洋河水库富营养化发展趋势及其关键影响因素

王丽平，郑丙辉

(中国环境科学研究院，国家环境保护部河口与海岸带环境重点实验室，北京 100012)

洋河水库位于河北省秦皇岛市抚宁县城北10 km处，地理坐标为N39°58'45″—40°00'59″;E119°00'09″—119°59'59″，始建于1959年10月，1961年建成蓄水，总库容为3.53亿m3，流域面积755 km2，以城市供水功能为主，兼有防洪、灌溉、养殖和发电功能［1］。流域内属温带季风性气候，气候温和，四季分明，水库正常蓄水位57.0 m(库容为1.45亿m3)，平均水深5.7 m。目前水库富营养化程度日益加重，数据显示，1985年水库水华现象并不十分明显，主要集中在暑期末的部分水域;而在1990年水华现象已经覆盖7月底—9月初的大部分水域;到1999年水体则呈现出‘中-富营养化’，水华现象已经主要出现在7月中旬至9月中旬的所有水域［2-8］。目前，几乎每年暑期都会有全库水域的水华暴发，水质恶化，景观环境受到破坏，更重要的是对秦皇岛居民以及北戴河中央暑期办公人员的供水安全产生严重影响。

2011年对洋河水库进行水质和浮游藻类的监测调查，以期全面了解水库的富营养化特征及其关键影响因素，为采取有效措施预防水华暴发、恢复暑期作为饮用水源的使用功能提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 采样站位和监测参数

洋河水库流域属于季风型大陆气候，四季分明，每年冬季约2—3个月的冰封期(12月至翌年2月)。因此，温度是水华暴发的重要限制因子，每年5—10月水温(10—29℃)适合藻类生长。因此在2011年5—10月采集洋河水库表层水体和浮游藻类生物样品，每月2次，现场采用YSI多参数水质监测仪测定水温(T)、溶解氧(DO)、pH值(pH)，透明度(SD)采用塞式盘法测定。其它监测指标总磷(TP)、正磷酸盐(PO3-P)、总氮(TN)、硝态氮(NO3-N)、氨态氮(NH4-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、总有机碳(TOC)、叶绿素a(Chl-a)按照《水和废水监测分析方法》第四版的样品采集和分析方法进行［9］。在2010年对水库进行预调查基础上，优化了采样站位，最终共设置4个站位(图1):坝前1个(Y1)、库中心1个(Y2)、西洋河口(Y3)和东洋河口(Y4)各1个。

在监测过程中发现，自7月中旬至8月底，洋河水库暴发全库水体的水华，水体呈葱绿色，并伴有六六六粉味。在此期间采集浮游藻类生物样品500 mL，鲁哥氏液固定，静止24 h后，经虹吸最终体积浓缩为20 mL，生物显微镜进行藻密度计数和优势藻种类鉴定。

1.2 统计分析

水库的富营养化状态采用卡尔森指数法(Trophic State Index，TSI)［10-11］，计算方法如下:

监测指标间的相关关系分析采用软件SPSS13.0进行。

2 结果

2.1 洋河水库富营养化的年际变化趋势

由于洋河水库水华主要在每年的7—9月暴发，在这个时间段内关于TN、TP、SD和Chl-a的调查分析数据较多，本研究收集了1990年以来每年8月的监测数据［2-8］，并结合2011年本研究小组的监测结果，综合分析洋河水库富营养化的变化趋势。图2为洋河水库水体TN、TP、SD和Chl-a浓度及其相应富营养化状态指数TSI的变化趋势。由图可见，TN、TP和Chl-a浓度呈明显上升趋势，分别从1990 年的0.72 mg/L、0.029 mg/L 和 3.35 μg/L 增加至 2011 年的 4.25 mg/L、0.103 mg/L和88.5 μg/L;SD则呈现明显下降趋势，从1990年的 1.65 m 降低至 2011 年的 0.3 m。TSITN、TSITP、TSISD和 TSICHL分别从 1990 年的 49.71、52.71、52.78、42.46 升高至2011 年的75.33、70.98、77.36、74.58。

图1 洋河水库采样站位Fig.1 The Yanghe Reservoir and its sampling stations

2.2 洋河水库5—10月的富营养化特征

图3为洋河水库2011年5—10月水环境条件的变化趋势，由图可见，5—10月期间各水质因子都存在不同程度的波动，在水华暴发期间(7月中旬至8月底)，T在23.5—29.2℃之间，SD和DO明显下降(P＜0.05)，pH值略有上升，CODMn和TOC有所上升。2011年5—10月营养盐和Chl-a浓度变化趋势见图4，其中氮磷都呈现不同程度的上升趋势，Chl-a浓度发生明显变化，在水华暴发期间明显升高(P＜0.05)，水华暴发后期突然下降(P＜0.05)。各参数的变化范围见表1。

洋河水库2011年5—10月Chl-a与营养盐、水环境条件的相关分析见表2，其中T、SD、DO、pH值、TP、PO3-P、CODMn和TOC都与Chl-a浓度明显相关;其它各因子之间也存在一定的相关性，如T与SD、DO、pH值和TOC明显相关;SD与DO、pH值、TP和PO3-P明显相关等。

7月中旬至8月底水华暴发期间浮游藻类优势种为铜绿微囊藻(Microystis aeruginosa)，密度高达3.5×106个/mL，其次为鱼害微囊藻(M.ichthyoblabe)，密度为1.4 ×106个/mL。

经非参数Kolmogorov-Smirnov检验发现，Chl-a不服从正态分布而是服从log值正态分布，因此采用log(Chl-a)为因变量进行回归分析。log(Chl-a)与各指标间的逐步回归方程为:

