贵阳市百花湖近10年(20092018年)的水质时空变化*

2021-03-10贺康康王敬富李玉麟杨小红曾华献陈敬安

湖泊科学 2021年2期

贺康康，王敬富，李玉麟，杨小红，曾华献，陈敬安

(1:贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025)(2:中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550081)(3:中国科学院大学，北京 100049)(4:贵阳市两湖一库环境保护监测站，贵阳 551400)

长久以来，饮用水源地的水质安全防控是我国生态环境保护关注的重点[1-4]. 由于经济发展和人口增长，我国城市面积不断扩大，严重威胁着地处城市边缘的水源地水库的环境质量，造成诸多水库出现严重的水质安全事件[5-7]. 当前，水体富营养化是水源地水库面临的主要环境问题，通常采用综合营养状态指数(trophic level index，TLI)进行评价[8-11].

百花湖是中国西南地区贵州省贵阳市重要的饮用水源地，年供水量超过2800万m3[12]. 自1990s起，百花湖水体发生了较为严重的富营养化问题，水环境间歇性恶化，水质安全备受关注[13-18]. 此间，众多相关研究不断出现，在沉积物、污染源、水体理化条件和生态群落(如浮游动植物)等多方面调查和讨论百花湖水质变化的情况、影响因素和治理建议[11,17-19]. 目前，普遍认为百花湖水质异常有两大主要原因[15,19-20]，即污染物的持续输入(包括工农业和生活污水等外源和沉积物营养盐释放的内源)和特定的水文气象条件(如温跃层). 20世纪末至21世纪初的10年间，贵州省和贵阳市针对“两湖”(红枫湖和百花湖)的污染问题采取了一系列措施，使得百花湖的外源污染得到有效地控制[21]. 但是，此后百花湖水环境并未得到大幅改善，部分研究认为这与沉积物的营养盐释放和水体分层有很大关系[20,22-23]. 除对常规理化因子的分析外[24-26]，更多的研究转而关注浮游生物[27-30]，夏品华等连续多年研究了百花湖浮游植物的群落结构、空间分布、季节变化、污染指示种和影响因素，从多方面分析百花湖水环境变化与浮游生物演替的关系. 并且，多种方法被用于评价百花湖水质[18,26,31-32]，包括卡尔森营养状态指数(TSI)、后生浮游动物生物多样指数、贝叶斯方法和综合营养状态指数法(TLI)等. 虽然评价方法不一，但综合反映百花湖水质整体向好.

然而，近年来在花桥等库区经常性地发生藻类水华(蓝藻或硅藻)和水色异常现象. 与此同时，为助推《贵阳市城市总体规划(2011-2020年)》(2017年修订)，百花湖水库周边正在建设百花生态新城，规划范围约305 km2，预计人口逾90万，给百花湖水源地环境保护和用水安全带来严峻挑战[12]. 本研究通过收集近10年(2009-2018年)百花湖长序列水质监测数据，以水文年的平水期(1-4月)、丰水期(5-8月)和枯水期(9-12月)[19]为分段，并结合前人研究，分析百花湖库区和主要支流水质的年际变化特征，指明库区水质变化的关键控制因素，为百花湖水环境保护治理提供科学基础.

1 研究区概况

百花湖(26°35′～26°41′N, 106°27′～106°32′E)位于贵阳市西北郊，距市区22 km. 喀斯特地貌发育，水文地质条件复杂[33]. 百花湖处于乌江水系一级支流猫跳河，是红枫湖的下游水库，兼有调洪、发电、供水和旅游等功能(图1). 百花湖流域面积1895 km2，蓄水面积14.5 km2，总库容1.82×108m3，平均水深13.0 m，坝高48.7 m，水体滞留时间为0.102年，水位海拔1188～1195 m[27]. 百花湖的主要水源是红枫湖下泄水(猫跳河)以及长冲河、东门桥河、麦西河和南门河等[24]，其水位的变化除河流的自然输入外，还与上游红枫湖发电情况以及百花湖发电情况等人工调蓄有关.

