黃河三角洲淡水恢復工程濕地水質監測及其評價研究

張燕，劉雪蘭，伏春燕，董紅云，李新華，3，閻百興，吳家強，閻佩佩，石天虹

（1.山東省農業科學院家禽研究所，山東 濟南 250023；2.山東省農業可持續發展研究所／山東省濕地生態農業工程實驗室，山東 濟南 250100；3.農業部華東都市農業重點實驗室，山東 濟南 250100；4.中國科學院濕地生態與環境重點實驗室／中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林 長春 130102）

黃河三角洲濕地是我國三大河口三角洲之一，是我國暖溫帶以及大江大河最年輕、保存完整的河口濕地生態系統，也是世界上最年輕、我國最具有開發潛力的三角洲濕地［1］，已經成為東北亞內陸和環西太平洋鳥類中轉、繁殖、越冬等核心棲息場所［2］。近年來，自然和人為因素（圍填海、石油開采等活動）導致黃河下游斷流和年度流量減少，造成黃河三角洲濕地萎縮以及功能退化嚴重、土壤次生鹽漬化加劇、禽鳥生境破壞，生物多樣性也受到水鹽脅迫［3-5］。針對這些問題，黃河三角洲自然保護區管理局采用生態補水工程進行了一系列淡水生態修復工程，旨在以淡水壓制土壤返鹽。通過多次淡水生態修復工程的實施不僅顯著改善了黃河三角洲濕地水文連通性和水鹽條件，也明顯增加濕地植物生物量和生物多樣性，改善禽鳥生境，提高黃河三角洲濕地系統功能多樣性，因此引起國內很多學者的關注，并相繼提出了黃河三角洲生態修復保護措施［6，7］。但是有關黃河三角洲淡水恢復工程濕地水質評價方面的研究并不多見。

在眾多水質評價方法中，內梅羅指數法是當前國內外進行綜合污染指數計算的最常用方法之一，它能對水質狀況做出定量描述，其結果能夠反映水體污染程度［8］。但是傳統的內梅羅污染指數法存在過于突出分指數最大因子對水質的影響，而且也沒有考慮各污染因子權重［9］。為了規避傳統內梅羅污染指數法的缺點，本研究采用改進內梅羅污染指數法對黃河三角洲區域的引黃溝渠、連河濕地和恢復濕地的水質狀況進行綜合評價，以期為黃河三角洲濕地生態維護、改進修復措施提供理論依據，為黃河三角洲濕地生態發展及保護提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃河三角洲自然保護區（37°35′N～38°12′N，118°33′E～119°207′E）位于山東省東營市的黃河入海口處，北臨渤海，東靠萊州灣，介于東北亞內陸和江淮平原之間，處于新、老黃河入海口兩側［10］。總面積15.3×104hm2，其中核心區5.8×104hm2，緩沖區1.3×104hm2，試驗區8.2×104hm2。試驗區內含有引黃溝渠、連河濕地和恢復濕地三種類型濕地，其中引黃溝渠連接黃河主干道和連河濕地，用于黃河三角洲灌輸黃河水；連河濕地主要功能是便于黃河水灌溉，連接引黃溝渠和恢復濕地，緩沖黃河水流速等作用；恢復濕地用于植物、土壤、生態等恢復，流速較慢或靜止。采樣點見圖1，其中A1～A3為引黃溝渠采樣點；B1～B3為連河濕地采樣點；C1～C5為恢復濕地采樣點。本區年降水量551.6 mm，蒸發量1 928 mm，氣候為暖溫帶季風型大陸性氣候，年平均水資源量達5.3×108m3［10，11］。由于淡水生態工程的貢獻使得保護區內動植物資源豐富，但是由于水庫、漁業養殖、鹽田以及石油開采等人為活動，對該區域影響巨大。保護區內淡水恢復工程包括引黃溝渠、連河濕地和恢復濕地，這些類型濕地主要以蘆葦植物為主。本研究主要關注分析淡水恢復工程濕地中的引黃溝渠、連河濕地和恢復濕地水質。

