威海市崮山水庫水質(zhì)分析及富營養(yǎng)化評價*

李 光， 李曉紅， 葉海斌， 王曉璐， 劉洪軍

(1.中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院，山東 青島 266003； 2.山東省海洋生物研究院,山東 青島 266104)

研究簡報

威海市崮山水庫水質(zhì)分析及富營養(yǎng)化評價*

李 光1， 李曉紅1， 葉海斌2**， 王曉璐2， 劉洪軍2

(1.中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院，山東 青島 266003； 2.山東省海洋生物研究院,山東 青島 266104)

以崮山水庫為監(jiān)測點，對2013—2014年期間水質(zhì)狀況進(jìn)行了分析，研究了T、pH、DO、COD、TN、TP、Chl-a指標(biāo)在水體中不同時間和一年四季中的變化規(guī)律。本研究結(jié)果表明，T、pH、COD、TP和Chl-a含量在夏秋季比較高，2014年DO含量相對于2013年含量有所提高，相同的是2個年份都表現(xiàn)出DO含量在夏秋季節(jié)偏低，這也說明崮山水庫夏秋季的生物活動量較頻繁。其中總氮含量年際變化較大，硝酸鹽與總氮含量呈正相關(guān)。水庫氮磷比為77∶1，屬于磷限制型水庫。除總氮含量超出地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，其它指標(biāo)都符合中國生活飲用水水源地標(biāo)準(zhǔn)。同時選取Chl-a、TP、TN、COD、SD為研究指標(biāo)，用綜合評價法對水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行了評價，2013、2014年崮山水庫富營養(yǎng)指數(shù)分別為：52和49.4，研究表明崮山水庫水質(zhì)由2013年的富營養(yǎng)化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?014年的中營養(yǎng)化狀態(tài)，說明崮山水庫采取的生態(tài)養(yǎng)魚方式對水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化防治起到了有效的作用。

崮山水庫；水質(zhì)分析；富營養(yǎng)化評價

全球范圍內(nèi)的水資源問題日益突出導(dǎo)致安全飲用水的提供成為如今所面臨的重要問題之一，其主要體現(xiàn)在水資源短缺和水源水質(zhì)惡化的問題上。2007年5月，中國因太湖無錫流域藍(lán)藻大面積的暴發(fā)導(dǎo)致400多萬居民的日常飲用水受到嚴(yán)重的影響[1]。隨后，藍(lán)藻暴發(fā)也同樣發(fā)生在安徽巢湖、吉林長春新立城水庫和云南滇池等地[2-5]，為中國城市安全用水的供給敲響了警鐘。山東省屬于中國北方中缺水比較嚴(yán)重的地區(qū)之一，山東人均水資源的占有量不足全國的1/6，僅為世界的1/24，水資源時空分布不均，人多地少水卻，屬北方嚴(yán)重缺水地區(qū)之一。為了使得中國山東省的水資源的問題得到緩解，各地區(qū)開始興建相應(yīng)的調(diào)蓄工程。

威海市的崮山水庫擁有90.3 km2的流域面積、2 690萬m3的總庫容、1 500萬m3的興利庫容，且處在環(huán)翠區(qū)五渚河的下游地帶。有1座的小(1)型水庫和12座的小(2)型水庫位于水庫的上游，在入庫附近的溫泉鎮(zhèn)以上河流分為兩條支流(東和西)。于1983年5月份該水庫開始被興建，蓄水于1984年7月份被建成，威海市區(qū)市民的日常生活用水和工業(yè)用水主要由它承擔(dān)，日供水量可達(dá)2.5萬m3，年供水量可高達(dá)800萬m3左右，對威海市的供水起著很重要的作用。崮山水庫的建立為水資源配置、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等方面做出了顯著貢獻(xiàn)，但是伴隨這些顯著效益的同時，也出現(xiàn)水庫水質(zhì)個別指標(biāo)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題[6]。水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致世界各地的水生生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重的水質(zhì)問題，受影響尤為嚴(yán)重的是使用湖水作為飲用水供應(yīng)地區(qū)的健康問題[7-8]。水體富營養(yǎng)化的機(jī)制尚不完全清楚，但是表層水系統(tǒng)的過量營養(yǎng)負(fù)荷被認(rèn)為是主要的因素之一[9-10]。

