北方山丘型水库藻类变化及原因分析

2022-06-17刘宗涵

城镇供水 2022年2期

刘宗涵

（湖南农业大学，湖南长沙 410128）

在我国北方山丘地区，水库水源主要来自于山区周边雨水径流及部分外调水源引入。近年来，随着山体周边种植业及旅游业的发展，山丘型水库周边带来的面源和点源污染问题存在，优质水源水质优势持续减弱，其特点为季节性藻类爆发及臭味指标波动、pH升高、原水腐殖酸类有机物偏高等。近两年来，藻类爆发严重，给水厂水处理带来了很大挑战。居民用水存在季节性嗅味问题，引发抱怨和投诉。

本研究以北方优质供水资源的某山区水库为例进行水质变化分析。关注水库的藻类生长及其影响因素分析，为优质水资源的保护、水质改善和持续保持提供参考。

1.研究对象及方法

本文数据选取某山丘水库水源地，2010～2020年间水厂原水的水质检测数据，每月检测一次。检测项目包括藻类总数、优势藻种、总氮、总磷、pH、溶解氧、耗氧量、叶绿素a、水温和氨氮。检测方法采用《生活饮用水标准检验法》（GB5750）。采集数据通过EXCEL和SPSS软件进行计算、曲线绘制及相关性分析。SPSS软件在进行相关分析时，首先计算Pearson（皮尔逊）相关系数，然后利用假设检验进行统计推断，在一定的显著性水平α（0.01或0.05）上进行t检验，判断两个样本之间是否存在显著的相关性。

2.结果与分析

2.1 水库中藻类的发展变化

2.1.1 藻类爆发总数和频次分析

作为优质水源地的某水库在2019年季节性爆发藻类严重，水库溶解氧降低。溯源该水库10年来的藻类检测情况，从2010年至今，藻类总数年平均值变化如图1所示。

图1 2010～2020年藻类总数年均值变化

结果显示，水库水中年均藻类总数从140万个/L增长至1500万，增长了10倍以上。其中分为三个阶段，2012年之前，水库原水中藻类总数较低，年均值在150万个/L左右，大部分月份藻类数量在100万个/L以下。2012～2018年，水库原水中藻类总数增大，年均值在500万左右，藻类每年春夏有1～3个月份季节性爆发，总数突破1000万个/L。2019年6月，藻类总数达到3000万个/L，较往年增长了三倍。2020年5月开始，藻类总数突破5000万，连续五个月份的藻类总数在1000万以上。从2019年开始，水库原水季节性爆发藻类严重，总数和爆发月份数都有所升高，给供水和出厂水质带来了不利影响。

2.1.2 藻类爆发优势藻种变化

不同营养状态的水体中藻类优势种存在差异，各大门类藻类适应生存于不同的营养型水体中。一般来说，贫营养型湖泊中以金藻、黄藻类为主，中营养型湖泊中以甲藻、硅藻和隐藻类占优势，富营养型湖泊则以绿藻和蓝藻占优势[1]。统计藻类爆发时期的藻种情况，见表1。

表1 藻类爆发时期藻类种属统计

2016年之前，水库中藻类以针杆藻、小环藻等硅藻为主，颤藻（属于蓝藻）和裸藻也偶有爆发；2016年以来，藻类爆发时期蓝藻比例增加，包括色球藻、常丝藻和易产生嗅味的伪鱼腥藻等，最高占比70%以上。2020年藻类爆发期间，占比最高的就是伪鱼腥藻和针杆藻。藻类的不同也跟季节变化有关，通常春季易爆发以针杆藻为主的硅藻等，而夏秋季节容易爆发以伪鱼腥藻和螺旋藻等为主的蓝藻、绿藻等。

2.2 影响藻类生长的因素分析

影响藻类生长的因素有很多，包括氮磷等营养元素、光照强度、pH、水温、溶解氧等[2]。营养元素的增多会造成水体富营养化，为藻类生长提供丰富的营养物质；当pH、水温和光照等环境条件适宜的情况下，藻类极易大量爆发。营养盐的来源主要有外源和内源，外源包括土壤流失、径流冲刷、人类活动排放（如生活污水、化肥农药流失）等，内源包括底泥污染释放、大气沉降等[3]。

目前，分析该水库的水质参数，造成藻类生长的因素有以下几个方面：

2.2.1 总氮、总磷含量高

水体富营养化是由于人类生产和生活活动排放大量的氮、磷等营养物质进入水库，引起藻类和其他浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧下降、水质恶化[4]。营养化程度越高，越易引起藻类等浮游生物的生长。水中无机氮为藻类或高等水生植物的光合作用提供营养，同化成有机氮[5]。磷是一切藻类生长所必需的营养元素，需要量比氮少。根据文献记载[6]，按照总磷和总氮的浓度水平，可以将水体的营养状态分为以下级别，见表2。

表2 营养状态分级表

以水库目前氮磷的浓度水平，处于中营养或中富营养状态。从数据统计来看，总氮的浓度一直较高，均值为2.64mg/L。2010年9月至今，年均值逐年下降，从4.42mg/L降至0.92mg/L；但是，数值波动较大，一般是秋冬季节较高，最高值8.37mg/L，最低值仅为0.69mg/L。水库总磷的含量受检出限限制，基本在0.01～0.06mg/L之间，大部分时间处于中营养水平，夏季处于中-富营养水平。

