尼尔基水库水质及水体富营养化评价研究

王丹宇，杨利民，韩　梅

(吉林农业大学生态恢复与生态系统管理重点实验室，吉林 长春 130118)



尼尔基水库水质及水体富营养化评价研究

王丹宇，杨利民，韩梅

(吉林农业大学生态恢复与生态系统管理重点实验室，吉林 长春 130118)

通过对尼尔基水库重点断面(库末、库中、坝前)近期水质状况变化趋势的总体分析，采用单因子指数评价法对尼尔基水库的水质进行了分级评价；采用湖泊(水库)营养状态分级评价法对尼尔基水库富营养状态进行了评价；采用生物多样性指数法对尼尔基水库浮游植物多样性进行了评价，并探索制定了尼尔基水库的富营养化综合评价方法.结果表明：尼尔基水库的主要超标项目为总氮、总磷、高锰酸盐指数等，尼尔基水库水质综合评价为轻度营养化.

尼尔基水库；水质断面；水质评价；富营养化

随着社会经济的高速发展，水资源短缺与水环境污染已成为制约社会经济可持续发展的重要因素.依据2014年《城市水蓝图》报告，我国目前大多数的城市都面临水资源短缺与水环境污染问题，特别是由于大量营养物质进入水体造成的富营养化所引起的饮用水源地的水华现象，往往造成城市供水的紧张与水环境污染.因此对饮用水源地的水质评价与富营养化评价是水环境管理中的重要内容.基于此，我们以尼尔基水库为研究对象，对其水质与富营养化情况进行了评价.尼尔基水利枢纽建于 2001 年 6 月，是国家“十五”计划批准建设的大型水利工程，因其库容大，具有防洪效益大、水资源综合利用效益高(如供水、灌溉、发电、养鱼等)等特点，为嫩江干流重要的水源控制性工程.然而，随着社会经济的发展，尼尔基水库也面临着上游水土流失、采矿、城市工业及生活污水排放、农牧业发展的影响.目前，尼尔基水库已出现水华现象，主要集中在整个尼尔基水库的西岸，不仅严重影响湖库的生态环境，也直接对水库供水功能构成了威胁.基于此，本文采用水化学及水生生物学等监测手段对汛期水库水质及浮游植物等指标进行了监测和分析，以找出水库水质变化与水生物种类、种群和群落变化以及水库富营养化的关系；同时，采用生物多样性指数等方法对水库水体富营养化状况进行了研究，为尼尔基水库水体富营养化防治及水生态保护提供了技术支撑.

1　研究区概况

尼尔基水库位于黑蒙交界的嫩江干流中游，是齐齐哈尔、大庆、哈尔滨等城市的水源地，已列入全国重要饮用水水源地名录(第二批).尼尔基水库总库容86.11亿m3，相当于 7.3 个镜泊湖.其中防洪库容23.68亿m3，控制流域面积6.64万km2，占嫩江流域总面积的22.4%；多年平均径流量104.7亿m3，占嫩江流域的45.7%[1].2014年径流量100.73亿m3，较2013年少147.23亿m3.

尼尔基库区地处我国东北地区重要的商品粮产区，也是我国重要的林业、工业、畜牧业和能源基地；同时，又是大力发展农、林、牧、副、渔的重要水源地，水库的水质状况对库区周围的自然和社会环境影响巨大.尼尔基水库因具有占地面积大、存储水量充足、控制流域面积广、功能性强等优势，在东北湖库水生态评价中具有重要的研究价值[2-3].

考虑到尼尔基水库采样点布设的实际需要，结合地表水监测中对监测断面布设的基本原则，依据与水文观测断面相结合并且具有较好的代表性、完整性、可比性和长期观测连续性的总体要求，选取尼尔基库末(E125°06′20″，N49°07′24″)，尼尔基库中(E124°32′56″，N48°35′52″)和尼尔基坝前(E124°31′44″，N48°29′37″)3个监测断面(见图1).

图1监测点位位置图

2　研究方法

为了进一步了解汛期库区内的水质现状及水体富营养化程度及变化趋势，本文结合历史资料及尼尔基水库(2014年6—9月)水质因子、水生物现状监测结果，对水库水体的理化因子和浮游植物多样性进行综合分析，并在此基础上，对尼尔基水库水体富营养化程度进行评价.技术路线见图2.

