黃河三角洲淡水恢復(fù)工程濕地水質(zhì)監(jiān)測(cè)及其評(píng)價(jià)研究

張燕，劉雪蘭，伏春燕，董紅云，李新華，3，閻百興，吳家強(qiáng)，閻佩佩，石天虹

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院家禽研究所，山東 濟(jì)南 250023；2.山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所／山東省濕地生態(tài)農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；3.農(nóng)業(yè)部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；4.中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130102）

黃河三角洲濕地是我國(guó)三大河口三角洲之一，是我國(guó)暖溫帶以及大江大河最年輕、保存完整的河口濕地生態(tài)系統(tǒng)，也是世界上最年輕、我國(guó)最具有開發(fā)潛力的三角洲濕地［1］，已經(jīng)成為東北亞內(nèi)陸和環(huán)西太平洋鳥類中轉(zhuǎn)、繁殖、越冬等核心棲息場(chǎng)所［2］。近年來(lái)，自然和人為因素（圍填海、石油開采等活動(dòng)）導(dǎo)致黃河下游斷流和年度流量減少，造成黃河三角洲濕地萎縮以及功能退化嚴(yán)重、土壤次生鹽漬化加劇、禽鳥生境破壞，生物多樣性也受到水鹽脅迫［3-5］。針對(duì)這些問(wèn)題，黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)管理局采用生態(tài)補(bǔ)水工程進(jìn)行了一系列淡水生態(tài)修復(fù)工程，旨在以淡水壓制土壤返鹽。通過(guò)多次淡水生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施不僅顯著改善了黃河三角洲濕地水文連通性和水鹽條件，也明顯增加濕地植物生物量和生物多樣性，改善禽鳥生境，提高黃河三角洲濕地系統(tǒng)功能多樣性，因此引起國(guó)內(nèi)很多學(xué)者的關(guān)注，并相繼提出了黃河三角洲生態(tài)修復(fù)保護(hù)措施［6，7］。但是有關(guān)黃河三角洲淡水恢復(fù)工程濕地水質(zhì)評(píng)價(jià)方面的研究并不多見。

在眾多水質(zhì)評(píng)價(jià)方法中，內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的最常用方法之一，它能對(duì)水質(zhì)狀況做出定量描述，其結(jié)果能夠反映水體污染程度［8］。但是傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法存在過(guò)于突出分指數(shù)最大因子對(duì)水質(zhì)的影響，而且也沒有考慮各污染因子權(quán)重［9］。為了規(guī)避傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的缺點(diǎn)，本研究采用改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)黃河三角洲區(qū)域的引黃溝渠、連河濕地和恢復(fù)濕地的水質(zhì)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為黃河三角洲濕地生態(tài)維護(hù)、改進(jìn)修復(fù)措施提供理論依據(jù)，為黃河三角洲濕地生態(tài)發(fā)展及保護(hù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)（37°35′N～38°12′N，118°33′E～119°207′E）位于山東省東營(yíng)市的黃河入?？谔帲迸R渤海，東靠萊州灣，介于東北亞內(nèi)陸和江淮平原之間，處于新、老黃河入?？趦蓚?cè)［10］。總面積15.3×104hm2，其中核心區(qū)5.8×104hm2，緩沖區(qū)1.3×104hm2，試驗(yàn)區(qū)8.2×104hm2。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)含有引黃溝渠、連河濕地和恢復(fù)濕地三種類型濕地，其中引黃溝渠連接黃河主干道和連河濕地，用于黃河三角洲灌輸黃河水；連河濕地主要功能是便于黃河水灌溉，連接引黃溝渠和恢復(fù)濕地，緩沖黃河水流速等作用；恢復(fù)濕地用于植物、土壤、生態(tài)等恢復(fù)，流速較慢或靜止。采樣點(diǎn)見圖1，其中A1～A3為引黃溝渠采樣點(diǎn)；B1～B3為連河濕地采樣點(diǎn)；C1～C5為恢復(fù)濕地采樣點(diǎn)。本區(qū)年降水量551.6 mm，蒸發(fā)量1 928 mm，氣候?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，年平均水資源量達(dá)5.3×108m3［10，11］。由于淡水生態(tài)工程的貢獻(xiàn)使得保護(hù)區(qū)內(nèi)動(dòng)植物資源豐富，但是由于水庫(kù)、漁業(yè)養(yǎng)殖、鹽田以及石油開采等人為活動(dòng)，對(duì)該區(qū)域影響巨大。保護(hù)區(qū)內(nèi)淡水恢復(fù)工程包括引黃溝渠、連河濕地和恢復(fù)濕地，這些類型濕地主要以蘆葦植物為主。本研究主要關(guān)注分析淡水恢復(fù)工程濕地中的引黃溝渠、連河濕地和恢復(fù)濕地水質(zhì)。

