水庫總磷總氮分析與富營養(yǎng)化評價

單 敬

(天津水務(wù)集團(tuán)有限公司水質(zhì)監(jiān)測中心，天津300040)

湖泊在自然條件下會從貧營養(yǎng)水平過渡到富營養(yǎng)水平，但過程非常緩慢，而人類活動例如排放含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的工業(yè)廢水或生活污水，可在短期內(nèi)引起水體的富營養(yǎng)化。人畜長期飲用含有超標(biāo)污染物的水可能引起中毒，甚至致病[1-3]。受經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的影響，河流、湖泊等水體中氮、磷等營養(yǎng)元素的累積加速，使水體從貧營養(yǎng)狀態(tài)過渡到富營養(yǎng)狀態(tài)的演變進(jìn)程加快。大量調(diào)查研究表明，我國水庫的富營養(yǎng)化情況不容小覷[4]。筆者根據(jù)2018年11月至2019年10月對某水庫理化因子和葉綠素a的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了CODMn、TP、TN和葉綠素a(Chl-a)等指標(biāo)隨著季節(jié)的變化趨勢，同時對水庫進(jìn)行了富營養(yǎng)化水平的調(diào)查研究，以期合理評價水庫的營養(yǎng)狀況，為進(jìn)一步做好水源地的保護(hù)工作，從而加強(qiáng)管理和改善水庫水質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 水質(zhì)分析方法

總磷：向水樣中加入過硫酸鉀溶液進(jìn)行高壓消解，再加入抗壞血酸溶液和鉬酸鹽溶液，用分光光度法測定。

總氮：向水樣中加入堿性過硫酸鉀溶液進(jìn)行高壓消解，加入鹽酸溶液，用分光光度法測定。

高錳酸鹽指數(shù)：向水樣中加入(1+3)硫酸溶液，以草酸鈉為標(biāo)準(zhǔn)溶液，用高錳酸鉀溶液滴定。

葉綠素a：向水樣中加入飽和碳酸鎂溶液，過濾濃縮，加入90%丙酮溶液進(jìn)行研磨。離心后轉(zhuǎn)移澄清提取液進(jìn)行分光測定。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 理化因子分析

2.1.1 CODMn

水庫2018—2019年的水質(zhì)理化因子，以及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[5](GB 3838—2002)I～V類水體對應(yīng)的限值見表1。

表1 2018—2019年水庫水質(zhì)

水庫CODMn的年度變化趨勢見圖1，CODMn在夏季和秋季明顯高于冬季和春季。全年CODMn在3.1～6.8 mg/L，年度最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在春季，平均值為4.7 mg/L，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 水庫CODMn的變化趨勢

2.1.2 TP和TN

① TP

圖2所示為2018—2019年水庫TP的變化趨勢，結(jié)合表1可以看出，TP的變化與季節(jié)存在一定的規(guī)律。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，夏季和秋季TP偏高，平均值分別為0.05和0.07 mg/L；冬季和春季偏低，平均值分別為0.01和0.03 mg/L。研究表明，溫度影響水庫沉積物中的磷元素向水體中的釋放，溫度越高，磷元素釋放越多，由于夏、秋季水庫溫度偏高，TP也隨之增加。TP在0.01～0.08 mg/L波動，年平均值為0.04 mg/L，符合III類標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 水庫TP的變化

② TN

通過表1和圖3可見，TN隨著季節(jié)而變化，冬、春季較高，平均值分別為2.76和3.60 mg/L；夏、秋季較低，平均值分別為1.33和1.83 mg/L。TN在0.93～4.74 mg/L變化，年平均值為2.33 mg/L，超過V類水體標(biāo)準(zhǔn)。

③ TN/TP

水中藻類生長所必須的營養(yǎng)元素主要是氮、磷，總磷、總氮與藻類的生長情況之間存在密切關(guān)系，當(dāng)兩者濃度的比例達(dá)到一定值時對藻類的繁殖生長最有利，反之則會限制藻類的繁殖生長。有研究表明，最佳TN/TP在10～15；當(dāng)TN/TP小于10時，氮是限制藻類生長的主要因素；當(dāng)TN/TP大于14時，磷是藻類生長的限制因素[6]。從圖4可以看出，2018—2019年水庫TN/TP的年平均值為101，說明磷是藻類生長的限制因素，水庫屬于典型的磷(P)限制型水庫。