污染控制是一種有效的方法，但難以在短時間內(nèi)實現(xiàn)[11]。對此，研究者對崮山水庫飲用水水源地的水質(zhì)富營養(yǎng)化防治技術(shù)也進(jìn)行了探討與研究[12]。由于近年來對水庫水質(zhì)監(jiān)測時效性不足，很難全面及時地掌握水體水質(zhì)的動態(tài)變化。根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn)，對崮山水庫水體水質(zhì)的研究數(shù)據(jù)多為2010年以前的[13]，分析方法較為單一，導(dǎo)致研究成果難以準(zhǔn)確反映崮山水庫水質(zhì)狀況。為此，利用2013—2014年實測數(shù)據(jù)，通過水體指標(biāo)年度變化規(guī)律以及季節(jié)變化規(guī)律對崮山水庫水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測和分析，并運用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對水庫水體富營養(yǎng)化水平進(jìn)行評價，以期為崮山水庫飲用水水源地資源利用和水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 實驗方法與評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1樣品采集

于2013年1月—2014年12月期間以每月1次的頻率對崮山水庫的水質(zhì)進(jìn)行采樣，具體的采樣時間為每個月的中上旬。選取上游，中游和下游3個采樣點，用筒式采水器在每個采樣點進(jìn)行采樣，采集水面下1 m處的水樣。采得的水樣用磷酸酸化固定，帶回實驗室測定COD、TN、TP和 Chl-a。現(xiàn)場測定指標(biāo)為水溫、溶解氧、電導(dǎo)率和pH等。

1.2測定方法及測定標(biāo)準(zhǔn)

以溫度(T)、pH、溶解氧(DO)、化學(xué)耗氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素a(Chl-a)等為測定指標(biāo)對水樣進(jìn)行理化指標(biāo)的測定，測定方法與測定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 崮山水庫水樣理化指標(biāo)測定方法及測定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Major monitoring projects, monitoring methods and basis of Reservoir water samples

2 威海崮山水庫水質(zhì)狀況分析

根據(jù)威海崮山水庫2013—2014年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對水溫、pH、COD、溶解氧、總氮、總磷和Chl-a等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行年度變化和季節(jié)變化分析。

2.1水溫

2013—2014年崮山水庫水溫變化范圍為0～27.9 ℃，平均值為12.9 ℃。從近2年崮山水庫水溫變化趨勢圖1中可以看出，水庫水溫年際變化較小，2014年水溫較2013年有升高現(xiàn)象。季節(jié)變化趨勢表現(xiàn)為：夏季>秋季>春季>冬季(春季：3—5月；夏季：6—8月；秋季：9—11月；冬季：12—2月)。

圖1 2013—2014年崮山水庫水溫(T)變化趨勢圖Fig.1 Variation trend of water temperature (T) of Gushan reservoir in 2013—2014

2.2pH

崮山水庫pH變化范圍為6.9～8.5，平均值為7.9，水質(zhì)呈弱堿性(見圖2)。通過數(shù)據(jù)對比可以看出2013年與2014年的 pH 值相近，通常情況下，浮游植物通過光合作用消耗水體中的 CO2，并釋放氧氣，致使水體呈弱堿性，可以推測水庫中浮游植物種群密度較為穩(wěn)定。從季節(jié)變化趨勢(見圖2)中可以看出2013年與2014年夏季時期的 pH 較大，一般夏季水體生物處于活躍期，浮游植物量的增多便會產(chǎn)生更多的光合作用，使水體 pH 升高。

圖2 2013—2014年崮山水庫pH變化趨勢圖

2.3化學(xué)需氧量

2013—2014年崮山水庫化學(xué)需氧量存在一定波動，COD變化范圍為17.4～20 mg/L，平均值為19.13 mg/L，屬于地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(≤20 mg/L)。通過圖3可以看出，2013—2014年，化學(xué)需氧量只有在7、8月有顯著差異，并且在2013年度中，夏季到秋季 COD 變化有一個驟然下降過程。分析其原因或許由于夏季節(jié)水溫較高導(dǎo)致浮游生物群落密度升高，水中生物進(jìn)行新陳代謝會產(chǎn)生大量的有機(jī)物，從而導(dǎo)致COD的升高，而秋季的突然下降或許由于水庫的放水期，大量換水致使 COD 驟然下降。相比較下，2014年 COD 變化較為平穩(wěn)，夏秋季水中生物活動頻繁會使水中代謝有機(jī)物增多，從而使COD在夏季向秋季過渡中有一個緩慢上升的現(xiàn)象。