图1 百花湖水质监测点位

2 材料与方法

2.1 水质监测点与数据来源

水质监测点如图1所示，包括5个库区点位和多个支流的断面. 其中，库区监测点位包括花桥、岩脚寨、麦西河口、贵铝泵房和大坝，支流断面包括东门桥河、老顺河、麦西河、南门河(板坡场沟)、长冲河、盐津河、干河和滥泥沟等. 主要的水质监测指标包括pH、水温、溶解氧(DO)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、透明度(SD)和叶绿素a(Chl.a)等. 监测时段为2009-2018年，频率为月度监测. 上述监测数据由贵阳市两湖一库环境保护监测站提供.

水文气象数据包括水位、气温、气压、湿度、降雨量、蒸发量、日照时数、云层覆盖率、风速和风向等，时间分辨率为小时级，监测时段为2010-2015年，数据由贵州省气象局清镇站提供. 表1汇总了百花湖监测点的相关信息.

表1 百花湖监测点信息

2.2 分析方法

依据《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》(中国环境监测总站，总站生字[2001]090号)，综合营养状态指数法被广泛应用于评价中国湖泊(水库)的富营养化状况[10-11,34-35]. 综合营养状态指数(TLI(∑))是以Chl.a为基准参数，并辅以相关的TP、TN、SD和CODMn的综合评价指标[36]. 其计算公式为：

(1)

式中,Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数.

以Chl.a作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

(2)

式中,rij表示第j种参数与基准参数Chl.a的相关系数(表2).

表2 中国湖泊(水库)的Chl.a与其他参数的关系值

各营养状态指数(TLI(j))计算公式(3)～(7)为：

TLI(Chl.a)=10×[2.5+1.086×ln (Chl.a)]

(3)

TLI(TP)=10×[9.436+1.642×ln (TP)]

(4)

TLI(TN)=10×[5.453+1.694×ln (TN)]

(5)

TLI(SD)=10×[5.118-1.94×ln (SD)]

(6)

TLI(CODMn)=10×[0.109+2.661×ln (CODMn)]

(7)

表3显示了根据综合营养状态指数((0～100])划分的湖泊(水库)营养状态. 在同一营养状态下，数值越高，其营养程度越重.

表3 湖泊(水库)营养状态分级

本文数据的描述性统计分析使用Microsoft Office Excel 2016(MS)，地图获取和绘制使用Google Earth Pro(Google Inc.)和ArcGIS 10.2(ESRI)，图表绘制使用Origin 2018(OriginLab)和Microsoft Office Word 2016(MS)，数据相关性分析使用IBM SPSS Statistics 25(IBM)以及其他辅助工具.

3 结果

3.1 库区和支流主要水质指标的时空变化

图2显示了百花湖主要水质指标在2009-2018年的年际年化. 10年间，库区和支流的TP浓度变化范围分别是0.034～0.115和0.034～0.231 mg/L，年内高值多集中在枯水期. 图2A显示，库区TP浓度变化总体稳定；支流TP浓度变化幅度较大(最大极差达0.120 mg/L)，2010年突然增加后大幅下降，2012-2016年不断上升，然后快速下降. 除2009和2011年外，其他时段的库区TP浓度小于支流. 库区和支流的TN浓度变化范围分别是1.200～2.759和1.111～3.918 mg/L，多年高值以丰水期为主. 图2B显示，库区TN浓度较为稳定且整体在降低，变化幅度小于支流；支流TN总体波浪式上升，而且支流TN浓度大于库区(2009年除外).

图2 2009-2018年百花湖水质指标的年际变化

2009-2018年，库区和支流的NH3-N浓度变化范围分别是0.05～0.63和0.15～1.32 mg/L，年内枯水期>丰水期>平水期. 10年间，库区NH3-N浓度明显降低，降幅达69.2%～81.0%；支流NH3-N浓度在2009-2011年波动很大，2011年后稳定下降(图2C). 2011年后两者的变化趋势基本相同，库区NH3-N浓度小于支流(2010年除外). 库区和支流的CODMn浓度变化范围分别是1.41～5.51和1.20～2.92 mg/L，多在丰水期出现高值. 10年间，库区CODMn总体下降，但2016-2018年略有升高. 支流CODMn变化幅度很大，在2010年出现突增(4.14 mg/L)，随后大幅下降. 在2016年又出现小幅升高后逐渐下降. 在趋势上，2011年后的支流与库区CODMn年际变化趋势基本相同(图2D)，并且支流CODMn浓度小于库区.

