梅州市清凉山水库浮游植物活动与水质变化相关性研究

2022-09-30杨金龙

广东水利水电 2022年9期

杨金龙

(广东省水文水资源监测中心梅州分中心，广东梅州 514071)

党的十八大以来，习近平总书记从实现中华民族永续发展的战略高度，提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，擘画国家“江河战略”，为新时代治水提供了强大思想武器和科学行动指南[1]。全国水利系统统筹推进水灾害防治、水资源节约、水生态保护修复、水环境治理，为社会提供了绿水青山的精神需求。

浮游植物作为水生态系统中最主要的初级生产者，是水生态健康中最重要的一环，其群落结构等能对水环境变化做出最直接的响应，因而常被用作评价湖泊水生态的重要指标[2]。适当数量的浮游植物可以促进水生态能量与物质循环，净化水质，为浮游动物及鱼类提供溶解氧及食物来源[3]。但过多的浮游植物则会影响水质观感，引起水质变差，提高水华爆发风险，其中蓝藻水华产生的藻毒素则对饮用水安全产生巨大危害[4]。清凉山水源地是梅州市主要的供水水源地类型之一，其水生态健康关乎群众用水安全，浮游植物作为水生态系统中的重要一环[5]，研究其生长规律及其影响因子，有助于对其增长情况进行预测，尽早采取应对措施，缓解因藻类过度生长造成的供水压力。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

清凉山水库位于梅州市东南—梅江区西阳镇，梅江一级支流白宫河的中游。集雨面积为94.4 km2，最大库容为4 860万m3，正常蓄水位为237 m，死水位为190 m，是一座以供水、防洪为主，结合灌溉、发电的多年调节中型水库，亦是梅州唯一市级集中式饮用水水源地。

2020—2021年，广东省出现罕见旱情，梅江流域地区年降雨量均处于多年平均降雨量的70%～80%。受降雨影响，清凉山水库蓄水量也显著下降，2020年与2021年年末较年初分别下降了59.4%、47.6%。同时，韩江流域部分地区出现藻类水华现象，清凉山水库于2021年第2、第3季度也出现了藻类大量增殖现象，于第3季度末、第4季度回归正常水平。

1.2 监测情况及方案

研究从2020年1月至2021年12月，时间跨度为2 a。样品采集及保存参考《水环境监测规范》(SL 219—2013)。样品监测项目涵盖《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)表1、表2，并加测透明度、叶绿素、浮游植物等项目。水质项目检测方法参考相应的国家标准；浮游植物检测方法参考《内陆水域藻类监测技术规程》(SL 733—2016)，种类鉴定参考相关书籍、图谱[6-8]。

水质采样频率为每月1次，采样时间为每月上旬，共监测24次。浮游植物采样为每季度1次，采样时间为季中，与当月水质采样同步进行，共监测8次。同时，辅以水质自动监测站数据为参考，水质自动站监测频率从每日0点起，每4 h监测1次，每天共6次，监测项目为水质五参数、总磷、总氮，高锰酸盐指数。

2 结果与分析

2.1 监测结果

2.1.1梅州市降雨及水库蓄水情况

梅州市2020年、2021年降雨量与多年同期均值相比，除2021年4季度外，均不同程度下降。2020年汛期同比下降30.7%，2020年—2021年非汛期下降74%，2021年汛期下降41%。清凉山水库水位及蓄水量也同比下降，水位2021年年末相比2020年年初下降22.4 m，下降幅度为9.9%，水位最低时接近死水位；蓄水量下降幅度为78.7%。

2.1.2水质状况及变化趋势

清凉山水源地水质状况总体良好，2020年和2021年年度水质及季度水质监测均达到Ⅱ类水及以上，符合饮用水水源地水质要求。但在月度监测出现部分项目超标情况，超标项目分别是2020年与2021年10月溶解氧项目、2021年1月、3月、8月、9月、11月总磷项目，其中总磷超标原因与干旱情况下水位下降，导致水库底部沉积腐殖质中的磷源释放影响。

采用浓度检验法分析其污染物变化趋势[9]，发现呈高度显著上升及显著上升的指标有砷、氟、镉、锰、铜、铅、铁、五日生化需氧量等项目，呈高度显著下降及显著下降的指标有硒、硝酸盐、六价铬和阴离子表面活性剂，其余项目均无明显升降趋势。

2.1.3水体富营养化趋势

选取总磷、总氮、叶绿素a、高锰酸盐指数和透明度指标来计算水体综合营养指数，清凉山2020年第1季度至2021年第4季度水体营养状态变化如图1所示。可以看到：近2 a水库呈中营养水平，但营养状态有上升趋势，且2021年营养化指数明显高于2020年，有向轻度富营养化转变的趋势。

