威海市崮山水库水质分析及富营养化评价*

李 光， 李晓红， 叶海斌， 王晓璐， 刘洪军

(1.中国海洋大学海洋生命学院，山东 青岛 266003； 2.山东省海洋生物研究院,山东 青岛 266104)

研究简报

威海市崮山水库水质分析及富营养化评价*

李 光1， 李晓红1， 叶海斌2**， 王晓璐2， 刘洪军2

(1.中国海洋大学海洋生命学院，山东 青岛 266003； 2.山东省海洋生物研究院,山东 青岛 266104)

以崮山水库为监测点，对2013—2014年期间水质状况进行了分析，研究了T、pH、DO、COD、TN、TP、Chl-a指标在水体中不同时间和一年四季中的变化规律。本研究结果表明，T、pH、COD、TP和Chl-a含量在夏秋季比较高，2014年DO含量相对于2013年含量有所提高，相同的是2个年份都表现出DO含量在夏秋季节偏低，这也说明崮山水库夏秋季的生物活动量较频繁。其中总氮含量年际变化较大，硝酸盐与总氮含量呈正相关。水库氮磷比为77∶1，属于磷限制型水库。除总氮含量超出地表水Ⅴ类标准，其它指标都符合中国生活饮用水水源地标准。同时选取Chl-a、TP、TN、COD、SD为研究指标，用综合评价法对水库富营养化状态进行了评价，2013、2014年崮山水库富营养指数分别为：52和49.4，研究表明崮山水库水质由2013年的富营养化状态转变为2014年的中营养化状态，说明崮山水库采取的生态养鱼方式对水库水质富营养化防治起到了有效的作用。

崮山水库；水质分析；富营养化评价

全球范围内的水资源问题日益突出导致安全饮用水的提供成为如今所面临的重要问题之一，其主要体现在水资源短缺和水源水质恶化的问题上。2007年5月，中国因太湖无锡流域蓝藻大面积的暴发导致400多万居民的日常饮用水受到严重的影响[1]。随后，蓝藻暴发也同样发生在安徽巢湖、吉林长春新立城水库和云南滇池等地[2-5]，为中国城市安全用水的供给敲响了警钟。山东省属于中国北方中缺水比较严重的地区之一，山东人均水资源的占有量不足全国的1/6，仅为世界的1/24，水资源时空分布不均，人多地少水却，属北方严重缺水地区之一。为了使得中国山东省的水资源的问题得到缓解，各地区开始兴建相应的调蓄工程。

威海市的崮山水库拥有90.3 km2的流域面积、2 690万m3的总库容、1 500万m3的兴利库容，且处在环翠区五渚河的下游地带。有1座的小(1)型水库和12座的小(2)型水库位于水库的上游，在入库附近的温泉镇以上河流分为两条支流(东和西)。于1983年5月份该水库开始被兴建，蓄水于1984年7月份被建成，威海市区市民的日常生活用水和工业用水主要由它承担，日供水量可达2.5万m3，年供水量可高达800万m3左右，对威海市的供水起着很重要的作用。崮山水库的建立为水资源配置、社会经济、生态环境等方面做出了显著贡献，但是伴随这些显著效益的同时，也出现水库水质个别指标不能稳定达标，出现富营养化问题[6]。水体富营养化导致世界各地的水生生态系统严重的水质问题，受影响尤为严重的是使用湖水作为饮用水供应地区的健康问题[7-8]。水体富营养化的机制尚不完全清楚，但是表层水系统的过量营养负荷被认为是主要的因素之一[9-10]。

污染控制是一种有效的方法，但难以在短时间内实现[11]。对此，研究者对崮山水库饮用水水源地的水质富营养化防治技术也进行了探讨与研究[12]。由于近年来对水库水质监测时效性不足，很难全面及时地掌握水体水质的动态变化。根据之前的研究发现，对崮山水库水体水质的研究数据多为2010年以前的[13]，分析方法较为单一，导致研究成果难以准确反映崮山水库水质状况。为此，利用2013—2014年实测数据，通过水体指标年度变化规律以及季节变化规律对崮山水库水质进行连续性监测和分析，并运用综合营养状态指数法对水库水体富营养化水平进行评价，以期为崮山水库饮用水水源地资源利用和水环境管理提供科学依据和参考。

1 实验方法与评价标准

1.1样品采集

于2013年1月—2014年12月期间以每月1次的频率对崮山水库的水质进行采样，具体的采样时间为每个月的中上旬。选取上游，中游和下游3个采样点，用筒式采水器在每个采样点进行采样，采集水面下1 m处的水样。采得的水样用磷酸酸化固定，带回实验室测定COD、TN、TP和 Chl-a。现场测定指标为水温、溶解氧、电导率和pH等。