2.1评价指标

图2　技术路线图

根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，采用单因子指数进行分析评价，主要选取水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮8项地表水基本参数[4]，叶绿素a、透明度、氨氮、总磷、化学需氧量等湖库营养状况评价基本参数以及生物多样性指数评价浮游藻类多样性.

2.2评价方法

水质现状评价及水体富营养化评价方法主要采用3种：①《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的单因子评价及分级方法，如式(1)所示；②《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)中湖泊(水库)营养状态评价标准及分级方法；③香农-威纳多样性指数[5]，如式(2)所示.

Pi=Ci/Si.

(1)

式中：Pi为水体中第i种污染物的污染指数，Ci为水体中第i种污染物的实测浓度，Si为水体中第i种污染物的排放标准.

(2)

式中：H′为多样性指数，S为种类个数，N为同一样品中的个体总数，ni为第i种的个体数.H′值：0～1多污带，1～2为α中污带，2～3为β中污带，>3为寡污带.

2.3评价标准

本研究的水质评价标准采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)(如表1所示)和《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007).

表1　地表水环境质量标准

3　监测数据

3.1水质监测数据

尼尔基水库地表水基本项目监测结果如表2所示.通过对每日监测数据的统计，尼尔基水库平均水温为24.8℃；pH 值平均为8.75，偏碱性；溶解氧差别较大，大桥样点(库末)为8.56 mg/L，库中样点为14.87 mg/L；高锰酸盐指数由库中到库末采样点，由8.76 mg/L下降到4.36 mg/L，库中样点的高锰酸钾指数高于库末样点近1倍；由库中到库末采样点，化学需氧量高出56.2%，总磷高出8.5倍，总氮高出1.1倍，氨氮高出2.3倍.这些数据说明，尼尔基库中样点的综合水质指标基本高出坝前采样点和大桥(库末)采样点.

表2　水质监测数据

3.2富营养化指标监测数据

水体富营养化(eutrophication)是指由于氮、磷等营养物质大量进入水体中，从而引起藻类以及其他高等水生植物恶性增加富集，造成水体透明度下降，溶解度降低，最终导致水质恶化、水体生态系统被破坏的现象，严重妨碍人类对水资源的利用.在造成水体富营养化的污染物质中，氮、磷等营养物质是造成水体富营养化的关键因素，也有较多学者认为磷是更为重要的关键因素[6-8].

(1)叶绿素a.叶绿素a与水体中多种环境因子如水温、pH、氮、磷含量、光照强度、溶解氧等密切相关[9-10].如图3所示，尼尔基水库各样点主汛期的叶绿素a变化情况是：2014年6月，尼尔基库末、库中、坝前样点叶绿素a的质量浓度分别为8.62，9.34，10.1 μg/L.随着时间增长，叶绿素a的浓度逐月增加.总体来看，尼尔基水库叶绿素a浓度较低，且比较稳定，最高值出现在坝前，为24.1 μg/L.

(2)透明度.尼尔基水库透明度测量结果见图4.随着春、夏季节的来到，尼尔基水库的透明度月平均低于80 cm，透明度较小，这与春、夏季节浮游生物急剧繁殖以及春汛、伏汛时期含沙量的增加有关.

3.3水生生物监测数据

通过2014年9月(浮游植物生长旺季) 进行的尼尔基水库浮游植物初步调查，分析水库浮游植物多样性现状，共发现浮游植物5门24种，鉴定结果见表3.就种类而言，蓝藻门数量最多(10种)，其次是绿藻门(6种)，各占调查种类的42%和25%；再次为硅藻门(5种)，占调查种类的20%，隐藻门和裸藻门种类较少.铜绿微囊藻、等长鱼腥藻构成尼尔基水库浮游植物的优势种类，其优势度分别为Y=0.093和Y=0.042，出现频率分别为100%和94.5%，是尼尔基水库目前暴发蓝藻水华的重要诱因，并随着蓝藻水华和赤潮的发生逐渐增加.而80% 的蓝藻水华都可以检测出次生代谢产物——微囊藻毒素，它对水体环境和人类健康的危害已成为全球关注的重大环境问题之一.

