黄河三角洲淡水恢复工程湿地水质监测及其评价研究

张燕，刘雪兰，伏春燕，董红云，李新华，3，阎百兴，吴家强，阎佩佩，石天虹

（1.山东省农业科学院家禽研究所，山东 济南 250023；2.山东省农业可持续发展研究所／山东省湿地生态农业工程实验室，山东 济南 250100；3.农业部华东都市农业重点实验室，山东 济南 250100；4.中国科学院湿地生态与环境重点实验室／中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102）

黄河三角洲湿地是我国三大河口三角洲之一，是我国暖温带以及大江大河最年轻、保存完整的河口湿地生态系统，也是世界上最年轻、我国最具有开发潜力的三角洲湿地［1］，已经成为东北亚内陆和环西太平洋鸟类中转、繁殖、越冬等核心栖息场所［2］。近年来，自然和人为因素（围填海、石油开采等活动）导致黄河下游断流和年度流量减少，造成黄河三角洲湿地萎缩以及功能退化严重、土壤次生盐渍化加剧、禽鸟生境破坏，生物多样性也受到水盐胁迫［3-5］。针对这些问题，黄河三角洲自然保护区管理局采用生态补水工程进行了一系列淡水生态修复工程，旨在以淡水压制土壤返盐。通过多次淡水生态修复工程的实施不仅显著改善了黄河三角洲湿地水文连通性和水盐条件，也明显增加湿地植物生物量和生物多样性，改善禽鸟生境，提高黄河三角洲湿地系统功能多样性，因此引起国内很多学者的关注，并相继提出了黄河三角洲生态修复保护措施［6，7］。但是有关黄河三角洲淡水恢复工程湿地水质评价方面的研究并不多见。

在众多水质评价方法中，内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用方法之一，它能对水质状况做出定量描述，其结果能够反映水体污染程度［8］。但是传统的内梅罗污染指数法存在过于突出分指数最大因子对水质的影响，而且也没有考虑各污染因子权重［9］。为了规避传统内梅罗污染指数法的缺点，本研究采用改进内梅罗污染指数法对黄河三角洲区域的引黄沟渠、连河湿地和恢复湿地的水质状况进行综合评价，以期为黄河三角洲湿地生态维护、改进修复措施提供理论依据，为黄河三角洲湿地生态发展及保护提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河三角洲自然保护区（37°35′N～38°12′N，118°33′E～119°207′E）位于山东省东营市的黄河入海口处，北临渤海，东靠莱州湾，介于东北亚内陆和江淮平原之间，处于新、老黄河入海口两侧［10］。总面积15.3×104hm2，其中核心区5.8×104hm2，缓冲区1.3×104hm2，试验区8.2×104hm2。试验区内含有引黄沟渠、连河湿地和恢复湿地三种类型湿地，其中引黄沟渠连接黄河主干道和连河湿地，用于黄河三角洲灌输黄河水；连河湿地主要功能是便于黄河水灌溉，连接引黄沟渠和恢复湿地，缓冲黄河水流速等作用；恢复湿地用于植物、土壤、生态等恢复，流速较慢或静止。采样点见图1，其中A1～A3为引黄沟渠采样点；B1～B3为连河湿地采样点；C1～C5为恢复湿地采样点。本区年降水量551.6 mm，蒸发量1 928 mm，气候为暖温带季风型大陆性气候，年平均水资源量达5.3×108m3［10，11］。由于淡水生态工程的贡献使得保护区内动植物资源丰富，但是由于水库、渔业养殖、盐田以及石油开采等人为活动，对该区域影响巨大。保护区内淡水恢复工程包括引黄沟渠、连河湿地和恢复湿地，这些类型湿地主要以芦苇植物为主。本研究主要关注分析淡水恢复工程湿地中的引黄沟渠、连河湿地和恢复湿地水质。

图1 黄河三角洲自然保护区试验区采样点（左图比例1∶650）

1.2 基础数据

评价指标包括化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、总氮（TN）及重金属元素铜、锌、铬、铅。水质监测数据均为课题组成员于2018年5、8、11月现场采集水样，放入4℃移动冰箱中带回实验室测定后获取，其测试方法均根据《水和废水监测分析方法》第四版进行测试分析。

