梁家湾水库水质理化因子及富营养化评价

崔 红 贾晓宇

（山西省水产科学研究所 山西太原 030006）

梁家湾水库是浊漳河西源干流上一座小（Ⅰ）型水库，该水库是一座以防洪、灌溉、养鱼为主要功能的小型水库，近年来，水产养殖业发展良好，是支持水库的主要经济来源。对于水产养殖生产对水库水质的影响程度究竟有多大，一直以来，还没有人进行过系统的调查研究。为此，我们于2014年11月至2015年10月对梁家湾水库的理化因子及其富营养化水平进行调查研究，目的在于为进一步合理利用梁家湾水库的自然资源，以便更好地发展渔业生产提供科学依据。

水体的富营养化是指湖泊、水库、河口等缓流水体中氮、磷等营养物质的含量超过一定的界限，在光照和水温又比较合适的条件下，引起藻类以及其他水生生物过量繁殖、水体的透明度和溶解氧大大降低、水质恶化的现象。

1 材料与方法

1.1 采样点设置及采样时间与方法

1.1.1 采样点设置

项目实施地梁家湾水库位于山西省长治市沁县县城境内，是一座小型水库，也是我省传统的渔业生产基地，每年可产鱼10多万公斤，由于梁家湾水库是沿河道走向的小型水库，几乎没有库湾，面积只有67 hm2亩左右，因此，每次采样只设置上游、中游、下游三个断面，采样点的设置图见图1。

图1 梁家湾水库采样点设置图

1.1.2 采样时间

2014年11月至2015年10月每月中旬对梁家湾水库进行采样调查，每次取样都尽可能控制在中午13∶00 以前完成。

1.1.3 采样方法

根据检测的理化因子要求不同分为现场测定项目和实验室检测项目。具体来讲，现场测定项目包括水温、透明度、pH、水深。1）水温用表层水温计测定。2）透明度用透明度盘测定。3）pH值用便携式pH计测定。4）水深用锥形水深锤测定。

现场采样并固定项目包括：总氮、总磷、COD、叶绿素。1）总氮水样用5 L采水器采集，用500 ml塑料瓶取500 ml水样，加0.3 ml浓硫酸进行酸化固定。2）总磷、COD水样用5 L采水器采集，用500 ml玻璃瓶取500 ml水样，加0.3 ml浓硫酸进行酸化固定。3）叶绿素水样用5 L采水器采集，用1000 ml玻璃瓶取1000 ml水样，加1 ml碳酸镁溶液进行固定。

1.2 水质理化样品的处理及检测方法

现场采样并固定的理化样品当天带回实验室，要求3 d之内分析完毕，最好24 h内分析完毕，1）总氮分析方法：采用纳氏试剂分光光度法。2）总磷分析方法：钼酸铵分光光度法。3）COD分析方法：采用高锰酸盐指数法。4）叶绿素分析方法：采用孔径0.45 μm的聚酯纤维滤膜过滤水样，再用丙酮萃取，采用分光光度法测定。

2 结果与分析

2.1 总氮（TN）、总磷（TP）

2.1.1 总氮（TN）

图2 梁家湾水库总氮的质量浓度周年变化图

图2显示了梁家湾水库总氮（TN）质量浓度周年变化曲线，表1显示了梁家湾水库水质指标情况及《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）标准。

由图2和表1可以看出，TN质量浓度季节变化趋势为：秋季、冬季较高，均值分别为0.50 mg/L和0.47mg/L；春季、夏季较低，均值为0.27mg/L和0.38mg/L。全年TN质量浓度变化范围为0.169～0.683 mg/L，项目研究期间周年质量浓度平均值为0.405 mg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）II类标准。

表1 2015年梁家湾水库水质指标情况表

2.1.2 总磷（TP）

图3显示了梁家湾水库总磷（TP）质量浓度周年变化曲线，通过表1和图3可以看出：总磷（TP）的质量浓度变化有一定的季节变化规律，实验数据表明夏季和秋季较高，均值分别为0.044 mg/L和0.053 mg/L；春季和冬季较低，均值分别为0.006mg/L和0.014mg/L。从全年总磷（TP）分析结果看，其质量浓度在0.002～0.072 mg/L之间变化，周年平均值为0.029 mg/L，大于地表水环境质量规定的Ⅱ类水质标准0.025 mg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准。有学者研究表明，沉积物中的磷向水体释放的多少，主要取决于温度的高低，温度越高，沉积物中的磷向水体释放的越多。夏秋季节由于水温较高，因此，水库水体TP质量浓度也会较高。