圖3 2013—2014年崮山水庫化學(xué)需氧量(COD)變化趨勢圖

2.4溶解氧

崮山水庫DO含量變化范圍為8.3～9.7 mg/L，其平均值為9.11 mg/L,可以達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。從圖4中我們可以明顯發(fā)現(xiàn)與2013年的水庫DO含量相比，2014年的呈現(xiàn)整體上升的趨勢，每年的7—11月DO較其它月份低，據(jù)推斷是由于夏秋季節(jié)是生物量的高峰期也是生物活動的活躍期，導(dǎo)致COD升高，由此消耗大量的溶解氧，其次由于夏季微囊藻類等喜光藻種數(shù)量較高并存在于水體上層，衰減了光照對下層植物和其它浮游植物的光合作用。從圖4中可以看出，DO季節(jié)變化趨勢為冬季>春季>夏季>秋季。

圖4 2013—2014年崮山水庫溶解氧(DO)變化趨勢圖

2.5總氮

從圖5可以看出，2013—2014年期間崮山水庫總氮含量變化較大，變化范圍為3.24～6.04 mg/L，平均值為4.07 mg/L(以N計),超出地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(2.0 mg/L，以N計)。其中氨氮占TN的5.8%，硝酸鹽氮占TN的64.9%，亞硝酸鹽氮占TN的0.9%，有機(jī)氮占TN的28.4%(見圖6)。硝酸鹽氮是含氮營養(yǎng)鹽的主要存在形式，相關(guān)性的研究分析顯示，硝酸鹽氮與總氮含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(見圖7)。

TN含量在季節(jié)性變化上2013和2014年出現(xiàn)不同的季節(jié)變化規(guī)律，2013年TN含量季節(jié)變化規(guī)律為：春季>秋季>冬季>夏季(見圖5)，正常情況下TN的含量應(yīng)隨著水體中生物活動量的增加而增多，夏秋季節(jié)生物活動較頻繁，從而生物的呼吸量和排泄量也隨著增多，這必然會導(dǎo)致氨氮和有機(jī)氮含量增多，從而使得TN含量提升。但是水體中氮形態(tài)的轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜，氨氮會被亞硝化細(xì)菌氧化為為亞硝態(tài)氮，進(jìn)而由硝化細(xì)菌氧化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下還原硝酸鹽，釋放氮氣(N2)或一氧化二氮(N2O)，這一過程中硝化細(xì)菌在25℃溫度下繁殖最快，夏季隨著水溫的升高，硝化細(xì)菌生物量增多，水中 DO 含量降低會使反硝化細(xì)菌的反硝化作用增多，進(jìn)而使水中的氮向大氣中逸出，減少了水中總氮的含量。而2014年TN含量季節(jié)變化幅度較小，全年TN含量較穩(wěn)定，其變化規(guī)律為：夏季>秋季>冬季>春季(見圖5)，夏季生物活動量的增多所產(chǎn)生的氮壓過水體中的反硝化作用從而使得總氮在夏秋季節(jié)略有提升。另外，2013年TN 含量波動較大也受測定方法的影響，通常情況下總氮的測定需要將水樣通過過硫酸鉀消解(K2S2O8),而中國許多K2S2O8藥品純度達(dá)不到消解的要求，所以測定總氮的數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確性上還需通過更多實驗來確定，并找出問題所在[14]。所以如何提高水環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量以及加強(qiáng)對地表水水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量的研究有非常重要的意義[15]。

圖5 2013—2014年崮山水庫總氮(TN)含量變化趨勢圖

圖6 含氮營養(yǎng)鹽形態(tài)分布

圖7 TN與硝酸鹽氮相關(guān)性分析

2.6總磷

崮山水庫TP含量變化范圍為0.02～0.15 mg/L，其平均值為0.05 mg/L，能夠達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(TP濃度≤0.05 mg/L)的要求。從圖8中我們可以很明顯地看出，除2013年11月，2014年8、10月總磷含量超過0.1 mg/L，其它月份變化較小，水庫水體中總磷含量較高。2014年8、10月和2013年11月份總磷含量升高有以下幾點可能：(1)通過測得的葉綠素a含量發(fā)現(xiàn)，這3個月份當(dāng)中葉綠素含量為全年中最高，可以推測期間初級生產(chǎn)力為最高峰，由于初級生產(chǎn)力的增加導(dǎo)致了水體pH的上升，繼而促進(jìn)了庫底沉積物氫氧根離子與水體中磷酸根的交換，繼而沉積物中的磷被釋放到水中。(2)由于8、10、11月份浮游動物的代謝旺盛，在代謝過程中排出的磷以糞便形式成為腐屑，再由微生物的分解作用而釋放磷于水中。加之生物擾動會引起底部沉積物中磷的釋放。(3)在嫌氣性的還原條件下，沉淀中氧化鐵和氫氧化鐵被還原為易溶解的氧化亞鐵和氫氧化亞鐵，這時被吸附的磷就回歸到水中。由于8、10、11月份水體中生物循環(huán)還處于活躍期，水底富含大量有機(jī)物質(zhì)，加之微生物的活動消耗氧而形成嫌氣性條件，由此沉積物也會向水體中釋放磷。