圖1 黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)采樣點(diǎn)（左圖比例1∶650）

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、總氮（TN）及重金屬元素銅、鋅、鉻、鉛。水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為課題組成員于2018年5、8、11月現(xiàn)場(chǎng)采集水樣，放入4℃移動(dòng)冰箱中帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定后獲取，其測(cè)試方法均根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第四版進(jìn)行測(cè)試分析。

1.3 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法水質(zhì)評(píng)價(jià)模型

改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法考慮了多個(gè)污染因子在水質(zhì)評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重，并首先確定水質(zhì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算各污染因子的權(quán)重值［12，13］。

式中，ωi為第i個(gè)污染因子的權(quán)重值；n為污染因子的個(gè)數(shù)；si為第i個(gè)污染因子的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)濃度；smax為n個(gè)污染因子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)濃度的最大值。

從水體環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中選擇與被評(píng)價(jià)水體相同的污染因子，采用下列公式計(jì)算各水質(zhì)污染等級(jí)的改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)，進(jìn)而得出改進(jìn)后水質(zhì)評(píng)價(jià)污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：

式中，ci為第i個(gè)污染因子的實(shí)測(cè)值；si意義同上；Fmax為單項(xiàng)污染指數(shù)Fi的最大值；Fω為權(quán)重值最大的污染因子的F值；P′為改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)。

1.4 水質(zhì)評(píng)價(jià)

選擇水中COD、NH3-N、TP、TN、銅、鋅、鉻、鉛作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB-3838—2002）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將水質(zhì)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類5個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) （mg／L）

采用改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)黃河三角洲恢復(fù)工程濕地的三種類型濕地水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體步驟如下：以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB-3838—2002）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本次水質(zhì)評(píng)價(jià)以Ⅲ類水為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)；由公式（1）和公式（2）計(jì)算各污染因子的權(quán)重值，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)因子權(quán)重（ωi）

由表2看出，鉻和鉛在8個(gè)污染因子中的權(quán)重值最大，也就是說(shuō)鉻和鉛在評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的影響權(quán)重相當(dāng)，均占整個(gè)評(píng)價(jià)體系權(quán)重的40.77%，為了方便計(jì)算僅選鉛元素作為最大權(quán)重值。同時(shí)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB-3838—2002）中所選污染因子，采用公式（3）、（4）、（5）計(jì)算各水質(zhì)等級(jí)改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)，由改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)劃分的污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)劃分的水質(zhì)級(jí)別