1.2测定方法及测定标准

以温度(T)、pH、溶解氧(DO)、化学耗氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)和叶绿素a(Chl-a)等为测定指标对水样进行理化指标的测定，测定方法与测定标准见表1。

表1 崮山水库水样理化指标测定方法及测定标准Table 1 Major monitoring projects, monitoring methods and basis of Reservoir water samples

2 威海崮山水库水质状况分析

根据威海崮山水库2013—2014年的水质监测数据，对水温、pH、COD、溶解氧、总氮、总磷和Chl-a等水质指标进行年度变化和季节变化分析。

2.1水温

2013—2014年崮山水库水温变化范围为0～27.9 ℃，平均值为12.9 ℃。从近2年崮山水库水温变化趋势图1中可以看出，水库水温年际变化较小，2014年水温较2013年有升高现象。季节变化趋势表现为：夏季>秋季>春季>冬季(春季：3—5月；夏季：6—8月；秋季：9—11月；冬季：12—2月)。

图1 2013—2014年崮山水库水温(T)变化趋势图Fig.1 Variation trend of water temperature (T) of Gushan reservoir in 2013—2014

2.2pH

崮山水库pH变化范围为6.9～8.5，平均值为7.9，水质呈弱碱性(见图2)。通过数据对比可以看出2013年与2014年的 pH 值相近，通常情况下，浮游植物通过光合作用消耗水体中的 CO2，并释放氧气，致使水体呈弱碱性，可以推测水库中浮游植物种群密度较为稳定。从季节变化趋势(见图2)中可以看出2013年与2014年夏季时期的 pH 较大，一般夏季水体生物处于活跃期，浮游植物量的增多便会产生更多的光合作用，使水体 pH 升高。

图2 2013—2014年崮山水库pH变化趋势图

2.3化学需氧量

2013—2014年崮山水库化学需氧量存在一定波动，COD变化范围为17.4～20 mg/L，平均值为19.13 mg/L，属于地表水Ⅲ类标准(≤20 mg/L)。通过图3可以看出，2013—2014年，化学需氧量只有在7、8月有显著差异，并且在2013年度中，夏季到秋季 COD 变化有一个骤然下降过程。分析其原因或许由于夏季节水温较高导致浮游生物群落密度升高，水中生物进行新陈代谢会产生大量的有机物，从而导致COD的升高，而秋季的突然下降或许由于水库的放水期，大量换水致使 COD 骤然下降。相比较下，2014年 COD 变化较为平稳，夏秋季水中生物活动频繁会使水中代谢有机物增多，从而使COD在夏季向秋季过渡中有一个缓慢上升的现象。

图3 2013—2014年崮山水库化学需氧量(COD)变化趋势图

2.4溶解氧

崮山水库DO含量变化范围为8.3～9.7 mg/L，其平均值为9.11 mg/L,可以达到地表水Ⅰ类标准。从图4中我们可以明显发现与2013年的水库DO含量相比，2014年的呈现整体上升的趋势，每年的7—11月DO较其它月份低，据推断是由于夏秋季节是生物量的高峰期也是生物活动的活跃期，导致COD升高，由此消耗大量的溶解氧，其次由于夏季微囊藻类等喜光藻种数量较高并存在于水体上层，衰减了光照对下层植物和其它浮游植物的光合作用。从图4中可以看出，DO季节变化趋势为冬季>春季>夏季>秋季。

图4 2013—2014年崮山水库溶解氧(DO)变化趋势图

2.5总氮

从图5可以看出，2013—2014年期间崮山水库总氮含量变化较大，变化范围为3.24～6.04 mg/L，平均值为4.07 mg/L(以N计),超出地表水Ⅴ类标准(2.0 mg/L，以N计)。其中氨氮占TN的5.8%，硝酸盐氮占TN的64.9%，亚硝酸盐氮占TN的0.9%，有机氮占TN的28.4%(见图6)。硝酸盐氮是含氮营养盐的主要存在形式，相关性的研究分析显示，硝酸盐氮与总氮含量存在显著的正相关关系(见图7)。