图1 水体营养指数变化趋势示意

2.1.4浮游植物监测结果

清凉山库区浮游植物丰度季节性差异较大，藻类大幅度增殖现象基本出现于第3季度，第1、2、4季度藻类丰度均处于较低水平。2020年第3季度藻类丰度为3 552 cells/mL，绿藻门占比75.7%，硅藻门占比21.6%，其中优势种为绿藻门的肾型藻、鼓藻。2021年第3季度藻类丰度为13240 cells/mL，绿藻门占比86.4%，硅藻门占比7.5%，蓝藻门占比6.0%，其中优势种为绿藻门的鼓藻。据统计，清凉山藻类主要为绿藻门与硅藻门，蓝藻门、甲藻门和裸藻门藻类检出比例较低。其中绿藻门藻类会于第2、3季度中出现规律性的增殖，迅速成为水生态系统中的优势种，在第1、4季度中出现一定程度的消亡，同时硅藻门藻类占比得到较大提升。浮游植物丰度及种类变化见图2所示。

图2 浮游植物丰度变化示意

2.2 数据分析

2.2.1旱情对水质影响

梅州市在2020—2021年之间降雨量显著减少，清凉山水库降雨补充减少，因其为市区饮用水供水水源地，以及日常蒸发，蓄水量得不到有效补充而不断减少。清凉山水库为酸性水质，当其水位降低时，底层土壤的重金属离子会溶解扩散至表层水[10]，因此，在肯达尔趋势分析中，清凉山水库的砷、镉、锰、铁、铅、铜等诸多重金属离子均呈高度显著上升或显著上升趋势。

五日生化需氧量则代表水中可生化有机物多少，生化需氧量增高与水位降低，蓄水量减少息息相关，一方面水位降低时，底层沉积物中可生化物扩散至上层更为容易，另一方面降雨量减少而蒸发量不减，随着蓄水量减少污染物呈现一定程度上的浓缩效应。

硒、硝酸盐是植物生长需要的微量元素和主要营养盐，故硒和硝酸盐的减少与藻类活动相关。同时酸性环境下，阴离子表面活性剂易被分解，六价铬酸性下具备强氧化性，容易被水中还原剂还原而减少。

2.2.2浮游植物对水质影响

浮游植物生长有关的元素主要包含氮、硫、磷等，清凉山2020—2021年的氮磷比均值为44∶1，可以判断限值水源地中浮游植物生长的主要因子为磷。近5 a水质变化趋势中，与浮游植物生长有关的总氮、总磷、硫酸盐含量总体无升降趋势，与水库较为稳定的水质环境有关。在水库环境中，磷源多以磷酸盐的形式存在，磷酸盐在水中溶解能力较低，多存在于底层沉积物中。在水位较低时，磷酸盐向水库上层扩散更为容易，使表层水磷含量相对增加，浮游植物获得磷源更为容易，突破磷限制而大量生长，如2021年第3季度浮游植物增长则与8月、9月份的总磷增长相关。氮源则分为氨氮、硝氮与其他有机氮类，大多数藻类能吸收氨氮，且通常选择吸收氨氮，因为氨氮在氨基酸生物合成中可以直接被利用。硝酸盐氮变成氨氮则需要硝酸还原酶，铁是硝酸还原酶重要的辅助因子[11]。在水质趋势分析中，发现铁含量呈高度显著上升，硝酸盐含量呈高度显著下降，总氮、氨氮无明显变化趋势。可以判断在浮游植物数量增长过程中，主要利用的无机氮源为硝氮，在藻类活动中利用硝酸还原酶将硝氮转变为生长所需的有机氮。

2.2.3浮游植物活动与日间水质变化

选取2021年8月藻类丰度较高期间水质自动站日内数据，分析其日内理化指标变化，取同时刻均值计算,与年同时刻均值对比。其典型变化如图3所示，日间呈周期性规律变化的水质参数有水温、溶解氧、氨氮、总氮，其余自动站监测参数无明显规律性变化。日间水温基本以12：00、16：00最高，稳定在30℃左右，符合水温变化规律。溶解氧则与日间藻类活动呈明显相关性关系，溶解氧饱和度于8：00最低，16：00最高，水中溶解氧基本呈超饱和状态，且高于年均值。氨氮日内峰值高点出现于16：00，总氮日内峰值低点出现于16：00，藻类活动主要氮源以硝态氮为主，在光合作用较为强烈时利用太阳能将吸收的硝态氮转变为藻类可以利用的蛋白质或其它有机氮类。由于碱性过硫酸钾法测定总氮时无法将部分有机氮转变为硝态氮[12]，故日内总氮会于藻类活动强烈时降低；而氨氮一般认为是水体生物代谢产生的废弃物，16：00水温处于日内最高区间，因此，水中生物呼吸作用处于较高状态且具备一定时间，产生的氨氮不断积累上升达到峰值，随后水温降低，呼吸作用减弱，氨氮产出值减少，在水中硝化细菌的作用下转变为硝态氮，氨氮与总氮含量水平回归。