尼爾基水庫水質及水體富營養化評價研究

王丹宇，楊利民，韓　梅

(吉林農業大學生態恢復與生態系統管理重點實驗室，吉林 長春 130118)

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尼爾基水庫水質及水體富營養化評價研究

王丹宇，楊利民，韓梅

(吉林農業大學生態恢復與生態系統管理重點實驗室，吉林 長春 130118)

通過對尼爾基水庫重點斷面(庫末、庫中、壩前)近期水質狀況變化趨勢的總體分析，采用單因子指數評價法對尼爾基水庫的水質進行了分級評價；采用湖泊(水庫)營養狀態分級評價法對尼爾基水庫富營養狀態進行了評價；采用生物多樣性指數法對尼爾基水庫浮游植物多樣性進行了評價，并探索制定了尼爾基水庫的富營養化綜合評價方法.結果表明：尼爾基水庫的主要超標項目為總氮、總磷、高錳酸鹽指數等，尼爾基水庫水質綜合評價為輕度營養化.

尼爾基水庫；水質斷面；水質評價；富營養化

隨著社會經濟的高速發展，水資源短缺與水環境污染已成為制約社會經濟可持續發展的重要因素.依據2014年《城市水藍圖》報告，我國目前大多數的城市都面臨水資源短缺與水環境污染問題，特別是由于大量營養物質進入水體造成的富營養化所引起的飲用水源地的水華現象，往往造成城市供水的緊張與水環境污染.因此對飲用水源地的水質評價與富營養化評價是水環境管理中的重要內容.基于此，我們以尼爾基水庫為研究對象，對其水質與富營養化情況進行了評價.尼爾基水利樞紐建于 2001 年 6 月，是國家“十五”計劃批準建設的大型水利工程，因其庫容大，具有防洪效益大、水資源綜合利用效益高(如供水、灌溉、發電、養魚等)等特點，為嫩江干流重要的水源控制性工程.然而，隨著社會經濟的發展，尼爾基水庫也面臨著上游水土流失、采礦、城市工業及生活污水排放、農牧業發展的影響.目前，尼爾基水庫已出現水華現象，主要集中在整個尼爾基水庫的西岸，不僅嚴重影響湖庫的生態環境，也直接對水庫供水功能構成了威脅.基于此，本文采用水化學及水生生物學等監測手段對汛期水庫水質及浮游植物等指標進行了監測和分析，以找出水庫水質變化與水生物種類、種群和群落變化以及水庫富營養化的關系；同時，采用生物多樣性指數等方法對水庫水體富營養化狀況進行了研究，為尼爾基水庫水體富營養化防治及水生態保護提供了技術支撐.

1　研究區概況

尼爾基水庫位于黑蒙交界的嫩江干流中游，是齊齊哈爾、大慶、哈爾濱等城市的水源地，已列入全國重要飲用水水源地名錄(第二批).尼爾基水庫總庫容86.11億m3，相當于 7.3 個鏡泊湖.其中防洪庫容23.68億m3，控制流域面積6.64萬km2，占嫩江流域總面積的22.4%；多年平均徑流量104.7億m3，占嫩江流域的45.7%[1].2014年徑流量100.73億m3，較2013年少147.23億m3.

尼爾基庫區地處我國東北地區重要的商品糧產區，也是我國重要的林業、工業、畜牧業和能源基地；同時，又是大力發展農、林、牧、副、漁的重要水源地，水庫的水質狀況對庫區周圍的自然和社會環境影響巨大.尼爾基水庫因具有占地面積大、存儲水量充足、控制流域面積廣、功能性強等優勢，在東北湖庫水生態評價中具有重要的研究價值[2-3].

考慮到尼爾基水庫采樣點布設的實際需要，結合地表水監測中對監測斷面布設的基本原則，依據與水文觀測斷面相結合并且具有較好的代表性、完整性、可比性和長期觀測連續性的總體要求，選取尼爾基庫末(E125°06′20″，N49°07′24″)，尼爾基庫中(E124°32′56″，N48°35′52″)和尼爾基壩前(E124°31′44″，N48°29′37″)3個監測斷面(見圖1).

圖1監測點位位置圖

2　研究方法

為了進一步了解汛期庫區內的水質現狀及水體富營養化程度及變化趨勢，本文結合歷史資料及尼爾基水庫(2014年6—9月)水質因子、水生物現狀監測結果，對水庫水體的理化因子和浮游植物多樣性進行綜合分析，并在此基礎上，對尼爾基水庫水體富營養化程度進行評價.技術路線見圖2.