從TP含量季節(jié)變化趨勢如圖8，從中可以看出TP含量夏秋季較高，冬春季節(jié)較低。

圖8 2013—2014年崮山水庫總磷(TP)含量變化趨勢圖

崮山水庫氮磷比為77，以往的研究表明，在TN/TP>14的情況下磷是藻類生長的限制性因素。因此，崮山水庫屬于磷限制性水庫。

2.7葉綠素a(Chl-a)

在浮游植物的細(xì)胞中Chl-a占有比較穩(wěn)定的比例，因此浮游植物初級生產(chǎn)力的大小可以通過Chl-a的濃度反映出來，它也因此經(jīng)常作為一個重要指標(biāo)被用來衡量水體的富營養(yǎng)化程度，與此同時有關(guān)水體理化性質(zhì)動態(tài)變化的相應(yīng)綜合指標(biāo)也能被反映出來。崮山水庫Chl-a含量變化范圍為0.000 53～0.004 81 g/L，平均值為0.002 3 g/L(見圖9)。

從季節(jié)變化趨勢圖中可以看出，Chl-a含量的季節(jié)變化規(guī)律為：夏秋季節(jié)偏高，冬春季節(jié)偏低。夏秋季節(jié)Chl-a含量偏高的原因之一可能是夏秋季節(jié)水溫較高，浮游植物的光合作用增強(qiáng)，因此生物量和初級生產(chǎn)力提高，從而使Chl-a含量升高。

圖9 2013—2014年崮山水庫葉綠素a(Chl-a)含量變化趨勢圖

3 富營養(yǎng)化評價

對水庫富營養(yǎng)化評價多數(shù)采用葉綠素a評價法，生物評價法以及綜合評價法。對崮山水庫本研究采用綜合評價法[16]對水體進(jìn)行富營養(yǎng)化狀態(tài)評價。此方法選用葉綠素a、TN、TP和SD作為評價參數(shù)，根據(jù)表2算出評分值，之后可以通過以下公式獲得水庫的評分指數(shù)值，進(jìn)而求得水體營養(yǎng)狀態(tài)：

M=1/n∑Mi(i=1，…，n)，

式中：M數(shù)值代表營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Mi代表某項評價參數(shù)中的評分?jǐn)?shù)值；n代表評價參數(shù)中的個數(shù)。

按照綜合評價法對2013—2014年崮山水庫的富營養(yǎng)化情況進(jìn)行分析匯總，得到結(jié)果如下表3。

表2 水庫富營養(yǎng)化評分以及分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Eutrophication score and classification standard of lakes and reservoirs

表3 崮山水庫水體富營養(yǎng)化綜合評價結(jié)果

注：依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)M<30時水體表現(xiàn)為貧營養(yǎng)狀態(tài)；當(dāng)30≤M≤50時水體表現(xiàn)為中營養(yǎng)狀態(tài)，當(dāng)M>50時水體表現(xiàn)為富營養(yǎng)狀態(tài)。

Note：Evaluation criteria:M<30 is oligotrophic;30≤M≤50 is Mesotrophic;M>50 is Eutrophy.