1.3 改进内梅罗污染指数法水质评价模型

改进内梅罗污染指数法考虑了多个污染因子在水质评价中所占的权重，并首先确定水质计算标准，然后根据公式（1）、（2）计算各污染因子的权重值［12，13］。

式中，ωi为第i个污染因子的权重值；n为污染因子的个数；si为第i个污染因子的计算标准浓度；smax为n个污染因子计算标准浓度的最大值。

从水体环境质量标准中选择与被评价水体相同的污染因子，采用下列公式计算各水质污染等级的改进内梅罗污染指数，进而得出改进后水质评价污染等级标准：

式中，ci为第i个污染因子的实测值；si意义同上；Fmax为单项污染指数Fi的最大值；Fω为权重值最大的污染因子的F值；P′为改进内梅罗污染指数。

1.4 水质评价

选择水中COD、NH3-N、TP、TN、铜、锌、铬、铅作为评价指标，以《地表水环境质量标准》（GB-3838—2002）作为评价标准，将水质分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类5个等级，如表1所示。

表1 地表水环境质量分级标准 （mg／L）

采用改进内梅罗污染指数法对黄河三角洲恢复工程湿地的三种类型湿地水质进行评价，具体步骤如下：以《地表水环境质量标准》（GB-3838—2002）作为评价标准，本次水质评价以Ⅲ类水为计算标准；由公式（1）和公式（2）计算各污染因子的权重值，其计算结果见表2。

表2 地表水质量评价因子权重（ωi）

由表2看出，铬和铅在8个污染因子中的权重值最大，也就是说铬和铅在评价系统中的影响权重相当，均占整个评价体系权重的40.77%，为了方便计算仅选铅元素作为最大权重值。同时根据《地表水环境质量标准》（GB-3838—2002）中所选污染因子，采用公式（3）、（4）、（5）计算各水质等级改进内梅罗污染指数，由改进内梅罗污染指数划分的污染等级标准见表3。

表3 改进内梅罗指数划分的水质级别

2 结果与分析

2.1 营养物质污染状况

由表4看出，各类型湿地中COD在不同时期其质量浓度存在明显差异，基本表现为：11月＞8月＞5月，且5月和8月份引黄沟渠中COD浓度明显低于连河湿地和恢复湿地，但是11月由于引黄沟渠中芦苇等植物倒伏严重，造成COD浓度明显升高，而且引黄沟渠水质受黄河水质及流经途中人为干扰的影响［15］，使得引黄沟渠水质COD浓度均明显高于其他两种类型湿地。各个时期三种湿地水体中NH3-N浓度存在一定的波动，其中引黄沟渠中波动较大，而且其浓度一般低于其他两个湿地类型，而连河湿地和恢复湿地均在1.392～1.984 mg／L之间波动，这说明连河湿地和恢复湿地NH3-N主要来源于湿地系统自身物质降解或土壤释放（即内源性NH3-N）。TN的变化规律与NH3-N不同，其中引黄沟渠水质在三个时期TN浓度一般高于连河湿地和恢复湿地，这说明黄河水质TN浓度可能已经超过了《地表水环境质量标准》（GB-3838—2002）的Ⅴ类水质标准，而且由于8月份处于雨季，由黄河中上游雨水冲刷以及携带大量污染物导致8月份引黄沟渠水体中TN浓度最高，而11月份经过水体自净，TN浓度下降，但是仍高于5月份；而连河湿地由于受自身湿地系统和引黄沟渠水质影响较大，各个时期TN浓度存在一定波动；恢复湿地水体相对静止，其水质变化受自身湿地系统影响较大，使得5月到11月TN浓度略有减少，但变化幅度较小。TP的变化规律同NH3-N，这也说明连河湿地和恢复湿地系统内源性磷释放占主导地位［16］。

