尼爾基水庫水質(zhì)及水體富營養(yǎng)化評價研究

王丹宇，楊利民，韓　梅

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)管理重點實驗室，吉林 長春 130118)

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尼爾基水庫水質(zhì)及水體富營養(yǎng)化評價研究

王丹宇，楊利民，韓梅

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)管理重點實驗室，吉林 長春 130118)

通過對尼爾基水庫重點斷面(庫末、庫中、壩前)近期水質(zhì)狀況變化趨勢的總體分析，采用單因子指數(shù)評價法對尼爾基水庫的水質(zhì)進行了分級評價；采用湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級評價法對尼爾基水庫富營養(yǎng)狀態(tài)進行了評價；采用生物多樣性指數(shù)法對尼爾基水庫浮游植物多樣性進行了評價，并探索制定了尼爾基水庫的富營養(yǎng)化綜合評價方法.結(jié)果表明：尼爾基水庫的主要超標(biāo)項目為總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等，尼爾基水庫水質(zhì)綜合評價為輕度營養(yǎng)化.

尼爾基水庫；水質(zhì)斷面；水質(zhì)評價；富營養(yǎng)化

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，水資源短缺與水環(huán)境污染已成為制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素.依據(jù)2014年《城市水藍圖》報告，我國目前大多數(shù)的城市都面臨水資源短缺與水環(huán)境污染問題，特別是由于大量營養(yǎng)物質(zhì)進入水體造成的富營養(yǎng)化所引起的飲用水源地的水華現(xiàn)象，往往造成城市供水的緊張與水環(huán)境污染.因此對飲用水源地的水質(zhì)評價與富營養(yǎng)化評價是水環(huán)境管理中的重要內(nèi)容.基于此，我們以尼爾基水庫為研究對象，對其水質(zhì)與富營養(yǎng)化情況進行了評價.尼爾基水利樞紐建于 2001 年 6 月，是國家“十五”計劃批準(zhǔn)建設(shè)的大型水利工程，因其庫容大，具有防洪效益大、水資源綜合利用效益高(如供水、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等)等特點，為嫩江干流重要的水源控制性工程.然而，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，尼爾基水庫也面臨著上游水土流失、采礦、城市工業(yè)及生活污水排放、農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的影響.目前，尼爾基水庫已出現(xiàn)水華現(xiàn)象，主要集中在整個尼爾基水庫的西岸，不僅嚴(yán)重影響湖庫的生態(tài)環(huán)境，也直接對水庫供水功能構(gòu)成了威脅.基于此，本文采用水化學(xué)及水生生物學(xué)等監(jiān)測手段對汛期水庫水質(zhì)及浮游植物等指標(biāo)進行了監(jiān)測和分析，以找出水庫水質(zhì)變化與水生物種類、種群和群落變化以及水庫富營養(yǎng)化的關(guān)系；同時，采用生物多樣性指數(shù)等方法對水庫水體富營養(yǎng)化狀況進行了研究，為尼爾基水庫水體富營養(yǎng)化防治及水生態(tài)保護提供了技術(shù)支撐.

1　研究區(qū)概況

尼爾基水庫位于黑蒙交界的嫩江干流中游，是齊齊哈爾、大慶、哈爾濱等城市的水源地，已列入全國重要飲用水水源地名錄(第二批).尼爾基水庫總庫容86.11億m3，相當(dāng)于 7.3 個鏡泊湖.其中防洪庫容23.68億m3，控制流域面積6.64萬km2，占嫩江流域總面積的22.4%；多年平均徑流量104.7億m3，占嫩江流域的45.7%[1].2014年徑流量100.73億m3，較2013年少147.23億m3.

尼爾基庫區(qū)地處我國東北地區(qū)重要的商品糧產(chǎn)區(qū)，也是我國重要的林業(yè)、工業(yè)、畜牧業(yè)和能源基地；同時，又是大力發(fā)展農(nóng)、林、牧、副、漁的重要水源地，水庫的水質(zhì)狀況對庫區(qū)周圍的自然和社會環(huán)境影響巨大.尼爾基水庫因具有占地面積大、存儲水量充足、控制流域面積廣、功能性強等優(yōu)勢，在東北湖庫水生態(tài)評價中具有重要的研究價值[2-3].

