贡湖水源地富营养化状态评价及防治对策

中国环境学会  2011年 06月22日

  王阳阳1,霍元子1,马家海1,陈斌斌1,姚垚2,丁士明2,何培民1*, [1]
  (1 上海海洋大学,水域环境与生态工程研究中心,上海,中国,201306)
   (2 中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京,中国,210008)  wangyang0121@hotmail.com,


  摘要:利用野外调查方法,于2008-2009年对太湖贡湖流域金墅港、田鸡港、龙塘港进行了水质周年调查,并调查了3月-6月的浮游植物情况。利用综合营养指数法,以叶绿素a、总氮、总磷、高锰酸盐指数、透明度为主要水质指标并结合浮游植物指标对不同季度水质营养状况进行分析和评价。结果表明:贡湖水源地河流水体富营养化风险较大,主要污染指标为总氮和总磷。水源地3月份和6月份均处于富营养化状态,其中3月份达到中度富营养化。秋冬季节水源地水质为中营养。结合调查结果及贡湖水源地水文情况,提出了防治水环境恶化的生态修复对策。
  关键词:贡湖, 富营养化评价, 综合营养指数, 生态修复
   
  Eutrophication Status Evaluation to Water Sources Area of Gong Hu and Control Measures
  Yangyang Wang1,Yuanzi Huo1,Jiahai Ma1, Binbin Chen1,Yao Yao2, ShiMing Ding2, Peimin He1 *
  (1 Shanghai Ocean University, water environment & ecology engineering research center, shanghai, China, 201306)
  (2 Chinese Academy of Sciences, Najing Institute of Geography and limnology, Nanjing, China, 210008)
  Abstract:Using field survey methods, we conducted an annual survey of water quality in Jinshu Harbor, Tianji Harbor and Longtang Harbor of Gong Hu of Taihu Lake, in 2008-2009. From March to June, we collected the phytoplankton samples. The water Quality and nutriture was evaluated by Integrated Nutrition Index Method, which use the Chl a, TN, TP, CODMn, SD as the main water quality indicators and the phytoplankton data as bio-indicators. The results showed that: Gong Hu headwater areas had a greater risk of being eutrophia. The major pollution indicators was TN and TP. In March and June the water quality are in a eutrophic state, which in March reached moderate eutrophication. Autumn and winter the water quality was in moderate nutrition. Ecological restoration measures was posed to prevent the water from deteriorating.
  Key Words:Gong Hu, Eutrophia evaluation, Integrated Nutrition Index, ecological restoration
 

  目前,我国湖泊富营养化程度日益加剧。本世纪以来,太湖蓝藻水华的暴发呈多峰形状态。太湖沙渚水源地藻类生物量的两峰三阶段的特征进一步表明,太湖蓝藻水华的暴发进入了高频期[2]。王志红[3]认为高水平的初始氮、磷含量,使藻类具有了很大的生长与繁殖潜力。湖水中N、P元素的增加是藻类大量繁殖的必需条件,底泥中营养物的释放是缓慢而长期的,然而水环境一旦恶化,恢复将是一个艰难而漫长的过程[4]。太湖贡湖水源地是白洋湾水厂、相城水厂的取水口,此处的水质直接关系到苏州市民的饮用水安全。2007年,贡湖湾水厂发生了严重的水危机事件[5],严重威胁到了苏州市民的正常生活。因而,对当前水质状况做出合理评价并防止水体环境恶化是至关重要的。
  营养状态指数法最早由Carlson建立[6],日本的Aizaki等对其进行了修正和完善[7~8]。此方法评价范围全面,评价因子综合考虑了总氮、总磷、透明度、叶绿素、高锰酸盐指数,克服了单一评价因子评价的不足并可对湖泊营养状态进行连续的数值化的分级,从而可为湖泊富营养化机理的定量研究提供坚实基础。
     本文采用营养状态指数法,并结合生物指标对贡湖水源地河流水体进行了周年营养状态评价,并对其生态防治对策进行了初步探讨,为后期生态修复工程提供理论和数据支持。
 