从表4还可以看出，各湿地系统水体中重金属浓度存在一定波动。首先各个时期铜含量均较低，锌浓度仅在5月份超过0.02 mg／L，但均未超标，这说明淡水恢复工程铜、锌元素均不存在污染风险；铬元素8、11月份各湿地系统基本超出Ⅱ类水标准浓度，而且由于连河湿地和恢复湿地自身系统铬元素释放导致其浓度均高于引黄沟渠；铅浓度大小多表现为：11月＞5月＞8月，这说明雨季水中铅浓度得到稀释，同时可能存在由于水量较大而抑制土壤中的铅释放，而且11月份，通过现场观察发现三种湿地水量明显减少，地表水水文连贯性减弱，尤其是连河湿地和恢复湿地，导致其浓度显著增加，而且很可能存在湿地系统铅释放，这需要进一步研究证明。

各个时期引黄沟渠水质偏碱，其pH值均在8.20以上，而连河湿地和恢复湿地水质pH值相当，均低于引黄沟渠水质，5月和11月各湿地pH值偏碱性；而且8月份各湿地系统pH值最低（表4），这说明雨季降水能有效调节各湿地系统pH值，使其接近中性。

表4 2018年不同时期湿地水质监测数据

2.2 重金属污染状况

根据表4中黄河三角洲恢复工程湿地水质数据，利用改进内梅罗污染指数法相关公式分别计算不同时期引黄沟渠、连河湿地和恢复湿地的改进内梅罗指数，结果见表5。

表5数据显示，5月份引黄沟渠水质处于Ⅳ类，属于重度污染状态，而其他各湿地系统和各个时期各类型湿地均为Ⅴ类水质。这说明水质处于严重污染状态，与刘峰等［14］对黄河口滨海湿地水质污染调研结果相同。结合表4和表5可以看出，由于引黄沟渠的水体直接来源于黄河水，说明用于湿地修复的黄河水水质处于重度污染状态，也间接说明黄河三角洲上游水质给本研究区带来了较大污染风险。

从表5的评价结果可以看出，不同时期内梅罗污染指数值为：11月＞8月＞5月。5月份引黄沟渠的水质等级略优于同一时期连河湿地和恢复湿地水质，而连河湿地水质优于恢复湿地水质，引黄沟渠、连河湿地和恢复湿地污染程度递增，这是由于5月份淡水恢复工程湿地各湿地系统水体处于静止状态，各湿地之间交互作用较少，尤其是黄河水对恢复湿地的影响较小；而连河湿地和恢复湿地中COD、NH3-N、TP、锌、铬和铅含量明显高于引黄沟渠水质，说明这一时期这两类型湿地释放相应的内源性物质。

8月份由于大气降雨等气候条件影响，各湿地系统连贯性加强，存在一定的交互作用。而且由于黄河水受上游来水的影响以及降雨冲刷输水过程中的不同景观区，导致引黄沟渠水质污染等级升高，连河湿地和恢复湿地水质污染程度也相应增加，但是引黄沟渠水质仍然优于其他两个湿地类型。

11月份各湿地系统水质内梅罗指数最高，而且引黄沟渠水质的内梅罗指数明显高于其他两个湿地类型，而且连河湿地和恢复湿地内梅罗指数相当。这是由于引黄沟渠水质受人为活动（渔业养殖、石油开采等）的影响较大。

表5 2018年不同时期各湿地改进内梅罗污染指标及水质评价结果

3 讨论与结论

（1）改进内梅罗污染指数评价结果显示，仅5月份引黄沟渠水质为Ⅳ类，其余各时期引黄沟渠、连河湿地和恢复湿地水质均为Ⅴ类。这说明监测期间黄河三角洲淡水恢复工程湿地目前仍处于严重污染状态。

（2）三种湿地系统COD和TN浓度均超出地表水Ⅴ类水质标准，这需要对三种湿地类型进行植物刈割，同时要对黄河三角洲上游水质加强污染管控，进而削弱修复用水水质污染风险。

（3）三种湿地系统中铜、锌不存在污染风险，而铬、铅元素出现超标问题，但是降雨削弱了两者污染风险，而且11月份两者浓度过高，这说明该时期需要进一步补充水量，不仅能以淡压盐，也能抑制湿地系统金属元素释放。