2021, Vol. 42
2. 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008;
3. 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司, 长春 130021
, DUAN Wen-xiu1,2 , CUI Yang3 , ZHU Guang-wei2
, WU Tian-hao2 , XU Hai2 , ZHU Meng-yuan2
2. State Key Laboratory of Lake Environment and Science, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. Northeast Electric Power Design Institute Co., Ltd., of China Power Engineering Consulting Group, Changchun 130021, China
在全球水资源形势日益严峻的背景下, 水库逐渐成为我国主要大城市的饮用水水源地.然而, 我国近年来的一些重要水库出现了透明度下降和藻类季节性异常增殖等生态学问题, 威胁着水库的供水安全[1~4].科学评价水库的水生态安全状况, 分析引发水库生态质量下降的影响因素, 对于水源地型水库的安全保障意义重大.
我国是个水库大国, 气候和地形多样, 不同地区的水库水生态背景差异大[5], 同一水库不同库区和不同季节的水生态状况也不相同.如新安江水库上游水质明显劣于下游水质, 春夏季水质劣于秋冬[6]; 金泽水库的入库口水质较出库口差, 冬季水质最差[7].因此, 在诊断水库生态安全及其成因时, 应充分考虑水库的地理背景及水库生态环境质量的时空差异性.
天目湖沙河水库地处我国东南低山丘陵地区, 降雨丰沛, 四季分明, 流域人类活动强烈, 具有典型的区域代表性. 2000年以来随着天目湖旅游业和农业的快速发展, 沙河水库水质呈现恶化趋势, 水体透明度下降和2-甲基异莰醇超标, 影响到供水安全[8].因此, 为保障沙河水库水环境安全, 学者们从天目湖沙河水库水质演变及富营养化状况[9, 10]、水库流域保护[11, 12]、水质及浮游植物群落结构的时空异质性[13, 14]和水库热分层变化对水质的影响[15]等方面开展了深入系统地研究.然而关于沙河水库水生态安全的长期变化特征及定量评估研究仍然十分有限.
湖库生态安全评价常用方法包括综合指数法、层次分析法、模糊综合评价法等, 而评价体系主要是在联合国经济合作开发署(OECD)提出的压力-状态-响应(P-S-R)框架模型的基础上确立的[16~20].但是基于该框架的评估体系在指标选取时过于追求综合性和广覆盖面, 因而忽视了指标间客观上易于存在的相关关系, 且将这些相关度较高的指标进行加权求和, 缺乏科学依据[21].对于水库水环境质量的评估主要的参考是地表水环境质量标准(GB 3838-2002)[22], 由于生态安全评价是针对某类或某个具体生态系统开展, 因此, 在评价方法、评价体系、评价标准和评价时段的确定等方面必须充分了解该类生态系统的特征, 因地制宜地制定科学合理的生态安全评价体系和监测方案, 进而针对具体水库的个性, 实行“一库一策”的水库治理和管理[23, 24].
为此, 在前期研究中[25], 作者根据江苏省水源地型水库的水质调查数据及水源地型水库面临的主要水生态安全问题, 选取了MIB、Chl-a和BMc等11项指标, 运用层次分析法建立起一个由目标层(A层)、亚目标层(B层)、因素层(C层)和指标层(D层)这4个层次构成的水源地型水库水生态安全评价体系.由于其评价体系中各因子的权重主要是根据专家经验法赋予的, 依据数据来源为夏季一次的采样数据, 具有一定的主观性.本文在该方法的基础上, 利用天目湖沙河水库2010~2020年的水生态指标长期监测资料, 分析水库水生态指标的多年时空变化特征, 探讨影响水库生态服务功能的关键因素, 尝试构建了该水库的水生态安全评价指标体系, 提出了针对该区域、该类型水源地型水库生态安全状况监测布点的建议, 以期为科学保护该类型水源地型水库的水生态安全提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 沙河水库概况天目湖沙河水库位于江苏省溧阳市南部(31°18′N, 119°25′E), 集水面积152 km2, 水域面积12 km2, 平均水深7 m, 最大水深14 m[26], 最大蓄水量1.1亿m3, 是苏南丘陵山区最大的水库之一.水库呈南北向的狭长形, 南端为河流入湖区, 北端为大坝[27].沙河水库地处北亚热带季风气候区[28], 多年平均气温16.7℃, 最低气温零下6.5℃.沙河水库也是国家5A级风景区, 溧阳市75万人口的饮用水水源地.近20年来, 沙河水库受水体透明度下降和藻类季节性异常增值等富营养化问题困扰[29].溧阳市人民政府高度重视水库的水环境保护, 设立专门的水源地保护治理工作领导小组办公室精心组织, 从流域到库体, 全方位实施生态环境保护工程, 力图打造东南丘陵山区水库水源地保护的典范案例.