  1. 材料与方法
 

  1.1 采样点设置
  太湖贡湖水源地位于苏州市高新区西部临湖地带,其中金墅港、龙塘港、田鸡港三条主要入湖河流横贯东西,田鸡港位于金墅港北面,龙塘港则位于金墅港南面。本次重点调查了作为主干河道的金墅港。共设13个采样点,采样点如图1所示:
  1.2 浮游生物的采集与水样处理
  自2008 年12月~2009年9月每3个月采水样1次共采样4 次,分别作为四个季度的参考数据。其中浮游植物定量采集1L,加10% 鲁哥氏液固定后浓缩至30mL镜检。同时使用Secchi盘现场测定水体透明度(SD)。
  叶绿素Chla采用丙酮法测定[9]。TN、TP、CODMn均按照国家地表水质量标准GB3838-2002进行测定。
  1.3 数据处理
  综合营养状态指数计算公式:
  TLI(chl)=10(2.5+1.0861nchl)               (1)                                       
  TLI(TP)=10(9.436+1.6241nTP)             (2)                                      
  TLI(TN)=l0(5.453+1.6941nTN)             (3)                                          
  TLI(SD)=l0(5.118-1.941nSD)               (4)                                          
  TLI(CODMn)=10(0.109+2.661InCODMn)      (5)                                                           
  式中:LTI(Σ)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)为第j 种参数的营养状态指数。
  中国湖泊(水库)的chla与其它参数之间的相关关系rij 及rij2见表1[ 10]。湖泊富营养化状态分级标准见表2。  
  表. 1 中国湖泊(水库)部分的参数与chla的相关关系rij 、rij2值及Wj

  参数

Chla

TP

TN

SD

CODMn

rij

1

0.84

0.82

-0.83

0.83

rij2

1

0.7056

0.6724

0.6889

0.6889

Wj权重

0.2663

0.1879

0.17903

0.18342

0.18342

  注:表中Wj 来源于中国26个主要湖泊调查数据的计算结果。
  表. 2 水质类别与评分值

  平分值TLI(Σ)

营养状态分级

TLI(Σ)<30

贫营(Oligotropher)

30≤TLI(Σ)≤50

中营(Mesotropher)

TLI(Σ)>50

富营养(Eutropher)

50

轻度富营养(Light eutropher)

60

中度富营养(Middle eutropher)

TLI(Σ)>70

重度富营养(Hyper eutropher)

      数据处理主要采用数理统计学方法,利用Origin 7.5 软件和Exel软件进行数据分析及作图。


  2 结果与分析
 

  2.1 河道水体水质及等级状况
  由图2可以看出,金墅港、田鸡港、龙塘港水体中TP、CODMn指标全年变化不大,且三条河道中两项指标含量均相当;3月份TN和叶绿素a含量显著高于其他调查月份,其中TN金墅港和田鸡港略高于龙塘港,而叶绿素a 田鸡港最高。表3为四个季度金墅港、田鸡港、龙塘港三条河道各站位水化指标的平均值,依据地表水环境质量标准GB2002-3838,对三条河道的水质情况进行分级可以看出,TP指标四个季度除田鸡港9月份为Ⅱ类水外,其余均超出Ⅳ类水;CODMn除12月份金墅港和田鸡港达到Ⅳ外,其他均为Ⅲ类;6月份三条河道TN含量有所下降,但仍超过国家地表水水质Ⅴ类标准,TN超标现象依然严重。12月份,TN含量大幅降低,金墅港、田鸡港降至Ⅲ类水质,但龙塘港依然为Ⅳ类水质。叶绿素a 含量在3月份极显著高于其他季节,平均达到273.169mg/L。   
  表. 3 三条河道主要水化指标调查结果及水质分级情况

  时间

站位

水化指标

Chla(mg/L)

TP(mg/L)

TN(mg/L)

SD(m)

CODMn(mg/L)

3

金墅港

256.358±12.82

0.115±0.06()

8.09±0.39()

0.988±0.05

5.274±0.51()

田鸡港

330.196±16.51

0.124±0.04()

8.592±0.35()

0.633±0.03

5.680±0.51()

龙塘港

232.953±11.65

0.106±0.01()

5.617±0.28()

0.575±0.03

4.764±0.24()

6

金墅港

9.613±1.15

0.146±0.01()

4.521±1.09()

0.458±0.16

4.539±0.18(

田鸡港

9.178±1.42

0.109±0.01()

3.878±0.75()

0.393±0.29

4.011±0.12()

龙塘港

9.230±2.89

0.134±0.01()

2.460±0.979()

0.583±0.23

4.255±0.28()

9

金墅港

4.063±1.80

0.057±0.003()

0.839±0.05()

0.836±0.40

4.476±0.48()

田鸡港

5.978±1.28

0.012±0.01()

0.973±0.12()

0.450±0.12

4.087±0.65()

龙塘港

17.754±2.77

0.166±0.08()

1.162±0.69()

0.908±0.33

5.304±1.59()

12

金墅港

5.405±0.98

0.119±0.098()

0.422±0.18()

0.400±0.02

6.155±0.28()

田鸡港

3.528±0.14

0.110±0.01()

0.354±0.01()

0.300±0.07

6.153±0.31()

龙塘港

4.000±0.43

0.074±0.10()

1.261±0.19()

0.400±0.24

5.983±1.28()

