南水北調亦莊調節池浮游植物時空變化分析

王 艷，李 兆 欣，艾 超 坤

(1.北京市南水北調環線管理處，北京 100176； 2.北京市水科學技術研究院，北京 100048； 3.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038)

0 引 言

南水北調中線工程是緩解中國水資源分布不均、優化水資源配置的跨流域調水工程，具有重大戰略意義。中線干線全長1 432 km，途經河南省、河北省、北京市、天津市各地，其中至北京市的干線長1 276 km，向天津市輸水干渠長156 km[1-2]。南水北調亦莊調節池工程作為北京市南水北調配套工程中的調蓄系統工程之一，位于北京市大興區亦莊鎮，總調蓄容積260萬m3，南水北調中線引水入京后，亦莊調節池作為南干渠末端的亦莊水廠、通州水廠、水源十廠等水廠的調節池，承擔了上述水廠的水源切換任務，保障正常調度運行期和非常調度運行期的原水供需平衡[3]。亦莊調節池(一期)工程建成蓄水后，水體多處于靜置狀態，2021年5月31日，亦莊水廠(一期)開始試運行，亦莊調節池為其供給南水北調來水約10萬m3/d。

南水北調中線工程明渠居多，且作為輸水渠道，并不具備完善的生態系統，水生態穩定性相對較差，在輸水過程中，外界溫度、光照等環境適宜時，藻類易出現大量增殖現象。近年來，南水北調中線干渠水體富營養化程度在春夏季節呈增長趨勢，藻類增殖風險升高[1]。南水北調輸水過程中藻類監測分析[4]、增殖預測[1-2]、去除技術研究[5-6]越來越受到關注。

南水北調亦莊調節池工程屬于小型調蓄系統，可以調節北京市南水北調及密云水庫兩大水源供水和各用水戶需水之間的不協調問題，滿足各用水戶在不同水源切換期間的用水需求，保證相關水廠的水源安全。但是，水體的蓄積同樣為藻類增殖提供了適宜的條件，特別是從2021年5月31日開始，亦莊調節池水流狀態發生改變，若存在水流緩滯區域，將致使藻類異常增殖，會影響后續水廠的處理工藝及出水穩定性[7]。亦莊調節池作為江水進京后的調蓄水池，保障其水質安全是第一要務，由藻類誘發的藻泥沉積會對調節池的正常運行產生影響。因此，本文基于監測資料，采用Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富指數和Pielou均勻度指數進行亦莊調節池浮游植物時空變化分析，解析藻類生長、分布規律，能夠為亦莊調節池水生態環境安全保障提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域及采樣點布設

亦莊調節池位于北京市東南部地區，地勢較低，為了實現對南水北調中線水源、東線水源、密云水庫水源和海水淡化水源等多個水源的聯合調度，設置了加壓泵站為水廠供水。亦莊調節池(一期)工程，設置1個進水口，設計規模為16.52 m3/s，亦莊水廠試運行期間，供水10萬m3/d。平均水深4.7 m，水面面積12.4萬m2，調蓄容積52.5萬m3，整個水體呈長方體，按設計進出水規模計算，水力停留時間為8.8 h，按現狀進出水量計算，水力停留時間為5.25 d。根據亦莊調節池具體情況以及南水北調來水進入調節池的水流方向，布設5處監測點位，S1和S2監測點位為日常監測點，S3、S4和S5為加密監測點，具體點位如圖1所示。其中，S3點為調節池的進水口位置，S4點為調節池的出水口位置。

圖1 采樣點布設Fig.1 Sampling points

1.2 采樣與鑒別方法

于2021年1月13日、2月23日、3月30日、5月26日、6月2日、6月17日、7月6日、7月22日、8月4日采集了浮游植物樣品，為了了解亦莊調節池浮游植物的整體分布情況，在8月4日增加監測點位，進行加密監測。

浮游植物樣品采集按SC/T 9402-2010《淡水浮游生物調查技術規范》[8]方法進行，在各采樣點水面下0.5 m位置采集水樣1 L，采樣后立刻加入浮游植物固定試劑魯哥氏液15 mL，并搖勻浮游植物樣品，之后帶回實驗室。在實驗室進行樣品濃縮處理，放置在穩定的實驗臺上，靜置沉淀24 h，用細小虹吸管(內徑3 mm)吸去上層清液，最后定容到30 mL，通過顯微鏡鏡檢，進行浮游植物種類鑒定，采用0.1 mL計數框進行密度測定。