1.2 采样点布设采样点的布设如图 1.在水库的主流方向上, 自上游至下游共设置8个采样点, 即上游3个点(TM08、TM09和TM10), 中游3个点(TM04、TM06和TM07), 下游2个点(TM01和TM02), 其中TM01点靠近水库大坝.
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图 1 天目湖沙河水库逐月监测点位示意 Fig. 1 Sampling sites for water quality analysis in Shahe Reservoir |
样品的采集与测定方法见文献[30]. 2010~2019年, 每月采集各样点表层0.5 m水样进行水质和水生态指标的测定分析.10 a共120套数据, 采样时间为每月中下旬.为了解水库水质的垂向变化特征, 于2019年9月至2020年8月对年平均水深为11 m左右的TM01样点进行分层取样: 表层水样在水下0.5 m处采集, 然后从水下2 m开始, 隔2 m分层取样; 在2020年5~8月对TM06样点也分层取样, 采样深度分别为水下0.5、2、4、6和8 m.水样采集后, 现场用Whatan GF/F滤膜进行过滤, 滤膜上物质冷藏后用于浮游植物叶绿素a(Chl-a)测定, 滤后水和原水立刻冷藏后当天送回实验室进行分析.另取1 L水样, 用鲁戈试剂固定, 用于浮游植物群落结构鉴定.在对TM01和TM06样点进行分层采样的同时, 量取25 mL分层水样, 置于装有2.65 g氯化钠的棕色玻璃顶空瓶中, 旋紧瓶盖密封后摇匀, 冷藏, 带回实验室用于异味物质2-甲基异莰醇(MIB)的测定.现场用美国黄石仪器公司YSI 6600V2型多参数水质分析仪测定水温(WT)和溶解氧(DO)等指标, 并测定水体的水温剖面.用直径20 cm赛氏黑白盘测定水体透明度(SD).
水体总氮(TN, 原水)采用过硫酸钾消解, 紫外分光光度法(波长210 nm)测定; 总磷(TP)采用过硫酸钾消解, 钼锑抗显色分光光度法(波长700 nm)测定[31]; 叶绿素a测定时, 先将浓缩了浮游植物的滤膜在-20℃下冷冻24h以上, 然后采用热乙醇提取, 分光光度法(波长665 nm、750 nm)测定; 高锰酸盐指数采用氧化还原滴定法测定[32].浮游植物群落结构的鉴定使用Olympus CH生物光学显微镜镜检, 鉴定到属, 并结合经验公式估算浮游植物生物量(BM, mg·L-1), 特别是其中的蓝藻生物量(BMc, mg·L-1)和硅藻生物量(BMb, mg·L-1)[33].异味物质2-甲基异莰醇(MIB)采取固相微萃取气相色谱-质谱联用(SPME-GCMS)法分析[34], 仪器型号为Agilent 7890-5975C.萃取条件: 65℃顶空萃取30 min; 起始温度60℃, 15℃·min-1升至220℃维持2 min; 进样口温度为260℃不分流进样.
1.4 水位与植被覆盖数据通过2010~2019年由溧阳市水利局沙河水库管理处提供的逐日水位数据, 计算出逐月水位平均值及水位变幅比(RV), 用于衡量水库水量的运行情况, 具体方法见文献[25].水库2010~2019年的植被覆盖状况来自中国科学数据中心地理空间数据云查询的春季(4月)Landsat遥感影像数据, 经过转换、裁剪和大气校正等操作后, 计算得到的研究区归一化植被指数(NDVI)表征[35].
1.5 数据处理方法数据图表绘制及统计分析主要由Excel 2019、Origin 2018、SPSS 24.0和ArcGIS 10.8等统计和绘图软件完成; 各区域的差异性用单因素方差进行分析, Chl-a、MIB和SD与各水生态指标的相关性用Pearson相关系数表达(P).
