中國北方山區(qū)水庫與引黃水庫富營養(yǎng)化特征

侯 偉，孫韶華，賈瑞寶

山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心，山東 濟南 250021

中國北方山區(qū)水庫與引黃水庫富營養(yǎng)化特征

侯 偉，孫韶華，賈瑞寶

山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心，山東 濟南 250021

于2012年10月—2013年8月對中國北方地區(qū)2種典型水庫：山區(qū)水庫(臥虎山、錦繡川)和引黃水庫(鵲山、玉清)進行了采樣調(diào)查，對其水質(zhì)特征和富營養(yǎng)化現(xiàn)狀進行分析研究。結(jié)果表明：2類水庫水質(zhì)的最大差異在于山區(qū)水庫的氮含量顯著高于引黃水庫，這主要與水源、氮素來源和水庫的進水方式有關(guān)。山區(qū)水庫中SD與藻類生物量、TP關(guān)系密切；而引黃水庫中，影響SD的環(huán)境因素較復雜，除藻類生物量和氮、磷外，堿度和水溫也與SD密切相關(guān)。全年水平上，臥虎山水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)顯著高于其他水庫，屬中-富營養(yǎng)水體，錦繡川水庫、鵲山水庫和玉清水庫均屬中營養(yǎng)水平。時間上，同類型水庫的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)季節(jié)變化基本一致。參與營養(yǎng)狀態(tài)計算的4個因子中，Chla和TN對營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的貢獻最大，表明這兩者是引起2類水庫營養(yǎng)狀態(tài)加重的重要原因。典型的水源及進水方式、流域人類活動類型和強度是影響山區(qū)水庫和引黃水庫營養(yǎng)狀態(tài)的主要外部因素。

山區(qū)水庫；引黃水庫；營養(yǎng)鹽；氮素來源；流域

富營養(yǎng)化是水生生物對水中營養(yǎng)鹽(主要是氮、磷)濃度增加的響應及變化過程，后期可能會導致藍藻水華和水體缺氧等水質(zhì)惡化現(xiàn)象，是當前水環(huán)境研究的熱點問題之一[1-2]。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)的調(diào)查結(jié)果顯示，全球30%～40%的湖泊和水庫處于不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)[3-4]。水庫是一種半人工半天然水體，隨著全球水資源供需矛盾的加劇，水庫供水成為緩解供水壓力的最主要途徑[5]。中國正面臨著嚴重的水質(zhì)危機問題，大量的水庫處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，直接威脅到飲用水安全。水庫的富營養(yǎng)化大多由人類活動引起[6]，生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污水是造成水庫富營養(yǎng)化的主要污染源。中國39個有代表性的水庫中，分別有30.8%和43.6%處于富營養(yǎng)和中營養(yǎng)狀態(tài)[7]?？梢?，水體富營養(yǎng)化已成為國內(nèi)外水環(huán)境保護的重大問題，尤其在中國北方地區(qū)，水庫水位較低，蓄水量少，多屬淺型水庫，水質(zhì)調(diào)節(jié)能力較差，并且冬季和春季降水少，入庫徑流量小，對污染物稀釋能力低，污染強度增高，一旦水環(huán)境惡化將難以恢復[8]。在中國北方，大中型水庫富營養(yǎng)化問題突出，調(diào)查水庫多屬于中、富營養(yǎng)類型，水體氮和高錳酸鹽指數(shù)超標明顯[9-10]。

濟南市位于北溫帶地區(qū)，水庫按水源可分為山區(qū)水庫和引黃水庫2種，分別為市區(qū)提供約15%和60%的供水量，為保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活飲用水發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，濟南市作為南水北調(diào)東線工程的重要樞紐城市，通水前水庫的水質(zhì)狀況備受關(guān)注。2012年10月—2013年8月(南水北調(diào)東線工程通水前)對濟南市山區(qū)水庫(臥虎山、錦繡川)和引黃水庫(鵲山、玉清)水質(zhì)進行采樣監(jiān)測，以全面了解2種水庫的富營養(yǎng)化特征及其關(guān)鍵影響因子，探討中國北方地區(qū)山區(qū)水庫與引黃水庫的水質(zhì)差異及富營養(yǎng)化形成的主要驅(qū)動因素，為庫區(qū)水質(zhì)保護與水資源調(diào)配提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 水庫概況

