二滩水库近5年水质演变趋势及相关性分析

杨 玖，白 羽，张 利，王小将，陈美芳

(1.攀枝花市环境监测中心站，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花市盐边县环境监测站，四川 攀枝花 617000；3.攀枝花市仁和区环境监测站，四川 攀枝花 617000)

1 前 言

一直以来富营养化是造成内陆水库水体污染最主要的方式。水体富营养化指水体中氮磷等营养性物质含量过多而藻类及其他耗氧性水生生物过度繁殖，造成水质恶化的现象。氮磷元素是水体富营养化的主要控制因子[1]，而人类生产活动向水体中排放过量的氮磷元素，农田化肥，渔业养殖以及人畜粪便是氮磷元素的主要来源。叶绿素a是水体初级生产力和富营养化程度的基本标志，其浓度通常被应用于描述水体富营养化状态和研究水质动态的变化[2-3]。富营养化不仅破坏了水体的生态环境，导致水生生物多样性降低。而且，水体感官性状恶化，丧失其社会服务功能。在富营养化的水体中，透明度降低，并散发出腥臭味，大大降低其应有的美学价值，影响人们生活、娱乐、休闲；一方面给水产养殖业和旅游业带来巨大的经济损失；另一方面进一步加剧了水资源危机[4]，减短水体寿命，严重影响工农业生产的可持续发展。富营养化形成与发展的成因主要与水文、物化、气象和区域环境等环境要素等密切相关，主要表现为协同诱导作用和非线性特征[5-6]。

二滩水库是长江上游生态屏障区的重要组成部分。流域是自然生物物种基因库，大面积的水域和原始暗针叶林植被在调节当地气候、保持水土、水源涵养、稳定长江水源等功能方面都起到极为重要的作用。同时为渔业生产提供了广阔水面和优质条件，渔业得到快速发展。但由于缺乏合理规划，库区网箱养殖盲目扩张，网箱养殖规模增长过快，养殖饲料和鱼类排泄物严重影响水库水质，水体质量逐年下降，直接导致了该水域水体的富营养水平，水质出现污染，并不断恶化，甚至在个别水域发生“水华”现象。加上流域社会经济情况整体发展，生活污染、农业面源等污染源的入库量也随之增加，引起水质趋于恶化。根据2013～2017年的监测数据，本文分析了近5年二滩水库水质变化规律，全面了解水库的富营养化特征及其关键影响因素，为保护水库饮用水安全和健康的生态系统提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 区域概况

二滩水库位于四川省西南角，地处青藏高原东南缘，云南高原北部，地跨东经101°10′～102°6′，北纬26°40′～27°59′。水库面积101km2，水库流域总面积达5 711.4km2，其中攀枝花市域范围内面积共3 360.31 km2。该水库为“Y”字形人工湖，属延伸型峡谷型水库。该水库具有生物多样性保护和栖息地、水产品供给、人文景观等功能，兼有发电、防洪、旅游、养殖、航运、饮用水源及工农业用水等多种功能，在城市饮用水安全日益紧张的趋势下，该水库的功能将更显突出。

2.2 采样点位布设

根据库区的地理形状，共设置4个采样点，即柏枝、鱤鱼、红壁滩下、二滩，具体位置见表1。其中柏枝断面为该水库的入库断面，二滩断面为该水库的出库断面。从2013年1月～2017年12月每月采样一次，2013～2017年的监测数据由市环境监测中心站提供。

表1 二滩水库监测断面坐标Tab.1 The geographic coordinate of monitoring sections of Er’tan Reservoir

2.3 监测项目

透明度采用塞氏圆盘法现场测定，水温、溶解氧、pH等采用便携式仪器法现场测定，其余理化项目采集后在保存期内实验室测定。其他参数具体分析方法和详细步骤按照国家相关标准方法和《水和废水监测分析方法(第四版)》(增补版)进行[7]。

2.4 数据处理与分析

采用EXCEL 2007软件对所有数据进行统计计算和分析，采用SPSS 19.0软件对数据进行多因子相关性分析，采用单因素方差分析比较不同数据组间的差异。

2.5 富营养状态指数计算

水库营养状态评价采用综合营养状态指数法，评价指标有叶绿素a(chla)、总氮(TN)、 总磷(TP)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)[8]。加权综合营养状态指数为:

