二灘水庫近5年水質(zhì)演變趨勢及相關(guān)性分析

楊 玖，白 羽，張 利，王小將，陳美芳

(1.攀枝花市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花市鹽邊縣環(huán)境監(jiān)測站，四川 攀枝花 617000；3.攀枝花市仁和區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，四川 攀枝花 617000)

1 前 言

一直以來富營養(yǎng)化是造成內(nèi)陸水庫水體污染最主要的方式。水體富營養(yǎng)化指水體中氮磷等營養(yǎng)性物質(zhì)含量過多而藻類及其他耗氧性水生生物過度繁殖，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。氮磷元素是水體富營養(yǎng)化的主要控制因子[1]，而人類生產(chǎn)活動向水體中排放過量的氮磷元素，農(nóng)田化肥，漁業(yè)養(yǎng)殖以及人畜糞便是氮磷元素的主要來源。葉綠素a是水體初級生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化程度的基本標(biāo)志，其濃度通常被應(yīng)用于描述水體富營養(yǎng)化狀態(tài)和研究水質(zhì)動態(tài)的變化[2-3]。富營養(yǎng)化不僅破壞了水體的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致水生生物多樣性降低。而且，水體感官性狀惡化，喪失其社會服務(wù)功能。在富營養(yǎng)化的水體中，透明度降低，并散發(fā)出腥臭味，大大降低其應(yīng)有的美學(xué)價(jià)值，影響人們生活、娛樂、休閑；一方面給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面進(jìn)一步加劇了水資源危機(jī)[4]，減短水體壽命，嚴(yán)重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。富營養(yǎng)化形成與發(fā)展的成因主要與水文、物化、氣象和區(qū)域環(huán)境等環(huán)境要素等密切相關(guān)，主要表現(xiàn)為協(xié)同誘導(dǎo)作用和非線性特征[5-6]。

二灘水庫是長江上游生態(tài)屏障區(qū)的重要組成部分。流域是自然生物物種基因庫，大面積的水域和原始暗針葉林植被在調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)貧夂?、保持水土、水源涵養(yǎng)、穩(wěn)定長江水源等功能方面都起到極為重要的作用。同時(shí)為漁業(yè)生產(chǎn)提供了廣闊水面和優(yōu)質(zhì)條件，漁業(yè)得到快速發(fā)展。但由于缺乏合理規(guī)劃，庫區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖盲目擴(kuò)張，網(wǎng)箱養(yǎng)殖規(guī)模增長過快，養(yǎng)殖飼料和魚類排泄物嚴(yán)重影響水庫水質(zhì)，水體質(zhì)量逐年下降，直接導(dǎo)致了該水域水體的富營養(yǎng)水平，水質(zhì)出現(xiàn)污染，并不斷惡化，甚至在個(gè)別水域發(fā)生“水華”現(xiàn)象。加上流域社會經(jīng)濟(jì)情況整體發(fā)展，生活污染、農(nóng)業(yè)面源等污染源的入庫量也隨之增加，引起水質(zhì)趨于惡化。根據(jù)2013～2017年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文分析了近5年二灘水庫水質(zhì)變化規(guī)律，全面了解水庫的富營養(yǎng)化特征及其關(guān)鍵影響因素，為保護(hù)水庫飲用水安全和健康的生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 區(qū)域概況

二灘水庫位于四川省西南角，地處青藏高原東南緣，云南高原北部，地跨東經(jīng)101°10′～102°6′，北緯26°40′～27°59′。水庫面積101km2，水庫流域總面積達(dá)5 711.4km2，其中攀枝花市域范圍內(nèi)面積共3 360.31 km2。該水庫為“Y”字形人工湖，屬延伸型峽谷型水庫。該水庫具有生物多樣性保護(hù)和棲息地、水產(chǎn)品供給、人文景觀等功能，兼有發(fā)電、防洪、旅游、養(yǎng)殖、航運(yùn)、飲用水源及工農(nóng)業(yè)用水等多種功能，在城市飲用水安全日益緊張的趨勢下，該水庫的功能將更顯突出。

2.2 采樣點(diǎn)位布設(shè)

根據(jù)庫區(qū)的地理形狀，共設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)，即柏枝、鱤魚、紅壁灘下、二灘，具體位置見表1。其中柏枝斷面為該水庫的入庫斷面，二灘斷面為該水庫的出庫斷面。從2013年1月～2017年12月每月采樣一次，2013～2017年的監(jiān)測數(shù)據(jù)由市環(huán)境監(jiān)測中心站提供。

表1 二灘水庫監(jiān)測斷面坐標(biāo)Tab.1 The geographic coordinate of monitoring sections of Er’tan Reservoir

2.3 監(jiān)測項(xiàng)目

透明度采用塞氏圓盤法現(xiàn)場測定，水溫、溶解氧、pH等采用便攜式儀器法現(xiàn)場測定，其余理化項(xiàng)目采集后在保存期內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測定。其他參數(shù)具體分析方法和詳細(xì)步驟按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法和《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》(增補(bǔ)版)進(jìn)行[7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用EXCEL 2007軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析，采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多因子相關(guān)性分析，采用單因素方差分析比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

