2019一2023年合流水庫水質(zhì)動態(tài)變化及其影響因子研究

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Water Quality Dynamic Changes and Their Impact Factors in Heliu Reservoir During 2019-2023

WANG Xiao-hui， HUANG Quan-ping， XIE Tian et al （Zhanjiang Hydrology Branch of Guangdong Hydrology Bureau，Zhanjian Guangdong ）

AbstractInordertograspthechangingtrendandifluencingfactorsofwaterqualityidicesiHluReservoirquarterlysueywasconductedduring2O19-223tomonitorthedynamicsofmainwaterqualityindices.TeresultsshowedthatHeliuReservoirwasinthestateof mediumnutiototemodeateutrocatiostateduring19-O.Thoncentratiosoftotalitrogentotalposhousadcop hensivetrophiclevelindexallshowedanoverallupwardtrend.Waterqualtyindicesandcomprehensivetrophiclevelindexduring2019- 2023presentedbsasalags，ctatiosoftotalenotlposousoagendolsel asthecomprehensivetroiclevelidexwerealligherinemainfloodsasohaninedrysasonTheoelationaalysissoedthat thechlooph-caiielseselyatlsiieleadihalpoosoaeit wasnegativelyoeaiaspyutitdoiitreoiasspagaateemog concentration，total nitrogen concentration，water temperature， ΔpH . Heliu Reservoir is a phosphorus restricted reservoir.

KeyWordsHeliReservoir;Waterquality;Comprehensivetrohiclevelindex;Nutrint;Meteorologicalandhydrologicalonditios

湛江地處我國大陸最南端的雷州半島，三面環(huán)海，受熱帶季風(fēng)氣候的影響，該區(qū)域內(nèi)降雨充沛，但具明顯的季節(jié)性特征， 80% 的降雨量集中在4一9月，導(dǎo)致季節(jié)性缺水嚴(yán)重。該區(qū)域內(nèi)雖河流眾多，但大多數(shù)河流短小且缺乏天然湖泊，水庫成為該地區(qū)水資源調(diào)節(jié)的主要手段。近些年，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口的不斷增長以及部分工農(nóng)業(yè)污水排放量的大幅增長，大量營養(yǎng)鹽的輸入導(dǎo)致水庫富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，大多數(shù)水庫水質(zhì)日趨下降。急需針對該區(qū)域內(nèi)的水庫水質(zhì)特征開展科學(xué)、合理的水庫管理，保護水環(huán)境質(zhì)量，保障供水安全。

合流水庫是一座以灌溉為主，兼顧供水和應(yīng)急備用等綜合功能的小（I）型水庫，是該區(qū)域內(nèi)典型的小型供水水庫。該水庫聯(lián)通青年運河，是環(huán)北部灣廣東水資源配置工程規(guī)劃的交水水庫之一，在區(qū)域水資源配置中承擔(dān)重要的功能。近年來，合流水庫水體富營養(yǎng)化逐漸加劇，水庫中浮游植物增加，嚴(yán)重威脅著供水水質(zhì)和水生態(tài)健康。針對該現(xiàn)象，筆者于2019—2023年調(diào)查分析了該水庫主要水質(zhì)指標(biāo)的動態(tài)變化，以揭示浮游植物現(xiàn)存量的變化特征及其影響因子，旨在為水庫水資源的管理及富營養(yǎng)化的綜合防治提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1水庫概況和采樣點設(shè)置 合流水庫位于湛江市麻章區(qū)麻章鎮(zhèn)，為環(huán)北部灣廣東水資源配置工程鶴雷-合雷段的重要受水水庫。該水庫始建于1958年，1959年10月竣工。該水庫集雨面積 8.25km² ，總庫容539.5萬 m³ ，多年平均降雨量 1100mm ，供水范圍為湛江市麻章區(qū)中心城區(qū)區(qū)域和赤坎、霞山片區(qū)。

廣東省水文水資源監(jiān)測中心湛江分中心在合流水庫壩前布設(shè)1個采樣點（圖1）于2019—2023年2、5、8和11月進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。

