大連市重要飲用水源地水體富營養(yǎng)化評價(jià)研究

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

當(dāng)前飲用水源地的水體富營養(yǎng)化問題已經(jīng)受到國內(nèi)外水環(huán)境工作者的高度重視，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國存在富營養(yǎng)化問題的淡水湖所占比例約為60%[1]。重度的水體富營養(yǎng)化將會破壞自然水體的水生態(tài)系統(tǒng)，造成水質(zhì)惡化，嚴(yán)重影響社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們的生活水平。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地評價(jià)水體的富營養(yǎng)化程度，是水環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要任務(wù)。目前我國湖泊水庫富營養(yǎng)化評價(jià)方法主要有卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、模糊評價(jià)法、營養(yǎng)度指數(shù)法、評分法以及綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)[2]。這幾種評價(jià)方法在實(shí)際水體富營養(yǎng)化評價(jià)中都有應(yīng)用，但研究者發(fā)現(xiàn)卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是以透明度為基準(zhǔn)，評價(jià)過程中沒有考慮浮游植物以外的其他因素對透明度的影響；模糊評價(jià)法若評價(jià)系統(tǒng)中選擇的指標(biāo)不同，得到結(jié)果誤差較大；營養(yǎng)度指數(shù)法數(shù)據(jù)處理繁瑣，耗費(fèi)大量時(shí)間；評分法受人為因素干擾較多，準(zhǔn)確性不高。而綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法操作簡便易行，并且王明翠[3]等運(yùn)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、營養(yǎng)度指數(shù)法以及評分法分別對太湖水體富營養(yǎng)化程度進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是一種可行有效的方法。因此，本文選取綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對大連市5個(gè)全國重要飲用水源地水體富營養(yǎng)化情況進(jìn)行評價(jià)。

1 監(jiān)測與分析、評價(jià)方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)水利部《關(guān)于開展全國重要飲用水水源地安全保障達(dá)標(biāo)建設(shè)的通知》(水資源〔2011〕329號)要求，地表水飲用水水源地水質(zhì)指標(biāo)需定期監(jiān)測，2017年4—12月(1—3月冰期無法采樣)對大連市5個(gè)全國重要飲用水源地開展了富營養(yǎng)化采樣監(jiān)測工作，監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置在水庫壩前和庫中心，具體見表1。監(jiān)測頻次為每月1次，采樣時(shí)間為每月上半月。

表1 大連市5個(gè)國家重要飲用水源地采樣點(diǎn)位置

1.2 監(jiān)測項(xiàng)目與分析方法

依據(jù)2017年遼寧省水環(huán)境監(jiān)測中心大連分中心的水庫水質(zhì)監(jiān)測資料，選擇葉綠素a(chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)以及浮游植物這6個(gè)與水體富營養(yǎng)化密切相關(guān)的參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)。

監(jiān)測按照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219—2013)、《水質(zhì) 葉綠素的測定 分光光度法》(SL 88—2012)、《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(SL 733—2016)以及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)要求的方法進(jìn)行。

1.3 評價(jià)方法及原則

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[4]對2017年大連市5個(gè)重要飲用水源地水質(zhì)進(jìn)行富營養(yǎng)化評價(jià)，由于葉綠素a存在于所有的浮游植物中，是其體內(nèi)重要的化學(xué)成分，通過測定水體藻類體內(nèi)葉綠素a的含量可以推斷出水體中浮游植物的數(shù)量，因此本次評價(jià)因子選為葉綠素a、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數(shù)(不考慮浮游植物)，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

(1)

式中 TLI(∑)——綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；

Wj——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)。

各評價(jià)因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為

TLI(chla)=10(2.5+1.086lnchla)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.66lnCODMn)

以chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為

(2)

式中rij——第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；

m——評價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

表2 我國湖庫部分參數(shù)與葉綠素a的相關(guān)關(guān)系rij及值[5]

對水庫營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級，具體見表3。同一分級的營養(yǎng)狀態(tài)下，評分指數(shù)值越高，表明水體富營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重。

表3 水庫營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)[5]

2 結(jié)果與分析

2.1 大連市重要飲用水源地富營養(yǎng)化現(xiàn)狀

大連市5個(gè)國家重要飲用水源地?fù)?dān)負(fù)著向城市供水的重要功能，其2017年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價(jià)結(jié)果見表4。

表4 大連市全國重要飲用水源地富營養(yǎng)化綜合營養(yǎng)指數(shù)評價(jià)結(jié)果

通過綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價(jià)，除松樹水庫和劉大水庫評價(jià)結(jié)果為輕度富營養(yǎng)外，其余水庫均為中營養(yǎng)程度。具體營養(yǎng)化狀態(tài)分級結(jié)果見圖1。由2017年《大連市統(tǒng)計(jì)年鑒》[6]可知，大連市5處重要飲用水源地控制流域內(nèi)，經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)、林業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等第一產(chǎn)業(yè)為主，第二產(chǎn)業(yè)分布較少，流域內(nèi)沒有規(guī)模性的第二產(chǎn)業(yè)存在，因此水庫富營養(yǎng)化主要是農(nóng)藥、化肥不科學(xué)合理的使用，畜牧養(yǎng)殖業(yè)的排泄物及生活污水排放、垃圾隨意丟棄未集中治理導(dǎo)致的。