  
  2.2 水体营养状态评价
  采用综合营养指数法,以叶绿素a、总氮、总磷、高锰酸盐指数、透明度为主要水质指标对贡湖水源地四个季度的水质情况进行营养状态评价。表3 为综合评价的计算成果表,由计算结果可知,水源地3月份和6月份均处于富营养化状态,其中3月份达到中度富营养化。秋冬季节水源地水质为中营养。
  表. 4 综合状态指数法计算成果表

 

  时间

站位

LTI(chla)

LTI(TP)

LTI(TN)

LTI(SD)

LTI(CODMn)

LTI(Σ)

营养状态

3

金墅港

22.695

11.135

16.088

9.432

3.781

63.13

中度富营养

田鸡港

23.427

11.367

16.270

11.013

3.945

66.02

中度富营养

龙塘港

22.418

10.872

14.984

11.357

3.555

63.19

中度富营养

6

金墅港

13.201

11.866

14.327

12.170

3.447

55.01

轻度富营养

田鸡港

13.067

10.975

13.863

12.708

3.173

53.79

轻度富营养

龙塘港

13.083

11.603

12.486

11.305

3.304

51.78

轻度富营养

9

金墅港

10.710

9.000

9.233

10.025

3.416

42.39

中营养

田鸡港

11.827

4.110

9.679

12.229

3.215

41.06

中营养

龙塘港

14.974

12.250

10.217

9.730

3.793

50.97

中营养

12

金墅港

11.536

11.242

7.149

12.648

4.123

46.70

中营养

田鸡港

10.302

10.987

6.620

13.672

4.123

45.70

中营养

龙塘港

10.665

9.802

10.464

12.648

4.061

47.64

中营养

  
  2.3 浮游生物调查结果
  图3为3月份和6月份的浮游植物调查结果显示,6月份浮游植物总密度显著高于3月份,分别为30.61×105ind·L-1和16.59×105ind·L-1,其中绿藻门密度为两个月中最高,分别为11.97×105ind·L-1和6.563×105ind·L-1月份共发现硅藻门45个种,绿藻门31种,蓝藻门11种,分别占总种数的42.45%、29.25%和10.38%。6月份绿藻门数量增加,为62种,占总种数的40.52%,其次为硅藻门和蓝藻门,分别占总种数的30.07%和11.11%。基于优势种的评价表明,优势种与营养状态的对应关系一般为[12 ]:金藻门-贫营养;隐藻门-贫、中营养;甲藻门-中营养;硅藻门-中富营养;硅藻门、绿藻门-富营养;蓝藻门、绿藻门-重富营养。表5 为各门优势种分布情况。
  表.5 3月份和6月份贡湖水源地浮游植物优势种类统计

  3月份

6月份

蓝藻门

二分双色藻(Cyanobium distomicola

蓝藻门

沼泽颤藻(Oscillatoria lacustris

针状蓝纤维藻(Dactyloccopsis acicularis

二分双色藻(Cyanobium distomicola

绿藻门

小球藻(Chlorella vulagaris

绿藻门

球衣藻(Chlamydomonas globosa

绿柄球藻(Stylosphaeridium stipitatum

月牙藻(Selenastrum bibraianum

莱哈衣藻(Chlamydononas reinhardi

小球藻(Chlorella vulagaris

四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda

波吉卵囊藻(Oocystis borgei

月牙藻(Selenastrum bibraianum

集球藻(Palmellococcus miniatus

四角十字藻(Crucigenia quadrata

硅藻门

尖针杆藻(Synedra acus

硅藻门

扭曲小环藻(Cyclotella comta

肘状针杆藻(Synedra ulna

美丽星杆藻(Asterionella  formosa

短线脆杆藻(Fragilaria brevisriata

日本星杆藻(Asterionella  japonica

黄藻门

拟气球藻(Botrydiopsis arhiza

黄藻门

近缘黄丝藻(Tribonema affine )

小型黄丝藻(Tribonema ulothrichoides )