2.1評價指標

圖2　技術路線圖

根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，采用單因子指數進行分析評價，主要選取水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮8項地表水基本參數[4]，葉綠素a、透明度、氨氮、總磷、化學需氧量等湖庫營養狀況評價基本參數以及生物多樣性指數評價浮游藻類多樣性.

2.2評價方法

水質現狀評價及水體富營養化評價方法主要采用3種：①《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中的單因子評價及分級方法，如式(1)所示；②《地表水資源質量評價技術規程》(SL395-2007)中湖泊(水庫)營養狀態評價標準及分級方法；③香農-威納多樣性指數[5]，如式(2)所示.

Pi=Ci/Si.

(1)

式中：Pi為水體中第i種污染物的污染指數，Ci為水體中第i種污染物的實測濃度，Si為水體中第i種污染物的排放標準.

(2)

式中：H′為多樣性指數，S為種類個數，N為同一樣品中的個體總數，ni為第i種的個體數.H′值：0～1多污帶，1～2為α中污帶，2～3為β中污帶，>3為寡污帶.

2.3評價標準

本研究的水質評價標準采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)(如表1所示)和《地表水資源質量評價技術規程》(SL395-2007).

表1　地表水環境質量標準

3　監測數據

3.1水質監測數據

尼爾基水庫地表水基本項目監測結果如表2所示.通過對每日監測數據的統計，尼爾基水庫平均水溫為24.8℃；pH 值平均為8.75，偏堿性；溶解氧差別較大，大橋樣點(庫末)為8.56 mg/L，庫中樣點為14.87 mg/L；高錳酸鹽指數由庫中到庫末采樣點，由8.76 mg/L下降到4.36 mg/L，庫中樣點的高錳酸鉀指數高于庫末樣點近1倍；由庫中到庫末采樣點，化學需氧量高出56.2%，總磷高出8.5倍，總氮高出1.1倍，氨氮高出2.3倍.這些數據說明，尼爾基庫中樣點的綜合水質指標基本高出壩前采樣點和大橋(庫末)采樣點.

表2　水質監測數據

3.2富營養化指標監測數據

水體富營養化(eutrophication)是指由于氮、磷等營養物質大量進入水體中，從而引起藻類以及其他高等水生植物惡性增加富集，造成水體透明度下降，溶解度降低，最終導致水質惡化、水體生態系統被破壞的現象，嚴重妨礙人類對水資源的利用.在造成水體富營養化的污染物質中，氮、磷等營養物質是造成水體富營養化的關鍵因素，也有較多學者認為磷是更為重要的關鍵因素[6-8].

(1)葉綠素a.葉綠素a與水體中多種環境因子如水溫、pH、氮、磷含量、光照強度、溶解氧等密切相關[9-10].如圖3所示，尼爾基水庫各樣點主汛期的葉綠素a變化情況是：2014年6月，尼爾基庫末、庫中、壩前樣點葉綠素a的質量濃度分別為8.62，9.34，10.1 μg/L.隨著時間增長，葉綠素a的濃度逐月增加.總體來看，尼爾基水庫葉綠素a濃度較低，且比較穩定，最高值出現在壩前，為24.1 μg/L.

(2)透明度.尼爾基水庫透明度測量結果見圖4.隨著春、夏季節的來到，尼爾基水庫的透明度月平均低于80 cm，透明度較小，這與春、夏季節浮游生物急劇繁殖以及春汛、伏汛時期含沙量的增加有關.

3.3水生生物監測數據

通過2014年9月(浮游植物生長旺季) 進行的尼爾基水庫浮游植物初步調查，分析水庫浮游植物多樣性現狀，共發現浮游植物5門24種，鑒定結果見表3.就種類而言，藍藻門數量最多(10種)，其次是綠藻門(6種)，各占調查種類的42%和25%；再次為硅藻門(5種)，占調查種類的20%，隱藻門和裸藻門種類較少.銅綠微囊藻、等長魚腥藻構成尼爾基水庫浮游植物的優勢種類，其優勢度分別為Y=0.093和Y=0.042，出現頻率分別為100%和94.5%，是尼爾基水庫目前暴發藍藻水華的重要誘因，并隨著藍藻水華和赤潮的發生逐漸增加.而80% 的藍藻水華都可以檢測出次生代謝產物——微囊藻毒素，它對水體環境和人類健康的危害已成為全球關注的重大環境問題之一.