2 结果与分析 2.1 水生态指标的时空差异通过沙河水库8个点位10a的水生态指标的调查数据, 分析水库不同区域的水生态安全状况以及季节差异(图 2), 其中各区域水生态指标呈现出一定的空间差异及明显的季节差异.
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图 2 沙河水库水生态指标时空变化 Fig. 2 Spatial-temporal variations in aquatic ecological indicators in Shahe Reservoir |
空间上, 不同区域的SD均存在显著差异(P < 0.05), SD多年均值呈现上游(0.84 m)＜中游(1.14 m)＜下游(1.34 m)的现象.DO和BMb仅上游和下游有显著的差异(P < 0.05), TP、TN、Chl-a和高锰酸盐指数在上游与中游和下游均有显著差异(P < 0.05), 各指标多年均值均呈现出上游(TM08、TM09和TM10)>中游(TM04、TM06和TM07)>下游(TM01、TM02)的现象, 2010~2019年沙河水库上游、中游和下游DO多年均值分别为10.15、9.85和9.65 mg·L-1, BMb多年均值分别为4.77、3.53和3.42 mg·L-1, TP多年均值分别为0.048、0.035和0.030 mg·L-1, TN多年平均值分别为1.34、1.19和1.12 mg·L-1, Chl-a多年均值分别为20.62、14.30和12.38 μg·L-1, 高锰酸盐指数多年均值分别为3.19、2.78和2.71 mg·L-1.各区域BMc差异不显著, 但多年均值也呈现出上游(1.85 mg·L-1)较中游和下游(1.49 mg·L-1和1.51 mg·L-1)高的现象.位于水库同一区域的各点位各水生态指标基本无显著差异(P>0.05), 如中游(TM04、TM06和TM07)和下游(TM01和TM02); 位于上游的3个点中, 仅TM08和TM10夏季的高锰酸盐指数和TP两个指标上存在显著性差异(P < 0.05).
季节分布显示, 各水生态安全指标在水库的3个区域均呈现出随季节变化而变化的规律.冬春季SD和DO显著高于夏秋季(P < 0.05); 冬季TP浓度显著低于其他3个季节(P < 0.05); 冬春季TN浓度高于夏秋季, 但不显著(P>0.1); Chl-a、高锰酸盐指数和BMc均呈现出夏秋季显著高于冬春季的现象(P < 0.05); 春夏季节BMb显著高于秋冬季(P < 0.05).根据上述沙河水库8个点位为期10 a的水生态指标的调查和差异性分析结果, 以及韩博平在水库水平方向上的区域划分原则[5], 可将位于上游的TM08、TM09和TM10这3个点定为河流区, 位于中游的TM04、TM06和TM07这3个点定为过渡区, 位于下游的TM01和TM02定为湖泊区, 这一结果与孙祥等[14]的划分结果一致.
2.2 水生态指标的垂向变化2019年9月至2020年8月大坝区域(TM01)垂向水质变化如图 3.结果表明, 沙河水库各水生态指标均呈现出一定的季节性分层现象. MIB浓度从3月(6层均值为1.26 ng·L-1)开始上升, 至5月达到峰值(6层均值为22.29 ng·L-1)[图 3(a)].5月不同水深的MIB浓度均超过10 ng·L-1, 并在水下4 m处MIB浓度达到全年最高值为31.29 ng·L-1.5月MIB表、底层浓度差为7.98 ng·L-1, 呈现出分层现象.
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图 3 沙河水库水生态指标垂向变化 Fig. 3 Vertical distribution of aquatic ecological parameters in Shahe Reservoir |
DO在5~9月呈现出明显的分层现象, 并在5月水下2 m处取得最大值12.88 mg·L-1 [图 3(b)], 与水体热分层呈现出相似的季节性变化规律[图 3(c)], 说明水体热分层是DO在垂向上发生变化的主要诱因[12].每年10月至次年4月, 水温表底差变幅为0.2~1.2℃, 热分层消失, 整个水柱处于混合状态, 因此整个垂向DO都维持在9.5 mg·L-1左右.5月之后, 随着气温的升高, 水体逐渐出现分层现象, 垂向溶解氧传递受阻, 底层出现缺氧现象且长期维持, 直至10月表层水温降低到一定程度, 热分层消失, 底层缺氧才消失.