圖1 黃河三角洲自然保護區試驗區采樣點（左圖比例1∶650）

1.2 基礎數據

評價指標包括化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、總氮（TN）及重金屬元素銅、鋅、鉻、鉛。水質監測數據均為課題組成員于2018年5、8、11月現場采集水樣，放入4℃移動冰箱中帶回實驗室測定后獲取，其測試方法均根據《水和廢水監測分析方法》第四版進行測試分析。

1.3 改進內梅羅污染指數法水質評價模型

改進內梅羅污染指數法考慮了多個污染因子在水質評價中所占的權重，并首先確定水質計算標準，然后根據公式（1）、（2）計算各污染因子的權重值［12，13］。

式中，ωi為第i個污染因子的權重值；n為污染因子的個數；si為第i個污染因子的計算標準濃度；smax為n個污染因子計算標準濃度的最大值。

從水體環境質量標準中選擇與被評價水體相同的污染因子，采用下列公式計算各水質污染等級的改進內梅羅污染指數，進而得出改進后水質評價污染等級標準：

式中，ci為第i個污染因子的實測值；si意義同上；Fmax為單項污染指數Fi的最大值；Fω為權重值最大的污染因子的F值；P′為改進內梅羅污染指數。

1.4 水質評價

選擇水中COD、NH3-N、TP、TN、銅、鋅、鉻、鉛作為評價指標，以《地表水環境質量標準》（GB-3838—2002）作為評價標準，將水質分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類5個等級，如表1所示。

表1 地表水環境質量分級標準 （mg／L）

采用改進內梅羅污染指數法對黃河三角洲恢復工程濕地的三種類型濕地水質進行評價，具體步驟如下：以《地表水環境質量標準》（GB-3838—2002）作為評價標準，本次水質評價以Ⅲ類水為計算標準；由公式（1）和公式（2）計算各污染因子的權重值，其計算結果見表2。

表2 地表水質量評價因子權重（ωi）

由表2看出，鉻和鉛在8個污染因子中的權重值最大，也就是說鉻和鉛在評價系統中的影響權重相當，均占整個評價體系權重的40.77%，為了方便計算僅選鉛元素作為最大權重值。同時根據《地表水環境質量標準》（GB-3838—2002）中所選污染因子，采用公式（3）、（4）、（5）計算各水質等級改進內梅羅污染指數，由改進內梅羅污染指數劃分的污染等級標準見表3。

表3 改進內梅羅指數劃分的水質級別

2 結果與分析

2.1 營養物質污染狀況

由表4看出，各類型濕地中COD在不同時期其質量濃度存在明顯差異，基本表現為：11月＞8月＞5月，且5月和8月份引黃溝渠中COD濃度明顯低于連河濕地和恢復濕地，但是11月由于引黃溝渠中蘆葦等植物倒伏嚴重，造成COD濃度明顯升高，而且引黃溝渠水質受黃河水質及流經途中人為干擾的影響［15］，使得引黃溝渠水質COD濃度均明顯高于其他兩種類型濕地。各個時期三種濕地水體中NH3-N濃度存在一定的波動，其中引黃溝渠中波動較大，而且其濃度一般低于其他兩個濕地類型，而連河濕地和恢復濕地均在1.392～1.984 mg／L之間波動，這說明連河濕地和恢復濕地NH3-N主要來源于濕地系統自身物質降解或土壤釋放（即內源性NH3-N）。TN的變化規律與NH3-N不同，其中引黃溝渠水質在三個時期TN濃度一般高于連河濕地和恢復濕地，這說明黃河水質TN濃度可能已經超過了《地表水環境質量標準》（GB-3838—2002）的Ⅴ類水質標準，而且由于8月份處于雨季，由黃河中上游雨水沖刷以及攜帶大量污染物導致8月份引黃溝渠水體中TN濃度最高，而11月份經過水體自凈，TN濃度下降，但是仍高于5月份；而連河濕地由于受自身濕地系統和引黃溝渠水質影響較大，各個時期TN濃度存在一定波動；恢復濕地水體相對靜止，其水質變化受自身濕地系統影響較大，使得5月到11月TN濃度略有減少，但變化幅度較小。TP的變化規律同NH3-N，這也說明連河濕地和恢復濕地系統內源性磷釋放占主導地位［16］。

