北方山丘型水庫藻類變化及原因分析

劉宗涵

（湖南農業(yè)大學，湖南長沙 410128）

在我國北方山丘地區(qū)，水庫水源主要來自于山區(qū)周邊雨水徑流及部分外調水源引入。近年來，隨著山體周邊種植業(yè)及旅游業(yè)的發(fā)展，山丘型水庫周邊帶來的面源和點源污染問題存在，優(yōu)質水源水質優(yōu)勢持續(xù)減弱，其特點為季節(jié)性藻類爆發(fā)及臭味指標波動、pH升高、原水腐殖酸類有機物偏高等。近兩年來，藻類爆發(fā)嚴重，給水廠水處理帶來了很大挑戰(zhàn)。居民用水存在季節(jié)性嗅味問題，引發(fā)抱怨和投訴。

本研究以北方優(yōu)質供水資源的某山區(qū)水庫為例進行水質變化分析。關注水庫的藻類生長及其影響因素分析，為優(yōu)質水資源的保護、水質改善和持續(xù)保持提供參考。

1.研究對象及方法

本文數(shù)據(jù)選取某山丘水庫水源地，2010～2020年間水廠原水的水質檢測數(shù)據(jù)，每月檢測一次。檢測項目包括藻類總數(shù)、優(yōu)勢藻種、總氮、總磷、pH、溶解氧、耗氧量、葉綠素a、水溫和氨氮。檢測方法采用《生活飲用水標準檢驗法》（GB5750）。采集數(shù)據(jù)通過EXCEL和SPSS軟件進行計算、曲線繪制及相關性分析。SPSS軟件在進行相關分析時，首先計算Pearson（皮爾遜）相關系數(shù)，然后利用假設檢驗進行統(tǒng)計推斷，在一定的顯著性水平α（0.01或0.05）上進行t檢驗，判斷兩個樣本之間是否存在顯著的相關性。

2.結果與分析

2.1 水庫中藻類的發(fā)展變化

2.1.1 藻類爆發(fā)總數(shù)和頻次分析

作為優(yōu)質水源地的某水庫在2019年季節(jié)性爆發(fā)藻類嚴重，水庫溶解氧降低。溯源該水庫10年來的藻類檢測情況，從2010年至今，藻類總數(shù)年平均值變化如圖1所示。

圖1 2010～2020年藻類總數(shù)年均值變化

結果顯示，水庫水中年均藻類總數(shù)從140萬個/L增長至1500萬，增長了10倍以上。其中分為三個階段，2012年之前，水庫原水中藻類總數(shù)較低，年均值在150萬個/L左右，大部分月份藻類數(shù)量在100萬個/L以下。2012～2018年，水庫原水中藻類總數(shù)增大，年均值在500萬左右，藻類每年春夏有1～3個月份季節(jié)性爆發(fā)，總數(shù)突破1000萬個/L。2019年6月，藻類總數(shù)達到3000萬個/L，較往年增長了三倍。2020年5月開始，藻類總數(shù)突破5000萬，連續(xù)五個月份的藻類總數(shù)在1000萬以上。從2019年開始，水庫原水季節(jié)性爆發(fā)藻類嚴重，總數(shù)和爆發(fā)月份數(shù)都有所升高，給供水和出廠水質帶來了不利影響。

2.1.2 藻類爆發(fā)優(yōu)勢藻種變化

不同營養(yǎng)狀態(tài)的水體中藻類優(yōu)勢種存在差異，各大門類藻類適應生存于不同的營養(yǎng)型水體中。一般來說，貧營養(yǎng)型湖泊中以金藻、黃藻類為主，中營養(yǎng)型湖泊中以甲藻、硅藻和隱藻類占優(yōu)勢，富營養(yǎng)型湖泊則以綠藻和藍藻占優(yōu)勢[1]。統(tǒng)計藻類爆發(fā)時期的藻種情況，見表1。

表1 藻類爆發(fā)時期藻類種屬統(tǒng)計

2016年之前，水庫中藻類以針桿藻、小環(huán)藻等硅藻為主，顫藻（屬于藍藻）和裸藻也偶有爆發(fā)；2016年以來，藻類爆發(fā)時期藍藻比例增加，包括色球藻、常絲藻和易產生嗅味的偽魚腥藻等，最高占比70%以上。2020年藻類爆發(fā)期間，占比最高的就是偽魚腥藻和針桿藻。藻類的不同也跟季節(jié)變化有關，通常春季易爆發(fā)以針桿藻為主的硅藻等，而夏秋季節(jié)容易爆發(fā)以偽魚腥藻和螺旋藻等為主的藍藻、綠藻等。