圖1 大連市2017年大型水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

2.2 水庫富營養(yǎng)化程度隨季節(jié)變化規(guī)律

分別對劉大水庫和松樹水庫4—12月各月富營養(yǎng)化程度進(jìn)行綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價(jià)，結(jié)果見圖2。

圖2 劉大水庫和松樹水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐月變化趨勢

由圖2可知，劉大水庫和松樹水庫在8—10月富營養(yǎng)化程度處于“輕度富營養(yǎng)”狀態(tài)，其他時(shí)間均為“中營養(yǎng)”狀態(tài)，營養(yǎng)指數(shù)峰值出現(xiàn)在8月。以上結(jié)果表明水庫富營養(yǎng)化程度受季節(jié)變化影響顯著，通常在夏秋兩季易高發(fā)，冬春季為中營養(yǎng)水平。

浮游植物監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：劉大水庫和松樹水庫4—5月藻類優(yōu)勢種為金藻門錐囊藻，屬于貧營養(yǎng)湖泊的優(yōu)勢種。 8月松樹水庫和劉大水庫藻類優(yōu)勢

種均為藍(lán)藻門魚腥藻，其中松樹水庫藻細(xì)胞密度為1241.5×104cells/L，該藻類在夏季易形成水華，水華風(fēng)險(xiǎn)評估為水華臨界條件。劉大水庫藻細(xì)胞密度為683.5×104cells/L，水華風(fēng)險(xiǎn)評估為初具條件。9月松樹水庫的優(yōu)勢種為藍(lán)藻門念珠藻，藻細(xì)胞密度為684.5×104cells/L，水華風(fēng)險(xiǎn)評估為初具條件。劉大水庫的優(yōu)勢種為藍(lán)藻門念珠藻、綠藻門柵藻、硅藻門小環(huán)藻，是形成水華的主要種類，藻細(xì)胞密度為222.8×104cells/L。10月松樹水庫的優(yōu)勢種為藍(lán)藻門念珠藻和硅藻門小環(huán)藻，藻細(xì)胞密度為882.2×104cells/L，水華風(fēng)險(xiǎn)評估為初具條件。劉大水庫的藻類優(yōu)勢種為藍(lán)藻門念珠藻和綠藻門柵藻，藻細(xì)胞密度為507.0×104cells/L，水華風(fēng)險(xiǎn)評估為初具條件。

2.3 富營養(yǎng)化指標(biāo)相關(guān)性分析

利用Pearson相關(guān)系數(shù)對影響水體富營養(yǎng)化的各個(gè)因子之間的相關(guān)性進(jìn)行分析處理[7]，結(jié)果見表5。

表5 各指標(biāo)間Pearson相關(guān)性

根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織研究結(jié)果，90%的湖庫富營養(yǎng)化是受磷、氮元素制約的[8]，由表5可知，葉綠素a與TP呈顯著正相關(guān)，與呂學(xué)研、楊中蘭[9-10]等的研究結(jié)果一致，說明磷是影響大連市水庫富營養(yǎng)化的重要控制指標(biāo)。葉綠素a與透明度值呈顯著負(fù)相關(guān)，透明度是富營養(yǎng)化的重要參數(shù)指標(biāo)，湖庫中浮游植物大量繁殖，其水體透明度會降低，而湖庫的葉綠素a會增大，因此兩者之間應(yīng)該有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。葉綠素a與高錳酸鹽指數(shù)呈顯著正相關(guān)，表明浮游藻類的生長繁殖可能與高錳酸鹽指數(shù)存在著相互影響，富營養(yǎng)化水體中強(qiáng)烈的光合作用生成了大量的藻類和其他耗氧有機(jī)物，使得水體高錳酸鹽指數(shù)指標(biāo)明顯增大[11]。總氮與高錳酸鹽指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，說明水環(huán)境因子之間相互影響；透明度與高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，高錳酸鹽指數(shù)主要是指用高錳酸鉀氧化水中有機(jī)物所耗氧的量。通常若水體中浮游植物繁殖量增加，相應(yīng)的耗氧有機(jī)物的含量也隨之升高，而浮游植物量高的水體，透明度低，因此透明度與高錳酸鹽指數(shù)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 語

運(yùn)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對2017年大連市全國重要飲用水源地水體進(jìn)行富營養(yǎng)化評價(jià)，評價(jià)結(jié)果表明大連市5處全國重要飲用水源地除松樹水庫和劉大水庫為“輕度富營養(yǎng)化”外，其余飲用水源地水質(zhì)良好。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，水庫富營養(yǎng)化程度受季節(jié)變化影響顯著，在夏秋兩季易高發(fā)，冬春季最低。通過對各富營養(yǎng)化因子之間的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：透明度與高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；葉綠素a與總磷、高錳酸鹽指數(shù)呈顯著正相關(guān)，與透明度值呈顯著負(fù)相關(guān)，與呂學(xué)研、楊中蘭等的研究結(jié)果一致，說明磷是大連市水庫富營養(yǎng)化的控制因子；總氮與高錳酸鹽指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，說明水環(huán)境因子之間相互影響。該研究方法和結(jié)果可為大連市重要飲用水源地的水質(zhì)富營養(yǎng)化控制和改善提供實(shí)踐指導(dǎo)，為水環(huán)境管理及水污染防治提供科學(xué)依據(jù)。