2009-2018年，库区Chl.a浓度变化范围是3.43～39.72 mg/m3，年内丰水期(16.87 mg/m3)>枯水期(13.30 mg/m3)>平水期(9.79 mg/m3). 图2E显示，10年间库区Chl.a浓度在2010年前上升，之后波动下降. 2010和2011年出现高浓度(>20.00 mg/m3)，其他时段在较低浓度范围(6.47～14.39 mg/m3). 库区SD的变化范围是0.75～2.07 m，2015年前不断提高但在之后小幅下降，年内变化趋势表现为枯水期(1.55 m)>平水期(1.34 m)>丰水期(1.14 m)，与Chl.a呈相反的变化趋势(图2E).

图3显示了10年间库区5个监测点的水质空间变化. 各点位在水文年内，TP、TN、NH3-N、CODMn和Chl.a(图3A～E)呈现出明显的从上游至下游浓度降低的变化规律. 但也存在特别情况，2010年贵铝泵房和大坝的TP浓度较麦西河口略高(图3A)，2009-2012年和2014年库区最下游大坝处的NH3-N浓度较麦西河口略高(图3C). CODMn至2015年处于下降时段，但2016年起全库区普遍升高. Chl.a浓度在2011年突然升高后又转入下降，2015年后基本恢复至2009年水平. 总体上，TP、TN、CODMn和Chl.a在花桥处的浓度远高于其他点位，这提高了库区评价指标的平均浓度和营养状态. SD呈现出从上游到下游越来越高的变化趋势(图3F)，这是花桥处水深浅、水体紊流强和Chl.a浓度高等综合因素导致的. 除花桥外，2009-2011年下游4个点位的SD差别不大，但2012-2013年大坝处SD明显低于上游的3个点位. 2014-2018年，库区SD沿流向越来越高，但花桥处在2016年后出现下降.

图3 2009-2018年百花湖水质指标的空间变化

3.2 库区水体综合营养状态指数的时空变化

图4显示了2009-2018年百花湖库区营养状态指数的时空变化. 库区综合营养状态指数(TLI(∑))的10年平均值是45.48(36.25～55.10，图4A)，年内丰水期(47.75)>枯水期(45.34)>平水期(44.80)，极大值出现在丰水期的频率为70%. 10年间，库区TLI(∑)最高值(52.41)出现在2010年并指示轻度富营养，其他时段是中营养状态，库区营养状态总体呈波动下降趋势. 2015年是库区水质最优的时期，但仍在中营养状态. 曾华献等[35]研究发现，红枫湖(2009-2018年)总体处于中营养状态，且水质逐渐改善. 百花湖与红枫湖的水质变化趋势相似，作为百花湖的上游水库，红枫湖水质变化直接影响着百花湖.

图4 2009-2018年百花湖综合营养状态指数的时空变化

由图4B可知，10年间库区营养状态指数以花桥最高，总体向下游降低. 但在2012和2013年，库区大坝处的营养状态指数偏高. 只有花桥区域达到了轻度富营养化，其他点位均是中营养状态，这表明花桥是影响百花湖库区水质的重点区域. 2010年库区5个点位的营养状态指数都在高位，导致2010年是轻度富营养. 虽然2013-2018年花桥仍是营养状态指数最高的区域，但其他点位营养状态指数都有降低，这是库区未再度发生轻度富营养化的原因.