2.2 影響藻類生長的因素分析

影響藻類生長的因素有很多，包括氮磷等營養(yǎng)元素、光照強度、pH、水溫、溶解氧等[2]。營養(yǎng)元素的增多會造成水體富營養(yǎng)化，為藻類生長提供豐富的營養(yǎng)物質；當pH、水溫和光照等環(huán)境條件適宜的情況下，藻類極易大量爆發(fā)。營養(yǎng)鹽的來源主要有外源和內源，外源包括土壤流失、徑流沖刷、人類活動排放（如生活污水、化肥農藥流失）等，內源包括底泥污染釋放、大氣沉降等[3]。

目前，分析該水庫的水質參數(shù)，造成藻類生長的因素有以下幾個方面：

2.2.1 總氮、總磷含量高

水體富營養(yǎng)化是由于人類生產和生活活動排放大量的氮、磷等營養(yǎng)物質進入水庫，引起藻類和其他浮游生物迅速繁殖、水體溶解氧下降、水質惡化[4]。營養(yǎng)化程度越高，越易引起藻類等浮游生物的生長。水中無機氮為藻類或高等水生植物的光合作用提供營養(yǎng)，同化成有機氮[5]。磷是一切藻類生長所必需的營養(yǎng)元素，需要量比氮少。根據(jù)文獻記載[6]，按照總磷和總氮的濃度水平，可以將水體的營養(yǎng)狀態(tài)分為以下級別，見表2。

表2 營養(yǎng)狀態(tài)分級表

以水庫目前氮磷的濃度水平，處于中營養(yǎng)或中富營養(yǎng)狀態(tài)。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，總氮的濃度一直較高，均值為2.64mg/L。2010年9月至今，年均值逐年下降，從4.42mg/L降至0.92mg/L；但是，數(shù)值波動較大，一般是秋冬季節(jié)較高，最高值8.37mg/L，最低值僅為0.69mg/L。水庫總磷的含量受檢出限限制，基本在0.01～0.06mg/L之間，大部分時間處于中營養(yǎng)水平，夏季處于中-富營養(yǎng)水平。

2.2.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價，營養(yǎng)化程度增強

單一指數(shù)評價有一定的局限性。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站《湖庫（水庫）富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》，經常采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進行湖庫富營養(yǎng)化狀態(tài)評價[7]。評價綜合考慮總氮、總磷、透明度、葉綠素和高錳酸鹽等指數(shù)。不同分值的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)得分指示水體不同的營養(yǎng)化狀態(tài)，得分范圍和對應關系見表3。在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重。

表3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分級表

不考慮透明度的影響，該水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)得分在20～50之間，均值為35，基本屬于中營養(yǎng)的濃度水平。夏季指數(shù)高，基本在40以上，冬季較低，在30左右。2010～2020年年均綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)得分如圖2所示，2010年至今，指數(shù)得分基本逐年升高，年均值在2018和2020年達到最大值，接近輕度富營養(yǎng)的水平。從趨勢來看，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與水庫藻類的變化相似，從中營養(yǎng)向中富營養(yǎng)發(fā)展。2012年之前，藻類總數(shù)較低的年份，指數(shù)得分也較低，在40以下。一般藻類爆發(fā)的年份和月份，指數(shù)得分也較高，說明該指數(shù)可以很好地指示藻類生長情況。

圖2 2010～2020年水庫綜合營養(yǎng)指數(shù)年均變化圖

2.2.3 水溫

在營養(yǎng)物質供應充足、光照充分的條件下，水溫為藻類生長的控制因子。水溫越高，藻類增殖速度越快。2010年至今藻類總數(shù)的變化如圖3所示，從藻類和水溫的數(shù)據(jù)來看，水溫開始升高的春季，藻類一般處在增長期；夏季，一般藻類含量達到峰值。

圖3 2010～2020年水庫藻類的變化趨勢圖

2.3 藻類總數(shù)增加對水質造成的影響

2.3.1 溶解氧下降

溶解氧是衡量水體自凈能力的一種指標。水中藻類生長期溶解氧的含量會因藻類光合作用的釋放而升高，衰亡期則會因為藻類腐敗分解而消耗水體中的氧，造成氧含量降低。水里的溶解氧被消耗，要恢復到初始狀態(tài)，所需時間短，說明該水體的自凈能力強，或者說水體污染不嚴重。否則說明水體污染嚴重，自凈能力弱，甚至失去自凈能力[10]。2010年至今，水庫溶解氧含量值在5～13.5mg/L之間，均值為9.2mg/L，大部分時間能夠滿足《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅱ類水標準6mg/L的要求。計算年均變化如圖4所示，從2017年開始，水庫水中溶解氧年均含量較往年略有降低，這可能與水庫水位降低，藻類的大量繁殖有關。