考慮到尼爾基水庫采樣點布設(shè)的實際需要，結(jié)合地表水監(jiān)測中對監(jiān)測斷面布設(shè)的基本原則，依據(jù)與水文觀測斷面相結(jié)合并且具有較好的代表性、完整性、可比性和長期觀測連續(xù)性的總體要求，選取尼爾基庫末(E125°06′20″，N49°07′24″)，尼爾基庫中(E124°32′56″，N48°35′52″)和尼爾基壩前(E124°31′44″，N48°29′37″)3個監(jiān)測斷面(見圖1).

圖1監(jiān)測點位位置圖

2　研究方法

為了進一步了解汛期庫區(qū)內(nèi)的水質(zhì)現(xiàn)狀及水體富營養(yǎng)化程度及變化趨勢，本文結(jié)合歷史資料及尼爾基水庫(2014年6—9月)水質(zhì)因子、水生物現(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果，對水庫水體的理化因子和浮游植物多樣性進行綜合分析，并在此基礎(chǔ)上，對尼爾基水庫水體富營養(yǎng)化程度進行評價.技術(shù)路線見圖2.

2.1評價指標(biāo)

圖2　技術(shù)路線圖

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，采用單因子指數(shù)進行分析評價，主要選取水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮8項地表水基本參數(shù)[4]，葉綠素a、透明度、氨氮、總磷、化學(xué)需氧量等湖庫營養(yǎng)狀況評價基本參數(shù)以及生物多樣性指數(shù)評價浮游藻類多樣性.

2.2評價方法

水質(zhì)現(xiàn)狀評價及水體富營養(yǎng)化評價方法主要采用3種：①《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的單因子評價及分級方法，如式(1)所示；②《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL395-2007)中湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及分級方法；③香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)[5]，如式(2)所示.

Pi=Ci/Si.

(1)

式中：Pi為水體中第i種污染物的污染指數(shù)，Ci為水體中第i種污染物的實測濃度，Si為水體中第i種污染物的排放標(biāo)準(zhǔn).

(2)

式中：H′為多樣性指數(shù)，S為種類個數(shù)，N為同一樣品中的個體總數(shù)，ni為第i種的個體數(shù).H′值：0～1多污帶，1～2為α中污帶，2～3為β中污帶，>3為寡污帶.

2.3評價標(biāo)準(zhǔn)

本研究的水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)(如表1所示)和《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL395-2007).

表1　地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3　監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.1水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

尼爾基水庫地表水基本項目監(jiān)測結(jié)果如表2所示.通過對每日監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，尼爾基水庫平均水溫為24.8℃；pH 值平均為8.75，偏堿性；溶解氧差別較大，大橋樣點(庫末)為8.56 mg/L，庫中樣點為14.87 mg/L；高錳酸鹽指數(shù)由庫中到庫末采樣點，由8.76 mg/L下降到4.36 mg/L，庫中樣點的高錳酸鉀指數(shù)高于庫末樣點近1倍；由庫中到庫末采樣點，化學(xué)需氧量高出56.2%，總磷高出8.5倍，總氮高出1.1倍，氨氮高出2.3倍.這些數(shù)據(jù)說明，尼爾基庫中樣點的綜合水質(zhì)指標(biāo)基本高出壩前采樣點和大橋(庫末)采樣點.

表2　水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2富營養(yǎng)化指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)

水體富營養(yǎng)化(eutrophication)是指由于氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入水體中，從而引起藻類以及其他高等水生植物惡性增加富集，造成水體透明度下降，溶解度降低，最終導(dǎo)致水質(zhì)惡化、水體生態(tài)系統(tǒng)被破壞的現(xiàn)象，嚴(yán)重妨礙人類對水資源的利用.在造成水體富營養(yǎng)化的污染物質(zhì)中，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)是造成水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素，也有較多學(xué)者認(rèn)為磷是更為重要的關(guān)鍵因素[6-8].

