典型湖庫葉綠素a含量測定及富營養化分析

吳 昊，陳 珍，趙桂芳，李 艷

（1.長江流域生態環境監督管理局南水北調中線水源生態環境科學研究中心，湖北十堰 442000；2.漢江師范學院，湖北 十堰 442000）

水體內葉綠素a 含量是對生態健康以及水體富營養化水平測定的重要標志，并且可以表征水體內所含浮游植物的生物量。當水體中的浮游植物在適宜的光照、營養鹽濃度和流速條件下快速增殖，形成大量的藻細胞，導致水體中葉綠素a 的含量急劇增加，水體顏色發綠，藻細胞在水體表層聚集形成膜狀或絮狀結構，便會出現水華現象[1]。丹江口水庫是我國中部地區典型的湖庫型飲用水水源地，是南水北調中線工程的源頭。近年來，丹江口水庫的水質保持在優良水體，但部分庫灣、斷面富營養化程度不斷加深，庫區水體有富營養化的風險[2-5]。通過提取丹江口水庫表層水體中的葉綠素a 并測定其濃度，對丹江口水庫水體富營養化的狀態展開評價，了解對水體富營養化產生影響的各類因素，尋找緩解或控制水體富營養化的有效措施，以期對水庫的水生態環境安全與污染防治提供參考。

1 調查方法

在丹江口水庫湖北庫區選取6 個采樣點位，編號D1～D6，范圍涵蓋丹江口水庫核心區域、重點庫岔和大壩壩前等重點斷面。采集6 個點位的湖庫表層水體樣品，按照國標方法分析水體中葉綠素a 的含量，并同步測定水體中透明度（TD）、總磷（T-P）、總氮（T-N）、高錳酸鹽指數（CODMn）等理化指標。具體測定方法見表1。

表1 湖庫水體主要理化指標測定方法

1.1 水環境質量評價

水環境質量評價參照《地表水環境質量標準（GB 3838—2002）》中的“表1 地表水環境質量標準基本項目標準限值”所列出的限值進行評價，其中總磷指標按照湖庫標準執行。

1.2 綜合營養狀態評價

采用綜合營養狀態指數法（TLI 法）對湖庫水體營養狀態進行分析，此方法根據水體中葉綠素a（Chla）、總氮（T-N）、總磷（T-P）、高錳酸鹽指數（CODMn）、透明度（SD）五項主要參數計算得到水體綜合營養指數[6]，其計算公式如下：

式中：TLI（∑）—綜合營養狀態指數；WJ—第j 種參數的營養狀態指數的相關權重；TLI（J）—第j 種參數的營養狀態指數。

當TLI≤30，為貧營養狀態；30＜TLI≤50，為中營養狀態；TLI＞50，為富營養狀態；其中，TLI在50～60為輕度富營養，60～70 為中度富營養，TLI＞70 為重度富營養狀態[7]。

2 結果與討論

2.1 水體中葉綠素a濃度

水體中葉綠素a 濃度與水體中浮游植物生物量有一定的相關性。經測定，丹江口水庫表層水體中葉綠素a含量如圖1所示，6個點位葉綠素a濃度范圍在0.003～0.006 mg/L 之間，平均值為0.004 2 mg/L。其中D2 點位的葉綠素a含量最高，達到0.006 mg/L。《地表水環境質量標準（GB 3838—2002）》中未列出湖庫水體中葉綠素a的評價標準，按照生態環境部發布的《湖泊營養物基準—中東部湖區（總磷、總氮、葉綠素a）》（2020年版）文件規定[8-9]，我國中東部湖區水體中葉綠素a的湖泊營養物基準為3.4 μg/L。按照此基準評價，本次采樣的6 個點位葉綠素a濃度有4個超出了基準范圍，其中D2點位超出基準范圍0.76倍，丹江口水庫葉綠素a平均濃度值也超出了湖泊營養物基準范圍，超標0.24倍。

圖1 丹江口水庫不同點位葉綠素a濃度

2.2 水體中氮、磷營養鹽濃度

水體中的氮、磷等營養鹽濃度是衡量湖庫水體營養狀態的重要指標。本次對丹江口水庫6 個點位水體中總氮、總磷濃度測定結果見圖2。D1～D6 點位總氮濃度范圍在1.23～1.75 mg/L之間，濃度均值為1.41 mg/L；總磷濃度范圍在0.017～0.024 mg/L 之間，濃度均值為0.019 mg/L。按照《地表水環境質量標準（GB 3838—2002）》中湖庫Ⅱ類水質標準評價，總氮的標準限值為0.5 mg/L，本次采樣中所有點位的總氮濃度均超過標準限值，6 個點位的均值也超出標準限值；總磷標準限值為0.025 mg/L，6 個點位的總磷指標均未超過Ⅱ類水質標準限值。