臥虎山水庫、錦繡川水庫、鵲山水庫和玉清水庫均處于黃河下游地區(qū)(圖1)。

圖1 臥虎山水庫、錦繡川水庫、鵲山水庫和玉清水庫地理分布(粗實線為黃河示意圖)

臥虎山和錦繡川水庫為山區(qū)水庫，分別屬天然蓄水的大型和中型水庫，庫容分別為1.17×108、2.41×107m3，流域面積較大，分別為557、166 km2。臥虎山水庫周圍多酒店，上游有較大規(guī)模的蔬菜種植基地，流域內(nèi)人口眾多；錦繡川水庫被山脊包圍，入庫河流流經(jīng)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，與錦陽川和錦云川水庫匯合后進入臥虎山水庫，流域以森林和農(nóng)業(yè)種植為主。2座山區(qū)水庫周圍近年開始發(fā)展旅游業(yè)，流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)也相繼開發(fā)了觀光農(nóng)業(yè)和農(nóng)家游活動。鵲山和玉清為中型引黃水庫，庫容分別為4.6×107、4.9×107m3，庫區(qū)周邊均分布著較密集的耕地，鵲山水庫庫區(qū)范圍內(nèi)常住人口超過22 000人[11]。

1.2 采樣方法與樣品處理

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)評價水體富營養(yǎng)化，以Chla的TLI為基準，選擇SD、TN、 TP共4種參數(shù)綜合評定水庫的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[13-14]。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為

式中：TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。以Chla作為基準參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重計算公式為

式中：rij為第j種參數(shù)與基準參數(shù)(Chla)的相關(guān)系數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)。

TLI的計算公式為

TLI(Chla)=10×(2.5+1.086lnChla)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10×(5.118-1.940lnSD)

采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對水庫營養(yǎng)狀態(tài)進行分級：TLI(∑)< 30為貧營養(yǎng)水體；30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)；TLI(∑)>50屬富營養(yǎng)。

用SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)的時空變化特征

4座水庫的環(huán)境因子統(tǒng)計情況見表1。

表1 4座水庫環(huán)境因子的統(tǒng)計均值

注：括號內(nèi)為最小值～最大值；字母不同則表示有顯著差異(P<0.05)。

總之，2類水庫水質(zhì)的最大差異在于山區(qū)水庫的氮含量顯著高于引黃水庫，這與水源、氮素來源和水庫的進水方式有關(guān)。山區(qū)水庫流域以農(nóng)業(yè)(臥虎山水庫)和自然林(錦繡川水庫)為主，農(nóng)業(yè)和森林流域的污水中通常氮含量較高[15-16]；雖然引黃水庫庫區(qū)周圍也有密集的耕地，但其水源不直接排入水庫而是隨地表徑流排入黃河，黃河水經(jīng)過引黃閘提取、清污和沉沙后進入水庫，氮含量已大大降低，進而也降低了水庫的氮含量。

水中Chla濃度能夠反映藻類生物量的高低，體現(xiàn)水體初級生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化水平。采樣期間，臥虎山水庫的Chla濃度顯著高于其他3座水庫，平均為32.0 μg/L；錦繡川水庫的Chla濃度最低，均值僅為6.0 μg/L；鵲山水庫和玉清水庫的Chla濃度居中，分別為12.1、11.9 μg/L。時間上，4座水庫冬季Chla含量明顯高于夏季。將Chla與理化指標進行相關(guān)性分析，Chla與SD、DO、TA、TOC、TP和NH3-N顯著相關(guān)(P<0.05)，且Chla/TOC平均值分別為10.6、2.8、3.2和3.3，表明臥虎山水庫中Chla是TOC的主要貢獻者，Chla含量主要受營養(yǎng)鹽影響并引起SD和DO的變動。Chla與SD之間的擬合關(guān)系如圖2所示，表明4座水庫SD的變化主要受藻類細胞濃度的影響，并間接影響了水體SD的變化。