圖1合流水庫監(jiān)測采樣點示意

Fig.1Monitoring and sampling point of Heliu Reservoir

1.2樣品采集和指標(biāo)測定方法現(xiàn)場使用黑白盤測定水體的透明度（SD），使用便攜式水質(zhì)多參數(shù)測定儀現(xiàn)場測定水溫（WT）和pH。氣溫使用水銀溫度計測定。使用 ^5L 卡蓋式采水器采集水樣，用于測定高錳酸鹽指數(shù)（ COD_Mn ）、葉綠素a（Chl.a）、總氮（TN）、氨氮（ ）和總磷（TP）的濃度，測定方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）。葉綠素a濃度用來反映浮游植物現(xiàn)存量。在此基礎(chǔ)上，計算總氮濃度與總磷濃度的比值（TN/TP）

目前國內(nèi)外富營養(yǎng)化評價方法主要包括營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、修正營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、營養(yǎng)度指數(shù)法和單因子評價法[1]。由于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價準(zhǔn)確性較高而被廣泛應(yīng)用[2]。該研究采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)評價。采用相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）評價水體富營養(yǎng)化，以Chl.a濃度的TLI為基準(zhǔn)參數(shù)，選擇SD、TN濃度 ?^TP 濃度 、COD_Mn 的TLI綜合評價合流水庫的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式如下：

式中： TLI（Σ） 為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)； 為第 j 個參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重； TLI（j） 為第 j 個參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以Chl.a濃度的TLI為基準(zhǔn)參數(shù)，則第 j 個參數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重計算公式如下：

式中： r_ij 為第 j 個參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)； m 為評價參數(shù)的個數(shù)。

各參數(shù)TLI的計算公式如下：

TLI（Chl.a濃度 濃度）]（3）

TLI（TP濃度） τ=10×[9.436+1.624ln（TP 濃度）] （2

TLI（TN濃度） τ=10×[5.453+1.694]n（TT 濃度）]

TLI（SD）=10×[5.118-1.94ln（SD）]

?COD_?Mn?=10×[0.109+2.661]n（COD_?Mn）

按以下標(biāo)準(zhǔn)對水庫營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級：若 TLI（Σ）?30 為貧營養(yǎng)水體；若 30

1.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，相關(guān)性分析使用SPSS24軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1總氮、總磷、氨氮和葉綠素a濃度的動態(tài)變化2019—2023年合流水庫水質(zhì)指標(biāo)的動態(tài)變化如圖2所示。2019—2023年合流水庫TN濃度季節(jié)性變化較大（0.57～2.45mg/L ），最低值出現(xiàn)在2021年2月，最高值出現(xiàn)在2023年8月。TN濃度年內(nèi)整體表現(xiàn)為主汛期（8月）高于枯水期（2月），可能與汛期降雨有關(guān)，汛期降雨量增多使地表徑流增大，庫區(qū)周圍農(nóng)田化肥大量流失，大量營養(yǎng)鹽隨雨水進(jìn)入水庫，導(dǎo)致水庫水體中TN濃度升高。總體而言，2019—2023年合流水庫TN濃度整體呈上升趨勢。

合流水庫TP濃度季節(jié)性變化較大 （0.01～0.15mg/L） ，最低值出現(xiàn)在2021年2月和11月，最高值出現(xiàn)在2023年8月。TP濃度年內(nèi)整體表現(xiàn)為主汛期（8月）高于枯水期（2月）。這一方面可能與降雨帶來大量營養(yǎng)鹽有關(guān)，另一方面可能與汛期水庫放水?dāng)_動，水庫沉積物中磷的釋放速率加快有關(guān)。合流水庫2019—2023年TP濃度整體呈上升趨勢。

合流水庫 NH₃-N 濃度年內(nèi)季節(jié)性變化較大（0.03～0.53mg/L ，年際濃度相對穩(wěn)定，無明顯上升趨勢。最低值出現(xiàn)在2019年5月和2022年2月，最高值出現(xiàn)在2023年8月。 NH₃-N 濃度年內(nèi)總體表現(xiàn)為主汛期（8月）高于枯水期（2月），這主要是由于降雨量和徑流量對氮濃度的影響較大。

合流水庫Chl.a濃度年內(nèi)季節(jié)性變化較大（ 21.00～ 70.37μg/L ），最低值出現(xiàn)在2021年5月，最高值出現(xiàn)在2022年5月。Chl.a濃度年內(nèi)整體表現(xiàn)為主汛期高于枯水期。2019年和2020年各季度Chl.a濃度均值分別為50.3和48.8μg/L;2021 年各季度Chl.a濃度均值為 38.2μg/L ，與2019和2020年相比Chl.a濃度均值有所下降；2022和2023年各季度Chl.a濃度均值分別為55.1和 49.1μg/L ，與2021年相比Chl.a濃度均值有所升高。