圖3 水庫TN的變化趨勢

圖4 水庫TN/TP的變化趨勢

2.3 葉綠素a(Chl-a)與TP、TN的關(guān)系

2.3.1 葉綠素a(Chl-a)

葉綠素a是整個光合作用過程中能量傳遞的核心，通過監(jiān)測水中藻類的葉綠素a含量，能夠反映出藻類的生長狀況。從圖5可以看出，2018—2019年水庫葉綠素a的變化規(guī)律呈現(xiàn)出夏季>秋季>春季>冬季的趨勢。夏、秋季水庫溫度和氮、磷等營養(yǎng)鹽濃度均處于較高水平，有利于藻類的生長繁殖。藻類的生長是一個不斷積累、逐漸增長的過程，隨著水溫的升高，葉綠素a在7月達(dá)到最大值，為147.1 mg/L。到了冬季，水溫急劇下降，造成藻類生長緩慢，葉綠素a迅速減小，在2月降至最低值5.6 mg/L。

1.3.2 葉綠素a(Chl-a)與TP、TN的關(guān)系

圖6和圖7所示分別為葉綠素a與總磷和總氮的關(guān)系，葉綠素a的濃度隨著總磷濃度的升高而增大，但隨著總氮濃度的升高而減小。

圖5 2018—2019年水庫葉綠素a的變化趨勢

圖6 葉綠素a含量與總磷的關(guān)系

圖7 葉綠素a含量與總氮的關(guān)系

2.2 水庫富營養(yǎng)化評價

水體富營養(yǎng)化的主要原因為：營養(yǎng)元素(氮、磷等)相對較充足；鐵、硅等含量適度；水流流態(tài)趨于緩慢；溫度、光照條件相對適宜以及溶解氧含量充足等。氮、磷為浮游植物生長的必要元素，當(dāng)?shù)⒘椎葼I養(yǎng)鹽含量豐富時，藻類等浮游植物快速生長，造成水體滯流、缺氧等現(xiàn)象，導(dǎo)致富營養(yǎng)化問題惡化[7]。

選用高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮和葉綠素a作為評價參數(shù)，分析水庫的富營養(yǎng)化狀態(tài)，其綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)越高，說明營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重。

2.2.1 水庫年度營養(yǎng)化評價

2018—2019年的營養(yǎng)化評價指數(shù)見表2。

由表2可以看出，該水庫的營養(yǎng)化評價指數(shù)在44.15～60.57變化，1月(冬季)出現(xiàn)最小值，9月(秋季)出現(xiàn)最大值，年度平均值為52.47，水庫屬于輕度富營養(yǎng)水平。

表2 水庫年度營養(yǎng)化評價指數(shù)

2.2.2 富營養(yǎng)化水平的變化趨勢

冬季富營養(yǎng)化評價指數(shù)最低，從11月的輕度富營養(yǎng)型水平降低到12月的中營養(yǎng)型水平，這與冬季水庫溫度驟降、光照強(qiáng)度減弱等不利于藻類生長的條件有很大關(guān)系。春季，隨著水庫溫度逐漸升高，水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)濃度不斷增大，藻類開始生長，到秋季(9月)TLI達(dá)到最大值60.57，此時水庫達(dá)到中度富營養(yǎng)水平。

由表3可知，水庫在整個監(jiān)測周期內(nèi)，不同季節(jié)的營養(yǎng)化水平有所差異。冬季營養(yǎng)化指數(shù)值為45.53，為中營養(yǎng)型；春季、夏季和秋季營養(yǎng)化指數(shù)值分別為50.76，58.05和55.53，屬于輕度富營養(yǎng)型；年度綜合平均TLI值為52.47，綜合評價為輕度富營養(yǎng)型水庫。

表3 水庫各季節(jié)營養(yǎng)化評價指數(shù)

3 結(jié)論

① 該水庫的CODMn和TP符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，總氮超過地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。

② 富營養(yǎng)化評價結(jié)果表明，該水庫處于輕度富營養(yǎng)水平。

③ 通過對水質(zhì)敏感指標(biāo)的變化趨勢分析和富營養(yǎng)化評價，有助于為水庫的水質(zhì)治理提供科學(xué)依據(jù)。

④ 建議對水庫進(jìn)行定期監(jiān)測，及時了解水質(zhì)狀況，同時針對問題制定防治措施和方案，防止嚴(yán)重污染的發(fā)生。