圖2 采樣期間臥虎山水庫、錦繡川水庫、鵲山水庫和玉清水庫Chla與SD的擬合關(guān)系圖

分別對山區(qū)水庫和引黃水庫的環(huán)境因子進行相關(guān)分析(表2、表3)。

由表2可見，參與TLI計算的4個因子中，山區(qū)水庫中SD與藻類生物量(Chla、TOC)、TP關(guān)系密切，而藻類生物量則與氮、磷營養(yǎng)鹽濃度極顯著相關(guān)；由表3可見，引黃水庫中，影響SD的環(huán)境因素較復雜，除藻類生物量和氮、磷外，TA和水溫也與SD密切相關(guān)，表明TA和水溫也是水體SD 的重要間接影響因子。

表2 山區(qū)水庫環(huán)境因子間相關(guān)關(guān)系

注：“*”表示顯著相關(guān)(P<0.05)；“**”表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

表3 引黃水庫環(huán)境因子間相關(guān)關(guān)系

注：“*”表示顯著相關(guān)(P<0.05)；“**”表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

2.2 富營養(yǎng)化評價及原因

4座水庫的營養(yǎng)狀態(tài)見圖3。

圖3 2012年10月—2013年8月濟南市4座水庫的TLI變化

由圖3可見，全年水平上，臥虎山水庫、錦繡川水庫、鵲山水庫和玉清水庫的TLI平均值分別為47、39、40和41。空間上，臥虎山水庫的TLI顯著高于其他3座水庫(P<0.05)，變動范圍為39～55，呈中-富營養(yǎng)狀態(tài)，其余3座水庫為中營養(yǎng)狀態(tài)，TLI在33～49之間波動。2座山區(qū)水庫間TLI有顯著差異(P<0.05)，引黃水庫間無顯著差異。時間上，同一類型水庫的TLI季節(jié)變化基本一致，且4座水庫冬季營養(yǎng)狀態(tài)明顯高于夏季和秋季。劉明翠等[17]報道了1996—1998年臥虎山水庫屬中-富營養(yǎng)狀態(tài)且有加重趨勢。研究中，參與TLI計算的4個因子中，Chla和TN對TLI的貢獻最大，其次是SD、TP，表明藻類和TN是引起2類水庫營養(yǎng)狀態(tài)加重的重要原因。張克峰等[18]發(fā)現(xiàn)玉清水庫的藻類細胞濃度高達1億個/L，且以藍藻為主；而2007年鵲山水庫夏季和秋季的藻類細胞達1 700萬個/L[19]，表明2座水庫發(fā)生藍藻水華的風險較大。

濟南市位于中國北方中緯度地帶，6—9月為豐水期，該時期水位高，庫容大，豐富的降水對水中營養(yǎng)鹽有稀釋作用，且水體易出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象，底層營養(yǎng)鹽不能帶入表層，所以此時表層營養(yǎng)鹽含量較低；另外，該時期水力滯留時間短，營養(yǎng)鹽循環(huán)速率快，水庫泄洪也會帶走大量營養(yǎng)鹽與藻類，最終引起TLI明顯下降；到了冬季，降水量減少，庫容小，水位淺，水力滯留時間長，淺型水庫在水溫和風力作用下發(fā)生垂直混合，底層營養(yǎng)鹽受到攪動進入上層，導致這一時期的營養(yǎng)鹽濃度較高，SD降低，藻類細胞濃度大，從而造成TLI的季節(jié)差異。研究表明，水力滯留時間越長，意味著會有更多的營養(yǎng)鹽沉淀或被浮游植物利用而滯留在水庫中[20]。水體富營養(yǎng)化主要由水中營養(yǎng)鹽(主要是氮、磷)濃度過高引起[1]，營養(yǎng)鹽濃度易受流域人類活動類型、程度等外源性因素影響[21-22]。研究中，山區(qū)水庫與引黃水庫營養(yǎng)狀態(tài)的差異不大，但臥虎山水庫TLI顯著高于其他3座水庫。山區(qū)水庫由自然降水和地表徑流匯集而成，其中，臥虎山水庫庫區(qū)周圍多酒店并有較大的蔬菜種植基地，錦繡川水庫雖然也有較大流域面積，但水庫被山脊包圍，庫區(qū)周圍農(nóng)業(yè)污水難以進入水體，上游自然林覆蓋率高，水土保持好，人為干擾強度小，所以該水庫可常年保持較低的TLI。侯偉等[23]發(fā)現(xiàn)粵北的蒼村水庫和赤石逕水庫2座引黃水庫由于水源及進水方式相同，其TLI差別不大且變化趨勢相似。Mallin 等[24]發(fā)現(xiàn)水中的糞大腸菌數(shù)量與流域人口數(shù)量有密切關(guān)系，且與流域土地開發(fā)比例密切相關(guān)，指出人類活動是影響水體水質(zhì)的重要因素。引黃水庫的水源來自黃河，黃河水經(jīng)過引黃閘提取、清污和沉沙后進入水庫，流域內(nèi)的地表徑流不直接排入水庫。總之，典型的水源及進水方式、流域人類活動類型和強度是影響山區(qū)水庫和引黃水庫營養(yǎng)狀態(tài)的主要外部因素。