从图 3(d)和3(e)可以看出, TN和TP随水深的变化不显著, 但都呈现出一定的季节变化, 在热分层稳定的9月, 均在水下6 m处出现最大值, 分别为1.75 mg·L-1和0.071 mg·L-1.这可能是由于垂直水温分层的存在, 一定程度上会“阻断”营养盐向上的输送, 加上外来的营养盐受“异重流”等作用的影响, 在水面下一定深度会形成一个营养盐质量浓度的高值[36].不同的是, 2019年9月至2020年6月, TN除11月和4月出现小幅上升(6层均值分别为0.83 mg·L-1和0.95 mg·L-1)外, 整体呈下降趋势, 6月降至最低值(6层均值为0.54 mg·L-1); 2020年夏季流域性大暴雨, 7月和8月TN才呈上升趋势, 8月达到全年最高值(6层均值为1.41 mg·L-1).这可能是夏季暴雨冲刷大量含氮物质进入水库所致.而总磷在2019年9月至2020年8月呈波动下降趋势, 但在11月和5月出现了两次峰值(6层均值为0.055mg·L-1和0.042 mg·L-1).李恒鹏等[11]对沙河水库流域不同用地类型磷的排放强度研究表明, 总磷的输出强度与地表覆盖度有关, 即地表覆盖度越低总磷的输出强度越大.因此总磷的两次峰值均出现与春秋季农耕活动频繁, 植被覆盖度较低有关.
如图 3(f)所示, 总体上高锰酸盐指数的变化不大, 6层均值在7月最高, 为3.21 mg·L-1, 2月最低为1.98 mg·L-1, 最大值在7月水下2 m处取得为3.79 mg·L-1, 相关研究表明有机颗粒物是水体中高锰酸盐指数的主要贡献者[12].
夏季(5~8月)沙河水库在6 m左右深度形成温跃层, 表底层温差在6.1~11.1℃之间[图 3(c)].Chl-a也在5~8月表现出明显的分层现象, 表底层差值为15.65~26.64 μg·L-1, 并在5月水下4 m处取得最大值36.86 μg·L-1[图 3(g)], 且温跃层上下Chl-a的差值可达20.70 μg·L-1, 说明温度分层对藻类的垂向分布产生较大的影响.
对于不同的浮游植物, 由于其对生存资源(如光照和营养盐等)的喜好不同, 其适宜生长的季节, 水体深度也有所不同. BMb呈现出明显的季节变化特征, 其峰值出现在5月水深2 m处, 为12.80 mg·L-1[图 3(h)].如图 3(i)所示, BMc也呈现出一定的季节变化规律, 在8月表层(0.5 m左右)取得最大值5.56 mg·L-1.硅藻和蓝藻生物量在峰值期均呈现出分层现象, 而稳定的热分层更有利于蓝藻门的生长繁殖[15].
2.3 Chl-a与其他水质指标的关系自然水体中常见的氮和磷浓度对水生生物和人体没有直接的毒性效应[37].但是, 营养盐富集过程中伴随的藻类异常增殖往往造成湖泊生态系统退化, 增加水库水生态安全风险以及对人体健康产生潜在威胁, 这对于具有水源地功能的水体来说, 风险防控十分必要.因此, 控制浮游植物异常增殖是保障水库水生态安全的核心问题.水体Chl-a浓度降低是湖泊富营养化问题得到控制的重要标志[38].我国湖泊(水库)评价中常用的综合营养状态指数(TLI)[39]和我国水利部提出的营养状态指数(EI)[40]都是以Chl-a为核心指标.Chl-a作为浮游植物生物量的直接体现, 其含量既受到各种理化因子和生物因子的控制, 又反过来影响其他水质因子[41].同时, 不同季节因气温和降雨量等环境差异, Chl-a与其他水生态指标的关系会发生变化.基于沙河水库2010~2019年数据构建的不同季节Chl-a与其他理化参数的关系, 构建水库水生态安全评估方程(表 1).DO、TN、TP、BMc和BMb与Chl-a统计关系构建时进行了对数转换(以10为底数), 其余指标, 如SD、高锰酸盐指数和MIB等则与Chl-a直接进行相关分析.