图3 梁家湾水库总磷的质量浓度周年变化图

2.1.3 TN/TP

梁家湾水库TN/TP的周年变化见图4。氮、磷是水中浮游植物生长必需的营养元素，二者含量达到一定比例时最有利于浮游植物的生长繁殖，否则，就会成为浮游植物生长繁殖的限制因素。关于水体中TN与TP之间究竟什么样的浓度比值最有利于浮游植物的增殖，有很多学者进行了研究，多数学者认为水体中TN/TP在10～15时浮游植物生长繁殖较快。当TN/TP＜10时，N是浮游植物生长的限制性因素。当TN/TP＞14时（屠清瑛等），水体中浮游植物生长的限制性因素主要是磷。图4显示梁家湾水库TN/TP的周年变化图，其年平均值为42.8，TN/TP远远大于14，由此可以看出，梁家湾水库属于磷（P）限制型水库。

图4 梁家湾水库TN/TP的周年变化图

2.2 高锰酸盐指数（CODMn）

梁家湾水库高锰酸盐指数（CODMn）质量浓度周年变化趋势见图5，由图5和表1可以看出：高锰酸盐指数质量浓度最高值出现在秋季（11月），浓度值为7.92 mg/L，最小值出现在冬季（2月），浓度值为4.22 mg/L。总体来看，季节变化趋势是夏季、秋季浓度高于冬季、春季。全年高锰酸盐指数质量浓度变化范围为 3.57～9.33 mg/L，周年平均值为6.18 mg/L，大于6 mg/L，按照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），属于Ⅳ类水质标准。

图5 梁家湾水库高锰酸盐指数的质量浓度的周年变化图

2.3 叶绿素 ɑ及与TN、TP的关系

2.3.1 叶绿素ɑ

图6显示了梁家湾水库叶绿素ɑ的周年质量浓度变化曲线。浮游植物是低等植物中的一大类，但它同其它高等植物一样具有叶绿素，能利用光能进行光合作用，吸收水中营养物质，制造有机物。各门藻类所含色素不同，但所有藻类均含有叶绿素 ɑ。叶绿素 ɑ是整个光合作用过程中的能量传递中心。通过测定水中浮游植物叶绿素ɑ的含量，就可以反映水中浮游植物的生长繁殖状况。本次研究了梁家湾水库一个周年的叶绿素ɑ质量浓度变化趋势，见图6。由于叶绿素ɑ的浓度值反映的是浮游植物的密度变化情况，而浮游植物密度是随季节有显著变化的，因此，叶绿素ɑ质量浓度也表现为明显的季节变化，分析结果显示其变化规律为秋季＞夏季＞春季＞冬季，变化规律与浮游植物的变化规律一致。研究表明，温度是影响浮游植物季节变化的主要原因。夏秋季水温和营养盐浓度均较高，很适合浮游植物的生长繁殖，但浮游植物的生长繁殖是一个逐渐积累的过程，随着水温的逐渐升高，到秋季达到浮游植物的高峰，进入冬季，由于水温的骤降，导致浮游植物迅速减少，叶绿素ɑ质量浓度降到最低。虽然本次研究测定的叶绿素ɑ浓度值以8月份为最大值，但是就季节变化来看，秋季的均值最大。

图6 梁家湾水库叶绿素ɑ的质量浓度的周年变化图

2.3.2 叶绿素ɑ含量与总氮浓度的关系

叶绿素ɑ含量与TN浓度的变化有关，见图7，由图7可以看出，当TN浓度小于0.5 mg/L时，叶绿素ɑ含量随TN浓度增加而增加，当TN浓度大于0.5 mg/L时，叶绿素 ɑ含量随TN浓度增加而减少。

图7 叶绿素 ɑ含量与总氮浓度的关系

2.3.3 叶绿素ɑ含量与总磷浓度的关系

叶绿素 ɑ含量与TP浓度的关系是随着水温变化而变化的，与浮游植物季节变化有关，当温度和其它营养盐适宜藻类的生长繁殖时，TP浓度就是藻类生长繁殖的限制因素，叶绿素ɑ含量浓度随TP含量浓度增加而增加（图8）。

2.4 梁家湾水库富营养化评价

按照中国环境监测总站文件（总站生字[2001]090号）湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定，本次对梁家湾水库的富营养化评价采用0-100的一系列连续数字对湖泊富营养化状态进行分级，分级方法参照表2。营养状态相同的水域，其指数越高表明营养程度越重。