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；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。

3 结果与分析

3.1 水质变化趋势

3.1.1 时间变化

水库水质随着时间的变化，各指标均出现相应的变化(图1)。2013～2017年中，pH值在2013年最高(均值为8.34)，2014年最低(均值为7.95)(图1a)；一年内，pH值在秋季较高，春季较低，但不显著(图1a)；水温常年均在25℃以下，且逐年显著上升。水温在夏秋季较高，冬春季较低，具有显著的季节性变化(图1b)；透明度(SD)从2013年开始有下降趋势，2017年有显著升高；透明度(SD)的季节变化为冬季明显高于夏季，变化范围在1.0～5.5m之间(图1c)。电导率常年变化不大，在2013年9月、2014年3月和2016年5月电导率较高，其值分别为217ms/m、306.5ms/m和166.7ms/m(图1d)。叶绿素a(Chla)浓度一般在夏季和春季达到最大值，冬季较低，变化范围为0.05～12mg/m3(图1e)。DO值在2013年最高，随后降低至2015年，又上升；DO随季节变化呈现一定的规律，在冬季溶氧量较高，夏季较低，可能是此时处于丰水期，降雨多，阴天多，水温高，排污量大，藻类光合作用受阻所致(图1f)。高锰酸盐指数(CODMn)在2013年下降，随后上升至2015最高，随后呈下降趋势，随季节变化为夏季较高，冬季较低(图1g)。从年变化看，氨氮指数随着时间有上升趋势，并在2017年10月份达到最大(0.088mg/L)；从季节变化来看，氨氮主要表现为冬季<春季<夏季<秋季，冬季最低，具体呈现出随着月份增大其值也增大，但在11月份开始降低(图1h)。从2013年开始，总氮(TN)上升，到2015年达到最大，随后降低；总氮(TN)在秋季较高，最大值出现在8～9月份，浓度变化值在0.62～1.04mg/L之间，低值主要出现在2月份和6月份(图1i)。2013～2017年，总磷(TP)浓度逐年下降，其浓度最大值主要出现在2013年3月份(0.068 4mg/L)，其他月份变化不明显，其值均在0.01～0.02mg/L之间上下波动；夏冬两季较低(图1j)。五日生化需氧量(BOD)是反映水中有机污染物含量的一个综合指标。BOD值一般变化范围在0.5～3.5mg/L，在2013～2017年呈上升随后下降的趋势，且在2015年最大；在6～10月丰水期，BOD值较高，11～次年5月为枯水期，其值降低，可见，库区在枯水期中耗氧性有机污染物中可生化降解有机物的含量基本稳定，表明湖水的可生化性保持稳定，水中的耗氧性有机污染物容易被其中的微生物净化，降低了随颗粒物沉淀进入底泥、重新释放污染水体的可能性(图1k)。水库中粪大肠菌群含量变化幅度较大20～790个/L，9月份粪大肠菌含量较高，这可能是由于雨季降水量较大，污染物冲刷使得排污量大引起的，同时受沿岸生活污水，农业养殖业等面源污染的影响(图1l)。

图1 二滩水库2013～2017年逐月水质变化Fig.1 Monthly variation of water quality of Er’tan Reservoir during 2013～2017

图2 二滩水库2013～2017年空间水质变化趋势Fig.2 Spatial variation of water quality in Er’tan Reservoir during 2013～2017

对每个指标不同年份进行单因素方差分析，水库近5年各水质指标年际变化略有不同，得出水温、pH、溶解氧、总磷、总氮、氨氮、透明度、生化需氧量和叶绿素a浓度均存在显著年际变化(p<0.01)，但电导率和粪大肠菌群年际变化不显著。

2016年水库中网箱拆除后，水库中叶绿素a、BOD、CODMn、总氮、总磷均有不同程度的下降。

3.1.2 空间变化

对4个点位5年各指标月均值进行空间异质性分析，分析结果显示(见图2)，水温、电导率、pH、叶绿素a、BOD、CODMn、总氮、总磷、氨氮、透明度均表现为二滩点位低于其他三个点位，即出库断面均低于入库断面，粪大肠菌群和DO均表现为二滩点位高于其他点位，入库断面均低于出库断面。通过差异性分析，4个监测点位中除了叶绿素a和粪大肠菌群外均无显著性差异。