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表 1 沙河水库不同季节Chl-a和各水生态指标的回归分析 Table 1 Relationships between chlorophyll a and water ecological indexes in different seasons in Shahe Reservoir |
结果表明, 除MIB外, 其余指标与Chl-a的关系式均具有统计学意义上的显著性(P < 0.01), 但决定系数R2较低.SD、DO和TP与Chl-a各季节的相关关系差异较大, 但夏季的相关关系最强, R2分别为0.39、0.10和0.20; 不同季节TN和Chl-a的R2均小于0.10, 整体上冬春季的相关性较夏秋季高; 春季高锰酸盐指数、BMc、BMb和Chl-a相关关系最好, R2分别为0.59、0.54和0.33; MIB仅春季和Chl-a的相关关系具有统计学意义上的显著性, 且决定系数较高为0.91(表 1).可见Chl-a和各水生态指标主要是在春夏季的相关关系好.
因此, 为了水库水生态安全管理的便利性和统一性, 选取春夏季沙河水库2010~2019年Chl-a和各水生态指标的评估方程(图 4)作为构建沙河水库水生态安全评价体系的依据.
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图 4 沙河水库春夏季Chl-a与各水生态指标的关系 Fig. 4 Relationships between chlorophyll a and water parameters during spring and summer in Shahe Reservoir |
其中Chl-a和SD呈负相关(R2=0.47), 说明藻类浊度是水下光衰减的主要原因, 藻类生物量越高, 水体透明度越低.Chl-a与MIB(R2=0.36)和高锰酸盐指数(R2=0.40)呈正相关, 说明藻类也是水中有机物的主要组分, 藻类生物量过高, 可能使水体产生异味, 威胁供水安全.
DO与Chl-a呈弱的负相关(R2=0.03), 这可能是由于春夏季水温升高, 藻类以及其他浮游生物迅速繁殖导致水体溶解氧下降, 但总体春夏季表层水的溶解氧值都很高.
TN与Chl-a呈弱的负相关(R2=0.07), 表明在春夏季浮游植物生长并未受到氮的限制.对于颗粒物较少和透明度较高的深水水体, 当氮磷比低于30时, 氮对蓝藻生长的限制作用可能就会出现[42].沙河水库坝前(TM01)春夏季的年平均氮磷比为52.78, 显著高于30, 说明营养盐方面藻类生物量主要受磷影响.春夏季, 藻类迅速繁殖消耗大量的氮磷, 从而使水体中的氮被动下降.TP与Chl-a呈正相关, 其相关系数(R2=0.14).
Chl-a和蓝藻、硅藻生物量均呈正相关, 但Chl-a和BMc的相关系数(R2=0.65)高于和BMb(R2=0.27).对于沙河水库这种中营养化水体, 生态系统不稳定, 在水温较低的春季, 硅藻因更加适应而快速生长成为优势种.在富营养化风险最高的夏季, 蓝藻又成为高浓度Chl-a的主要贡献者, 应注意防范蓝藻水华的发生.
2.4 沙河水库水生态安全评价方案构建在前期构建的江苏省水源地型水库水生态安全评价方法[25](原标准)基础上, 结合图 4中Chl-a与各水生态指标的关系, 进一步优化建立沙河水库的水生态安全评价体系(表 2).指标权重的确定方面, 生态健康层(B1)下的指标层(D层)各指标权重依据该指标与Chl-a的相关系数重新赋值, 即某指标与Chl-a相关性越高, 该指标对应的权重越大.由于某一因素层下的各指标与Chl-a的相关系数(R2)相加并不等于1(如水质因素层下的MIB、SD和DO的相关系数和为0.86), 为了便于计算本文根据指标相关系数的大小对权重做了适当调整.功能健康层(B2)下的各指标权重仍参照原标准中的权重予以赋值, 具体见表 2.如果评价时某指标数据缺失, 将缺失指标的权重平均分给该指标所在因素层的其他指标.水生态安全得分和分级的具体计算方法见文献[25].