(1)葉綠素a.葉綠素a與水體中多種環(huán)境因子如水溫、pH、氮、磷含量、光照強度、溶解氧等密切相關(guān)[9-10].如圖3所示，尼爾基水庫各樣點主汛期的葉綠素a變化情況是：2014年6月，尼爾基庫末、庫中、壩前樣點葉綠素a的質(zhì)量濃度分別為8.62，9.34，10.1 μg/L.隨著時間增長，葉綠素a的濃度逐月增加.總體來看，尼爾基水庫葉綠素a濃度較低，且比較穩(wěn)定，最高值出現(xiàn)在壩前，為24.1 μg/L.

(2)透明度.尼爾基水庫透明度測量結(jié)果見圖4.隨著春、夏季節(jié)的來到，尼爾基水庫的透明度月平均低于80 cm，透明度較小，這與春、夏季節(jié)浮游生物急劇繁殖以及春汛、伏汛時期含沙量的增加有關(guān).

3.3水生生物監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過2014年9月(浮游植物生長旺季) 進行的尼爾基水庫浮游植物初步調(diào)查，分析水庫浮游植物多樣性現(xiàn)狀，共發(fā)現(xiàn)浮游植物5門24種，鑒定結(jié)果見表3.就種類而言，藍藻門數(shù)量最多(10種)，其次是綠藻門(6種)，各占調(diào)查種類的42%和25%；再次為硅藻門(5種)，占調(diào)查種類的20%，隱藻門和裸藻門種類較少.銅綠微囊藻、等長魚腥藻構(gòu)成尼爾基水庫浮游植物的優(yōu)勢種類，其優(yōu)勢度分別為Y=0.093和Y=0.042，出現(xiàn)頻率分別為100%和94.5%，是尼爾基水庫目前暴發(fā)藍藻水華的重要誘因，并隨著藍藻水華和赤潮的發(fā)生逐漸增加.而80% 的藍藻水華都可以檢測出次生代謝產(chǎn)物——微囊藻毒素，它對水體環(huán)境和人類健康的危害已成為全球關(guān)注的重大環(huán)境問題之一.

圖3　葉綠素a監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖4　透明度監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

通過對尼爾基水庫庫區(qū)周邊的實地考察發(fā)現(xiàn)，每年的9月份庫內(nèi)水溫較高，滿足了藍藻大規(guī)模暴發(fā)的溫度要求(水溫25℃～35℃時，藍藻的生長速度比其他藻類要快)，故溫度是藍藻暴發(fā)的主要因素之一[17-18]；其次，庫區(qū)內(nèi)水的流動性較差也會導(dǎo)致藍藻容易生長[19].同時，有機磷是藍藻生長的必須因素，而進入尼爾基水庫的污水中，包括含磷清潔劑的生活廢水、畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的含有大量營養(yǎng)廢物(氮和磷)的畜禽糞便，以及化肥廠和污水處理廠產(chǎn)生的工業(yè)污染物，這些元素都能導(dǎo)致尼爾基水庫富營養(yǎng)化.

表3　浮游植物監(jiān)測數(shù)據(jù)

4　評價結(jié)果

4.1單因子評價

依據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL395-2007)，本研究采用單因子指數(shù)評價法進行評價.單因子指數(shù)評價法就是以水質(zhì)最差的單項指標(biāo)所屬類別來確定水體綜合水質(zhì)的類別，一般來說單項水質(zhì)項目濃度超過GB3838Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的稱為超標(biāo)項目.

2014年6—9月尼爾基水庫各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)水質(zhì)綜合評價結(jié)果見表4.尼爾基庫末斷面水質(zhì)評價結(jié)果為Ⅲ類，無超標(biāo)項目；壩前斷面總氮超標(biāo)，屬于Ⅴ類水質(zhì)；庫中斷面高錳酸鉀指數(shù)、總氮和總磷含量均超標(biāo)，屬于劣Ⅴ類水質(zhì).

表4　單因子評價結(jié)果

4.2富營養(yǎng)化評價

尼爾基水庫富營養(yǎng)化等級評價參照湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及分級方法進行，評價結(jié)果見表5.由表5可見，尼爾基庫末和壩前的水體均屬于輕度富營養(yǎng)化，而尼爾基庫中水體屬于中度營養(yǎng)化.

