洋河水庫富營養化發展趨勢及其關鍵影響因素

王麗平，鄭丙輝

(中國環境科學研究院，國家環境保護部河口與海岸帶環境重點實驗室，北京 100012)

洋河水庫位于河北省秦皇島市撫寧縣城北10 km處，地理坐標為N39°58'45″—40°00'59″;E119°00'09″—119°59'59″，始建于1959年10月，1961年建成蓄水，總庫容為3.53億m3，流域面積755 km2，以城市供水功能為主，兼有防洪、灌溉、養殖和發電功能［1］。流域內屬溫帶季風性氣候，氣候溫和，四季分明，水庫正常蓄水位57.0 m(庫容為1.45億m3)，平均水深5.7 m。目前水庫富營養化程度日益加重，數據顯示，1985年水庫水華現象并不十分明顯，主要集中在暑期末的部分水域;而在1990年水華現象已經覆蓋7月底—9月初的大部分水域;到1999年水體則呈現出‘中-富營養化’，水華現象已經主要出現在7月中旬至9月中旬的所有水域［2-8］。目前，幾乎每年暑期都會有全庫水域的水華暴發，水質惡化，景觀環境受到破壞，更重要的是對秦皇島居民以及北戴河中央暑期辦公人員的供水安全產生嚴重影響。

2011年對洋河水庫進行水質和浮游藻類的監測調查，以期全面了解水庫的富營養化特征及其關鍵影響因素，為采取有效措施預防水華暴發、恢復暑期作為飲用水源的使用功能提供技術支持。

1 材料和方法

1.1 采樣站位和監測參數

洋河水庫流域屬于季風型大陸氣候，四季分明，每年冬季約2—3個月的冰封期(12月至翌年2月)。因此，溫度是水華暴發的重要限制因子，每年5—10月水溫(10—29℃)適合藻類生長。因此在2011年5—10月采集洋河水庫表層水體和浮游藻類生物樣品，每月2次，現場采用YSI多參數水質監測儀測定水溫(T)、溶解氧(DO)、pH值(pH)，透明度(SD)采用塞式盤法測定。其它監測指標總磷(TP)、正磷酸鹽(PO3-P)、總氮(TN)、硝態氮(NO3-N)、氨態氮(NH4-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、總有機碳(TOC)、葉綠素a(Chl-a)按照《水和廢水監測分析方法》第四版的樣品采集和分析方法進行［9］。在2010年對水庫進行預調查基礎上，優化了采樣站位，最終共設置4個站位(圖1):壩前1個(Y1)、庫中心1個(Y2)、西洋河口(Y3)和東洋河口(Y4)各1個。

在監測過程中發現，自7月中旬至8月底，洋河水庫暴發全庫水體的水華，水體呈蔥綠色，并伴有六六六粉味。在此期間采集浮游藻類生物樣品500 mL，魯哥氏液固定，靜止24 h后，經虹吸最終體積濃縮為20 mL，生物顯微鏡進行藻密度計數和優勢藻種類鑒定。

1.2 統計分析

水庫的富營養化狀態采用卡爾森指數法(Trophic State Index，TSI)［10-11］，計算方法如下:

監測指標間的相關關系分析采用軟件SPSS13.0進行。

2 結果

2.1 洋河水庫富營養化的年際變化趨勢

由于洋河水庫水華主要在每年的7—9月暴發，在這個時間段內關于TN、TP、SD和Chl-a的調查分析數據較多，本研究收集了1990年以來每年8月的監測數據［2-8］，并結合2011年本研究小組的監測結果，綜合分析洋河水庫富營養化的變化趨勢。圖2為洋河水庫水體TN、TP、SD和Chl-a濃度及其相應富營養化狀態指數TSI的變化趨勢。由圖可見，TN、TP和Chl-a濃度呈明顯上升趨勢，分別從1990 年的0.72 mg/L、0.029 mg/L 和 3.35 μg/L 增加至 2011 年的 4.25 mg/L、0.103 mg/L和88.5 μg/L;SD則呈現明顯下降趨勢，從1990年的 1.65 m 降低至 2011 年的 0.3 m。TSITN、TSITP、TSISD和 TSICHL分別從 1990 年的 49.71、52.71、52.78、42.46 升高至2011 年的75.33、70.98、77.36、74.58。