4 讨论

4.1 近10年来百花湖水库的水质控制效果

10年来，百花湖总体水质维持在地表水环境质量标准(GB 3838-2002)Ⅱ～Ⅳ类之间，且以Ⅲ类为主(表4). 对比1997-2002年，百花湖整体水质都劣于Ⅴ类[24]，表明近10年来百花湖整体水质明显改善. 百花湖库区TP、TN和NH3-N浓度控制效果总体向好，Chl.a浓度波动变化，CODMn下降后出现反弹. 《地表水环境质量评价方法(试行)》(环保部办公厅环办[2011]22号)中规定，在地表水水质评价中，TN作为参考指标单独评价(河流总氮除外). 除去TN指标，以地表Ⅲ类水质为统一标准计，库区各点位Ⅲ类及以上类别的水质达标情况：大坝(80%)>贵铝泵房(80%)>麦西河口(80%)>岩脚寨(80%)>花桥(0)，即水质沿上游至下游明显越来越好. 表4显示，TN浓度在2009-2014年处于Ⅴ～劣Ⅴ类别，2015-2018年处于Ⅴ类. 虽然TN的实达类别由劣Ⅴ转变为Ⅴ，这是一种向好的趋势，但仍远高于规定的Ⅲ类. 结合图2，影响水质的主要指标是TP和TN；联系图3和图4B，库区水质受花桥区域的影响最大.

表4 2009-2018年百花湖水质变化

4.2 入湖河流对水质变化的影响

入湖河流的水质影响着库区水质，是库区重要的外源污染来源，分析支流的水质变化对研究库区水质有重要意义. 本文选取百花湖5个重要的支流(东门桥河、南门河、麦西河、栗木河和长冲河)，依据《地表水环境质量评价方法(试行)》(环保部办公厅环办[2011]22号)，计算河流水质类别比例，将水质定性评价分级为优、良好、轻度污染、中度污染和重度污染，分析2013-2018年各年枯水期、丰水期和平水期的水质评价与河流水质的关系.

表5显示，各支流水质整体定性评价由高到低依次是：长冲河>栗木河>麦西河>南门河>东门桥河. 东门桥河处于上游，流经清镇职教城等地，水质整体处于Ⅴ～劣Ⅴ类. 东门桥河的支流朱家河建有污水处理厂，职教城的生活污水经处理后排入河流. 但按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B类标准排放的出水，污染物浓度仍明显高于地表水Ⅲ类标准，严重威胁着百花湖的水质[37]. 南门河处于下游，流经百花新城，人口活动性强使生活污水排放量大[38]，水质整体处于Ⅲ～Ⅴ类，进而影响入湖口附近的贵铝泵房取水口. 2018年栗木河整体评价虽然为Ⅲ类，但近年达标的情况并不乐观，水质有下降趋势，据监测站调查，与上游生活污染加剧有关，这对库区水质也有影响. 猫跳河在2011-2016年从中度污染转变为轻度污染[38]. 另外，与有机污染相关的NH3-N是水体中的耗氧污染物，CODMn可用来衡量水体中有机物的含量. 根据贵阳市环境状况公报(2015年和2016年)，2014-2015年贵阳市的NH3-N和CODMn排放量分别下降了17.1%和18.3%；2017年以来，清镇市对麦西河和南门河开展了水质达标专项行动. NH3-N和CODMn总体降低，反映了在21世纪初百花湖外源污染(工农业排放)控制的效果[32,39]. 但CODMn在2016-2018年又出现小幅升高，可能与近年来百花湖周边的大力开发(商业区和居住区的生活污水排放)有关，此情况应在城市建设中注意[32]. 结合图2，支流TP和TN浓度总体呈上升趋势，而且支流年均总体大于库区年均(包括NH3-N). 并且，支流水质在枯水期对降低河流水质的影响最大，平水期和丰水期次之，但影响程度差别较小，说明入湖支流全年对百花湖的水质有重要影响.