浮游植物的種類鑒定參考《中國淡水藻類：系統、分類及生態》[9]，并通過物種優勢度指數計算，確定優勢種，優勢度指數計算公式如下：

Y=(ni/N)fi

(1)

式中：N為采集樣品中的所有種類總個體數；ni為第i種生物的個體數；fi表示該物種在各采樣點出現的頻率。當Y>0.02時，該物種為群落中的優勢種。

1.3 多樣性指數分析

采用生物多樣性指數評價浮游植物群落特征，能夠在一定程度上分析其生物群落結構變化和生態狀況，常用的多樣性指數包括：Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數[10]。

各指數計算公式如下：

(1) Shannon-Wiener多樣性指數：

(2)

式中：ni為第i種浮游生物的個體數，N為采集樣品中的所有種類總個體數。

(2) Margalef豐富度指數：

D=(S-1)/lnN

(3)

式中：N為采集樣品中的所有種類總個體數；S為采集樣品中的種類總數。

(3) Pielou均勻度指數：

J=H′/lnS

(4)

式中：S為采集樣品中的種類總數；H′為Shannon-Wiener指數。

根據多樣性指數與水體營養水平的關系[11]，H′>3時水體為貧營養型，1≤H′≤3之間為中營養型，H′<1為富營養型；J在0.5～0.8之間為貧營養型，在0.3～0.5之間為中營養型，在0～0.3之間為富營養型。

2 結果與討論

2.1 基本環境狀況

亦莊調節池輸配水源為南水北調來水，作為飲用水源地，其水質常年優于地表水Ⅱ類水平，浮游植物監測期間，亦莊調節池主要水質指標檢測結果如表1所列。

表1 亦莊調節池主要水質指標檢測結果Tab.1 General characteristics of main water quality indexes in Yizhuang storage pond

由于水溫、氣象等因素對于浮游植物生長影響較大，因此監測獲取了亦莊調節池的水溫、降雨量與蒸發量，結果如表2所列。

表2 亦莊調節池水溫與氣象數據Tab.2 General characteristics of water temperature and meteorological data in Yizhuang storage pond

2.2 浮游植物種類組成

亦莊調節池來水藻類以硅藻門和綠藻門為主，藍藻門也占有一定比重，隱藻門和金藻門也有檢出，硅藻門中的尖針桿藻密度最高。

根據亦莊調節池采樣檢測結果，共發現浮游植物7門135種，如圖2所示。其中綠藻門61種，占浮游植物總種類數的比例為45%；其次為硅藻門，共有40種，占浮游植物總種類數的比例為30%；再次為藍藻門，共有18種，占比為13%；裸藻門、金藻門、甲藻門和隱藻門分別檢測出6，4，3種和3種，占比分別為4%，3%，2%和2%。亦莊調節池的藻類組成與來水藻類組成相似，表明其在一定程度上受到了來水的影響。

圖2 浮游植物種類組成Fig.2 Composition of phytoplankton species

通過物種優勢度計算確定優勢種，監測過程中共發現24個優勢種，如圖2所示。其中，頂接鼓藻、網狀空星藻、美麗網球藻和微小四角藻，屬于綠藻門；小環藻、尖針桿藻、纖細內絲藻、小內絲藻、優美橋彎藻、曲殼藻和梅尼小環藻，屬于硅藻門；微囊藻、類顫藻魚腥藻、假魚腥藻、朦朧粘桿藻、澤絲藻、優美平裂藻、腔球藻、澤絲藻、惠氏微囊藻、色球藻和粘球藻，屬于藍藻門；裸甲藻和錐囊藻，分別屬于裸藻門和金藻門。

浮游植物生長和其屬種變化，通常與水溫、光照、營養鹽含量密切相關，從浮游植物種類占比分析，亦莊調節池綠藻門、硅藻門占比明顯高于其他門類；從優勢種分析，藍藻門浮游植物的優勢種最多。亦莊調節池的水體作為飲用水源，其浮游植物種類綠藻門和硅藻門占比高，與北京地區密云水庫等水源地的浮游植物種類組成類似[12]，其原因主要是受到水源影響，水中的營養鹽含量等條件使得綠藻門和硅藻門占比高。藍藻門的浮游植物優勢種最多，是因為藍藻門的藻類生長迅速[13]，亦莊調節池透明度相對較高，且存在水流緩滯區域，在水溫、光照等條件適宜時，藍藻門藻類易發生快速生長，成為優勢種。