2.2合流水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)動態(tài)變化2019—2023年合流水庫水體大多時期處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，少數(shù)處于中營養(yǎng)狀態(tài)或中度富營養(yǎng)狀態(tài)，且綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)整體呈上升趨勢，最高值出現(xiàn)在2023年8月（63.4），最低值出現(xiàn)在2019年2月（48.2）（圖3）。2019—2023年合流水庫各季度TLI（Σ） 均值為53.5、54.6、51.1、57.4和58.2，年內(nèi)總體表現(xiàn)為主汛期（8月）高于枯水期（2月）。降雨帶來大量的營養(yǎng)鹽，同時沖刷地面產(chǎn)生地表徑流，其中大量的營養(yǎng)物質(zhì)隨著雨水進(jìn)入水庫中。雷州半島4—10月降雨量大，大量營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水庫中，導(dǎo)致水庫水體在汛期營養(yǎng)狀態(tài)水平較高。2021年合流水庫各季度 TLI（Σ） 均值較2019和2020年有所下降，2022和2023年較2021年明顯升高，這可能與鶴地水庫來水有關(guān)。合流水庫來水主要靠鶴地水庫補給，而近年來鶴地水庫富營養(yǎng)程度較高，補給水中浮游植物豐度較高可能是導(dǎo)致合流水庫富營養(yǎng)化、水華發(fā)生的主要原因。

圖32019—2023年合流水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的動態(tài)變化Fig.3Dynamic changes of comprehensive trophic level index ofHeliuReservoirduring2019-2023

2.3葉綠素a濃度與其他水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析2019——2023年合流水庫Chl.a濃度與其他水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果（表1）表明，該水庫水體中Chl.a濃度與 COD_Mn 、TN/TP、 NH₃ -N濃度以及TN濃度均無顯著相關(guān)，僅與TP濃度呈極顯著正相關(guān)（ ?Plt;0.01 ），Chl.a濃度和 COD_Mn?TN/TP、NH₃- N 濃度、TN 濃度的相關(guān)性與王曉輝等[3-5]的研究結(jié)論不一致，Chl.a濃度和TP濃度的相關(guān)性與曾華獻(xiàn)[對紅楓湖水質(zhì)的研究結(jié)果相一致。大量研究表明，氮、磷等營養(yǎng)鹽對藻類生長具有一定的限制作用[7-9]。Chl.a濃度與TP 濃度是否存在相關(guān)性，不能說明藻類生長受到TP濃度的影響，也不能說明水體中藻類的生長與TP濃度無關(guān)。很多學(xué)者將TN/TP作為判斷氮、磷是否為藻類生長的限制性因素。若TN/TP大于 16：1 ，則磷是水體中限制性因素；反之，氮通常被認(rèn)為是水體中的限制性因素[10]。Chl.a濃度與TN濃度間的相關(guān)性較為復(fù)雜，不同學(xué)者得出的結(jié)論并不一致[7\"]。2019—2023年合流水庫TN/TP均大于 16：1 ，因此可認(rèn)為該水庫是磷限制性水庫。Chl.a濃度與TN濃度間無顯著相關(guān)，可能與合流水庫為磷限制性水庫有關(guān)。

表12019—2023年合流水庫Chl.a濃度與其他水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性 Table 1 The correlation between Chl.a concentration and other water qualityindicesofHeliu Reservoir during2o19-2023

注： ** 表示在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。 Note：* * indicates significant correlation at the O. O1 level（bilateral）.