圖3　葉綠素a監測數據圖

圖4　透明度監測數據圖

通過對尼爾基水庫庫區周邊的實地考察發現，每年的9月份庫內水溫較高，滿足了藍藻大規模暴發的溫度要求(水溫25℃～35℃時，藍藻的生長速度比其他藻類要快)，故溫度是藍藻暴發的主要因素之一[17-18]；其次，庫區內水的流動性較差也會導致藍藻容易生長[19].同時，有機磷是藍藻生長的必須因素，而進入尼爾基水庫的污水中，包括含磷清潔劑的生活廢水、畜禽養殖產生的含有大量營養廢物(氮和磷)的畜禽糞便，以及化肥廠和污水處理廠產生的工業污染物，這些元素都能導致尼爾基水庫富營養化.

表3　浮游植物監測數據

4　評價結果

4.1單因子評價

依據《地表水資源質量評價技術規程》(SL395-2007)，本研究采用單因子指數評價法進行評價.單因子指數評價法就是以水質最差的單項指標所屬類別來確定水體綜合水質的類別，一般來說單項水質項目濃度超過GB3838Ⅲ類標準限值的稱為超標項目.

2014年6—9月尼爾基水庫各斷面監測數據水質綜合評價結果見表4.尼爾基庫末斷面水質評價結果為Ⅲ類，無超標項目；壩前斷面總氮超標，屬于Ⅴ類水質；庫中斷面高錳酸鉀指數、總氮和總磷含量均超標，屬于劣Ⅴ類水質.

表4　單因子評價結果

4.2富營養化評價

尼爾基水庫富營養化等級評價參照湖泊(水庫)營養狀態評價標準及分級方法進行，評價結果見表5.由表5可見，尼爾基庫末和壩前的水體均屬于輕度富營養化，而尼爾基庫中水體屬于中度營養化.

表5富營養化評價結果

監測斷面評分結果庫末58.5輕度營養化壩前56.0輕度營養化庫中65.5中度營養化

表6　浮游植物多樣性評價

4.3浮游植物多樣性評價

通過對尼爾基水庫浮游植物的調查結果可知，尼爾基庫末、壩前和庫中斷面分別為α中污帶、多污帶和多污帶，具體評價結果見表6

5　結論

綜合以上數據進行分析，尼爾基庫末水質基本達標，滿足地表水GB3838Ⅲ類標準，尼爾基壩前、庫中樣點水質超標，主要超標項目為高錳酸鹽指數、總磷、總氮.水庫營養狀況評價結果顯示尼爾基庫中水體為中度營養化，主要影響因子為葉綠素a、總氮、高錳酸鹽指數.生物多樣性評價結果顯示，尼爾基壩前和庫中水體污染情況為多污帶，庫末為α中污帶.

通過對水庫水質的歷史及現有資料的分析，庫區總氮、高錳酸鹽指數高的原因有兩方面：一是水庫周邊的面源污染；二是嫩江上游的來水污染.因此，尼爾基水庫下一步的富營養化防治重點：一是庫周邊農業面源的防治(包括控制農藥、化肥使用量，建設庫周防護林帶等)；二是控制上游來水水質(包括加強上游的點源污染治理、人工濕地建設等).

[1]周緒申，羅陽，鄭國臣，等.尼爾基水庫浮游植物多樣性初步研究[J]. 東北水利水電，2013(3):30-32.

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(責任編輯：方林)

Assessment of water quality and eutrophication in Nierji reservoir

WANG Dan-yu，YANG Li-min，HAN Mei

(Key Laboratory of Ecological Restoration and Ecosystem Management，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China)

Analysis of tendency of the water quality of the key section(including end of reservoir，reservoir and front of reservoir) in Nierji reservoir was present in the paper. Single index assessment was adopted to grade-evaluate the water quality. Eutrophication grade evaluation was adopted for the assessment of nutrition in Nierji reservoir. Biodiversity index assessment was adopted to evaluate the status of biodiversity. The result showed that the main pollutants are TN，TP and CODMn，meanwhile，eutrophication is light level. According to the assessment，the decision and police were presented in the paper.

Nierji reservoir；key section；water quality assessment；eutrophication

1000-1832(2016)03-0162-05

2015-12-30

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2008ZX07207-006-01).

王丹宇(1987—)，女，碩士研究生；通訊作者：楊利民(1963—)，男，博士，教授，博士研究生導師，主要從事植物生態學研究.

X 321[學科代碼]610·2020

A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.03.029