图3　叶绿素a监测数据图

图4　透明度监测数据图

通过对尼尔基水库库区周边的实地考察发现，每年的9月份库内水温较高，满足了蓝藻大规模暴发的温度要求(水温25℃～35℃时，蓝藻的生长速度比其他藻类要快)，故温度是蓝藻暴发的主要因素之一[17-18]；其次，库区内水的流动性较差也会导致蓝藻容易生长[19].同时，有机磷是蓝藻生长的必须因素，而进入尼尔基水库的污水中，包括含磷清洁剂的生活废水、畜禽养殖产生的含有大量营养废物(氮和磷)的畜禽粪便，以及化肥厂和污水处理厂产生的工业污染物，这些元素都能导致尼尔基水库富营养化.

表3　浮游植物监测数据

4　评价结果

4.1单因子评价

依据《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)，本研究采用单因子指数评价法进行评价.单因子指数评价法就是以水质最差的单项指标所属类别来确定水体综合水质的类别，一般来说单项水质项目浓度超过GB3838Ⅲ类标准限值的称为超标项目.

2014年6—9月尼尔基水库各断面监测数据水质综合评价结果见表4.尼尔基库末断面水质评价结果为Ⅲ类，无超标项目；坝前断面总氮超标，属于Ⅴ类水质；库中断面高锰酸钾指数、总氮和总磷含量均超标，属于劣Ⅴ类水质.

表4　单因子评价结果

4.2富营养化评价

尼尔基水库富营养化等级评价参照湖泊(水库)营养状态评价标准及分级方法进行，评价结果见表5.由表5可见，尼尔基库末和坝前的水体均属于轻度富营养化，而尼尔基库中水体属于中度营养化.

表5富营养化评价结果

监测断面评分结果库末58.5轻度营养化坝前56.0轻度营养化库中65.5中度营养化

表6　浮游植物多样性评价

4.3浮游植物多样性评价

通过对尼尔基水库浮游植物的调查结果可知，尼尔基库末、坝前和库中断面分别为α中污带、多污带和多污带，具体评价结果见表6

5　结论

综合以上数据进行分析，尼尔基库末水质基本达标，满足地表水GB3838Ⅲ类标准，尼尔基坝前、库中样点水质超标，主要超标项目为高锰酸盐指数、总磷、总氮.水库营养状况评价结果显示尼尔基库中水体为中度营养化，主要影响因子为叶绿素a、总氮、高锰酸盐指数.生物多样性评价结果显示，尼尔基坝前和库中水体污染情况为多污带，库末为α中污带.

通过对水库水质的历史及现有资料的分析，库区总氮、高锰酸盐指数高的原因有两方面：一是水库周边的面源污染；二是嫩江上游的来水污染.因此，尼尔基水库下一步的富营养化防治重点：一是库周边农业面源的防治(包括控制农药、化肥使用量，建设库周防护林带等)；二是控制上游来水水质(包括加强上游的点源污染治理、人工湿地建设等).

[1]周绪申，罗阳，郑国臣，等.尼尔基水库浮游植物多样性初步研究[J]. 东北水利水电，2013(3):30-32.

[2]王昱，刘贵成，赵旭.嫩江干流与支流水质污染状况分析[J].现代农业科技 2010(2).

[3]沈万斌，董德明，宿华，等.嫩江齐齐哈尔市江段水环境优化管理方案[J].吉林大学学报(地球科学版)，2003，33(4)：519-523.

[4]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[5]裴海燕. 南四湖藻类种群特征[M]. 北京：中国环境科学出版社，2010：12.

[6]蔡庆华. 湖泊富营养化综合评价方法[J]. 湖泊科学，1997(1):89-94.

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[9]陈宇炜，高锡云.浮游植物叶绿素a 含量测定方法的比较测定[J].湖泊科学，2000(12)：185-188.

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[11]韩君.黄海物理环境对浮游植物水华影响的数值研究[D].青岛:中国海洋大学，2008：1-33.

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(责任编辑：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

国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2008ZX07207-006-01).

王丹宇(1987—)，女，硕士研究生；通讯作者：杨利民(1963—)，男，博士，教授，博士研究生导师，主要从事植物生态学研究.

X 321[学科代码]610·2020

A

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