图2 1990—2011年每年8月TP、TN、SD和Chl-a平均浓度及其相应TSI指数的年变化Fig.2 Total nitrogen(TN)，total phosphorus(TP)，secchi disk depth(SD)，chlorophyll a(Chl-a)concentration and TSITN，TSITP，TSISD，TSICHLin August of each year during 1990—2011

表1 洋河水库2011年5—10月水环境参数、Chl-a浓度的平均值及其波动范围(n=24)Table 1 Mean values and their range of water quality indices and Chl-a from May to October in 2011(n=24)

图3 洋河水库2011年5—10月水体T、SD、DO、pH值、CODMn、TOC的变化趋势(每个站位的月平均值)Fig.3 The developing trend of water temperature(T)，secchi disk depth(SD)，dissolved oxygen(DO)，pH，chemical oxygen demand(CODMn)and total organic carbon(TOC)from May to October in 2011(monthly average value of each site)，the period between two dashed line showed the time of algal bloom outbreak

表2 洋河水库2011年5—10月叶绿素a与各水环境因子的相关关系Table 2 The spearman rank correlation in water quality factors and Chl-a

3 讨论

图4 洋河水库2011年5—10月水体营养盐和Chl-a浓度的变化趋势(每个站位的月平均值)Fig.4 The developing trend of nutrient and chlorophyll a(Chl-a)concentration from May to October in 2011(monthly average value of each site)

对1990—2011年Chl-a与TN、TP、SD的相关关系进行分析，发现SD与Chl-a具明显相关性，两者间的拟合关系如图5所示，R2=0.9612;2011年5—10月SD也与Chl-a明显相关(表2)，表明洋河水库水体透明度主要受浮游藻类细胞密度的影响。在与Chl-a浓度具明显相关性的各水环境指标中(表2)，其中SD、DO、pH值是水华暴发的结果而非原因［12］，因此SD、DO、pH都是洋河水库水华暴发影响水质的主要表现指标，而SD受水华影响最明显。CODMn和TOC是作为衡量水中有机物质含量多少的指标，其中TOC示水中有机物的总含碳量，而CODMn只表示水体中具还原性的有机物含量，一般TOC＞COD，水华暴发期间CODMn和TOC略有上升，且都与Chl-a浓度具明显相关性(表2)，因此CODMn、TOC是水库水华暴发的主要影响因素之一。营养盐监测结果发现，1990—2011期间TN常年超过国际公认湖库发生富营养化的浓度水平(0.20 mg/L)，TP也常年超过国际公认的发生富营养化的浓度水平(0.02 mg/L)［13］，因此洋河水库属于高营养水体，具备发生富营养化的营养盐条件。2011年5—10月期间TP、PO3-P、TN、NO3-N、NH4-N浓度都呈逐渐上升趋势(图4)，9月水华消退后仍明显上升，表明这几种形式营养盐浓度的升高与水华生消没有直接关系，主要受内源、外源污染的影响。洋河水库支流上游是种植和加工白薯比较集中的区域，每年9月至11月上旬，农民利用简陋的粉碎装置，在田间地头、户院把白薯粉碎、过滤加工成淀粉，此时产生大量含高浓度营养盐的废水，汇集河道后流入洋河水库［6，14］。因此，氮磷营养盐浓度的升高(尤其是9月以后)主要是洋河上游农业活动造成的。水华暴发期间Chl-a浓度在22.16—162.26 μg/L之间，明显高于水华暴发前和水华消退后的浓度水平(图4)。

氮、磷是水体富营养化发生的主导因子，气象环境(主指温度和光照)是诱发富营养化的外因，缓流水体是富营养化产生的载体(尤其是水流缓慢、水深较浅且相对封闭的水体)。人为地改变气候条件的可能性较小，因此富营养化防治一般重点考虑营养盐以及水动力条件的改变。对于洋河水库，上游农业活动是造成水库氮磷污染的主要原因［6，14］。另外，洋河水库中沉积物高达水库总容积的1/10，平均沉积物厚度达0.96 m，从某种意义上讲沉积物已经成为水库内部储存营养盐等污染物的巨大仓库［15］。刘娜对洋河水库底泥氮磷释放规律进行了系统研究，指出内源污染对水体的富营养化程度起着控制作用［14］。因此，降低水库营养盐浓度，在控制上游农业生产所带来外源营养盐污染的同时，还要充分考虑内源污染对水体富营养化的影响并采取相应措施。根据水库的流速特征，可以将水库划分为河流型水体(＞0.2 m/s)、过渡型水体(0.05—0.2 m/s)和湖泊型水体(≤0.05 m/s)［16］。洋河水库水体几乎处于静止状态，水体滞留时间约284 d［14］，水华原因种主要是蓝藻门的微囊藻，因此洋河水库属于典型的富营养化的湖泊型水体。当水温和光照适合时，水华暴发。因此，预防洋河水库水华暴发，在有效降低水体营养盐浓度，控制内源、外源污染的同时提高水体流速或水体交换速率，才能控制水体水华暴发，最终达到改善洋河水库水质状况，提高洋河水库服务功能质量的目的。

图5 1990—2011年期间SD与Chl-a之间的拟合关系图Fig.5 Power regression between secchi disk depth(SD)and chlorophyll a(Chl-a)during 1990—2011

综上，洋河水库水华暴发是多种因素造成的，但水体中较高浓度的氮磷是最主要的因素，当夏季水温升高达到藻类迅速增殖的温度时，蓝藻迅速增殖形成水华。洋河水库流域降雨主要集中在夏季，也是水华集中暴发的季节，监测过程中发现，在水华暴发期间，有几次主要降雨，但并没有达到有效稀释水体中藻细胞密度的效果，水华仍持续发生。当进入初秋季节，日温差较大，表层水体温度昼夜差异明显，可能是水华消失的重要原因。

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