表5 2013-2018年百花湖支流水质的定性评价

4.3 水文、气象条件和水质指标对水质变化的影响

研究发现，藻类生长受多种因素的综合影响，包括生化指标[40-42](pH、营养盐和浮游动物等)、水文气象条件(温度、透明度、风速、水位、流速、降雨量、径流量和热分层等)[41,43-45]和地质地形[46]等. 资料显示，在全球变暖的情况下，气温升高会提高淡水湖泊中的浮游植物的生长速率[47]. 2003-2017年太湖的春季气温、风速和氮磷比等因子可明显提前浮游植物的开始爆发时间[48]，千岛湖浮游植物群落长期变化(2002-2017年)与气象水文条件(温度、风速、水位、氮磷比和入库流量等)的关系十分密切[43]，三峡库区建坝后的库形和缓水流也是造成2004-2005年发生水华的因素[46]. 在不同的地质地貌、纬度和气候区的湖泊，影响藻类生长的条件不尽相同，更应结合相关知识并因地制宜地查证和筛选影响水库藻类生长的因素.

选取2010-2015年月度序列的水文、气象和水质数据，分析其与Chl.a浓度和TLI(∑)的Pearson相关性. 结果显示，在百花湖，气温、水温、风速和水位等水文气象因子以及TP、氮磷比、NH3-N和CODMn等水质指标与Chl.a或湖泊营养化状态有显著相关关系(表6).

表6 2010-2015年百花湖月度水文、气象和水质参数与Chl.a浓度和TLI(∑)的Pearson相关性

表6显示，百花湖TLI(∑)和Chl.a浓度与pH、气温和水温呈正相关，与风速和水位呈负相关. 百花湖水温和气温呈明显同步变化，尤其花桥区域，在平水期向丰水期转变时，气温和水温大幅回升. 并且，百花湖年际和年内的水位变化幅度很小(2.05和0.75 m)，说明上游的红枫湖大坝和下游的百花湖大坝起到了很好地水量调节的作用. 筑坝改变了原季节性的库区水下泻情况，导致水体流速减小[49]，加之风速较低[50-51](10年均值为1.88 m/s)、温度升高和pH偏碱性[52](7.7～8.5)，易形成有利于藻类生长的水文气象条件. 花桥区域属局部流速小且水浅的库湾，可能导致不同程度富营养化.

图5 2009-2018年百花湖氮磷比的变化

Chl.a或湖泊营养化状态与TP、NH3-N和CODMn等水质指标呈显著正相关，与氮磷比呈显著负相关. Chl.a浓度反映了浮游植物(藻类)的种类和数量[53-54]，尤其在百花湖的丰水期，Chl.a浓度升高也可提高水体有机污染物浓度. 氮、磷是水体的重要生源要素，氮磷化学计量比(TN∶TP)影响湖泊(水库)浮游植物的生长，当氮磷比大于16时，通常可认为磷素是限制因子[55-56]；但很多学者认为[3,57-58]，这一比值根据不同水体并不具有唯一性，该比值受多因素影响会浮动. 百花湖库区和支流的氮磷比均值高达41(12～63)和39(20～117)，库区和支流的年内氮磷比都表现为丰水期>枯水期=平水期，反映百花湖水质是磷限制型. 对比图2A和图2B，2014-2018年支流TP大幅升高，但此时段的库区TP、TN和支流TN变化较小，因此从2014年开始支流氮磷比大幅下降并小于库区(图5). 虽然支流氮磷比有所降低，但仍不可轻视其对库区氮磷营养盐的影响. Chl.a浓度与湖泊综合营养状态指数具有强正相关性，反映Chl.a浓度升高可显著提高百花湖水体富营养化状态.

另有研究表明[15,20,25]，百花湖在丰水期(4-9月)出现明显的水体分层，影响水体交换、水温、溶解氧和氧化还原条件等. 百花湖水体pH偏碱性，并且丰水期的表层水温度升高和湖底缺氧加剧，可导致沉积物磷素的释放量明显增多[59-60]. 但水体分层阻隔了上下水体的交换，进而限制营养盐向表层水体转移而在下层水体积累. 随着枯水期(10月)分层消失，大量营养盐(尤其磷素)快速地输送向表层，再结合气温突降等因素，极易造成水质恶化[20]. 这也是枯水期和平水期的氮磷比较丰水期低的原因之一.