)明底泥中沒(méi)有或僅有顫蚓、水絲蚓、黃色羽搖蚊等少量的幾種生物存在,該水體可直接確定為重污染水體;如果底泥發(fā)黑油亮,H2S味較大,則表明無(wú)任何底棲動(dòng)物存在,該水體可直接確定為嚴(yán)重污染水體。②水體在總氮或總磷濃度很高的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)裸藻(體積或重量明顯超過(guò)其他藻類(lèi)體積或質(zhì)量的總和)、顫藻、鞘絲藻、膠鞘藻、微囊藻等生物的大量生長(zhǎng)現(xiàn)象,該水體則屬于重污染或嚴(yán)重污染,可再通過(guò)表3的理化指標(biāo)分級(jí)確定其污染程度。

      3 結(jié)論

      1)目前水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是采取單因子評(píng)價(jià)方法,本文的評(píng)價(jià)方法則考慮了底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、藻類(lèi)和理化指標(biāo)的多因素進(jìn)行評(píng)價(jià),可以客觀、綜合地評(píng)價(jià)水環(huán)境。

      2)制定的指示生物評(píng)價(jià)方法是以理化指標(biāo)為基礎(chǔ),通過(guò)篩選最適合生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)物種作為指示生物,評(píng)價(jià)結(jié)果比生物計(jì)分法、生物耐污值法更能反映水體真實(shí)情況。同時(shí),也可避免生物多樣性評(píng)價(jià)、指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果容易出現(xiàn)偏離的問(wèn)題。

      3)將指示生物評(píng)價(jià)法與典型特征水體評(píng)價(jià)判斷相結(jié)合,可減輕相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的工作難度和工作強(qiáng)度。

      4)加強(qiáng)對(duì)特殊環(huán)境水體的理化指標(biāo)、生物多樣性關(guān)系的研究,制定簡(jiǎn)易、快速判斷水體污染狀況的方法。

      5)廣泛開(kāi)展針對(duì)不同地域、不同類(lèi)型水體的指示生物篩選工作,使指示生物評(píng)價(jià)方法具有更廣泛的實(shí)用性。

      [1]Niemi G J,McDonald ME.Application of ecological indicators[J].Annual Review of Ecology,Evolution and Systematics,2004,35:89-111.

      [2]Chapman D.Water quality assessments-A guide to the use of biota,sediments and water in environmental[R].London:On behalf of WHO by F & FN Spon,1996.

      [3]Karr J R,Chu E W.Biological monitoring and assessment:using multimetric indexes effectively[M].Seattle:University of Washington,1997:33-36.

      [4]Holt E A,Miller S W.Bioindicators:using organisms to measure environmentalimpacts[J]. Nature Education Knowledge,2011,3(10):8.

      [5]程英,宋揚(yáng).松花江哈爾濱江段水生生物調(diào)查與評(píng)價(jià)[J].黑龍江環(huán)境通報(bào),2010,34(2):34-37.

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      [11]GB 3838—2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

      [12]劉哲人,宋力敏,楊光宇,等.齊齊哈爾市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)(七五)[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,1991.

      [13]劉哲人,宋力敏,楊光宇,等.齊齊哈爾市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)(八五)[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,1996.

      [14]宋力敏,楊光宇,周宴敏,等.齊齊哈爾市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)(九五)[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,2001.

      [15]劉哲人,韓麗媛,周宴敏,等.齊齊哈爾市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)(十五)[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,2006.

      [16]劉哲人,韓麗媛,盧英東,等.齊齊哈爾市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)(十一五)[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,2011.

      [17]劉哲人.嫩江保護(hù)研究[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,2009.

      [18]劉哲人.北方寒冷地區(qū)應(yīng)用氧化塘技術(shù)處理城鎮(zhèn)污水實(shí)用技術(shù)的研究[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,2005.

      [19]年桂芬.勞動(dòng)湖水體污染現(xiàn)狀調(diào)查研究報(bào)告[J].鶴城環(huán)境,1988(3):27-38.

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