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表 2 沙河水库水生态评价指标与权重 Table 2 Indexes and weights of aquatic ecological assessment in Shahe Reservoir |
评价指标标准限值的确定方面, 将MIB 10 ng·L-1作为该指标水生态安全状况良好的对应阈值, 因为10 ng·L-1既是MIB的嗅觉阈值[43], 又是我国生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)[44]中规定的MIB浓度限值.将我国地表水资源质量评价技术规程(SL 395-2007)[40]中Chl-a和SD对应的富营养水平的阈值分别为26μg·L-1和0.5 m作为水生态安全状况一般时对应的Chl-a阈值和水生态安全状况较差时对应的SD阈值.根据SD和MIB确定的安全状况阈值及两者与Chl-a建立的评估方程, 计算出水生态安全状况为良好和较差时的Chl-a阈值分别为17.04μg·L-1和34.32μg·L-1.本文标准限值中水生态安全状况为优秀时的Chl-a阈值仍参照原标准中提出的5μg·L-1.这样, 以Chl-a为核心, 根据MIB、SD、TP、高锰酸盐指数、BMc、BMb和Chl-a的评估方程, 计算出各指标对应的水生态安全状况等级阈值, 但计算出的水生态安全状况为优秀时的MIB浓度为-14.51 ng·L-1, 与实际不符, 故保留原标准中对应等级中MIB浓度5 ng·L-1为优秀时的MIB浓度阈值.由于DO、TN和Chl-a的相关性较差(R2 < 0.1), 因此DO和TN仍参照原标准下的各水生态安全状况等级阈值.水位变幅比(RV)和归一化植被指数(NDVI)的标准限值仍沿用原标准值, 最终建立沙河水库水生态安全评价标准(表 3).
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表 3 沙河水库D层指标标准限值 Table 3 Standard limitation of the D layer index for Shahe Reservoir |
2.5 沙河水库水生态安全状况时空差异
2010~2019年沙河水库各点位春夏季水生态指标均值及水生态安全状况综合得分如表 4.总体来看, 10年来各采样点位的水生态安全状况均处于良好等级, 具体得分上呈河流区(TM08、TM09和TM10)＜过渡区(TM04、TM06和TM07)＜湖泊区(TM01和TM02), 且河流区的SD、Chl-a和TP均处于一般或较差等级, 与实际调查中的情况相符.
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表 4 沙河水库各采样点位水生态安全状况 Table 4 Water ecological security status of each sampling site in Shahe Reservoir |
坝前TM01样点2010~2019年逐年水华高风险期(春夏季)的水生态安全状况如表 5所示. 10年来沙河水库坝前(TM01)水生态安全状况总体优良, 但波动范围较大, 最高得分87.7分出现在2013年, 最低分为2012年的69.4分.主要原因是2012年TP和BMc均达到10年间的最高值(分别为0.037 mg·L-1和4.22 mg·L-1), 分别处于较差和一般等级.
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表 5 沙河水库TM01样点2010~2019年逐年水生态安全状况1) Table 5 Annual water ecological security status of TM01 in Shahe Reservoir from 2010 to 2019 |
TM01样点和TM06样点分别位于水库湖泊区和过渡区, 本次观测的2019年9月至2020年8月期间, 两点水深均值分别为11 m和10 m左右.根据水环境监测规范(SL 219-2013)[45]中规定, 对于水深大于10 m的采样点, 需分3层(水面下0.5 m、水底上0.5 m和中层1/2水深处)进行采样, 衣志国[46]则采用水深每隔1 m设置1个测量点的方式对石河水库的水质进行监测.根据沙河水库TM01的垂向分层数据, 比较了3种分层方案的评价结果. 方案A: 只取0.5 m处1层水样; 方案B: 取0.5、4和10 m深处3层水样; 方案C: 取6层水样, 如表 6.结果表明, 热分层不明显的水体垂向混合期, 不同分层方案下TM01样点水生态安全均为优秀, 得分均为87.0分.分层期(5~8月)各分层方案的水生态安全得分均较混合期低, 为良好等级.但从水生态安全状况综合得分来看, 分层期方案B的综合得分最高, 为73.9分; 方案A得分最低, 为68.0分, 主要原因是方案A的Chl-a、高锰酸盐指数、BMc和BMb均较高, 处于一般等级.
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表 6 不同分层方案下TM01和TM06样点水生态安全状况 Table 6 Water ecological security status of TM01 and TM06 under different stratification schemes |
根据TM06样点水体分层期(5~8月)分5层(水下0.5、2、4、6和8 m深)的垂向监测结果, 也比较了3种分层方案的评价结果.方案A: 只取-0.5 m处1层水样; 方案B: 取水下0.5、4和8 m处3层水样; 方案C: 取5层水样, 结果如表 6.结果表明, 水生态安全评价得分方案A(72.3分)>方案C(66.4分)>方案B(64.1分).主要原因是方案B的MIB、TN和高锰酸盐指数均处于一般等级, 3种分层方案下的水生态安全状况均良好.