2.4葉綠素a濃度與部分水文氣象因子的相關(guān)性分析合流水庫2019—2023年Chl.a濃度與水溫、 ?pH 等水文氣象因子的相關(guān)性分析結(jié)果（表2）表明，Chl.a濃度與SD呈顯著負(fù)相關(guān)，與水溫 ??pH 和氣溫均無顯著相關(guān)。SD是評價水庫水質(zhì)最直觀的指標(biāo)。一般來說，水體中浮游植物生物量或Chl.a濃度是影響水體SD的主要因素。該研究合流水庫水體中Chl.a濃度與SD呈顯著負(fù)相關(guān)，說明該水體中的Chl.a濃度對SD的影響較為明顯，SD隨Chl.a濃度的增加而降低。大量研究表明，水溫可通過控制浮游植物的光合作用與呼吸速率，進(jìn)而影響水體中的Chl.a濃度，且水溫變化會導(dǎo)致水體中其他因子發(fā)生變化，這些因子能與水溫共同作用，從而影響浮游植物的生長。合流水庫Chl.a濃度與水溫?zé)o顯著相關(guān)，可能是因為該地區(qū)水溫大部分時間保持在 24.0^qC 左右，水庫中優(yōu)勢藻種擬柱孢藻已積累了足夠生物量，只要其他條件合適，擬柱孢藻在合流水庫就會成為優(yōu)勢種乃至形成持續(xù)性水華。pH主要影響浮游植物對水體中營養(yǎng)鹽的利用，擬柱孢藻喜好略偏堿性的水體，合流水庫 pH 長年維持在7.7～9.0，在這種環(huán)境下該水體中的優(yōu)勢藻種擬柱孢藻將長期穩(wěn)定存在，故pH不會成為影響浮游植物生長的一個制約因子。

大量研究表明，浮游植物的生長與水文氣象因子有顯著相關(guān)，比如日照時間、降雨量、水位和風(fēng)速等因子可能是引發(fā)水庫水華的關(guān)鍵因素，后續(xù)將持續(xù)開展日照時間、降雨量、水位和風(fēng)速對合流水庫藻類水華的影響研究。

該研究結(jié)果表明，合流水庫Chl.a濃度除了與營養(yǎng)鹽TP濃度呈極顯著正相關(guān)外，也與SD呈顯著負(fù)相關(guān)。這表明單純靠減少 _N，P 營養(yǎng)物質(zhì)的輸入并不能完全解決該水庫的藻類水華問題。合流水庫作為環(huán)北部灣廣東水資源配置工程的交水水庫之一，急需對該水庫的水華發(fā)生機制及其影響因子開展深入研究。

表22019一2023年合流水庫Chl.a濃度與水文氣象因子的相關(guān)性 Table2 Thecorrelationbetween Chl.aconcentrationand hydro-meteorological factors of Heliu Reservoir during 2019-2023

注：**表示在0.01水平（雙側(cè)）顯著相關(guān)， * 表示在0.05水平（雙側(cè)）顯著相關(guān)。Note： ** indicates significant correlationat the O. O1 level（bilateral），*indicatessignificantcorrelation at theO.O5level（bilateral）.

3結(jié)論

通過對2019—2023年合流水庫主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定，并分析了Chl.a濃度與其他水質(zhì)指標(biāo)和水文氣象因子的相關(guān)性，得到以下結(jié)論：

（1）2019—2023年合流水庫 TN，TP 、氨氮（ NH₃-N 和Chl.a濃度季節(jié)性變化較大。汛期降雨量增多使地表徑流增大，大量營養(yǎng)鹽入庫導(dǎo)致主汛期 TN，TP 氨氮（ NH₃-N 和Chl.a濃度整體高于枯水期。2019—2023年合流水庫TN、TP濃度整體呈上升趨勢。

（2）2019—2023年合流水庫水體大多處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，少數(shù)處于中營養(yǎng)狀態(tài)或中度富營養(yǎng)狀態(tài)，2019—2023年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)整體呈上升趨勢；受降雨量的影響，年內(nèi)總體表現(xiàn)TLI主汛期高于枯水期。

（3）合流水庫Chl.a濃度與TP濃度呈極顯著正相關(guān)，與COD_Mn、TN/TP、NH₃-N 濃度、TN濃度均無顯著相關(guān)。合流水庫為磷限制性水庫，TP濃度對藻類生長有較大影響。合流水庫水體中Chl.a濃度與SD呈顯著負(fù)相關(guān)，與水溫 ??pH 和氣溫均無顯著相關(guān)。SD隨著Chl.a濃度的增加而降低。該地區(qū)水溫大部分時間保持在 24.0^°C 左右，水溫和氣溫對浮游植物生長的影響不明顯。后續(xù)將開展日照時間、降雨量、水位和風(fēng)速等水文氣象因子對水庫水華發(fā)生的影響機制研究。

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