TN含量在季节性变化上2013和2014年出现不同的季节变化规律，2013年TN含量季节变化规律为：春季>秋季>冬季>夏季(见图5)，正常情况下TN的含量应随着水体中生物活动量的增加而增多，夏秋季节生物活动较频繁，从而生物的呼吸量和排泄量也随着增多，这必然会导致氨氮和有机氮含量增多，从而使得TN含量提升。但是水体中氮形态的转化较为复杂，氨氮会被亚硝化细菌氧化为为亚硝态氮，进而由硝化细菌氧化为硝态氮，硝态氮在反硝化细菌的作用下还原硝酸盐，释放氮气(N2)或一氧化二氮(N2O)，这一过程中硝化细菌在25℃温度下繁殖最快，夏季随着水温的升高，硝化细菌生物量增多，水中 DO 含量降低会使反硝化细菌的反硝化作用增多，进而使水中的氮向大气中逸出，减少了水中总氮的含量。而2014年TN含量季节变化幅度较小，全年TN含量较稳定，其变化规律为：夏季>秋季>冬季>春季(见图5)，夏季生物活动量的增多所产生的氮压过水体中的反硝化作用从而使得总氮在夏秋季节略有提升。另外，2013年TN 含量波动较大也受测定方法的影响，通常情况下总氮的测定需要将水样通过过硫酸钾消解(K2S2O8),而中国许多K2S2O8药品纯度达不到消解的要求，所以测定总氮的数据在准确性上还需通过更多实验来确定，并找出问题所在[14]。所以如何提高水环境水质监测质量以及加强对地表水水质监测质量的研究有非常重要的意义[15]。

图5 2013—2014年崮山水库总氮(TN)含量变化趋势图

图6 含氮营养盐形态分布

图7 TN与硝酸盐氮相关性分析

2.6总磷

崮山水库TP含量变化范围为0.02～0.15 mg/L，其平均值为0.05 mg/L，能够达到地表水Ⅲ类标准(TP浓度≤0.05 mg/L)的要求。从图8中我们可以很明显地看出，除2013年11月，2014年8、10月总磷含量超过0.1 mg/L，其它月份变化较小，水库水体中总磷含量较高。2014年8、10月和2013年11月份总磷含量升高有以下几点可能：(1)通过测得的叶绿素a含量发现，这3个月份当中叶绿素含量为全年中最高，可以推测期间初级生产力为最高峰，由于初级生产力的增加导致了水体pH的上升，继而促进了库底沉积物氢氧根离子与水体中磷酸根的交换，继而沉积物中的磷被释放到水中。(2)由于8、10、11月份浮游动物的代谢旺盛，在代谢过程中排出的磷以粪便形式成为腐屑，再由微生物的分解作用而释放磷于水中。加之生物扰动会引起底部沉积物中磷的释放。(3)在嫌气性的还原条件下，沉淀中氧化铁和氢氧化铁被还原为易溶解的氧化亚铁和氢氧化亚铁，这时被吸附的磷就回归到水中。由于8、10、11月份水体中生物循环还处于活跃期，水底富含大量有机物质，加之微生物的活动消耗氧而形成嫌气性条件，由此沉积物也会向水体中释放磷。

从TP含量季节变化趋势如图8，从中可以看出TP含量夏秋季较高，冬春季节较低。

图8 2013—2014年崮山水库总磷(TP)含量变化趋势图

崮山水库氮磷比为77，以往的研究表明，在TN/TP>14的情况下磷是藻类生长的限制性因素。因此，崮山水库属于磷限制性水库。

2.7叶绿素a(Chl-a)

在浮游植物的细胞中Chl-a占有比较稳定的比例，因此浮游植物初级生产力的大小可以通过Chl-a的浓度反映出来，它也因此经常作为一个重要指标被用来衡量水体的富营养化程度，与此同时有关水体理化性质动态变化的相应综合指标也能被反映出来。崮山水库Chl-a含量变化范围为0.000 53～0.004 81 g/L，平均值为0.002 3 g/L(见图9)。

从季节变化趋势图中可以看出，Chl-a含量的季节变化规律为：夏秋季节偏高，冬春季节偏低。夏秋季节Chl-a含量偏高的原因之一可能是夏秋季节水温较高，浮游植物的光合作用增强，因此生物量和初级生产力提高，从而使Chl-a含量升高。

图9 2013—2014年崮山水库叶绿素a(Chl-a)含量变化趋势图

3 富营养化评价

对水库富营养化评价多数采用叶绿素a评价法，生物评价法以及综合评价法。对崮山水库本研究采用综合评价法[16]对水体进行富营养化状态评价。此方法选用叶绿素a、TN、TP和SD作为评价参数，根据表2算出评分值，之后可以通过以下公式获得水库的评分指数值，进而求得水体营养状态：

M=1/n∑Mi(i=1，…，n)，

式中：M数值代表营养状态指数；Mi代表某项评价参数中的评分数值；n代表评价参数中的个数。

按照综合评价法对2013—2014年崮山水库的富营养化情况进行分析汇总，得到结果如下表3。

表2 水库富营养化评分以及分级标准Table 2 Eutrophication score and classification standard of lakes and reservoirs

表3 崮山水库水体富营养化综合评价结果

注：依据评价标准：当M<30时水体表现为贫营养状态；当30≤M≤50时水体表现为中营养状态，当M>50时水体表现为富营养状态。

Note：Evaluation criteria:M<30 is oligotrophic;30≤M≤50 is Mesotrophic;M>50 is Eutrophy.