3.2 综合营养指数变化

根据时间分析，水库近5年综合营养状态指数呈下降趋势，如图3所示。从不同点位可以看出，各点位水体属于中营养状态，二滩点位综合营养指数最低，柏枝点位较高。根据湖泊(水库)富营养化评价等级，2017年水库水体属于贫营养状态，2013～2016年均在50以下属于中营养状态。

图3 二滩水库2013～2017年综合营养状态指数时空变化趋势Fig.3 Temporal and spatial variations of TLI in Er’tan Reservoir during 2013～2017

4 讨 论

4.1 各指标相关性分析

通过相关性分析(表2)，可以发现，pH与透明度之间相关性显著并呈正相关(P<0.05)，BOD与总氮呈显著正相关，与叶绿素a呈显著负相关；氨氮与水温、粪大肠菌群存在着显著的正相关，叶绿素a与总氮、总磷呈无明显相关性，与氨氮呈显著相关，这可能是浮游生物直接优先利用以氨氮为主的营养形态；电导率与叶绿素a呈显著正相关。水温的变化会影响水体中藻类光合作用和呼吸代谢速率[9]。结果表明，二滩水库中叶绿素a与水温呈负相关，造成这种现象的原因可能是多方面的，水温变化不显著，温度较低，常年均在25℃以下，大部分均在15℃左右，可能与藻类的生长温度不适合；内源营养盐有限的释放作用及其浮游植物的摄食，也可能是水深光照气温和其他气象因子等多重作用的结果[10]。

表2 水质指标间的相关分析Tab.2 Correlation analysis of water quality indexes of Er’tan Reservoir

注：*在 0.05 水平(双侧)上显著相关，** 在 0.01 水平(双侧)上显著相关。

4.2 二滩水库营养状况及变化趋势

4.2.1 叶绿素a与N/P变化趋势

N/P在一定范围内能制约藻类生长，是群落结构改变的重要诱因，反之藻类的不断生长繁殖也影响氮磷比[11-12]。一般认为当氮磷比小于10∶1时为氮限制，大于10∶1时为磷限制[13]，由图4可以看出，氮磷比均大于10∶1，即磷为限制藻类生长的主要元素。因此，必须严格控制磷元素的输入，控制生活污水等的排放以防止藻类的大量繁殖引起水华。叶绿素a的含量受水温、营养盐等因素的影响，其含量能够在一定程度上反映水体水质状况。叶绿素a的含量变化趋势与TN/TP变化趋势相反，既保持着良好的相关性。

图4 二滩水库2013～2017年氮磷比与叶绿素a的含量变化趋势Fig.4 The trend of nitrogen-phosphorus ratio and chlorophyll a concentration of Er’tan Reservoir during 2013～2017

4.2.2 富营养化指数变化

根据2016～2017年二滩库区水体综合营养状态指数监测结果(表3)，考虑库区水体自净能力，2017年1～7月份二滩库区内水体处于净化期间，综合营养状态指数较2016年无明显变化，2017年8～12月份，二滩库区内水体营养物质持续消耗，水体基本完成自净，水体综合营养状态指数持续下降。与2016年相比，二滩库区水体综合营养状态指数月度同比最大下降值13.5，水体综合营养状态指数年均值下降了3.4，水质综合营养状态指数明显降低，水质得到明显改善。

表3 二滩水库各测点综合营养状态指数统计Tab.3 Statistics of TLI in different monitoring points of Er’tan Reservoir during 2016～2017

5 结 论

5.1 2013～2017年间，水温、pH、溶解氧、总磷、总氮、氨氮、透明度、生化需氧量和叶绿素a浓度均存在显著年际变化。除总氮和生化需氧量外，各指标均存在显著的季节变化，一般丰水期水质比枯水期水质差。二滩水库水质存在显著的空间差异性，表现为二滩点位水质好于其他点位。

5.2 综合营养状态指数表明近5年间水库营养状态逐步下降，由中营养状态向贫营养状态转变，多年平均综合营养状态指数在空间上表现出二滩点位综合营养指数与其他点位具有显著性差异。