表5富營養(yǎng)化評價結(jié)果

監(jiān)測斷面評分結(jié)果庫末58.5輕度營養(yǎng)化壩前56.0輕度營養(yǎng)化庫中65.5中度營養(yǎng)化

表6　浮游植物多樣性評價

4.3浮游植物多樣性評價

通過對尼爾基水庫浮游植物的調(diào)查結(jié)果可知，尼爾基庫末、壩前和庫中斷面分別為α中污帶、多污帶和多污帶，具體評價結(jié)果見表6

5　結(jié)論

綜合以上數(shù)據(jù)進行分析，尼爾基庫末水質(zhì)基本達標(biāo)，滿足地表水GB3838Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，尼爾基壩前、庫中樣點水質(zhì)超標(biāo)，主要超標(biāo)項目為高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮.水庫營養(yǎng)狀況評價結(jié)果顯示尼爾基庫中水體為中度營養(yǎng)化，主要影響因子為葉綠素a、總氮、高錳酸鹽指數(shù).生物多樣性評價結(jié)果顯示，尼爾基壩前和庫中水體污染情況為多污帶，庫末為α中污帶.

通過對水庫水質(zhì)的歷史及現(xiàn)有資料的分析，庫區(qū)總氮、高錳酸鹽指數(shù)高的原因有兩方面：一是水庫周邊的面源污染；二是嫩江上游的來水污染.因此，尼爾基水庫下一步的富營養(yǎng)化防治重點：一是庫周邊農(nóng)業(yè)面源的防治(包括控制農(nóng)藥、化肥使用量，建設(shè)庫周防護林帶等)；二是控制上游來水水質(zhì)(包括加強上游的點源污染治理、人工濕地建設(shè)等).

[1]周緒申，羅陽，鄭國臣，等.尼爾基水庫浮游植物多樣性初步研究[J]. 東北水利水電，2013(3):30-32.

[2]王昱，劉貴成，趙旭.嫩江干流與支流水質(zhì)污染狀況分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 2010(2).

[3]沈萬斌，董德明，宿華，等.嫩江齊齊哈爾市江段水環(huán)境優(yōu)化管理方案[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，2003，33(4)：519-523.

[4]國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[5]裴海燕. 南四湖藻類種群特征[M]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2010：12.

[6]蔡慶華. 湖泊富營養(yǎng)化綜合評價方法[J]. 湖泊科學(xué)，1997(1):89-94.

[7]況琪軍，馬沛明，胡征宇，等. 湖泊富營養(yǎng)化的藻類生物學(xué)評價與治理研究進展[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2005，5(2)：87-91.

[8]韓桂春，谷豐，張忠臣.淡水中葉綠素a 測定方法的探討[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2005(21):56-57.

[9]陳宇煒，高錫云.浮游植物葉綠素a 含量測定方法的比較測定[J].湖泊科學(xué)，2000(12)：185-188.

[10]顧宗濂. 中國富營養(yǎng)化湖泊的生物修復(fù)[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2002，18(1):42-45.

[11]韓君.黃海物理環(huán)境對浮游植物水華影響的數(shù)值研究[D].青島:中國海洋大學(xué)，2008：1-33.

[12]王圣瑞. 中國湖泊環(huán)境演變與保護管理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2015：1.

[13]薛建，劉華萍.用浮游植物評價淮南市窯河水域的水質(zhì)狀況[J].四川環(huán)境，2004(5):143-146.

(責(zé)任編輯：方林)

Assessment of water quality and eutrophication in Nierji reservoir

WANG Dan-yu，YANG Li-min，HAN Mei

(Key Laboratory of Ecological Restoration and Ecosystem Management，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China)

Analysis of tendency of the water quality of the key section(including end of reservoir，reservoir and front of reservoir) in Nierji reservoir was present in the paper. Single index assessment was adopted to grade-evaluate the water quality. Eutrophication grade evaluation was adopted for the assessment of nutrition in Nierji reservoir. Biodiversity index assessment was adopted to evaluate the status of biodiversity. The result showed that the main pollutants are TN，TP and CODMn，meanwhile，eutrophication is light level. According to the assessment，the decision and police were presented in the paper.

Nierji reservoir；key section；water quality assessment；eutrophication

1000-1832(2016)03-0162-05

2015-12-30

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2008ZX07207-006-01).

王丹宇(1987—)，女，碩士研究生；通訊作者：楊利民(1963—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事植物生態(tài)學(xué)研究.

X 321[學(xué)科代碼]610·2020

A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.03.029