按照综合评价法对崮山水库2013—2014年的富营养化情况进行分析汇总，2013和2014年崮山水库富营养指数分别为52和49.4，数据表明2013年水体富营养程度为富营养，2014年水体富营养程度为中营养。

4 结论

(1)根据崮山水库2013—2014年的水质监测数据明确了崮山水库水质特征，并对其水质指标进行年际变化及季节变化分析，得到如下结论：水质溶解氧满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅰ级标准，化学需氧量满足《地表水环境质量标准》Ⅲ级标准，总磷含量的平均数值是0.05 mg/L，符合《地表水环境质量标准》Ⅲ级标准，总氮含量较高，平均值为4.07 mg/L，超出地表水Ⅴ类标准；近2年崮山水库的总磷、高锰酸盐指数等指数年际变化不大，总氮含量变化较大。季节变化规律研究表明，叶绿素a夏秋季节高于冬春季节，总磷秋季高于其它季节，总氮季节变化规律不明显，但冬季总氮含量较其它季节稳定；崮山水库氮磷比为77，属于磷限制型水库。通过采用综合评价法，对崮山水库水体富营养化现状的分析表明：崮山水库水体属于中营养水平；这得益于近两年采用生态治理的方法防治水体富营养化，采取投放鲢鱼和鳙鱼的措施控制藻类的繁殖，通过鱼类种群密度和不同种群间的协同效应和下行效应来实现水质的净化。使得崮山水库水体由2013年富营养化状态成功转向中营养状态，体现了生态治理水体富营养化的有效性。

(2)在此次水质分析中，总氮是判断饮用水、水源水、污染程度的重要指标之一。2013、2014年分别在总氮含量上有着不同季节变化，其变化不同受水体中微生物的影响，通常水库中总氮含量在夏秋季较高，水体中生物活动频繁导致呼吸量和排泄量增多，氨氮浓度也会增加，这对于绝大多数生物有着不利影响，而水体中硝化和反硝化作用会降低氨氮含量，大大降低了水中游泳生物因氨氮浓度过高而死亡的风险，再次说明微生物在水体中扮演着重要的角色。

致谢：感谢威海市崮山水库管理处提供的科研帮助。

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WaterQualityAnalysisandEutrophicationAssessmentforGushanReservoir

LI Guang1, LI Xiao-Hong1, YE Hai-Bin2, Wang Xiao-Lu2, LIU Hong-Jun2

(1. College of Marine Life Science, Ocean University of China, Qingdao 266003，China； 2.Marine Biology Institute of Shangdong Province,Qingdao 266104，China)

Water quality situation between 2013 and 2014 was analyzed based on Gushan reservoir, seven indexes which are T、pH、DO、COD、TN、TP and Chla were researched to find theirs changing regularities on different times and seasons. The results show that T、pH、COD、TP and Chla levels were higher during summer and autumn, the content of DO in 2014 was increased compared with the year in 2013, meanwhile, the content of DO in summer and autumn was lower than the season in spring and winter, this also show that the more frequent biological activity during the summer and autumn. The changes in annual variation range of total nitrogen content was larger, Nitrate nitrogen and total nitrogen content were positively correlated. The ratio of TN and TP is 77 which means the reservoir belongs to phosphorus restricted type. Most of indexes were conformed to the standard of the water source for drinking and living in China except the level of TN in exceed the class Ⅴ of Environmental Quality Standards for Surface Water. Meanwhile the indexes which are Chla、TP、TN、COD and SD were selected as studying targets to evaluate eutrophication in Gushan reservoir by method of Comprehensive evaluation method. The Eutrophication index of Gushan mountain in 2013 and 2014 were 52 and 49, The result shows that the quality of water in Gushan reservoir was in state of eutrophic in 2013 and then turns to mesotrophication in 2014 thanks to the ecological method that by fishing farm to control and prevent eutrophication in Gushan reservoir, Purification of water quality by using the cooperative effects and downstream effects of fish population density and different species groups, and this ecological method produced positive effect and effective progress and which provided scientific basis and practical experience to take further steps to control and prevent eutrophication of water bodies.

Gushan reservoir; water quality analysis; eutrophication assessment

X8

A

1672-5174(2017)12-080-08

责任编辑 高 蓓

10.16441/j.cnki.hdxb.20160306

李光， 李晓红， 叶海斌， 等. 威海市崮山水库水质分析及富营养化评价[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(9): 80-87.

LI Guang, LI Xiao-Hong, YE Hai-Bin, et al.Water quality analysis and eutrophication assessment for Gushan reservoir[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(9): 80-87.

国家自然科学基金项目(41476091)资助

Suppoted by the National Science Foundation of China(41476091)

2016-08-30；

2016-10-20

李 光(1984-)，男，硕士生。E-mail: liguang.368@163.com

** 通讯作者：E-mail: yehaibin@263.net