2.5 富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算

水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，評價(jià)指標(biāo)有葉綠素a(chla)、總氮(TN)、 總磷(TP)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)[8]。加權(quán)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)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)變化趨勢

3.1.1 時(shí)間變化

水庫水質(zhì)隨著時(shí)間的變化，各指標(biāo)均出現(xiàn)相應(yīng)的變化(圖1)。2013～2017年中，pH值在2013年最高(均值為8.34)，2014年最低(均值為7.95)(圖1a)；一年內(nèi)，pH值在秋季較高，春季較低，但不顯著(圖1a)；水溫常年均在25℃以下，且逐年顯著上升。水溫在夏秋季較高，冬春季較低，具有顯著的季節(jié)性變化(圖1b)；透明度(SD)從2013年開始有下降趨勢，2017年有顯著升高；透明度(SD)的季節(jié)變化為冬季明顯高于夏季，變化范圍在1.0～5.5m之間(圖1c)。電導(dǎo)率常年變化不大，在2013年9月、2014年3月和2016年5月電導(dǎo)率較高，其值分別為217ms/m、306.5ms/m和166.7ms/m(圖1d)。葉綠素a(Chla)濃度一般在夏季和春季達(dá)到最大值，冬季較低，變化范圍為0.05～12mg/m3(圖1e)。DO值在2013年最高，隨后降低至2015年，又上升；DO隨季節(jié)變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律，在冬季溶氧量較高，夏季較低，可能是此時(shí)處于豐水期，降雨多，陰天多，水溫高，排污量大，藻類光合作用受阻所致(圖1f)。高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)在2013年下降，隨后上升至2015最高，隨后呈下降趨勢，隨季節(jié)變化為夏季較高，冬季較低(圖1g)。從年變化看，氨氮指數(shù)隨著時(shí)間有上升趨勢，并在2017年10月份達(dá)到最大(0.088mg/L)；從季節(jié)變化來看，氨氮主要表現(xiàn)為冬季<春季<夏季<秋季，冬季最低，具體呈現(xiàn)出隨著月份增大其值也增大，但在11月份開始降低(圖1h)。從2013年開始，總氮(TN)上升，到2015年達(dá)到最大，隨后降低；總氮(TN)在秋季較高，最大值出現(xiàn)在8～9月份，濃度變化值在0.62～1.04mg/L之間，低值主要出現(xiàn)在2月份和6月份(圖1i)。2013～2017年，總磷(TP)濃度逐年下降，其濃度最大值主要出現(xiàn)在2013年3月份(0.068 4mg/L)，其他月份變化不明顯，其值均在0.01～0.02mg/L之間上下波動；夏冬兩季較低(圖1j)。五日生化需氧量(BOD)是反映水中有機(jī)污染物含量的一個(gè)綜合指標(biāo)。BOD值一般變化范圍在0.5～3.5mg/L，在2013～2017年呈上升隨后下降的趨勢，且在2015年最大；在6～10月豐水期，BOD值較高，11～次年5月為枯水期，其值降低，可見，庫區(qū)在枯水期中耗氧性有機(jī)污染物中可生化降解有機(jī)物的含量基本穩(wěn)定，表明湖水的可生化性保持穩(wěn)定，水中的耗氧性有機(jī)污染物容易被其中的微生物凈化，降低了隨顆粒物沉淀進(jìn)入底泥、重新釋放污染水體的可能性(圖1k)。水庫中糞大腸菌群含量變化幅度較大20～790個(gè)/L，9月份糞大腸菌含量較高，這可能是由于雨季降水量較大，污染物沖刷使得排污量大引起的，同時(shí)受沿岸生活污水，農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)等面源污染的影響(圖1l)。

圖1 二灘水庫2013～2017年逐月水質(zhì)變化Fig.1 Monthly variation of water quality of Er’tan Reservoir during 2013～2017

圖2 二灘水庫2013～2017年空間水質(zhì)變化趨勢Fig.2 Spatial variation of water quality in Er’tan Reservoir during 2013～2017

對每個(gè)指標(biāo)不同年份進(jìn)行單因素方差分析，水庫近5年各水質(zhì)指標(biāo)年際變化略有不同，得出水溫、pH、溶解氧、總磷、總氮、氨氮、透明度、生化需氧量和葉綠素a濃度均存在顯著年際變化(p<0.01)，但電導(dǎo)率和糞大腸菌群年際變化不顯著。

2016年水庫中網(wǎng)箱拆除后，水庫中葉綠素a、BOD、CODMn、總氮、總磷均有不同程度的下降。

3.1.2 空間變化

對4個(gè)點(diǎn)位5年各指標(biāo)月均值進(jìn)行空間異質(zhì)性分析，分析結(jié)果顯示(見圖2)，水溫、電導(dǎo)率、pH、葉綠素a、BOD、CODMn、總氮、總磷、氨氮、透明度均表現(xiàn)為二灘點(diǎn)位低于其他三個(gè)點(diǎn)位，即出庫斷面均低于入庫斷面，糞大腸菌群和DO均表現(xiàn)為二灘點(diǎn)位高于其他點(diǎn)位，入庫斷面均低于出庫斷面。通過差異性分析，4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位中除了葉綠素a和糞大腸菌群外均無顯著性差異。