营养状态指数计算公式如下：

TLI（TN）=10（5.453+1.694 lnTN）

TLI（TP）=10（9.436+1.624 lnTP）

TLI（CODMn）=10（0.109+2.661 lnCOD）

TLI（Chla）=10（2.5+1.086 lnChla）

TL（ISD）=10（5.118-1.94lnSD）

综合TLI=［TL（IChla）＋TL（ISD）＋TL（ITP）＋TL（ITN）＋TL（ICODMn）］/5

2.4.1 梁家湾水库周年富营养化评价

梁家湾水库为期一周年的富营养化评价数据（见表3）。表3显示了梁家湾水库周年内各采样点的富营养化评价数据，数据表明：梁家湾水库各采样点富营养化评价指数值变化在20.24至59.26之间，最小值出现在冬季1月份中游，最大值出现在秋季9月份上游，全年平均值为43.25，按照表2营养分级指示属于中营养水平。

表3 梁家湾水库2014.11—2015.10周年富营养化评价表

2.4.2 富营养化水平的季节变化

水体的富营养化是指水体中氮、磷等营养物质的含量超过一定的界限，在光照和水温适宜的条件下，引起浮游植物过多生长繁殖，造成水质恶化的现象。表4显示了梁家湾水库富营养化状态季节变化情况。梁家湾水库浮游植物的密度大小与研究监测的各环境因子之间随着时间的季节变化具有一定的变化规律。因此，其富营养化水平也呈现出相似的季节变化规律。由表4可知，梁家湾水库在整个调查期间，不同月份的富营养化水平有所差异。冬季评价结果为贫营养型，冬季的富营养化指数值为29.88，小于30，属贫营养型接近中营养型水库；夏季、春季评价结果为中营养到富营养化状态，春季、夏季的富营养化指数值分别39.90、49.72，介于30～50之间，属于中营养型水库；秋季的富营养化评价指数为53.52，介于50～60之间，属于轻度富营养型水库；全年综合平均TLI为43.25，综合评价为中营养型水库。从梁家湾水库全年的逐月分析数据看，冬季的富营养化评价指数（TLI）最低，从11月的轻度富营养型水平迅速降低到12月的中营养型水平，这与入冬后温度急剧下降导致水面结冰有很大关系，由于表层水温从11月的平均水温9.1℃迅速降低到12月份的平均水温3.3℃，导致水体浮游生物不能生长繁殖，种群密度和生物量急剧下降，有些浮游动物大量形成冬卵以便来年水温适宜时发育繁殖后代。春季随着水温逐渐升高，浮游生物及水体其它水生生物开始生长繁殖，各种群密度和生物量都逐渐增加，到秋季的9月份达到最高峰值TLI为59.26，此时梁家湾水库的富营养化指数评价已经接近轻度富营养状态最大值水平。总体而言，梁家湾水库水质属于较好的中营养型水库，这与近几年来全省各市实施的对水库水质保护措施有很大关系，全省禁止在水库施肥养鱼，禁止投放网箱养鱼，一定程度上减少了对水库水质的污染，对保护水库水质，改善水库水环境起到了较好的作用。

表4 梁家湾水库季节富营养化评价表

2.4.3 富营养化状态指数的空间变化

梁家湾水库富营养化指数空间变化见表5。由表5可以看出，总体上看，梁家湾水库富营养化状态指数变化不是很明显，三个采样点的富营养化状态评价指数值相差甚微，具体来看，上游的TLI44.32，略高于中游（TLI42.44）和下游（TLI43.00），表明上游富营养化程度略大于中下游水质，这是因为上游水浅，通常只有2.0～2.5 m水深，污染物由上游进到水库还未进行水质净化，相对而言，上游更容易受到污染，而中下游的水体较上游而言较深，水深一般有4.0～5.8 m，经过水体的自净作用，水中一些污染物质会沉积在底泥中，相对上游水质而言，中下游水质会更好，富营养化状态指数也会略低。总体来看，空间变化不明显。综合评价全年富营养化状态，未达到富营养化水平，为中营养水平。

表5 梁家湾水库富营养化指数空间变化表

3 结论

根据梁家湾水库2014.11—2015.10一周年水质监测数据，分析该水库水体中总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）及叶绿素（Chl-a）等水质指标的变化情况，并进行富营养化评价。结果表明：TN质量浓度变化范围为0.169～0.683 mg/L，年平均值为0.405mg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）II类标准，TP质量浓度变化范围为0.002～0.072 mg/L，年平均值为0.029 mg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准，TN/TP的年平均值为42.8，梁家湾水库属于磷（P）限制型。TN质量浓度春季、夏季相对低于秋季、冬季；TP质量浓度在冬季和春季相对低于夏季和秋季；Chl-a质量浓度在夏季和秋季较高，最大值出现在8月份，春季和冬季较低。富营养化评价表明，梁家湾水库为中营养，说明近年来对水库水质保护措施起的作用很大。