隐藻门

具尾蓝隐藻(Chroomonas caudata

隐藻门

啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa

啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa

具尾蓝隐藻(Chroomonas caudata

  
  3 讨论


  3.1 贡湖水源地保护区河流水质综合状况
  有关调查结果表明[10],我国大中型湖泊和水库的总氮含量一般在2.5mg/L以下,只有南四湖等少数湖泊总氮含量能够超过3mg/L,而一些城郊小湖泊总氮含量较高,可以超过8.3mg/L。本次调查3月份金墅港、田鸡港均超过8.0 mg/L。较高的氮磷含量导致了3月份叶绿素浓度出现极高现象。总磷含量普遍超过III类标准,全部超过0.05mg/L,达到形成水华低限,这将对取水口水质造成非常不利的影响。
  据有关研究[11 ],浮游植物数量小于3×105 ind·L-1为贫营养,3×105~10×105 ind·L-1为中营养型,大于10×105 ind·L-1的为富营养型。然而,由于各种藻类对营养因子和其他环境条件的变化有适应能力,同一种优势藻类也可以反映不同的营养类型,因而还要结合其他评价指标综合考虑[ 13]。根据图3 所示各水体浮游植物总的密度和种类比例,对比上述标准可以看到,无论从密度还是从优势种看,3月份和6月份全部水体均属于富营养型,这与综合营养指数法得出的结果基本一致。
  3.2 防治河道富营养化的生态修复对策
  贡湖水源保护区河网分布密集,纵横交错,其中金墅港、龙塘港、田鸡港三条主要入湖河流横贯东西,均是贡湖水源保护区主要污染输入通道。为改善自来水水源地水质,保障城市供水安全,苏州市已于2008年1-4月对太湖金墅水源地取水口进行底泥疏浚清淤,清淤范围为取水口一级保护区、二级保护区的局部以及二级保护区外侧淤泥较深区,经过清淤工程,金墅湾取水口及其流域水质有所改善,但清淤范围仅限于部分主要河道,支流河道的污染状况仍很严重。
  沉水植被的恢复和重建是贡湖水源地水质稳定和改善的关键。况琪军等[17]研究表明,沉水植物苦草、沮草、伊乐藻对藻类有抑制作用,因此提出利用水生植物对藻类的克制效应控制藻类的恶性增长,提高水体的自净能力。另外,水生植物的水质净化功能还表现在对湖水中污染物的吸附净化和促进沉降等方面[14]。
  水生植物都有较高的生长率和水质保护功能, 尤其是耐寒植物伊乐藻在冬季具有较强的净化能力, 保证了所建常绿型水生植被较强的环境生态功能及其周年连续性, 这种植被可用于局部性水质保护等目的[14]。
  调查中发现,尽管贡湖水源地三条河道的沉水植物覆盖率较大但种类过于单一,其中金墅港90%被菊花草覆盖。这种单一的水生植物群落结构,极易造成生态系统的不稳定和水质的恶化。因此,合理配置水生植物群落,构建健康的生态系统是改善水质的根本途径。
 

  参考文献
  [2]  张宁红等.太湖蓝藻水华爆发的主要特征初析[J].中国环境监测,2009,25(1):71-74。
  [3]  王志红等.氮磷与“藻华”生物量预测的模型探讨[J].哈尔滨工业大学学报,2006,38(5):740-743.
  [4]  范成新,王春霞.长江中下游湖泊环境地球化学与富营养化[M].北京:科学出版社,2007.
  [5]  中国科学院南京地理与湖泊研究所.太湖梅梁湾2007年蓝藻水华形成及取水13污水团成因分析与应急措施建议[J]湖泊科学,2007,19(4):357-358.
  [6]  Carlson R E. A trophic state index for lakes[J]. Limnology and Oceanography, 1977, 22(2): 361-369.
  [7]  Aizaki M, et al. Application of modified Carlson’s trophic state index to Japanese lakes and its relationships to other paramters related to trophic state[J]. Res. Rep. Natl. Inst. Environ. Stud., 1981, 23: 13-31.
  [8] Goda T.Comprehensive studies on the eutrophication of freshwater areas. XI: summary of researches[J]. The National Institute for Enviromental Studies, 1981, (27): 59-71.
  [9]  金相灿,屠清瑛.湖泊富营养化调查规范(第二版)[M].中国科学出版社,1990, 274-276.
  [10] 金相灿,刘鸿亮,屠清瑛等.中国湖泊富营养化[M].北京:中国环境科学出版社,1990.
  [11] 阮仁良.上海水环境研究[M].北京:科学出版社,2000.
  [12] 沈治蕊,卞小红,赵燕,等. 南京煦园太平湖富营养化及其防治[J]. 湖泊科学,1997,12(4):377-380
  [13] 蔡庆华.湖泊富营养化评价方法[J].湖泊科学,1997,9(1):89-94.
  [14] 李文朝.富营养水体中常绿水生植被组建及净化效果研究[J] .中国环境科学,1997,17(1):53–57.
  [15] 种云霄.利用沉水植物治理水体富营养化[J].广州环境科学,2005,(9):41–43.
   
  
  [1]国家水体污染控制与治理科技重大项目(2008ZX07101-012)、上海市科委重点科技攻关项目(09391912000)、上海市科委应用基础研究项目(09DZ1200903)、上海市水生生物学重点学科资助项目(S30701)。
  *通讯作者:Email: pmhe@shou.edu.cn
   


 

 

 

  

 
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