3.2 綜合營養(yǎng)指數(shù)變化

根據(jù)時(shí)間分析，水庫近5年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈下降趨勢，如圖3所示。從不同點(diǎn)位可以看出，各點(diǎn)位水體屬于中營養(yǎng)狀態(tài)，二灘點(diǎn)位綜合營養(yǎng)指數(shù)最低，柏枝點(diǎn)位較高。根據(jù)湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價(jià)等級，2017年水庫水體屬于貧營養(yǎng)狀態(tài)，2013～2016年均在50以下屬于中營養(yǎng)狀態(tài)。

圖3 二灘水庫2013～2017年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)時(shí)空變化趨勢Fig.3 Temporal and spatial variations of TLI in Er’tan Reservoir during 2013～2017

4 討 論

4.1 各指標(biāo)相關(guān)性分析

通過相關(guān)性分析(表2)，可以發(fā)現(xiàn)，pH與透明度之間相關(guān)性顯著并呈正相關(guān)(P<0.05)，BOD與總氮呈顯著正相關(guān)，與葉綠素a呈顯著負(fù)相關(guān)；氨氮與水溫、糞大腸菌群存在著顯著的正相關(guān)，葉綠素a與總氮、總磷呈無明顯相關(guān)性，與氨氮呈顯著相關(guān)，這可能是浮游生物直接優(yōu)先利用以氨氮為主的營養(yǎng)形態(tài)；電導(dǎo)率與葉綠素a呈顯著正相關(guān)。水溫的變化會影響水體中藻類光合作用和呼吸代謝速率[9]。結(jié)果表明，二灘水庫中葉綠素a與水溫呈負(fù)相關(guān)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是多方面的，水溫變化不顯著，溫度較低，常年均在25℃以下，大部分均在15℃左右，可能與藻類的生長溫度不適合；內(nèi)源營養(yǎng)鹽有限的釋放作用及其浮游植物的攝食，也可能是水深光照氣溫和其他氣象因子等多重作用的結(jié)果[10]。

表2 水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)分析Tab.2 Correlation analysis of water quality indexes of Er’tan Reservoir

注：*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，** 在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4.2 二灘水庫營養(yǎng)狀況及變化趨勢

4.2.1 葉綠素a與N/P變化趨勢

N/P在一定范圍內(nèi)能制約藻類生長，是群落結(jié)構(gòu)改變的重要誘因，反之藻類的不斷生長繁殖也影響氮磷比[11-12]。一般認(rèn)為當(dāng)?shù)妆刃∮?0∶1時(shí)為氮限制，大于10∶1時(shí)為磷限制[13]，由圖4可以看出，氮磷比均大于10∶1，即磷為限制藻類生長的主要元素。因此，必須嚴(yán)格控制磷元素的輸入，控制生活污水等的排放以防止藻類的大量繁殖引起水華。葉綠素a的含量受水溫、營養(yǎng)鹽等因素的影響，其含量能夠在一定程度上反映水體水質(zhì)狀況。葉綠素a的含量變化趨勢與TN/TP變化趨勢相反，既保持著良好的相關(guān)性。

圖4 二灘水庫2013～2017年氮磷比與葉綠素a的含量變化趨勢Fig.4 The trend of nitrogen-phosphorus ratio and chlorophyll a concentration of Er’tan Reservoir during 2013～2017

4.2.2 富營養(yǎng)化指數(shù)變化

根據(jù)2016～2017年二灘庫區(qū)水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)監(jiān)測結(jié)果(表3)，考慮庫區(qū)水體自凈能力，2017年1～7月份二灘庫區(qū)內(nèi)水體處于凈化期間，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較2016年無明顯變化，2017年8～12月份，二灘庫區(qū)內(nèi)水體營養(yǎng)物質(zhì)持續(xù)消耗，水體基本完成自凈，水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)持續(xù)下降。與2016年相比，二灘庫區(qū)水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)月度同比最大下降值13.5，水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年均值下降了3.4，水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)明顯降低，水質(zhì)得到明顯改善。

表3 二灘水庫各測點(diǎn)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of TLI in different monitoring points of Er’tan Reservoir during 2016～2017

5 結(jié) 論

5.1 2013～2017年間，水溫、pH、溶解氧、總磷、總氮、氨氮、透明度、生化需氧量和葉綠素a濃度均存在顯著年際變化。除總氮和生化需氧量外，各指標(biāo)均存在顯著的季節(jié)變化，一般豐水期水質(zhì)比枯水期水質(zhì)差。二灘水庫水質(zhì)存在顯著的空間差異性，表現(xiàn)為二灘點(diǎn)位水質(zhì)好于其他點(diǎn)位。

5.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表明近5年間水庫營養(yǎng)狀態(tài)逐步下降，由中營養(yǎng)狀態(tài)向貧營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，多年平均綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在空間上表現(xiàn)出二灘點(diǎn)位綜合營養(yǎng)指數(shù)與其他點(diǎn)位具有顯著性差異。