2 結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染狀況

由表4看出，各類型濕地中COD在不同時(shí)期其質(zhì)量濃度存在明顯差異，基本表現(xiàn)為：11月＞8月＞5月，且5月和8月份引黃溝渠中COD濃度明顯低于連河濕地和恢復(fù)濕地，但是11月由于引黃溝渠中蘆葦?shù)戎参锏狗鼑?yán)重，造成COD濃度明顯升高，而且引黃溝渠水質(zhì)受黃河水質(zhì)及流經(jīng)途中人為干擾的影響［15］，使得引黃溝渠水質(zhì)COD濃度均明顯高于其他兩種類型濕地。各個(gè)時(shí)期三種濕地水體中NH3-N濃度存在一定的波動(dòng)，其中引黃溝渠中波動(dòng)較大，而且其濃度一般低于其他兩個(gè)濕地類型，而連河濕地和恢復(fù)濕地均在1.392～1.984 mg／L之間波動(dòng)，這說(shuō)明連河濕地和恢復(fù)濕地NH3-N主要來(lái)源于濕地系統(tǒng)自身物質(zhì)降解或土壤釋放（即內(nèi)源性NH3-N）。TN的變化規(guī)律與NH3-N不同，其中引黃溝渠水質(zhì)在三個(gè)時(shí)期TN濃度一般高于連河濕地和恢復(fù)濕地，這說(shuō)明黃河水質(zhì)TN濃度可能已經(jīng)超過(guò)了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB-3838—2002）的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而且由于8月份處于雨季，由黃河中上游雨水沖刷以及攜帶大量污染物導(dǎo)致8月份引黃溝渠水體中TN濃度最高，而11月份經(jīng)過(guò)水體自凈，TN濃度下降，但是仍高于5月份；而連河濕地由于受自身濕地系統(tǒng)和引黃溝渠水質(zhì)影響較大，各個(gè)時(shí)期TN濃度存在一定波動(dòng)；恢復(fù)濕地水體相對(duì)靜止，其水質(zhì)變化受自身濕地系統(tǒng)影響較大，使得5月到11月TN濃度略有減少，但變化幅度較小。TP的變化規(guī)律同NH3-N，這也說(shuō)明連河濕地和恢復(fù)濕地系統(tǒng)內(nèi)源性磷釋放占主導(dǎo)地位［16］。

從表4還可以看出，各濕地系統(tǒng)水體中重金屬濃度存在一定波動(dòng)。首先各個(gè)時(shí)期銅含量均較低，鋅濃度僅在5月份超過(guò)0.02 mg／L，但均未超標(biāo)，這說(shuō)明淡水恢復(fù)工程銅、鋅元素均不存在污染風(fēng)險(xiǎn)；鉻元素8、11月份各濕地系統(tǒng)基本超出Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)濃度，而且由于連河濕地和恢復(fù)濕地自身系統(tǒng)鉻元素釋放導(dǎo)致其濃度均高于引黃溝渠；鉛濃度大小多表現(xiàn)為：11月＞5月＞8月，這說(shuō)明雨季水中鉛濃度得到稀釋，同時(shí)可能存在由于水量較大而抑制土壤中的鉛釋放，而且11月份，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)三種濕地水量明顯減少，地表水水文連貫性減弱，尤其是連河濕地和恢復(fù)濕地，導(dǎo)致其濃度顯著增加，而且很可能存在濕地系統(tǒng)鉛釋放，這需要進(jìn)一步研究證明。

各個(gè)時(shí)期引黃溝渠水質(zhì)偏堿，其pH值均在8.20以上，而連河濕地和恢復(fù)濕地水質(zhì)pH值相當(dāng)，均低于引黃溝渠水質(zhì)，5月和11月各濕地pH值偏堿性；而且8月份各濕地系統(tǒng)pH值最低（表4），這說(shuō)明雨季降水能有效調(diào)節(jié)各濕地系統(tǒng)pH值，使其接近中性。

表4 2018年不同時(shí)期濕地水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 重金屬污染狀況

根據(jù)表4中黃河三角洲恢復(fù)工程濕地水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法相關(guān)公式分別計(jì)算不同時(shí)期引黃溝渠、連河濕地和恢復(fù)濕地的改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)，結(jié)果見表5。