2.3 浮游植物密度和生物量變化

浮游植物密度變化如圖3所示。其中，6月17日檢測結果表明，采樣點S1浮游植物密度超過了1 000萬cells/L，達到1 350萬cells/L，藍藻門浮游植物占絕大多數，浮游植物密度處于較高水平，之后浮游植物密度逐漸降低，穩定在500萬cells/L以下。出現該現象的原因是，進入夏季，溫度升高，一定程度上為藻類快速增殖提供了必要的環境條件，當水溫、光照、水體流速等外界環境因子達到適宜狀態，藻類易出現劇烈變化[13]。

圖3 浮游植物密度變化Fig.3 Variation of phytoplankton densities

對比S1和S2兩個采樣點的檢測結果，6月17日和7月6日，浮游植物密度均差別較大，這主要是受到了水體流態改變的影響，亦莊調節池浮游植物密度分布并不均勻。

浮游植物生物量的變化如圖4所示。浮游植物生物量構成以硅藻門為主。總體上，硅藻門浮游植物比其他門類浮游植物個體的大小和生物量大。結合浮游植物密度檢測結果分析，6月17日采樣點S1的浮游植物密度較高，其組成以藍藻門為主，由于藍藻門個體較小，且生物量較低，所以S1采樣點的生物量較低，為0.82 mg/L；7月6日采樣點S2的浮游植物密度較高，其組成以硅藻門為主，由于硅藻門個體較大、且生物量較高，所以S2采樣點的生物量較高，達到5.58 mg/L。

圖4 浮游植物生物量變化Fig.4 Variation of phytoplankton biomass

2.4 浮游植物空間分布情況

在日常監測過程中，發現亦莊調節池浮游植物密度分布并不均勻，為了進一步掌握亦莊調節池浮游植物的分布情況，在8月4日增加了監測點位，進行加密監測，結果如圖5所示。

圖5 浮游植物密度分布情況Fig.5 Distribution of phytoplankton densities

隨著亦莊水廠(一期)工程通水運行，亦莊調節池的水體流態發生改變，亦莊調節池為亦莊水廠供水后，南水北調來水從采樣點S3位置進入亦莊調節池西北角，該采樣點的浮游植物密度相對較低，約為200萬cells/L；亦莊調節池水從采樣點S4位置進入亦莊水廠，浮游植物密度約為300萬cells/L；采樣點S5位置為亦莊調節池東南角，浮游植物密度相對較高，接近500萬cells/L，其原因是，該位置屬于水流緩滯區，藻類易生長累積，在之后輸配水過程中，需密切關注該位置水生態變化情況。有研究表明[14]，應急水量調度能夠在一定程度上遏制水華的發生，因此，可在工程條件允許的情況下，增大亦莊調節池的輸配水量，降低藻類增殖帶來的生態風險。

2.5 生物多樣性指數變化

根據浮游植物檢測結果，分別計算Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數，結果如圖6所示。

圖6 生物多樣性指數變化情況Fig.6 Variation of biodiversity indices

總體上各指數數值越高，說明水體浮游植物種類越豐富，其群落穩定性相對越高[15]，同時，根據多樣性指數與水體營養水平的關系[11]，亦莊調節池浮游植物的Shannon-Wiener指數基本處于1.0～3.0之間，說明水體為中營養水平。Pielou均勻度指數在0.5左右波動，同樣說明其水體屬于中營養水平。Margalef豐富度指數在6月之后出現升高后又回落現象，從1.0上升至1.5～2.0，又下降到1.0左右，這除了受到外界溫度、光照等變化影響之外，還受到了南水北調來水影響。來水在初期豐富了亦莊調節池的浮游植物種類，之后浮游植物種類趨于穩定，Margalef豐富度指數回落，Shannon-Wiener指數也有類似變化趨勢。

3 結論與建議

亦莊調節池水體水質屬于Ⅱ類，處于中營養狀態。亦莊調節池的浮游植物檢測結果表明：綠藻門和硅藻門是其主要門類，調節池輸配水狀態發生改變后，在6月出現浮游植物異常增殖現象，S1采樣點的浮游植物密度超過了1 000萬 cells/L，達到1 350萬cells/L，藍藻門浮游植物占絕大多數；調節池各區域之間的浮游植物密度分布差異較大，在水流緩滯區域，浮游植物密度明顯高于其他區域，需密切關注該區域水生態變化情況。

在南水北調來水供水量增加的情況下，亦莊調節池現狀的蓄積狀態將徹底改變，連續的進出水條件下，若出現藻類過量生長情況，將導致一部分藻類在調節池沉積，由藻類誘發的藻泥沉積會對調節池的正常運行產生影響。因此，為了保障亦莊調節池的水生態環境安全穩定，建議采取措施改善調節池水動力，在一定程度上，減少藻類增殖帶來的風險。