2.2.2 综合营养状态指数评价，营养化程度增强

单一指数评价有一定的局限性。根据中国环境监测总站《湖库（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》，经常采用综合营养状态指数法进行湖库富营养化状态评价[7]。评价综合考虑总氮、总磷、透明度、叶绿素和高锰酸盐等指数。不同分值的综合营养状态指数得分指示水体不同的营养化状态，得分范围和对应关系见表3。在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。

表3 综合营养状态指数分级表

不考虑透明度的影响，该水库综合营养状态指数得分在20～50之间，均值为35，基本属于中营养的浓度水平。夏季指数高，基本在40以上，冬季较低，在30左右。2010～2020年年均综合营养状态指数得分如图2所示，2010年至今，指数得分基本逐年升高，年均值在2018和2020年达到最大值，接近轻度富营养的水平。从趋势来看，综合营养状态指数与水库藻类的变化相似，从中营养向中富营养发展。2012年之前，藻类总数较低的年份，指数得分也较低，在40以下。一般藻类爆发的年份和月份，指数得分也较高，说明该指数可以很好地指示藻类生长情况。

图2 2010～2020年水库综合营养指数年均变化图

2.2.3 水温

在营养物质供应充足、光照充分的条件下，水温为藻类生长的控制因子。水温越高，藻类增殖速度越快。2010年至今藻类总数的变化如图3所示，从藻类和水温的数据来看，水温开始升高的春季，藻类一般处在增长期；夏季，一般藻类含量达到峰值。

图3 2010～2020年水库藻类的变化趋势图

2.3 藻类总数增加对水质造成的影响

2.3.1 溶解氧下降

溶解氧是衡量水体自净能力的一种指标。水中藻类生长期溶解氧的含量会因藻类光合作用的释放而升高，衰亡期则会因为藻类腐败分解而消耗水体中的氧，造成氧含量降低。水里的溶解氧被消耗，要恢复到初始状态，所需时间短，说明该水体的自净能力强，或者说水体污染不严重。否则说明水体污染严重，自净能力弱，甚至失去自净能力[10]。2010年至今，水库溶解氧含量值在5～13.5mg/L之间，均值为9.2mg/L，大部分时间能够满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅱ类水标准6mg/L的要求。计算年均变化如图4所示，从2017年开始，水库水中溶解氧年均含量较往年略有降低，这可能与水库水位降低，藻类的大量繁殖有关。

图4 2010～2020年水库溶解氧年均含量的变化趋势图

从不同季节来看，水库溶解氧呈现夏季高，冬季低的特点。与温度有较好的相关性，如图5所示，温度越低，溶解氧含量越高。

图5 2010～2020年水库水温与溶解氧的关系图

2.3.2 耗氧量升高

耗氧量是反映水质受到污染特别是有机物指标的替代水质指标之一。耗氧量升高代表水中有机碳含量上升，可能引起一系列的水质问题，包括异嗅味、影响水厂水处理效果、耗氯量增大、消毒副产物升高等。

2010年至今，水库水中耗氧量逐年升高，年均值从2.60mg/L增长到3.60mg/L，耗氧量的变化见图6所示。水库水的耗氧量指标能够满足《地表水环境质量标准》（GB3838- 2002）中Ⅱ类水标准4mg/L的要求，但是已经逐渐接近于限值，呈现水质逐渐恶化的趋势。

图6 2010～2020年年平均耗氧量含量变化图

2.3.3 pH不断升高

从2010年至今，该水库年均pH逐年升高，最低值7.65，最高8.15，一般来说夏季高，冬季低，水库pH的变化如图7所示。

图7 2010～2020年年平均pH变化趋势

总的来说，造成pH值上升的原因主要有以下几种：①温度升高，二氧化碳在水中的溶解度下降，使得pH上升；②藻类进行光合作用消耗水中的游离二氧化碳，导致水中OH-浓度增加，pH值上升；③水库底质中碳酸盐和碳酸氢盐的平衡释放，碳酸盐增多，也会使得水体的pH升高；④长期干旱水库库容量的减少，会使得这种情况加剧[8]。该水库pH不断上升是这几种原因的综合结果。

水体pH是一个重要的生态因子，与藻类生长关系密切。不同藻类有一定的pH适应范围，即使同一属的两种藻，在不同pH下，其生长也可能有很大差别。因此，pH对藻类的组成及分布有着重要的影响。一般认为，蓝藻偏好较高的pH[9]，也为近两年蓝藻的爆发提供了有利的条件。

2.4 藻类指标相关性分析

对水库水中的水质指标进行SPSS相关性分析，结果见表4。从统计分析可以看出，水库藻类与水温、氨氮、pH、耗氧量、叶绿素a和综合得分有显著的正相关关系，与溶解氧有显著的负相关关系。这说明水温越高，综合得分越高，对藻类的生长越有利，藻类总数相对越多；藻类总数的增多又造成pH、耗氧量、氨氮、叶绿素a增多，溶解氧含量降低。综合得分指数与藻类、叶绿素a有显著的正相关关系，与溶解氧有显著的负相关关系，说明该指数可以很好的指示藻类的生长状况。