3 結(jié)論

2類水庫水質(zhì)的最大差異在于山區(qū)水庫的氮含量顯著高于引黃水庫，這主要與水源、氮素來源和水庫的進水方式有關(guān)。4座水庫中，臥虎山水庫為中-富營養(yǎng)狀態(tài)，其余3座水庫均為中營養(yǎng)型水體。典型的水源及進水方式、流域人類活動類型和強度是影響山區(qū)水庫和引黃水庫營養(yǎng)狀態(tài)的主要外部因素。目前關(guān)于進水方式對地表水水質(zhì)的影響機制研究較少，有待對輸水過程中生物、化學和物理因素的變化及其對水質(zhì)的影響機理展開研究。

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Eutrophication and Water Characteristics of Mountain and Yellow River Reservoirs in Northern China

HOU Wei,SUN Shaohua,JIA Ruibao

Urban Water Monitoring Centre of Shandong Province,Jinan 250021

A survey of eutrophication and water characteristics of two tyipal reservoirs,mountain reservoirs (Wohushan,Jinxiuchuan) and Yellow River reservoirs (Queshan,Yuqing),in Northern China was carried out from October 2012 to August 2013. A major founding from our study is that nitrogen concentration in mountainous reservoir was much higher than that in Yellow River reservoirs,which is related to water sources,nitrogen sources and way of reservoir inflow. Secchi depth (SD) showed a significant corelation with algal biomass and total phosphorus (TP) in mountainous reservoirs,while total alkalinity (TA) and water temperature was significantly corelated with SD in Yellow River reservoirs except algal biomss,nitrogen and phosphorus. During the annual year,trophic level index (TLI) in Wohushan Reservoir (47) was significantly higher than that in other three reservoirs,suggesting meso- eutrophicate water body,while Jinxiuchuan,Queshan and Yuqing Reservoirs were mesotrophic aquatic systems. There was no significant difference inTLIseasonal variations among the same kind of reservoir.chlorophyl a (Chla) and total nitrogen (TN) were main contributors toTLIcalculation. In a summary,typical water sources,ways of reservoir inflow,human activities are important external factors affecting water quality of mountains and the Yellow River reservoir.

mountain reservoir;yellow river reservoir;nutrient;Nitrogen source;catchment

2014-12-15;

2015-11-26

國家水體污染控制與治理科技重大專項“南水北調(diào)山東受水區(qū)飲用水安全保障技術(shù)研究與綜合示范”(2012ZX07404-003)；國家科技惠民工程“直飲水科技惠民示范工程”(2013GS370202)；“飲用水安全保障技術(shù)”泰山學者建設工程專項(ts200640025)；山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2014HZ018)

侯 偉(1984-)，女，山東德州人，博士。

賈瑞寶

X824

A

1002-6002(2016)02- 0058- 06