表5數(shù)據(jù)顯示，5月份引黃溝渠水質(zhì)處于Ⅳ類，屬于重度污染狀態(tài)，而其他各濕地系統(tǒng)和各個(gè)時(shí)期各類型濕地均為Ⅴ類水質(zhì)。這說(shuō)明水質(zhì)處于嚴(yán)重污染狀態(tài)，與劉峰等［14］對(duì)黃河口濱海濕地水質(zhì)污染調(diào)研結(jié)果相同。結(jié)合表4和表5可以看出，由于引黃溝渠的水體直接來(lái)源于黃河水，說(shuō)明用于濕地修復(fù)的黃河水水質(zhì)處于重度污染狀態(tài)，也間接說(shuō)明黃河三角洲上游水質(zhì)給本研究區(qū)帶來(lái)了較大污染風(fēng)險(xiǎn)。

從表5的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，不同時(shí)期內(nèi)梅羅污染指數(shù)值為：11月＞8月＞5月。5月份引黃溝渠的水質(zhì)等級(jí)略優(yōu)于同一時(shí)期連河濕地和恢復(fù)濕地水質(zhì)，而連河濕地水質(zhì)優(yōu)于恢復(fù)濕地水質(zhì)，引黃溝渠、連河濕地和恢復(fù)濕地污染程度遞增，這是由于5月份淡水恢復(fù)工程濕地各濕地系統(tǒng)水體處于靜止?fàn)顟B(tài)，各濕地之間交互作用較少，尤其是黃河水對(duì)恢復(fù)濕地的影響較?。欢B河濕地和恢復(fù)濕地中COD、NH3-N、TP、鋅、鉻和鉛含量明顯高于引黃溝渠水質(zhì)，說(shuō)明這一時(shí)期這兩類型濕地釋放相應(yīng)的內(nèi)源性物質(zhì)。

8月份由于大氣降雨等氣候條件影響，各濕地系統(tǒng)連貫性加強(qiáng)，存在一定的交互作用。而且由于黃河水受上游來(lái)水的影響以及降雨沖刷輸水過(guò)程中的不同景觀區(qū)，導(dǎo)致引黃溝渠水質(zhì)污染等級(jí)升高，連河濕地和恢復(fù)濕地水質(zhì)污染程度也相應(yīng)增加，但是引黃溝渠水質(zhì)仍然優(yōu)于其他兩個(gè)濕地類型。

11月份各濕地系統(tǒng)水質(zhì)內(nèi)梅羅指數(shù)最高，而且引黃溝渠水質(zhì)的內(nèi)梅羅指數(shù)明顯高于其他兩個(gè)濕地類型，而且連河濕地和恢復(fù)濕地內(nèi)梅羅指數(shù)相當(dāng)。這是由于引黃溝渠水質(zhì)受人為活動(dòng)（漁業(yè)養(yǎng)殖、石油開采等）的影響較大。

表5 2018年不同時(shí)期各濕地改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指標(biāo)及水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討論與結(jié)論

（1）改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，僅5月份引黃溝渠水質(zhì)為Ⅳ類，其余各時(shí)期引黃溝渠、連河濕地和恢復(fù)濕地水質(zhì)均為Ⅴ類。這說(shuō)明監(jiān)測(cè)期間黃河三角洲淡水恢復(fù)工程濕地目前仍處于嚴(yán)重污染狀態(tài)。

（2）三種濕地系統(tǒng)COD和TN濃度均超出地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這需要對(duì)三種濕地類型進(jìn)行植物刈割，同時(shí)要對(duì)黃河三角洲上游水質(zhì)加強(qiáng)污染管控，進(jìn)而削弱修復(fù)用水水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)。

（3）三種濕地系統(tǒng)中銅、鋅不存在污染風(fēng)險(xiǎn)，而鉻、鉛元素出現(xiàn)超標(biāo)問(wèn)題，但是降雨削弱了兩者污染風(fēng)險(xiǎn)，而且11月份兩者濃度過(guò)高，這說(shuō)明該時(shí)期需要進(jìn)一步補(bǔ)充水量，不僅能以淡壓鹽，也能抑制濕地系統(tǒng)金屬元素釋放。