圖1 洋河水庫采樣站位Fig.1 The Yanghe Reservoir and its sampling stations

2.2 洋河水庫5—10月的富營養化特征

圖3為洋河水庫2011年5—10月水環境條件的變化趨勢，由圖可見，5—10月期間各水質因子都存在不同程度的波動，在水華暴發期間(7月中旬至8月底)，T在23.5—29.2℃之間，SD和DO明顯下降(P＜0.05)，pH值略有上升，CODMn和TOC有所上升。2011年5—10月營養鹽和Chl-a濃度變化趨勢見圖4，其中氮磷都呈現不同程度的上升趨勢，Chl-a濃度發生明顯變化，在水華暴發期間明顯升高(P＜0.05)，水華暴發后期突然下降(P＜0.05)。各參數的變化范圍見表1。

洋河水庫2011年5—10月Chl-a與營養鹽、水環境條件的相關分析見表2，其中T、SD、DO、pH值、TP、PO3-P、CODMn和TOC都與Chl-a濃度明顯相關;其它各因子之間也存在一定的相關性，如T與SD、DO、pH值和TOC明顯相關;SD與DO、pH值、TP和PO3-P明顯相關等。

7月中旬至8月底水華暴發期間浮游藻類優勢種為銅綠微囊藻(Microystis aeruginosa)，密度高達3.5×106個/mL，其次為魚害微囊藻(M.ichthyoblabe)，密度為1.4 ×106個/mL。

經非參數Kolmogorov-Smirnov檢驗發現，Chl-a不服從正態分布而是服從log值正態分布，因此采用log(Chl-a)為因變量進行回歸分析。log(Chl-a)與各指標間的逐步回歸方程為:

圖2 1990—2011年每年8月TP、TN、SD和Chl-a平均濃度及其相應TSI指數的年變化Fig.2 Total nitrogen(TN)，total phosphorus(TP)，secchi disk depth(SD)，chlorophyll a(Chl-a)concentration and TSITN，TSITP，TSISD，TSICHLin August of each year during 1990—2011

表1 洋河水庫2011年5—10月水環境參數、Chl-a濃度的平均值及其波動范圍(n=24)Table 1 Mean values and their range of water quality indices and Chl-a from May to October in 2011(n=24)

圖3 洋河水庫2011年5—10月水體T、SD、DO、pH值、CODMn、TOC的變化趨勢(每個站位的月平均值)Fig.3 The developing trend of water temperature(T)，secchi disk depth(SD)，dissolved oxygen(DO)，pH，chemical oxygen demand(CODMn)and total organic carbon(TOC)from May to October in 2011(monthly average value of each site)，the period between two dashed line showed the time of algal bloom outbreak

表2 洋河水庫2011年5—10月葉綠素a與各水環境因子的相關關系Table 2 The spearman rank correlation in water quality factors and Chl-a

3 討論

圖4 洋河水庫2011年5—10月水體營養鹽和Chl-a濃度的變化趨勢(每個站位的月平均值)Fig.4 The developing trend of nutrient and chlorophyll a(Chl-a)concentration from May to October in 2011(monthly average value of each site)