2.6 水库生态服务功能的核心问题沙河水库既是溧阳市的饮用水水源地, 又是5A级景区, 供水和旅游是其主要的生态服务功能, 而水体异味物质问题和透明度问题是影响水库生态服务功能质量的核心问题.2020年春夏季MIB和SD与其他水生态指标的相关性如表 7.从中可知, MIB与Chl-a、高锰酸盐指数、SD和DO呈极显著的相关关系, 与TP呈显著相关关系, 且与Chl-a的相关性最好(r=0.91).SD与Chl-a、TP和MIB具有极显著相关性, 与高锰酸盐指数和DO具有显著相关性.这表明营养盐特别是磷进入水库水体后, 导致藻类异常增殖, 引发水体透明度下降等富营养化问题, 并最终造成水体异味物质MIB浓度升高, 这与史鹏程等[47]对江苏水源地型水库异味物质影响因素的分析结果基本一致.基于此, 为保障沙河水库的生态服务功能, 应加强春季营养盐尤其是磷的削减力度, 防止藻类异常增殖导致的水库的异味物质浓度升高, 水体透明度降低等问题, 使各水生态指标均处于良好等级(TP≤0.044mg·L-1、Chl-a≤17.04μg·L-1、MIB≤10ng·L-1和SD≥ 1.07 m).
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表 7 异味物质、透明度和其他水生态指标的Pearson相关性1) Table 7 Pearson correlations between MIB, SD, and other water-quality indexes |
3 讨论 3.1 水库生态安全管理中“一库一策”必要性
水文形态要素(如换水周期)[48, 49]、物理化学要素(如气温和海拔)[50]以及气候变化[51]等均能对浮游植物和营养盐的定量关系产生极大影响.我国水库巨大的自然地理与生态背景差异, 如深水水库和浅水水库、热带水库和温带水库, 必然对应着复杂多变的Chl-a与水质理化参数的定量关系.因此, 全国统一的标准并不合适.针对具体的水库, 管理中应该找各自的敏感指标, 通过长时间的数据观测来确定合适的生态风险阈值.
本文通过对沙河水库为期10a的逐月监测数据的统计分析, 参考前期提出的水源地型水库水生态安全评价标准以及地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中的指标标准限值, 构建沙河水库水生态安全评价体系, 对比各个标准限值如表 8.与原标准相比, 沙河水库的水生态安全评价中的SD、Chl-a和BMc标准限值均有所放宽, 而MIB和BMb则执行更为严格的标准限值.TN和TP较地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中对应的标准限值也更为宽松, 高锰酸盐指数则更为严格.沙河水库水生态安全评价体系的建立, 可以为沙河水库精准实施水库生态安全管理提供科学依据.
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表 8 不同评价方法下指标标准限值的比较1) Table 8 Comparison of the index standard limitation using different evaluation methods |
3.2 沙河水库水生态安全的影响因素
虽然10年来沙河水库水生态安全状况整体优良, 但是水生态安全风险依然存在, 多年来沙河水库Chl-a浓度主要在春夏季(5~7月)达到峰值, 进而导致水体透明度下降和异味物质浓度升高等问题, 但春夏季Chl-a与TN、TP的关系并不好(R2 < 0.2), 说明营养盐可能不是藻类初级生产力变化的决定性因素, 或者说, 只是影响初级生产力变化的因素之一[52].孙祥等[26]在分析水文气象因素对沙河水库硅藻异常增殖的影响时, 发现硅藻异常增殖受水文气象因素异常事件的影响较大, 相比较而言对氮磷营养盐的响应偏弱.盛海燕等[53]通过新安江水库2003~2012年水文气象因子与水质指标之间的相关分析, 发现气温、水温和出库流量与Chl-a浓度均呈显著正相关关系.笪文怡等[54]通过对新安江水库水质及藻类群落结构的高频监测发现, 蓝藻在夏季形成的生物量峰值与高温和暴雨径流有关.朱广伟等[55]对2005~2017年北部太湖水体叶绿素a浓度的影响因素时, 发现叶绿素a浓度与上半年水温积温、总降雨量和年平均水位均呈显著正相关关系.以上研究意味着水文气象条件对湖库中藻类生物量和Chl-a浓度的影响可能会超过营养盐对其的影响.