從表4還可以看出，各濕地系統水體中重金屬濃度存在一定波動。首先各個時期銅含量均較低，鋅濃度僅在5月份超過0.02 mg／L，但均未超標，這說明淡水恢復工程銅、鋅元素均不存在污染風險；鉻元素8、11月份各濕地系統基本超出Ⅱ類水標準濃度，而且由于連河濕地和恢復濕地自身系統鉻元素釋放導致其濃度均高于引黃溝渠；鉛濃度大小多表現為：11月＞5月＞8月，這說明雨季水中鉛濃度得到稀釋，同時可能存在由于水量較大而抑制土壤中的鉛釋放，而且11月份，通過現場觀察發現三種濕地水量明顯減少，地表水水文連貫性減弱，尤其是連河濕地和恢復濕地，導致其濃度顯著增加，而且很可能存在濕地系統鉛釋放，這需要進一步研究證明。

各個時期引黃溝渠水質偏堿，其pH值均在8.20以上，而連河濕地和恢復濕地水質pH值相當，均低于引黃溝渠水質，5月和11月各濕地pH值偏堿性；而且8月份各濕地系統pH值最低（表4），這說明雨季降水能有效調節各濕地系統pH值，使其接近中性。

表4 2018年不同時期濕地水質監測數據

2.2 重金屬污染狀況

根據表4中黃河三角洲恢復工程濕地水質數據，利用改進內梅羅污染指數法相關公式分別計算不同時期引黃溝渠、連河濕地和恢復濕地的改進內梅羅指數，結果見表5。

表5數據顯示，5月份引黃溝渠水質處于Ⅳ類，屬于重度污染狀態，而其他各濕地系統和各個時期各類型濕地均為Ⅴ類水質。這說明水質處于嚴重污染狀態，與劉峰等［14］對黃河口濱海濕地水質污染調研結果相同。結合表4和表5可以看出，由于引黃溝渠的水體直接來源于黃河水，說明用于濕地修復的黃河水水質處于重度污染狀態，也間接說明黃河三角洲上游水質給本研究區帶來了較大污染風險。

從表5的評價結果可以看出，不同時期內梅羅污染指數值為：11月＞8月＞5月。5月份引黃溝渠的水質等級略優于同一時期連河濕地和恢復濕地水質，而連河濕地水質優于恢復濕地水質，引黃溝渠、連河濕地和恢復濕地污染程度遞增，這是由于5月份淡水恢復工程濕地各濕地系統水體處于靜止狀態，各濕地之間交互作用較少，尤其是黃河水對恢復濕地的影響較小；而連河濕地和恢復濕地中COD、NH3-N、TP、鋅、鉻和鉛含量明顯高于引黃溝渠水質，說明這一時期這兩類型濕地釋放相應的內源性物質。

8月份由于大氣降雨等氣候條件影響，各濕地系統連貫性加強，存在一定的交互作用。而且由于黃河水受上游來水的影響以及降雨沖刷輸水過程中的不同景觀區，導致引黃溝渠水質污染等級升高，連河濕地和恢復濕地水質污染程度也相應增加，但是引黃溝渠水質仍然優于其他兩個濕地類型。

11月份各濕地系統水質內梅羅指數最高，而且引黃溝渠水質的內梅羅指數明顯高于其他兩個濕地類型，而且連河濕地和恢復濕地內梅羅指數相當。這是由于引黃溝渠水質受人為活動（漁業養殖、石油開采等）的影響較大。

表5 2018年不同時期各濕地改進內梅羅污染指標及水質評價結果

3 討論與結論

（1）改進內梅羅污染指數評價結果顯示，僅5月份引黃溝渠水質為Ⅳ類，其余各時期引黃溝渠、連河濕地和恢復濕地水質均為Ⅴ類。這說明監測期間黃河三角洲淡水恢復工程濕地目前仍處于嚴重污染狀態。

（2）三種濕地系統COD和TN濃度均超出地表水Ⅴ類水質標準，這需要對三種濕地類型進行植物刈割，同時要對黃河三角洲上游水質加強污染管控，進而削弱修復用水水質污染風險。

（3）三種濕地系統中銅、鋅不存在污染風險，而鉻、鉛元素出現超標問題，但是降雨削弱了兩者污染風險，而且11月份兩者濃度過高，這說明該時期需要進一步補充水量，不僅能以淡壓鹽，也能抑制濕地系統金屬元素釋放。