對1990—2011年Chl-a與TN、TP、SD的相關關系進行分析，發現SD與Chl-a具明顯相關性，兩者間的擬合關系如圖5所示，R2=0.9612;2011年5—10月SD也與Chl-a明顯相關(表2)，表明洋河水庫水體透明度主要受浮游藻類細胞密度的影響。在與Chl-a濃度具明顯相關性的各水環境指標中(表2)，其中SD、DO、pH值是水華暴發的結果而非原因［12］，因此SD、DO、pH都是洋河水庫水華暴發影響水質的主要表現指標，而SD受水華影響最明顯。CODMn和TOC是作為衡量水中有機物質含量多少的指標，其中TOC示水中有機物的總含碳量，而CODMn只表示水體中具還原性的有機物含量，一般TOC＞COD，水華暴發期間CODMn和TOC略有上升，且都與Chl-a濃度具明顯相關性(表2)，因此CODMn、TOC是水庫水華暴發的主要影響因素之一。營養鹽監測結果發現，1990—2011期間TN常年超過國際公認湖庫發生富營養化的濃度水平(0.20 mg/L)，TP也常年超過國際公認的發生富營養化的濃度水平(0.02 mg/L)［13］，因此洋河水庫屬于高營養水體，具備發生富營養化的營養鹽條件。2011年5—10月期間TP、PO3-P、TN、NO3-N、NH4-N濃度都呈逐漸上升趨勢(圖4)，9月水華消退后仍明顯上升，表明這幾種形式營養鹽濃度的升高與水華生消沒有直接關系，主要受內源、外源污染的影響。洋河水庫支流上游是種植和加工白薯比較集中的區域，每年9月至11月上旬，農民利用簡陋的粉碎裝置，在田間地頭、戶院把白薯粉碎、過濾加工成淀粉，此時產生大量含高濃度營養鹽的廢水，匯集河道后流入洋河水庫［6，14］。因此，氮磷營養鹽濃度的升高(尤其是9月以后)主要是洋河上游農業活動造成的。水華暴發期間Chl-a濃度在22.16—162.26 μg/L之間，明顯高于水華暴發前和水華消退后的濃度水平(圖4)。

氮、磷是水體富營養化發生的主導因子，氣象環境(主指溫度和光照)是誘發富營養化的外因，緩流水體是富營養化產生的載體(尤其是水流緩慢、水深較淺且相對封閉的水體)。人為地改變氣候條件的可能性較小，因此富營養化防治一般重點考慮營養鹽以及水動力條件的改變。對于洋河水庫，上游農業活動是造成水庫氮磷污染的主要原因［6，14］。另外，洋河水庫中沉積物高達水庫總容積的1/10，平均沉積物厚度達0.96 m，從某種意義上講沉積物已經成為水庫內部儲存營養鹽等污染物的巨大倉庫［15］。劉娜對洋河水庫底泥氮磷釋放規律進行了系統研究，指出內源污染對水體的富營養化程度起著控制作用［14］。因此，降低水庫營養鹽濃度，在控制上游農業生產所帶來外源營養鹽污染的同時，還要充分考慮內源污染對水體富營養化的影響并采取相應措施。根據水庫的流速特征，可以將水庫劃分為河流型水體(＞0.2 m/s)、過渡型水體(0.05—0.2 m/s)和湖泊型水體(≤0.05 m/s)［16］。洋河水庫水體幾乎處于靜止狀態，水體滯留時間約284 d［14］，水華原因種主要是藍藻門的微囊藻，因此洋河水庫屬于典型的富營養化的湖泊型水體。當水溫和光照適合時，水華暴發。因此，預防洋河水庫水華暴發，在有效降低水體營養鹽濃度，控制內源、外源污染的同時提高水體流速或水體交換速率，才能控制水體水華暴發，最終達到改善洋河水庫水質狀況，提高洋河水庫服務功能質量的目的。

圖5 1990—2011年期間SD與Chl-a之間的擬合關系圖Fig.5 Power regression between secchi disk depth(SD)and chlorophyll a(Chl-a)during 1990—2011

綜上，洋河水庫水華暴發是多種因素造成的，但水體中較高濃度的氮磷是最主要的因素，當夏季水溫升高達到藻類迅速增殖的溫度時，藍藻迅速增殖形成水華。洋河水庫流域降雨主要集中在夏季，也是水華集中暴發的季節，監測過程中發現，在水華暴發期間，有幾次主要降雨，但并沒有達到有效稀釋水體中藻細胞密度的效果，水華仍持續發生。當進入初秋季節，日溫差較大，表層水體溫度晝夜差異明顯，可能是水華消失的重要原因。

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