通过对沙河水库坝前(TM01)点位5~7月Chl-a浓度(Chl-a5-7)与不同时段水温、降雨量和水位分析, 发现Chl-a5-7与上半年(1~6月)的逐月水温积温(WT1-6)具有较高的相关性(R2=0.43), 其相关性明显高于氮、磷与Chl-a浓度的相关性, 说明上半年的积温情况对春末夏初藻类水华具有较强的决定作用, 如图 5.Chl-a5-7与4~5月的累计降雨量(RF4-5)也存在较好的正相关关系(R2=0.31), 说明春季降雨通过地表径流带来的氮磷营养盐对春末夏初浮游植物异常增殖有重要影响.Chl-a5-7与年均水位(WL12)也存在一定的相关关系, 但R2较低为0.13.由于2015年和2013年的5~7月的Chl-a浓度均值分别为6.70μg·L-1和5.97μg·L-1, 与其他年份差异较大, 故在对Chl-a5-7与WT1-6、RF4-5和WL12进行相关分析时将其剔除.
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图 5 沙河水库5~7月水体Chl-a均值与水文气象因子的关系 Fig. 5 Relationships between the average Chl-a in May to July and hydro-meteorological factors |
水库监测布点主要需要考虑两方面因素, 一是测点位置是否具有代表性, 能否准确反映水环境整体状况及污染特征; 二是测点数量能否以最经济的方式获得全面信息[56].根据地表水和污水监测技术规范(HJ/T 91-2002)[57]中提出的尽可能以最少的断面获取足够的有代表性的环境信息, 同时还须考虑实际采样时的可行性和方便性的监测断面布设原则, 鉴于沙河水库河流区、过渡区和湖泊区各水生态指标及水生态安全状况存在较大差异, 但位于同一区域的监测点位水生态安全状况差异较小, 因此建议在每个区域布设一个采样点即可: 河流区保留位于沙河水库最大来水河道平桥河入库口附近的TM10样点; 过渡区保留位于沙河水库抽水蓄能电站抽放水口上游的TM06样点; 湖泊区保留位于水库大坝出水口附近的TM01样点.TM01和TM06样点的水深均在10 m左右, 均存在水体热分层现象, 且分层期不同分层方案的水源地型水库的水生态安全状况综合得分存在一定差异, 但均处于良好等级, 方案B相较于方案A更能反映水库水生态安全状况的垂向变化, 相较于方案C更加经济实用, 因此对于TM01和TM06样点可以在水体分层期(5~8月)选取方案B, 即采用分3层进行采样监测, 而混合期(9月至次年4月)选用方案A, 即只取表层水(水下0.5 m), 即能完成各水生态指标的测定.位于河流区年平均水深为2 m左右的TM10样点, 并无明显分层现象产生[14], 因此只采表层水样即可.
4 结论(1) 10 a的逐月水生态监测数据分析发现, 沙河水库各水生态指标均具有一定的时空差异: SD夏秋季显著低于冬春季, 且河流区＜过渡区＜湖泊区; 河流区DO、TP、TN、Chl-a、高锰酸盐指数、BMb和BMc均较过渡区和湖泊区的高.夏秋季DO和TN浓度较低, 而TP, Chl-a、高锰酸盐指数和BMc浓度较高.
(2) 沙河水库各水生态指标垂向分布特征显示, 季节性水温分层对水库异味物质浓度、藻类生物量及其群落结构产生明显影响, 因此在水库管理过程中应关注热分层带来的不利影响.
(3) 本研究提出了符合沙河水库特点的以叶绿素a为核心的水库水生态安全评价优化方案, 并对水库的水生态安全状况进行综合评价, 结果显示, 10年来水库水生态安全状况整体优良, 但年际波动较大且不同区域的水生态安全得分差异较大, 对于存在热分层的区域采取季节性分3层采样的方案更经济可靠.
(4) 营养盐特别是磷随地表径流进入水体后, 导致藻类季节性异常增殖, 引发水体透明度下降, 并最终造成水体异味物质MIB浓度升高的问题是影响水库生态服务功能的核心问题, 因此在水库水生态管理上既要防范藻类水华问题也要加强对水文气象条件的观测.
致谢: 赵峰、郭宇龙、王子聪和唐伟等硕士研究生在野外采样给予帮助, 胡春华副研究员、叶小锐和刘莉实验员协助完成样品分析与处理, 在此一并感谢！
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