圖4 2010～2020年水庫溶解氧年均含量的變化趨勢圖

從不同季節(jié)來看，水庫溶解氧呈現(xiàn)夏季高，冬季低的特點。與溫度有較好的相關性，如圖5所示，溫度越低，溶解氧含量越高。

圖5 2010～2020年水庫水溫與溶解氧的關系圖

2.3.2 耗氧量升高

耗氧量是反映水質受到污染特別是有機物指標的替代水質指標之一。耗氧量升高代表水中有機碳含量上升，可能引起一系列的水質問題，包括異嗅味、影響水廠水處理效果、耗氯量增大、消毒副產物升高等。

2010年至今，水庫水中耗氧量逐年升高，年均值從2.60mg/L增長到3.60mg/L，耗氧量的變化見圖6所示。水庫水的耗氧量指標能夠滿足《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838- 2002）中Ⅱ類水標準4mg/L的要求，但是已經逐漸接近于限值，呈現(xiàn)水質逐漸惡化的趨勢。

圖6 2010～2020年年平均耗氧量含量變化圖

2.3.3 pH不斷升高

從2010年至今，該水庫年均pH逐年升高，最低值7.65，最高8.15，一般來說夏季高，冬季低，水庫pH的變化如圖7所示。

圖7 2010～2020年年平均pH變化趨勢

總的來說，造成pH值上升的原因主要有以下幾種：①溫度升高，二氧化碳在水中的溶解度下降，使得pH上升；②藻類進行光合作用消耗水中的游離二氧化碳，導致水中OH-濃度增加，pH值上升；③水庫底質中碳酸鹽和碳酸氫鹽的平衡釋放，碳酸鹽增多，也會使得水體的pH升高；④長期干旱水庫庫容量的減少，會使得這種情況加劇[8]。該水庫pH不斷上升是這幾種原因的綜合結果。

水體pH是一個重要的生態(tài)因子，與藻類生長關系密切。不同藻類有一定的pH適應范圍，即使同一屬的兩種藻，在不同pH下，其生長也可能有很大差別。因此，pH對藻類的組成及分布有著重要的影響。一般認為，藍藻偏好較高的pH[9]，也為近兩年藍藻的爆發(fā)提供了有利的條件。

2.4 藻類指標相關性分析

對水庫水中的水質指標進行SPSS相關性分析，結果見表4。從統(tǒng)計分析可以看出，水庫藻類與水溫、氨氮、pH、耗氧量、葉綠素a和綜合得分有顯著的正相關關系，與溶解氧有顯著的負相關關系。這說明水溫越高，綜合得分越高，對藻類的生長越有利，藻類總數(shù)相對越多；藻類總數(shù)的增多又造成pH、耗氧量、氨氮、葉綠素a增多，溶解氧含量降低。綜合得分指數(shù)與藻類、葉綠素a有顯著的正相關關系，與溶解氧有顯著的負相關關系，說明該指數(shù)可以很好的指示藻類的生長狀況。

表4 水質指標相關性分析結果統(tǒng)計表

3.總結及建議

通過綜合分析北方該優(yōu)質水源地水庫的水質檢測數(shù)據(jù)，得出以下結論:

水庫原水季節(jié)性爆發(fā)藻類嚴重，藻類總數(shù)和爆發(fā)月份數(shù)都有所升高，且藻種從硅藻向引發(fā)嗅味的藍藻轉變，對生產和水質的不利影響增大。

水庫水質呈現(xiàn)惡化的趨勢，富營養(yǎng)化程度增強，是造成藻類爆發(fā)的主要因素。

藻類的季節(jié)性爆發(fā)又進一步引起水質的不斷惡化，高錳酸鹽指數(shù)升高，有機質增多，給凈水廠工藝帶來處理難度，易引發(fā)居民供水的嗅味和消毒副產物等問題。

建議加強水源保護區(qū)內的污染源調查，切斷外源污染。對水庫保護區(qū)范圍內的點、面源污染進行詳細調查，有針對性的提出水源防護、法制管理等對策建議。禁止在水庫周邊開荒，搞好水庫周邊環(huán)境綠化，種植水源涵養(yǎng)林，防止水土流失，控制營養(yǎng)鹽輸入，減少泥沙在水庫淤積。

建議加強發(fā)展庫區(qū)生態(tài)養(yǎng)殖，豐富水體生物多樣性。根據(jù)水體自凈能力，在水庫中散養(yǎng)鰱、鳙魚等濾食性魚類，控制水體藻類爆發(fā)。