按照綜合評價法對崮山水庫2013—2014年的富營養(yǎng)化情況進(jìn)行分析匯總，2013和2014年崮山水庫富營養(yǎng)指數(shù)分別為52和49.4，數(shù)據(jù)表明2013年水體富營養(yǎng)程度為富營養(yǎng)，2014年水體富營養(yǎng)程度為中營養(yǎng)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)崮山水庫2013—2014年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)明確了崮山水庫水質(zhì)特征，并對其水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行年際變化及季節(jié)變化分析，得到如下結(jié)論：水質(zhì)溶解氧滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，總磷含量的平均數(shù)值是0.05 mg/L，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，總氮含量較高，平均值為4.07 mg/L，超出地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；近2年崮山水庫的總磷、高錳酸鹽指數(shù)等指數(shù)年際變化不大，總氮含量變化較大。季節(jié)變化規(guī)律研究表明，葉綠素a夏秋季節(jié)高于冬春季節(jié)，總磷秋季高于其它季節(jié)，總氮季節(jié)變化規(guī)律不明顯，但冬季總氮含量較其它季節(jié)穩(wěn)定；崮山水庫氮磷比為77，屬于磷限制型水庫。通過采用綜合評價法，對崮山水庫水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀的分析表明：崮山水庫水體屬于中營養(yǎng)水平；這得益于近兩年采用生態(tài)治理的方法防治水體富營養(yǎng)化，采取投放鰱魚和鳙魚的措施控制藻類的繁殖，通過魚類種群密度和不同種群間的協(xié)同效應(yīng)和下行效應(yīng)來實現(xiàn)水質(zhì)的凈化。使得崮山水庫水體由2013年富營養(yǎng)化狀態(tài)成功轉(zhuǎn)向中營養(yǎng)狀態(tài)，體現(xiàn)了生態(tài)治理水體富營養(yǎng)化的有效性。

(2)在此次水質(zhì)分析中，總氮是判斷飲用水、水源水、污染程度的重要指標(biāo)之一。2013、2014年分別在總氮含量上有著不同季節(jié)變化，其變化不同受水體中微生物的影響，通常水庫中總氮含量在夏秋季較高，水體中生物活動頻繁導(dǎo)致呼吸量和排泄量增多，氨氮濃度也會增加，這對于絕大多數(shù)生物有著不利影響，而水體中硝化和反硝化作用會降低氨氮含量，大大降低了水中游泳生物因氨氮濃度過高而死亡的風(fēng)險，再次說明微生物在水體中扮演著重要的角色。

致謝：感謝威海市崮山水庫管理處提供的科研幫助。

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WaterQualityAnalysisandEutrophicationAssessmentforGushanReservoir

LI Guang1, LI Xiao-Hong1, YE Hai-Bin2, Wang Xiao-Lu2, LIU Hong-Jun2

(1. College of Marine Life Science, Ocean University of China, Qingdao 266003，China； 2.Marine Biology Institute of Shangdong Province,Qingdao 266104，China)

Water quality situation between 2013 and 2014 was analyzed based on Gushan reservoir, seven indexes which are T、pH、DO、COD、TN、TP and Chla were researched to find theirs changing regularities on different times and seasons. The results show that T、pH、COD、TP and Chla levels were higher during summer and autumn, the content of DO in 2014 was increased compared with the year in 2013, meanwhile, the content of DO in summer and autumn was lower than the season in spring and winter, this also show that the more frequent biological activity during the summer and autumn. The changes in annual variation range of total nitrogen content was larger, Nitrate nitrogen and total nitrogen content were positively correlated. The ratio of TN and TP is 77 which means the reservoir belongs to phosphorus restricted type. Most of indexes were conformed to the standard of the water source for drinking and living in China except the level of TN in exceed the class Ⅴ of Environmental Quality Standards for Surface Water. Meanwhile the indexes which are Chla、TP、TN、COD and SD were selected as studying targets to evaluate eutrophication in Gushan reservoir by method of Comprehensive evaluation method. The Eutrophication index of Gushan mountain in 2013 and 2014 were 52 and 49, The result shows that the quality of water in Gushan reservoir was in state of eutrophic in 2013 and then turns to mesotrophication in 2014 thanks to the ecological method that by fishing farm to control and prevent eutrophication in Gushan reservoir, Purification of water quality by using the cooperative effects and downstream effects of fish population density and different species groups, and this ecological method produced positive effect and effective progress and which provided scientific basis and practical experience to take further steps to control and prevent eutrophication of water bodies.

Gushan reservoir; water quality analysis; eutrophication assessment

X8

A

1672-5174(2017)12-080-08

責(zé)任編輯 高 蓓

10.16441/j.cnki.hdxb.20160306

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國家自然科學(xué)基金項目(41476091)資助

Suppoted by the National Science Foundation of China(41476091)

2016-08-30；

2016-10-20

李 光(1984-)，男，碩士生。E-mail: liguang.368@163.com

** 通訊作者：E-mail: yehaibin@263.net