圖2 丹江口水庫不同點位總氮和總磷濃度

2.3 湖庫綜合營養狀態指數

通過綜合營養指數法計算得到丹江口水庫6 個采樣點位的綜合營養狀態指數，結果如圖3。D1～D6 點位的綜合營養狀態指數范圍在32.6～38.1之間，按照相關評價標準，均屬于“中營養”狀態，未達到富營養化狀態。SPSS相關性分析表明，綜合營養狀態指數（TLI值）與水環境因子存在一定的相關性，具體情況見表2。其中，綜合營養狀態指數與水體中總磷濃度存在極顯著的正相關性（P＜0.01），與水體中總氮濃度存在顯著的正相關性（P＜0.05），當水體中氮磷特別是磷元素濃度升高時，會導致營養狀態指數升高，加重水體富營養化趨勢。另外，綜合營養狀態指數與水體的透明度指標呈現極顯著的負相關關系（P＜0.01），表明當水體的透明度降低，營養狀態指數會升高，這一結果與日常觀測和實際經驗基本吻合。

圖3 丹江口水庫不同點位綜合營養狀態指數

表2 丹江口水庫綜合營養指數TLI值與主要環境因子的相關關系

3 結論與建議

對丹江口水庫表層水體采樣測定結果顯示，水體中葉綠素a 平均濃度為0.004 2 mg/L，超出了生態環境部發布的《湖泊營養物基準—中東部湖區（總磷、總氮、葉綠素a）》（2020年版）給出的基準。6個采樣點位的總氮濃度均超出地表水環境質量標準Ⅱ類水質標準，總磷濃度未超出Ⅱ類水質標準（湖庫）。綜合營養狀態指數法分析表明，庫區水體屬于“中營養”等級，未達到富營養化等級狀態。主要水質參數中，總磷濃度與綜合營養狀態指數存在極顯著的正相關性，透明度指標與營養狀態指數呈極顯著負相關性。

丹江口水庫是南水北調中線工程核心水源區，其水環境質量安全極為重要。本次采樣檢測雖顯示該湖庫水體暫未達到富營養化水平，且影響營養狀態指數的關鍵因子總磷濃度未超過國家相關標準限值，但非常接近標準范圍。近年來，隨著丹江口水庫由調蓄發電為主轉為水資源調配為主，水庫水位上升造成庫周農田、林地及部分集鎮被淹沒，土壤中的氮磷等營養元素在水流沖刷下進入庫區，造成氮磷營養鹽在湖庫水體及表層沉積物中的積累；另一方面，漢江上游來水及部分入庫支流水體的總氮、總磷濃度相對較高，特別是夏秋季汛期，由地表徑流及洪澇沖刷帶來的大量營養物質進入湖庫水體，導致丹江口水庫富營養化趨勢不斷增加，部分時段總磷瞬時濃度值超過標準限值。在夏季高溫季節，水庫部分支流及庫灣斷面還極易爆發藻類“水華”現象，對整體水質安全造成一定影響。為有效應對丹江口庫區富營養化趨勢，改善湖庫水生態環境質量，特提出以下治理措施及建議：

（1）加強水污染綜合治理。對丹江口庫區流域范圍內的重點污染源開展綜合治理，全面加強工業污染物防治，對重點園區建設配套的工業污水處理設施，嚴格查處企業廢水偷排漏排等行為；針對重點行業企業，可研究制定比國家標準更嚴格的地方污染物排放標準規定限值。加強主要入庫支流如神定河、泗河、劍河、浪河、天河等重點水體的環境治理，強化入河（入庫）排污口排查整治，加強城市污水收集處理和達標排放，不斷完善庫區上游城市建成區清污分流、雨污分流改造。

（2）探索河流生態修復方法路徑，如在河流的上游通過生態補水，增加水體徑流量，提高環境容量；在河流中段，通過建設生態護坡、駁岸和生態浮島等設施，強化河流自凈能力；在河流下游河口等緩沖地帶，因地制宜建設人工或半人工化的生態濕地，利用濕地系統過濾吸附水體中的氮、磷等營養元素。通過生態修復的途徑，不斷降低入庫氮磷營養物輸送量。

（3）深化庫區及上游面源污染防治。加強農業和農村面源污染治理，持續推進丹江口庫區及上游地區農藥化肥“零增長”行動，提倡使用有機肥料，加強測土配方應用，在庫區周邊敏感地帶禁止從事圍墾造田等活動。加強對農村及農業污水、垃圾的有效治理，強化畜禽養殖污染防治和資源化利用，在湖庫范圍內禁止投肥養魚，在適當條件下探索開展生態養殖，利用魚類凈化過濾水中浮游藻類等營養物質。

（4）推進流域“山水林田湖草沙”系統治理。按照“山水林田湖草沙”生命共同體的理念，對丹江口庫區水源涵養區和匯水區開展系統性的生態環境保護和治理修復。強化庫周水土流失防治，加大退耕還林、石漠化荒地治理力度，不斷提高森林覆蓋率。加強庫區濕地保護和修復，提高水庫自然凈化和生態修復能力。加強庫岸線整治和河湖“清四亂”工作，恢復和增加庫岸線生態系統穩定性。